《計(jì)算機(jī)組成原理》課件歡迎來(lái)到《計(jì)算機(jī)組成原理》課程，我們將共同探索計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，理解其工作原理，并學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高效的計(jì)算系統(tǒng)。課程簡(jiǎn)介課程目標(biāo)本課程旨在幫助學(xué)生了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成和工作原理，掌握計(jì)算機(jī)硬件的組成和功能，并能運(yùn)用這些知識(shí)進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。課程內(nèi)容本課程將涵蓋以下內(nèi)容：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述、計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展歷程、數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算、存儲(chǔ)系統(tǒng)、CPU的工作過程、指令系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、總線結(jié)構(gòu)、緩存技術(shù)、虛擬存儲(chǔ)器、操作系統(tǒng)與硬件的關(guān)系以及并行處理技術(shù)等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)的物理組成部分，包括中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備等。硬件系統(tǒng)為軟件系統(tǒng)提供運(yùn)行平臺(tái)和資源。軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)是指為計(jì)算機(jī)提供指令和數(shù)據(jù)的程序集合，包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等。軟件系統(tǒng)通過硬件系統(tǒng)的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)特定功能和任務(wù)。計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展歷程1第一代：電子管計(jì)算機(jī)(1946-1959)使用電子管作為主要元件，體積龐大、功耗高、速度慢，以ENIAC和EDSAC為代表。2第二代：晶體管計(jì)算機(jī)(1959-1964)使用晶體管代替電子管，體積縮小、功耗降低、速度提高，以IBM1401和IBM7090為代表。3第三代：集成電路計(jì)算機(jī)(1964-1971)使用集成電路代替晶體管，體積進(jìn)一步縮小、功耗更低、速度更快，以IBM360系列為代表。4第四代：大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)(1971-至今)使用大規(guī)模集成電路，計(jì)算機(jī)的性能和功能不斷提升，出現(xiàn)了微型計(jì)算機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)等。計(jì)算機(jī)硬件的基本組成單元中央處理器(CPU)計(jì)算機(jī)的核心部件，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令、控制數(shù)據(jù)處理。存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序，包括主存儲(chǔ)器(RAM)和輔助存儲(chǔ)器(硬盤、閃存等)。輸入輸出設(shè)備(I/O)用于與外部世界交互，包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等。系統(tǒng)總線連接各個(gè)部件的通信通道，用于傳遞數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。數(shù)據(jù)的表示二進(jìn)制數(shù)制使用0和1兩種數(shù)字表示數(shù)據(jù)，是計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的基礎(chǔ)。十進(jìn)制數(shù)制我們?nèi)粘Ｊ褂玫臄?shù)制，使用0到9十個(gè)數(shù)字表示數(shù)據(jù)。其他數(shù)制還包括八進(jìn)制和十六進(jìn)制等，常用于簡(jiǎn)化二進(jìn)制數(shù)據(jù)的表示。數(shù)制轉(zhuǎn)換1十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制不斷除以2取余數(shù)，余數(shù)按逆序排列即為二進(jìn)制數(shù)。2二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制將二進(jìn)制數(shù)的每一位乘以2的對(duì)應(yīng)位權(quán)，然后相加得到十進(jìn)制數(shù)。3其他數(shù)制轉(zhuǎn)換可先將其他數(shù)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，然后再轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制。運(yùn)算方式1加法運(yùn)算：兩個(gè)數(shù)相加。2減法運(yùn)算：兩個(gè)數(shù)相減。3乘法運(yùn)算：兩個(gè)數(shù)相乘。4除法運(yùn)算：兩個(gè)數(shù)相除。