計算機組成課程內容與學習目標硬件基礎掌握計算機硬件系統各組成部分運算原理理解數據表示與計算方法存儲技術學習各級存儲器工作機制系統架構計算機系統的層次結構1應用軟件實現特定功能的程序2系統軟件操作系統與編譯程序3指令系統結構機器指令與寄存器4硬件邏輯馮·諾依曼計算機結構存儲程序程序和數據存放在同一存儲器二進制所有信息用二進制表示五大部件運算、控制、存儲、輸入和輸出順序執行計算機的基本組成部件中央處理器(CPU)包含運算器和控制器執行指令、處理數據存儲器主存儲器(RAM、ROM)輔助存儲器(硬盤、SSD)輸入/輸出設備鍵盤、鼠標、顯示器實現人機交互總線系統連接各部件的通道計算機硬件的主要技術指標速度指標主頻、CPI、MIPS、FLOPS存儲容量字長、存儲單元數量、存取周期功耗TDP、能效比可靠性數據的表示：進制轉換二進制基數為2，數碼為0、1計算機內部數據表示的基本形式八進制基數為8，數碼為0~7每3位二進制對應1位八進制十進制基數為10，數碼為0~9人類使用的常規計數系統十六進制基數為16，數碼為0~9和A~F每4位二進制對應1位十六進制數據的表示：定點數1原碼表示最高位表示符號，其余位表示數值2反碼表示正數同原碼，負數符號位不變其余按位取反3補碼表示正數同原碼，負數為反碼加14移碼表示等于真值加上一個偏置常數數據的表示：浮點數符號位表示數值的正負階碼表示小數點位置（指數部分）尾數表示有效數字數據的表示：字符與字符串ASCII碼7位編碼，表示128個字符擴展ASCII8位編碼，表示256個字符Unicode多字節編碼，支持全球字符漢字編碼GB2312、GBK、GB18030等校驗碼：奇偶校驗碼奇校驗1的個數為奇數數據：1101，校驗位：1校驗結果：11011偶校驗1的個數為偶數數據：1101，校驗位：0校驗結果：11010特點結構簡單，實現容易只能檢測奇數個位出錯無法糾錯校驗碼：海明碼1確定校驗位數量r滿足2^r≥n+r+12確定校驗位位置放在2^i位置（i從0開始）3計算校驗位值使每個校驗組的1個數為偶數4錯誤檢測與糾正校驗位組合指示錯誤位置校驗碼：循環冗余校驗碼（CRC）選擇生成多項式G(x)r+1位（r為校驗位數）數據左移r位相當于乘以x^r模2除法數據除以生成多項式添加余數余數作為校驗碼添加到數據后驗證接收方同樣除法，余數為0表示無錯運算方法：定點數的加減運算原碼加減法符號位單獨處理同號相加，異號相減補碼加減法直接按位相加減法轉換為加負數溢出判斷符號位進位與最高數值位進位不同兩正得負或兩負得正運算方法：定點數的乘法運算原碼一位乘乘數為1，部分積為被乘數乘數為0，部分積為0補碼一位乘（Booth算法）00和11：右移01：加被乘數后右移10：減被乘數后右移乘法加速技術華萊士樹部分積并行生成運算方法：定點數的除法運算恢復余數法余數減除數，若為負則恢復加減交替法商為1時下次減，商為0時下次加非恢復余數法負余數直接加除數，無需恢復特殊情況處理除數為0，溢出檢測運算方法：浮點數的加減運算對階小階向大階看齊，尾數相應右移尾數運算按定點數加減法規則進行規格化結果尾數首位必須為1（IEEE標準）舍入處理根據舍入模式處理精度損失運算方法：浮點數的乘除運算1符號位處理異或運算確定結果符號2階碼運算乘法：階碼相加減偏置除法：階碼相減加偏置3尾數運算乘法：尾數相乘除法：尾數相除4結果規格化與舍入調整尾數使其符合規格化要求算術邏輯單元（ALU）的基本結構算術單元執行加減乘除包含加法器、乘法器等邏輯單元執行AND、OR、NOT、XOR位操作指令移位單元邏輯移位、算