《北大計(jì)算機(jī)組成原理》PPT課件課程概述：計(jì)算機(jī)組成原理的重要性核心地位計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的基石課程，它連接了計(jì)算機(jī)軟件與硬件，是理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)作方式的關(guān)鍵。實(shí)踐應(yīng)用通過(guò)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理，可以為后續(xù)的操作系統(tǒng)、編譯原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并能夠應(yīng)用到實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化中。創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)課程目標(biāo)：理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)1掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成部分了解CPU、存儲(chǔ)器、I/O系統(tǒng)等核心組件的功能與特性，掌握它們之間的互連方式。2理解計(jì)算機(jī)指令的執(zhí)行過(guò)程深入理解指令周期、指令格式、尋址方式等概念，掌握指令在計(jì)算機(jī)中的執(zhí)行流程。3掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能優(yōu)化技術(shù)了解流水線、Cache、虛擬存儲(chǔ)器等技術(shù)，掌握提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的方法。了解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)微指令級(jí)最低層，由微指令直接控制硬件。機(jī)器級(jí)指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）定義的指令集。匯編級(jí)機(jī)器指令的符號(hào)表示，方便程序員編寫(xiě)程序。高級(jí)語(yǔ)言級(jí)使用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，需要經(jīng)過(guò)編譯或解釋才能執(zhí)行。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)核心思想采用存儲(chǔ)程序方式，指令和數(shù)據(jù)以同等地位存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)自動(dòng)依次執(zhí)行指令。基本特點(diǎn)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成，采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和指令。重要意義奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，至今仍然被廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)的基本組成部分中央處理器（CPU）負(fù)責(zé)指令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)的運(yùn)算，是計(jì)算機(jī)的核心部件。存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，分為主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器。輸入/輸出（I/O）系統(tǒng)負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出。中央處理器（CPU）：運(yùn)算器與控制器運(yùn)算器負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，包括加法器、減法器、乘法器、除法器等。控制器負(fù)責(zé)指令的讀取、譯碼和執(zhí)行，控制計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件協(xié)調(diào)工作。存儲(chǔ)器系統(tǒng)：主存儲(chǔ)器與輔助存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器直接與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，速度快，容量小，價(jià)格高，如內(nèi)存（RAM）。輔助存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，速度慢，容量大，價(jià)格低，如硬盤、固態(tài)硬盤（SSD）。輸入/輸出（I/O）系統(tǒng)：輸入設(shè)備與輸出設(shè)備輸入設(shè)備用于將外部信息輸入到計(jì)算機(jī)中，如鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。輸出設(shè)備用于將計(jì)算機(jī)處理后的信息輸出到外部，如顯示器、打印機(jī)、音箱等。總線結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線1系統(tǒng)總線連接計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的信息傳輸通道，包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。2地址總線用于傳輸存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備的地址，決定了CPU能夠訪問(wèn)的地址范圍。3數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)，決定了CPU一次能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。4控制總線用于傳輸控制信號(hào)，控制計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的操作。指令系統(tǒng)：指令格式與尋址方式指令格式規(guī)定了指令的組成結(jié)構(gòu)，包括操作碼和地址碼，操作碼指示了指令要執(zhí)行的操作，地址碼指示了操作數(shù)的地址。尋址方式?jīng)Q定了如何找到操作數(shù)，包括立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址等。