计算机组成原理(李小勇)课件.pptx

计算机组成原理(李小勇)课件目录contents计算机系统概述运算器存储器指令系统中央处理器总线系统输入输出系统01计算机系统概述0102机械计算机时代19世纪，利用齿轮等机械部件实现算术和逻辑运算。电子计算机时代20世纪40年代，使用电子管作为基础元件，体积庞大，耗能高。小型化与集成电路时代20世纪60年代，晶体管取代电子管，集成电路出现。微处理器与个人计算机时代20世纪70年代，微处理器成为计算机的核心部件，个人计算机开始普及。互联网与云计算时代20世纪90年代至今，计算机网络技术飞速发展，云计算、大数据等技术兴起。030405计算机的发展历程软件系统包括系统软件和应用软件，系统软件负责管理计算机的资源，应用软件用于实现特定的功能。操作系统作为硬件和软件之间的接口，负责管理计算机的硬件和软件资源，提供用户界面和应用程序运行环境。硬件系统包括运算器、控制器、存储器、输入输出设备等部分。计算机系统的基本组成指计算机执行指令或处理数据的能力，通常以每秒执行的指令数或浮点运算次数来衡量。运算速度存储容量可靠性可维护性指计算机存储器所能容纳的数据量，包括内存储器和外存储器。指计算机在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，通常用平均无故障时间来衡量。指计算机在使用过程中维护的难易程度和维护费用，包括软件的升级、漏洞修复等。计算机的主要性能指标02运算器进行算术运算和逻辑运算。功能由加法器、比较器、多路选择器等组成。组成接收操作数，根据指令执行加法、减法、乘法、除法等运算，并输出结果。工作原理算术逻辑单元03工作原理接收数据，保存并快速提供给运算器使用。01功能暂存数据和指令。02组成由触发器组成。寄存器功能控制计算机各部件协调工作。组成由指令计数器、指令寄存器、译码器等组成。工作原理根据指令计数器和指令寄存器的值，译码后产生控制信号，控制各部件完成相应操作。控制器功能执行乘法和除法运算。组成由多个加法器和存储器组成。工作原理通过连续加法和移位操作实现乘法和除法运算。乘法器和除法器03存储器按存储介质分随 机 存 取 存 储 器（RAM）、只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）等。按读写方式分按存取方式分直 接 存 取 存 储 器（DAM）、间接存取存储器（I/O存储器）、相联存储器等。磁芯存储器、半导体存储器、光盘存储器等。存储器的分类123可以随时读写，速度很快，但断电后数据会丢失。特点静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）。分类用作主存储器（内存）。应用随机存取存储器（RAM）特点分类应用只读存储器（ROM）只能读出数据，不能写入数据，断电后数据不会丢失。掩膜只读存储器（MROM）、可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、紫外线擦除可编程只读存储器（UVEPROM）。用作微机系统的固件、电子表、电子计算器的程序存储器。介于CPU和主存之间，其容量小而速度快，用来存放CPU最近使用过的数据。特点一级缓存、二级缓存、三级缓存等。分类当CPU要访问某一数据时，先访问高速缓存，若所需数据在其中，则直接访问；否则再去访问主存。工作原理高速缓存存储器（Cache）04指令系统表示指令执行的特定操作。操作码表示操作数所在内存单元的地址或寄存器的名称。地址码用于表示指令的某种属性，如是否为特权指令、是否为中断指令等。修饰位指令格式立即寻址操作数直接包含在指令中。寄存器寻址操作数存储在寄存器中，通过寄存器名称来指定。内存寻址操作数存储在内存单元中，通过内存单元地址来指定。间接寻址操作数的地址通过间接给出，通常用于访问数组元素或结构体成员。寻址方式系统调用指令用于实现操作系统提供的服务功能，如文件操作、进程控制等。控制转移指令用于改变程序的执行流程，如条件转移、无条件转移等。逻辑运算指令用于执行与、或、非等逻辑运算。数据传输指令用于在寄存器、内存和输入/输出设备之间传输数据。算术运算指令用于执行加、减、乘、除等算术运算。指令类型05中央处理器功能运算、控制和存储。组成运算器、控制器、寄存器。CPU的功能和组成功能解析指令，产生控制信号。组成指令寄存器、解码器、控制信号发生器。控制单元执行指令。功能算术逻辑单元、执行机构。组成执行单元06总线系统概述总线可以根据传输速率、连接设备数量、数据传输方式等不同特征进行分类。性能指标主要包括数据传输速率、可靠性、兼容性、成本等。总线的分类和性能指标数据传输速率数据传输速率是衡量总线性能的重要指标，它决定了总线传输数据的快慢。常见的数据传输速率有100Mbps、1Gbps、10Gbps等。总线的分类和性能指标总线的分类和性能指标连接设备数量总线的连接设备数量也称为负载能力，它决定了总线能够支持多少设备同时进行数据传输。负载能力越强，总线的性能越好。数据传输方式总线的数据传输方式可以分为并行传输和串行传输两种。并行传输速度快，但需要多条线路；串行传输只需要一条线路，但速度较慢。总线的分类和性能指标输入标题02010403总线的工作原理和实现方式工作原理总线的实现方式包括物理层设计和协议层设计。物理层设计主要关注线路的物理特性，如电压、阻抗等；协议层设计则关注数据传输的规则和顺序。实现方式总线的工作原理可以概括为“时分复用”。在总线上，多个设备共享一条物理线路，通过不同的时间片来区分各个设备的数据传输。总线仲裁数据传输方式数据传输方式可以分为同步传输和异步传输两种。同步传输需要一个统一的时钟信号来协调数据的发送和接收；异步传输则不需要时钟信号，但数据的发送和接收需要自己协商。当多个设备同时向总线发送数据时，就需要总线仲裁来决定哪个设备优先进行数据传输。常见的总线仲裁算法有菊花链仲裁、矩阵仲裁等。总线仲裁和数据传输方式07输入输出系统输出设备显示器、打印机、音响等存储设备硬盘、U盘、光盘等输入设备键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、摄像头等输入输出设备数据传输速率较高，但连接线较多，常用在打印机等设备上并行接口数据传输速率较低，但连接线较少，常用在鼠标、键盘等设备上串行接口通用串行总线接口，支持热插拔，应用广泛USB接口高清多媒体接口，支持音频和视频传HDMI接口输入输出接口中断方式设备在需要传输数据时向CPU发出中断请求，CPU响应后进行数据传I/O通道方式CPU通过I/O通道对设备进行统一管理和控制DMA方式设备通过DMA控制器直接与内存进行数据传输，无需CPU介入程序查询方式主程序通过查询设备状态来决定是否进行数据传输入输出控制方式感谢观看THANKS