術移位循環移位狀態寄存器記錄運算狀態進位、溢出、零、負數標志指令系統概述算術運算加、減、乘、除邏輯運算與、或、非、異或數據傳送寄存器之間、內存與寄存器控制轉移跳轉、調用、返回輸入輸出設備讀寫、中斷處理指令格式操作碼字段指定操作類型決定指令功能地址碼字段指定操作數地址可能包含多個地址地址數量分類零地址指令一地址指令二地址指令三地址指令四地址指令操作碼的設計固定長度操作碼所有指令操作碼長度相同擴展操作碼常用指令短碼，不常用指令長碼多功能操作碼根據附加位指定不同功能尋址方式：立即尋址和直接尋址立即尋址操作數在指令中直接給出優點：不需訪存缺點：操作數長度受限例：MOVAX,5直接尋址指令中給出操作數的內存地址優點：簡單直觀缺點：地址范圍受限例：MOVAX,[2000H]尋址方式：間接尋址和寄存器尋址間接尋址指令給出的是操作數地址的地址寄存器間接尋址寄存器中存放操作數的地址寄存器尋址操作數直接在寄存器中特點比較訪存次數和尋址效率不同尋址方式：變址尋址和基址尋址變址尋址有效地址=形式地址+變址寄存器基址尋址有效地址=形式地址+基址寄存器相對尋址有效地址=形式地址+程序計數器應用數組、程序重定位、共享代碼CISC和RISC指令系統CISC（復雜指令集）指令數量多、功能強指令長度可變尋址方式豐富微程序控制代表：x86架構RISC（精簡指令集）指令數量少、功能單一指令長度固定尋址方式簡單硬布線控制代表：ARM架構控制器的功能與基本結構指令控制取指令、分析指令控制指令執行順序操作控制產生操作控制信號協調各部件工作時序控制提供時鐘信號確保各操作正確順序異常處理中斷響應錯誤檢測與處理硬布線控制器組合邏輯電路解碼器、多路選擇器時序邏輯電路觸發器、計數器特點速度快、結構固定設計復雜難以修改和擴展微程序控制器1控制存儲器存放微程序，通常為ROM2微指令寄存器保存當前執行的微指令3微地址形成部件產生下條微指令地址4微操作譯碼器產生微操作控制信號微程序設計基礎微指令格式設計水平型或垂直型編碼微地址形成順序、轉移、子程序調用微程序流程設計指令周期的微操作序列微程序優化減少微指令數量，提高執行效率存儲器的層次結構寄存器CPU內部，速度最快，容量最小2高速緩存多級Cache，速度快，容量較小主存儲器RAM/ROM，速度中等，容量中等外部存儲器硬盤/SSD，速度慢，容量大主存儲器：基本概念與分類按存取方式隨機存取(RAM)、只讀(ROM)、順序存取按信息保存特性易失性、非易失性按存儲介質半導體、磁存儲、光存儲按用途主存、輔存、緩存隨機存取存儲器（RAM）靜態RAM（SRAM）雙穩態觸發器存儲速度快、功耗高不需要刷新常用于Cache動態RAM（DRAM）電容存儲集成度高、成本低需要定期刷新常用于主存新型RAMSDRAMDDRSDRAMRDRAM只讀存儲器（ROM）掩模ROM制造時寫入，無法更改PROM可編程ROM，只能寫入一次EPROM紫外線可擦除，多次編程E2PROM/Flash電可擦除，在線編程主存儲器與CPU的連接地址總線CPU提供地址，單向傳輸數據總線讀寫數據，雙向傳輸2控制總線讀/寫控制、片選信號存儲器控制器地址譯碼、時序控制4雙口RAM和多模塊存儲器雙口RAM兩個獨立端口同時訪問解決訪存沖突應用于多處理器系統多模塊存儲器存儲單元分散在多個模塊實現并行訪問高位交叉編址低位交叉編址性能提升增加帶寬減少訪存沖突支持流水線操作高速緩存（Cache）的工作原理局部性原理時間局部性：重復訪問空間局部性：鄰近訪問工作流程CPU先查詢Cache命中則直接讀取未命中則從主存調入命中率Cache