數(shù)據(jù)表示：數(shù)的表示方法1二進(jìn)制計(jì)算機(jī)中最基本的數(shù)據(jù)表示方法，由0和1組成。2十進(jìn)制人類最常用的數(shù)據(jù)表示方法，由0到9組成。3十六進(jìn)制計(jì)算機(jī)中常用的數(shù)據(jù)表示方法，由0到9和A到F組成。定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)定點(diǎn)數(shù)小數(shù)點(diǎn)位置固定，表示的數(shù)值范圍有限，精度較高，適用于表示整數(shù)或小數(shù)部分位數(shù)固定的數(shù)值。浮點(diǎn)數(shù)小數(shù)點(diǎn)位置不固定，表示的數(shù)值范圍廣，精度較低，適用于表示數(shù)值范圍較大的數(shù)值。字符的表示方法ASCII碼美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼，用7位二進(jìn)制數(shù)表示128個(gè)字符。Unicode碼統(tǒng)一碼，用16位二進(jìn)制數(shù)表示65536個(gè)字符，包含世界上幾乎所有的字符。邏輯運(yùn)算與算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算包括與、或、非、異或等運(yùn)算，用于進(jìn)行邏輯判斷和控制。算術(shù)運(yùn)算包括加、減、乘、除等運(yùn)算，用于進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)1算術(shù)邏輯單元（ALU）負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。2寄存器用于存儲(chǔ)操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果。3移位器用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的移位操作。4狀態(tài)寄存器用于存儲(chǔ)運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)信息，如進(jìn)位、溢出等。加法器、減法器、乘法器、除法器加法器用于實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算，包括半加器、全加器等。減法器用于實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算，通常采用補(bǔ)碼加法實(shí)現(xiàn)。乘法器用于實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，包括移位相加乘法器、陣列乘法器等。除法器用于實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)算，包括恢復(fù)余數(shù)除法器、不恢復(fù)余數(shù)除法器等。控制器的基本功能1指令讀取從存儲(chǔ)器中讀取指令。2指令譯碼分析指令的操作碼和地址碼。3指令執(zhí)行控制計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件執(zhí)行指令的操作。4中斷處理響應(yīng)外部設(shè)備的中斷請(qǐng)求。指令周期與指令執(zhí)行過(guò)程取指令從存儲(chǔ)器中讀取指令。1譯碼分析指令的操作碼和地址碼。2執(zhí)行控制計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件執(zhí)行指令的操作。3時(shí)序產(chǎn)生器作用產(chǎn)生計(jì)算機(jī)的各種時(shí)序信號(hào)，控制計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的操作時(shí)序，保證計(jì)算機(jī)的正常運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)方式可以使用硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可以使用微程序控制實(shí)現(xiàn)。微程序控制器基本思想將每條指令的執(zhí)行過(guò)程分解為一系列微操作，每個(gè)微操作對(duì)應(yīng)一條微指令，將微指令存儲(chǔ)在控制存儲(chǔ)器中，通過(guò)執(zhí)行微程序來(lái)實(shí)現(xiàn)指令的執(zhí)行。優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)規(guī)整，易于實(shí)現(xiàn)，易于修改和擴(kuò)展。缺點(diǎn)速度較慢。存儲(chǔ)器的分類與特點(diǎn)SRAM靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，速度快，價(jià)格高，容量小。DRAM動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，速度慢，價(jià)格低，容量大。ROM只讀存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)固定的程序和數(shù)據(jù)。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器：SRAM與DRAMSRAM使用觸發(fā)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，速度快，不需要刷新，但集成度低，功耗大，價(jià)格高。DRAM使用電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，速度慢，需要定期刷新，但集成度高，功耗低，價(jià)格低。存儲(chǔ)器的組織與擴(kuò)展位擴(kuò)展增加存儲(chǔ)器的位數(shù)，可以使用多個(gè)存儲(chǔ)器芯片并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。字?jǐn)U展增加存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)，可以使用多個(gè)存儲(chǔ)器芯片串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）作用位于CPU和主存儲(chǔ)器之間，用于存儲(chǔ)CPU經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)，提高CPU的訪問(wèn)速度。原理利用程序的局部性原理，將CPU經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)復(fù)制到Cache中，當(dāng)CPU再次訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)時(shí)，直接從Cache中讀取，而不需要訪問(wèn)主存儲(chǔ)器。