5取模運(yùn)算：求兩個(gè)數(shù)相除的余數(shù)。邏輯運(yùn)算與運(yùn)算只有當(dāng)兩個(gè)操作數(shù)都為真時(shí)，結(jié)果才為真?；蜻\(yùn)算只要有一個(gè)操作數(shù)為真，結(jié)果就為真。非運(yùn)算將操作數(shù)取反。異或運(yùn)算當(dāng)兩個(gè)操作數(shù)不同時(shí)，結(jié)果為真。存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元的地址每個(gè)存儲(chǔ)單元都有一個(gè)唯一的地址，用于標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)單元的位置。存儲(chǔ)單元的內(nèi)容存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的是數(shù)據(jù)，可以是數(shù)值、字符、指令等。寄存器通用寄存器用于存放通用數(shù)據(jù)，可供CPU進(jìn)行各種運(yùn)算。地址寄存器用于存放內(nèi)存地址，用于訪問存儲(chǔ)器。程序計(jì)數(shù)器(PC)用于存放下一條要執(zhí)行的指令地址。狀態(tài)寄存器用于存放CPU的狀態(tài)信息，例如進(jìn)位標(biāo)志、溢出標(biāo)志等。存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)1高速緩存(Cache)速度最快、容量最小，用于存放經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)。2主存儲(chǔ)器(RAM)速度較快、容量中等，用于存放正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。3輔助存儲(chǔ)器(硬盤)速度最慢、容量最大，用于長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)。RAM和ROMRAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)可讀寫，速度快，斷電后數(shù)據(jù)丟失。ROM(只讀存儲(chǔ)器)只能讀，速度慢，斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)1容量存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，單位為字節(jié)(Byte)或字(Word)。2速度存儲(chǔ)器訪問數(shù)據(jù)的速度，單位為納秒(ns)或微秒(us)。3價(jià)格存儲(chǔ)器每單位容量的價(jià)格，單位為元/GB或美元/GB。CPU的工作過程取指令從存儲(chǔ)器中讀取指令。1解碼指令分析指令，確定指令的操作和操作數(shù)。2執(zhí)行指令根據(jù)指令的操作，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。3寫回結(jié)果將處理結(jié)果寫入存儲(chǔ)器。4CPU的基本結(jié)構(gòu)運(yùn)算器執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算?？刂破骺刂普麄€(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括指令的獲取、解碼和執(zhí)行。寄存器組用于存放數(shù)據(jù)和指令，加快CPU的訪問速度。內(nèi)部總線連接CPU內(nèi)部各個(gè)部件，傳遞數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。中央處理器算術(shù)邏輯單元(ALU)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算?？刂茊卧?CU)控制整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括指令的獲取、解碼和執(zhí)行。寄存器組用于存放數(shù)據(jù)和指令，加快CPU的訪問速度?？刂茊卧噶钭g碼將指令的二進(jìn)制代碼翻譯成控制信號(hào)。指令執(zhí)行控制根據(jù)譯碼結(jié)果，控制各個(gè)部件完成指令的操作。時(shí)序控制控制各部件的操作順序和時(shí)間。算術(shù)邏輯單元算術(shù)運(yùn)算加減乘除等運(yùn)算。邏輯運(yùn)算與、或、非等運(yùn)算。移位運(yùn)算將數(shù)據(jù)向左或向右移動(dòng)。比較運(yùn)算比較兩個(gè)操作數(shù)的大小。指令格式指令執(zhí)行過程1取指令從存儲(chǔ)器中讀取指令。2指令譯碼分析指令，確定指令的操作和操作數(shù)。3執(zhí)行指令根據(jù)指令的操作，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。4寫回結(jié)果將處理結(jié)果寫入存儲(chǔ)器。流水線技術(shù)概念流水線技術(shù)將指令執(zhí)行過程分解成多個(gè)階段，每個(gè)階段完成一個(gè)特定的操作，多個(gè)指令可以同時(shí)在不同的階段執(zhí)行，提高了CPU的效率。優(yōu)點(diǎn)提高指令執(zhí)行速度，提高系統(tǒng)吞吐量。中斷機(jī)制1概念中斷機(jī)制允許CPU在執(zhí)行程序時(shí)，根據(jù)外部事件或內(nèi)部異常情況，暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而去處理中斷事件。2類型包括硬件中斷和軟件中斷。3作用提高系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理，提供實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。