性能關鍵指標一般可達90%以上多級CacheL1/L2/L3緩存速度與容量平衡Cache-主存地址映射1直接映射每個主存塊只能放入特定Cache行2全相聯映射主存塊可放入任意Cache行3組相聯映射主存塊可放入特定組的任意行4比較命中率、實現復雜度和查找速度Cache的替換算法隨機替換簡單易實現，性能一般1FIFO先進先出，替換最早的塊LRU最近最少使用，替換最久未訪問的塊LFU最不經常使用，替換訪問次數最少的塊虛擬存儲器的基本概念基本思想程序局部性原理部分裝入，按需調度虛擬地址空間程序使用連續地址空間實際可能分散在不同物理位置地址轉換虛擬地址→物理地址頁表/段表輔助優點擴大地址空間實現內存保護簡化程序設計頁式存儲管理基本原理固定大小的頁面頁表記錄映射關系地址轉換虛擬地址=頁號+偏移量物理地址=頁框號+偏移量快表(TLB)頁表緩存加速地址轉換多級頁表減少頁表占用空間適應大地址空間段式存儲管理基本原理可變長度的段段表記錄段基址和長度地址轉換虛地址=段號+段內偏移優點便于共享和保護段頁式存儲管理1段式+頁式結合先分段，再分頁2地址轉換過程段號→段表→頁表基址→頁號→頁表→物理地址3優點結合兩種方式的優點4缺點結構復雜，多次訪存外部存儲器：磁盤存儲器7200轉速(RPM)決定平均旋轉延遲4-8平均尋道時間(ms)磁頭移動到指定磁道所需時間100-200傳輸速率(MB/s)數據讀取速度10^14誤碼率每讀取10^14位出現一個錯誤外部存儲器：固態硬盤（SSD）閃存芯片無機械部件，電子存儲高性能隨機訪問快，無尋道時間低功耗耗電少，發熱量小高可靠性抗震動，使用壽命長總線的基本概念與分類1片內總線芯片內部，速度最快系統總線連接CPU、內存和I/O橋接器I/O總線連接外設，速度較慢總線仲裁鏈式查詢優先級固定，結構簡單計數器定時查詢平等輪詢，效率較低獨立請求各設備有專用請求線3集中式仲裁由總線控制器統一管理總線標準：PCI總線基本特性總線寬度：32/64位時鐘頻率：33/66MHz傳輸速率：133-533MB/s工作模式突發傳輸并行仲裁即插即用發展PCI-XPCIExpress總線標準：USB總線1.5USB1.0(Mbps)最初版本，低速480USB2.0(Mbps)高速版本5000USB3.0(Mbps)超高速20000USB4.0(Mbps)基于雷電3協議輸入輸出系統概述I/O接口設備與系統總線之間的橋梁I/O控制器實現設備控制和數據傳輸3I/O設備實現信息的輸入輸出程序查詢方式CPU發出I/O命令向接口發送控制信息查詢設備狀態循環檢測是否就緒數據傳送就緒后進行數據交換結束操作返回主程序繼續執行中斷方式中斷請求設備完成操作后發出中斷CPU響應保存現場，轉入中斷處理中斷服務執行中斷服務程序中斷返回恢復現場，繼續原程序DMA方式基本原理數據傳送不通過CPUDMA控制器直接控制總線工作模式停止CPU訪問(獨占)周期挪用(交替)透明DMA(CPU不使用時)傳送方式字傳送塊傳送需求傳送優點提高傳輸速度減輕CPU負擔輸入設備：鍵盤和鼠標鍵盤機械開關或膜開關掃描電路檢測按鍵類型：機械、薄膜、電容鼠標機械式：滾球傳感光電式：LED+光敏元件激光式：高精度激光追蹤輸出設備：顯示器和打印機顯示器CRT、LCD、LED、OLED打印機針式、噴墨、激光、熱敏顯示卡圖形處理器、視頻內存分辨率像素密度、色彩深度并行技術：指令級并行指令流水線分段重疊執行2超標量技術多條指令同時執行3亂序執行指令按數據依賴關系執行4分支預測預測分支方向提前執行并行技術：線程級并行多線程技術單核處理多