命中率衡量Cache性能的重要指標(biāo)，命中率越高，Cache的效率越高。虛擬存儲(chǔ)器作用擴(kuò)大存儲(chǔ)器的容量，使得程序可以使用比實(shí)際物理存儲(chǔ)器更大的地址空間。原理將程序的一部分存儲(chǔ)在硬盤上，當(dāng)程序需要訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)時(shí)，將其從硬盤調(diào)入到物理存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。輸入/輸出系統(tǒng)的組成I/O接口CPU與I/O設(shè)備之間的橋梁，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、速度的匹配和控制信號(hào)的傳輸。I/O設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出，如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等。I/O接口與I/O設(shè)備I/O接口包括數(shù)據(jù)寄存器、控制寄存器和狀態(tài)寄存器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸、控制信號(hào)的發(fā)送和狀態(tài)信息的接收。I/O設(shè)備根據(jù)功能可以分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和輸入/輸出設(shè)備，如鍵盤、顯示器、硬盤等。I/O控制方式：程序查詢方式基本思想CPU周期性地查詢I/O設(shè)備的狀態(tài)，判斷I/O設(shè)備是否準(zhǔn)備好，如果準(zhǔn)備好，則進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。缺點(diǎn)CPU需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行查詢，效率低。中斷方式基本思想I/O設(shè)備準(zhǔn)備好后，向CPU發(fā)送中斷請(qǐng)求，CPU暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而處理中斷請(qǐng)求，處理完成后，再返回到原來(lái)的程序繼續(xù)執(zhí)行。優(yōu)點(diǎn)CPU不需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行查詢，效率高。DMA方式基本思想DirectMemoryAccess，直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)，允許I/O設(shè)備直接與存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不需要CPU的干預(yù)。優(yōu)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速度快，效率高，適用于高速I/O設(shè)備。總線標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了總線的物理特性、電氣特性和功能特性，保證了不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備能夠兼容互連。總線協(xié)議規(guī)定了總線上的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則和控制流程，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。常見(jiàn)總線標(biāo)準(zhǔn)：PCI、USBPCIPeripheralComponentInterconnect，外圍組件互連，一種高速的并行總線，用于連接顯卡、網(wǎng)卡等高速設(shè)備。USBUniversalSerialBus，通用串行總線，一種通用的串行總線，用于連接鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)等各種設(shè)備。總線仲裁方式集中式仲裁由一個(gè)中央仲裁器負(fù)責(zé)仲裁總線的使用權(quán)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但可靠性較低。分布式仲裁由多個(gè)仲裁器共同負(fù)責(zé)仲裁總線的使用權(quán)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可靠性較高。多處理器系統(tǒng)：概念與結(jié)構(gòu)概念擁有多個(gè)處理器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，能夠同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，提高計(jì)算機(jī)的性能。結(jié)構(gòu)可以分為共享存儲(chǔ)器多處理器系統(tǒng)和分布式存儲(chǔ)器多處理器系統(tǒng)。多核處理器概念將多個(gè)處理器核心集成在一個(gè)芯片上，提高芯片的集成度和性能。優(yōu)點(diǎn)功耗低，性能高，適用于移動(dòng)設(shè)備和服務(wù)器。集群系統(tǒng)概念將多臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，組成一個(gè)整體，共同完成任務(wù)，提高計(jì)算機(jī)的可靠性和可擴(kuò)展性。優(yōu)點(diǎn)可靠性高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，適用于高性能計(jì)算和大數(shù)據(jù)處理。并行處理技術(shù)概念將一個(gè)任務(wù)分解為多個(gè)子任務(wù)，分配給多個(gè)處理器同時(shí)執(zhí)行，提高任務(wù)的執(zhí)行速度。分類可以分為指令級(jí)并行、數(shù)據(jù)級(jí)并行和任務(wù)級(jí)并行。RISC與CISC體系結(jié)構(gòu)RISCReducedInstructionSetComputing，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)，指令集簡(jiǎn)單，指令長(zhǎng)度固定，尋址方式少，易于流水線實(shí)現(xiàn)。CISCComplexInstructionSetComputing，復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)，指令集復(fù)雜，指令長(zhǎng)度不固定，尋址方式多，不利于流水線實(shí)現(xiàn)。