輸入輸出系統(tǒng)鍵盤用于輸入字符和控制指令。鼠標(biāo)用于控制光標(biāo)移動(dòng)和選擇操作。顯示器用于顯示輸出信息。打印機(jī)用于將計(jì)算機(jī)輸出的信息打印出來(lái)。I/O接口功能負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)CPU和I/O設(shè)備之間的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和控制。作用將不同的I/O設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為各種設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)化的接口。I/O控制方式1程序控制方式CPU直接控制I/O設(shè)備，效率低，占用CPU資源。2中斷控制方式I/O設(shè)備通過中斷信號(hào)通知CPU，效率較高，但CPU需要響應(yīng)中斷。3DMA控制方式直接內(nèi)存訪問，不需要CPU干預(yù)，效率最高，適用于大量數(shù)據(jù)傳輸。DMA技術(shù)概念直接內(nèi)存訪問(DMA)技術(shù)允許I/O設(shè)備直接與主存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不需要CPU的參與。優(yōu)點(diǎn)提高數(shù)據(jù)傳輸速度，減輕CPU負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)效率。應(yīng)用適用于大容量數(shù)據(jù)傳輸，例如磁盤讀寫、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。總線結(jié)構(gòu)地址總線用于傳送地址信息。1數(shù)據(jù)總線用于傳送數(shù)據(jù)信息。2控制總線用于傳送控制信號(hào)。3總線的分類內(nèi)部總線連接CPU內(nèi)部各個(gè)部件的總線。系統(tǒng)總線連接CPU、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備的總線。外部總線連接系統(tǒng)內(nèi)部和外部設(shè)備的總線?？偩€的時(shí)序和仲裁時(shí)序定義了總線上傳輸數(shù)據(jù)的順序和時(shí)間關(guān)系。仲裁當(dāng)多個(gè)設(shè)備同時(shí)請(qǐng)求使用總線時(shí)，仲裁機(jī)制決定哪個(gè)設(shè)備可以優(yōu)先使用總線。主存訪問控制地址譯碼根據(jù)CPU發(fā)出的地址，確定訪問的存儲(chǔ)單元。讀寫操作根據(jù)CPU的讀寫信號(hào)，完成讀寫操作。數(shù)據(jù)傳輸將數(shù)據(jù)在CPU和存儲(chǔ)器之間傳輸。緩存技術(shù)1概念緩存技術(shù)利用局部性原理，將經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)復(fù)制到速度更快的緩存中，提高了主存訪問速度。2分類包括一級(jí)緩存、二級(jí)緩存、三級(jí)緩存等。3作用提高CPU的效率，加快程序的執(zhí)行速度。虛擬存儲(chǔ)器概念虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)將主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器一起管理，為程序提供更大的虛擬地址空間。優(yōu)點(diǎn)可以運(yùn)行比物理內(nèi)存更大的程序，提高系統(tǒng)效率。缺點(diǎn)訪問速度會(huì)比物理內(nèi)存慢。操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)硬件的關(guān)系1操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件與應(yīng)用程序之間的接口，負(fù)責(zé)管理硬件資源。2操作系統(tǒng)提供系統(tǒng)調(diào)用，允許應(yīng)用程序訪問硬件資源。3操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)內(nèi)存管理、文件管理、進(jìn)程管理、設(shè)備管理等。并行處理技術(shù)概念并行處理技術(shù)是指同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的技術(shù)，可以提高計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度。類型包括多核處理器、多處理器系統(tǒng)、并行計(jì)算等。多核處理器概念多核處理器是指在一個(gè)芯片上集成多個(gè)CPU內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核可以獨(dú)立運(yùn)行程序。優(yōu)點(diǎn)提高了計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序。缺點(diǎn)設(shè)計(jì)和編程難度增加，需要考慮多核協(xié)作的問題。圖形處理器概念圖形處理器(GPU)專為圖形處理和并行計(jì)算而設(shè)計(jì)，可以加速圖像渲染、視頻處理、游戲等任務(wù)。特點(diǎn)具有高度并行處理能力，可以同時(shí)處理大量的圖形數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)1概念嵌入式系統(tǒng)是指將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入到其他設(shè)備中，用于控制設(shè)備的