計(jì)算機(jī)組成原理(本全)課件目錄CONTENTS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述中央處理器(CPU)存儲(chǔ)器系統(tǒng)輸入輸出(I/O)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)01計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述電子管計(jì)算機(jī)，20世紀(jì)40年代中期至50年代末期，主要用于軍事和科學(xué)研究領(lǐng)域。第一代計(jì)算機(jī)晶體管計(jì)算機(jī)，20世紀(jì)50年代末期至60年代中期，開始應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域。第二代計(jì)算機(jī)集成電路計(jì)算機(jī)，20世紀(jì)60年代中期至70年代初，開始出現(xiàn)個(gè)人電腦。第三代計(jì)算機(jī)大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)，20世紀(jì)70年代初至今，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。第四代計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程硬件系統(tǒng)包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備等主要部分。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)中最基本、最重要的部分，負(fù)責(zé)管理和調(diào)度計(jì)算機(jī)的軟硬件資源。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制數(shù)制進(jìn)行運(yùn)算和存儲(chǔ)。二進(jìn)制數(shù)制計(jì)算機(jī)按照程序中預(yù)定的指令序列進(jìn)行自動(dòng)執(zhí)行。指令和程序?qū)⒊绦蚝蛿?shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，根據(jù)指令從存儲(chǔ)器中取出數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行運(yùn)算和傳輸。存儲(chǔ)程序原理計(jì)算機(jī)的工作原理02中央處理器(CPU)控制和運(yùn)算計(jì)算機(jī)指令，處理數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各部分工作。功能運(yùn)算器、控制器、寄存器、高速緩存等。組成CPU的功能和組成CPU從內(nèi)存中讀取指令，解碼并執(zhí)行，將結(jié)果存回內(nèi)存或寄存器。指令執(zhí)行將指令執(zhí)行過(guò)程拆分成多個(gè)階段，每個(gè)階段由不同的硬件單元完成，以提高執(zhí)行效率。流水線技術(shù)通過(guò)多核技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)指令的同時(shí)執(zhí)行，提高CPU的處理能力。并行處理CPU的工作原理CPU時(shí)鐘頻率，影響指令執(zhí)行速度。主頻緩存容量一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)緩存IPC（每周期指令數(shù)）CPU內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的容量，直接影響CPU訪問(wèn)內(nèi)存的次數(shù)。為了解決CPU高速處理和內(nèi)存低速訪問(wèn)之間的矛盾，CPU內(nèi)部設(shè)置的各級(jí)緩存。CPU每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行的指令數(shù)，是衡量CPU性能的重要指標(biāo)。CPU的性能指標(biāo)03存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器的分類和作用根據(jù)存儲(chǔ)器的功能和位置，可以分為內(nèi)存和外存兩大類。內(nèi)存是計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器，用于存放運(yùn)算數(shù)據(jù)和程序代碼；外存則是計(jì)算機(jī)外部存儲(chǔ)器，用于長(zhǎng)期保存大量數(shù)據(jù)和程序。分類存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的重要組成部分，它負(fù)責(zé)存儲(chǔ)程序運(yùn)行過(guò)程中所需的數(shù)據(jù)、指令等信息，使得CPU能夠快速、準(zhǔn)確地讀取和寫入數(shù)據(jù)，從而完成程序的執(zhí)行。作用內(nèi)存由多個(gè)存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)單元可以存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。當(dāng)CPU需要讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)時(shí)，會(huì)通過(guò)地址總線發(fā)送地址信號(hào)，內(nèi)存控制器根據(jù)地址信號(hào)找到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元，完成數(shù)據(jù)的讀取或?qū)懭氩僮?。工作原理?nèi)存的組織結(jié)構(gòu)通常采用線性編址方式，即將內(nèi)存單元按照一定順序排列，每個(gè)單元都有一個(gè)唯一的地址。內(nèi)存的容量大小由地址總線的位數(shù)決定，地址總線位數(shù)越多，可訪問(wèn)的內(nèi)存單元數(shù)量就越多。組織結(jié)構(gòu)內(nèi)存的工作原理和組織結(jié)構(gòu)高速緩存高速緩存是一種特殊的存儲(chǔ)器，位于CPU和主存之間，用于存儲(chǔ)CPU近期訪問(wèn)過(guò)的數(shù)據(jù)和指令。由于CPU訪問(wèn)高速緩存的速度遠(yuǎn)高于訪問(wèn)主存的速度，因此高速緩存可以顯著提高程序的執(zhí)行效率。交互作用當(dāng)CPU需要訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)首先訪問(wèn)高速緩存。如果數(shù)據(jù)在高速緩存中，CPU可以直接讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)；如果數(shù)據(jù)不在高速緩存中，則CPU需要將數(shù)據(jù)從主存中讀取到高速緩存中，然后再進(jìn)行操作。這種高速緩存和主存的交互作用可以減少CPU等待時(shí)間，提高程序的執(zhí)行效率。