流水線技術(shù)：基本原理基本思想將指令的執(zhí)行過(guò)程分解為多個(gè)階段，每個(gè)階段由不同的部件執(zhí)行，使得多條指令可以同時(shí)處于不同的執(zhí)行階段，提高指令的執(zhí)行效率。優(yōu)點(diǎn)提高指令的吞吐率，提高CPU的利用率。指令流水線與數(shù)據(jù)流水線指令流水線將指令的執(zhí)行過(guò)程分解為多個(gè)階段，如取指令、譯碼、執(zhí)行、寫(xiě)回等。數(shù)據(jù)流水線將數(shù)據(jù)的處理過(guò)程分解為多個(gè)階段，如浮點(diǎn)加法、浮點(diǎn)乘法等。流水線的性能分析吞吐率單位時(shí)間內(nèi)完成的指令數(shù)，與流水線的深度和時(shí)鐘頻率有關(guān)。加速比流水線執(zhí)行時(shí)間和非流水線執(zhí)行時(shí)間之比，與流水線的深度和沖突率有關(guān)。計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)：吞吐率、響應(yīng)時(shí)間吞吐率單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)，反映了計(jì)算機(jī)的處理能力。響應(yīng)時(shí)間從用戶發(fā)出請(qǐng)求到計(jì)算機(jī)給出響應(yīng)的時(shí)間，反映了計(jì)算機(jī)的交互能力。Amdahl定律基本思想系統(tǒng)中對(duì)某一部件采用更快執(zhí)行方式所能獲得的系統(tǒng)性能改進(jìn)程度，取決于該部件被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時(shí)間的比例。意義指出提高系統(tǒng)性能的瓶頸在于最頻繁使用的部件，而不是速度最慢的部件。功耗與散熱問(wèn)題功耗計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)消耗的電能，與芯片的制程、頻率、電壓等因素有關(guān)。散熱將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，保證計(jì)算機(jī)的正常運(yùn)行，常用的散熱方式有風(fēng)冷、水冷等。低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)降低電壓降低芯片的工作電壓，可以有效地降低功耗。動(dòng)態(tài)頻率調(diào)整根據(jù)任務(wù)的需求動(dòng)態(tài)調(diào)整芯片的頻率，降低不必要的功耗。計(jì)算機(jī)安全：病毒與防護(hù)計(jì)算機(jī)病毒一種惡意程序，能夠自我復(fù)制和傳播，破壞計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)。防護(hù)使用殺毒軟件、防火墻等工具，定期掃描和清理病毒，提高計(jì)算機(jī)的安全性。信息安全技術(shù)加密將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為密文，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。身份認(rèn)證驗(yàn)證用戶的身份，防止非法用戶訪問(wèn)系統(tǒng)。存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1高速緩存2主存儲(chǔ)器3固態(tài)硬盤4硬盤5磁帶RAID技術(shù)概念RedundantArrayofIndependentDisks，獨(dú)立磁盤冗余陣列，通過(guò)將多個(gè)磁盤組合成一個(gè)邏輯磁盤，提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能和可靠性。級(jí)別有RAID0、RAID1、RAID5、RAID10等多種級(jí)別，不同的級(jí)別提供不同的性能和可靠性。云計(jì)算與數(shù)據(jù)中心云計(jì)算一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算模式，提供按需分配的計(jì)算資源和服務(wù)，包括IaaS、PaaS、SaaS等。數(shù)據(jù)中心用于存儲(chǔ)和處理大量數(shù)據(jù)的物理設(shè)施，包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等。嵌入式系統(tǒng)：特點(diǎn)與應(yīng)用特點(diǎn)專用性強(qiáng)，資源有限，實(shí)時(shí)性要求高，可靠性要求高。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于智能家居、工業(yè)控制、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。ARM體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)低功耗、高性能，適用于移動(dòng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)。優(yōu)勢(shì)指令集簡(jiǎn)單，易于移植，生態(tài)系統(tǒng)完善。GPU體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)大規(guī)模并行計(jì)算能力，適用于圖形渲染和科學(xué)計(jì)算。優(yōu)勢(shì)擁有大量的計(jì)算核心，能夠高效地處理并行任務(wù)。新型存儲(chǔ)技術(shù)：NVMe概念Non-VolatileMemoryexpress，非易失性存儲(chǔ)器標(biāo)準(zhǔn)，一種高速的存儲(chǔ)接口協(xié)議，用于連接固態(tài)硬盤。優(yōu)勢(shì)速度快，延遲低，適用于高性能存儲(chǔ)系統(tǒng)。量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算一種基于量子力學(xué)原理的計(jì)算模式，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，能夠解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以解決的問(wèn)題。量子計(jì)算機(jī)一種基于量子比特的計(jì)算機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)量子算法，解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題。未來(lái)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)展望異構(gòu)計(jì)算將不同類型的處理器集成在一個(gè)系統(tǒng)中，充分發(fā)揮各