高速緩存和主存的交互作用04輸入輸出(I/O)系統(tǒng)VS輸入輸出(I/O)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中負(fù)責(zé)與外部世界進(jìn)行交互的部分，它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入、輸出以及與外部設(shè)備的通信。組成I/O系統(tǒng)通常由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、接口電路和I/O控制器等組成。輸入設(shè)備用于將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中，而輸出設(shè)備則用于將數(shù)據(jù)從計(jì)算機(jī)輸出到外部環(huán)境中。接口電路是連接計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線與外部設(shè)備的橋梁，而I/O控制器則負(fù)責(zé)管理整個(gè)I/O系統(tǒng)的操作。功能I/O系統(tǒng)的功能和組成串行接口01串行接口是一種逐位傳輸數(shù)據(jù)的接口方式，常見的串行接口有RS-232、USB等。串行接口的優(yōu)點(diǎn)是傳輸線少、成本低，適用于距離較近的設(shè)備間通信。并行接口02并行接口是一種同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)位的接口方式，常見的并行接口有IEEE1284等。并行接口的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)接口03網(wǎng)絡(luò)接口是計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的接口方式，常見的網(wǎng)絡(luò)接口有以太網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)卡等。網(wǎng)絡(luò)接口使得計(jì)算機(jī)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與其他計(jì)算機(jī)或設(shè)備進(jìn)行通信。I/O設(shè)備的接口方式程序查詢方式是一種由程序直接控制I/O設(shè)備的方式。在程序查詢方式中，程序需要不斷查詢?cè)O(shè)備的狀態(tài)，以確定設(shè)備是否準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果設(shè)備未準(zhǔn)備好，程序需要等待；如果設(shè)備已準(zhǔn)備好，程序才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。程序查詢方式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易懂，但缺點(diǎn)是效率低下。中斷方式是一種由硬件實(shí)現(xiàn)的I/O控制方式。在中斷方式中，當(dāng)I/O設(shè)備準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，會(huì)向CPU發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)。CPU在接收到中斷信號(hào)后，會(huì)暫停當(dāng)前任務(wù)，轉(zhuǎn)而處理I/O設(shè)備的請(qǐng)求。中斷方式的優(yōu)點(diǎn)是效率高，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸；但缺點(diǎn)是需要硬件支持，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。DMA方式是一種由DMA控制器實(shí)現(xiàn)的I/O控制方式。在DMA方式中，當(dāng)I/O設(shè)備準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，會(huì)向DMA控制器發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)。DMA控制器在接收到請(qǐng)求信號(hào)后，會(huì)直接與內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而不需要CPU的參與。DMA方式的優(yōu)點(diǎn)是效率高，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸；但缺點(diǎn)是需要額外的硬件支持，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。程序查詢方式中斷方式DMA方式I/O設(shè)備的控制方式05計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)層提供系統(tǒng)軟件，如操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序等，用于管理硬件資源、調(diào)度任務(wù)和提供應(yīng)用程序接口。應(yīng)用程序?qū)影ǜ鞣N應(yīng)用程序，如辦公軟件、游戲、瀏覽器等，為用戶提供所需的功能和界面。硬件層包括中央處理器、內(nèi)存、輸入/輸出設(shè)備等硬件組件，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)傳輸。計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)能耗評(píng)估計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)的能源消耗，通常以每秒每瓦特執(zhí)行的百萬(wàn)條指令數(shù)（MIPS/W）來(lái)衡量。運(yùn)算速度評(píng)估計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令和計(jì)算數(shù)據(jù)的速度，通常以每秒執(zhí)行的百萬(wàn)條指令數(shù)（MIPS）或浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)（FLOPS）來(lái)衡量。存儲(chǔ)容量評(píng)估計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力，包括內(nèi)存大小、硬盤容量等?？煽啃栽u(píng)估計(jì)算機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)無(wú)故障運(yùn)行的能力，通常以平均故障間隔時(shí)間（MTBF）來(lái)衡量。計(jì)算機(jī)的性能評(píng)估并行處理通過(guò)多個(gè)處理器同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，以提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能和效率。并行處理可以分為時(shí)間并行和空間并行