《计算机系统组成新》课件
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课程简介本课程旨在全面介绍计算机系统的基本组成及工作原理从底层硬件到高层软件,系统讲解计算机的各个关键部件,帮助学生深入理解计算机系统的内部结构和功能通过本课程的学习,学生能够掌握计算机系统的基本知识,为后续的专业课程打下坚实的基础by 工作室T1计算机系统组成概述计算机系统的定义计算机系统是由硬件和软件两大组成部分构成的,采用电子技术实现数据的输入、存储、处理和输出等功能的综合性电子设备计算机系统的层次结构计算机系统由多个层次组成,包括硬件系统、指令系统、操作系统以及应用软件等,各层次之间相互协作,共同实现计算机的功能计算机系统的发展趋势计算机系统的发展正朝着集成化、可靠性高、功能强大、操作简单、体积小、能耗低等方向不断进化计算机系统的层次结构应用系统层1用户界面和应用软件系统软件层2操作系统、编译器、设备驱动程序指令系统层3CPU指令集、寻址方式硬件系统层4CPU、内存、输入输出设备计算机系统具有明确的层次结构,每一层都有自己的功能和特点应用系统层是用户直接接触的部分,系统软件层为应用软件提供服务支持,指令系统层定义了CPU的指令和操作,硬件系统层是计算机的物理实现这种分层设计提高了系统的可靠性和可扩展性指令系统指令集架构指令系统定义了计算机可执行的基本操作指令,是计算机系统的核心组成部分不同的指令集架构决定了计算机系统的性能特点指令编码指令由操作码和地址码等字段组成,操作码指定要执行的操作,地址码指定操作数的位置指令编码直接影响指令的执行效率指令执行处理器根据指令的编码,按照指令系统定义的流程,完成对操作数的取值、运算和结果存储等操作,实现计算机系统的整体功能指令格式1指令长度指令的长度取决于指令集架构,通常为8位、16位或32位长度越长,所能表达的指令集越复杂2指令字段指令由操作码、寄存器地址、立即数等多个字段组成,描述了待执行的具体操作3操作码操作码是指令的核心部分,用于指示CPU执行何种操作,如加法、移位、数据传输等4地址寻址指令中包含了寄存器地址或存储器地址,用于定位操作数的位置寻址方式直接寻址间接寻址相对寻址基址+变址寻址指令中直接给出要访问指令中给出的不是要访指令中给出的是一个相指令中给出的是一个变的存储单元的地址这问的存储单元的地址计算机系统的组成 ppt，对地址,最终的地址需址,最终的地址需要加种寻址方式简单直接，而是存储这个地址的存要加上基址寄存器中的上基址寄存器中的值才适用于要访问的地址在储单元的地址需要两值才能得到适用于访能得到适用于访问二指令中已知的情况步访问才能得到最终的问局部变量和数组元素维数组等复杂数据结构地址中央处理器中央处理器CPU是计算机系统的核心部件,负责执行指令、进行数据处理和控制计算机的各个部件运转它由算术逻辑单元ALU、控制单元CU和寄存器组成,通过读取和解释存储在内存中的指令来执行各种运算和控制操作CPU的性能决定了计算机的整体性能,高性能的CPU能大大提高系统的处理能力和响应速度现代CPU采用超标量、流水线等先进技术,具有更强大的计算和控制能力CPU的结构核心组件内部结构流水线设计CPU主要由控制单元、算术逻辑单元CPU内部采用复杂的硬件电路,包括CPU采用流水线技术,各个指令可以和寄存器组等核心部件构成,负责指大规模集成电路、缓存存储器、控并行执行,大幅提高了运算效率和吞令的解码和数据的运算制逻辑等,实现指令的高效执行吐量流水线技术指令执行1将指令分为多个执行阶段阶段间并行2不同指令可在各执行阶段并行执行吞吐量提升3大幅提高CPU的指令吞吐量流水线技术是一种重要的CPU性能优化手段它将指令执行分为取指、译码、执行等多个阶段《计算机系统组成新》课件，不同指令可以在各阶段并行执行这样可以大幅提高CPU的指令吞吐量，从而提升整体性能存储系统主存储器主存储器是计算机系统中最基础的存储部件,负责暂时存储程序指令和数据其重要性不言而喻辅助存储器辅助存储器是用于长期存储数据和程序的存储设备,包括硬盘、固态硬盘等,容量大、不易丢失高速缓存高速缓存是CPU与主存之间的一种临时存储区域,用于缓解CPU与主存之间的速度差异主存储器主存储器概述主存储器的特性主存储器是计算机系统中最基本和最重要的部件之一主存储器具有随机访问、易失性、容量有限等特点不它用于存储程序指令和数据,是CPU与外部设备进行信息同类型的主存储器有不同的存取速度、容量和成本特点,交换的中介主存储器的速度和容量直接影响着计算机需要根据具体应用场景进行选择系统的整体性能高速缓存速度优势高速缓存是介于CPU和主存之间的一种快速的临时存储器,能大幅缩短CPU获取数据和指令的时间,提高系统性能容量和类型现代计算机系统通常采用不同容量和类型的多级缓存,如L
1、L2和L3缓存,以满足不同的性能需求相关策略高速缓存的管理涉及缓存替换策略、写策略等,需要操作系统和硬件协调配合以发挥最大效能虚拟存储器动态内存管理页式存储管理地址转换机制虚拟存储器使用磁盘空间作为内存虚拟存储器采用页式存储管理机制,虚拟存储器利用地址转换机制,将程的扩展,可动态管理内存资源,提高将内存划分为固定大小的页面,根据序使用的虚拟地址转换为实际的物内存利用效率需求在内存和磁盘间调度页面理地址,实现内存空间的扩展输入/输出系统1多样化设备计算机系统可以连接各种输入和输出设备,如键盘、鼠标、显示器、打印机等,满足不同应用场景的需求2数据交互输入设备将用户输入的数据传输给CPU进行处理,输出设备则将处理后的信息呈现给用户两者实现了计算机系统与人的交互3接口协议各种输入输出设备需要遵循特定的接口标准和通信协议,以确保与计算机系统的兼容性和数据传输的正确性4性能优化输入输出系统的设计需要考虑数据吞吐量、响应速度等性能指标,提高整个计算机系统的运行效率输入设备键盘鼠标触摸屏和手写板键盘是最常见的输入设备之一,用于鼠标是操作计算机的主要输入设备,触摸屏和手写板可以直接识别手写输入文本和执行各种命令它通常通过光学传感器检测移动轨迹,并将输入,为用户提供更自然的交互体验配有中文字符,设计时尚简洁,背光指令转换为数字信号输入系统优这些设备常配有专用的手写笔,非常效果柔和迷人秀的鼠标设计既美观又人性化适合涉及中文输入的场景输出设备显示设备显示设备包括CRT显示器、液晶显示器LCD和OLED显示器等,可以将计算机处理的信息以图形或文字的形式呈现给用户打印设备打印设备可以将计算机输出的信息以物理形式输出成文档,主要有喷墨打印机、激光打印机和针式打印机等音频设备音频设备如扬声器和耳机可以将计算机输出的声音转换为声波,让用户听到计算机处理的音频信息接口技术连接设备数据交换标准化灵活性接口技术为各种外围设通过接口技术计算机系统的组成 ppt，计算机接口技术遵循行业标准,现代接口技术种类丰富,备与计算机主机之间提可以与外围设备进行双确保了不同品牌和型号包括串行接口、并行接供了连接通道它定义向的数据交换和控制指的设备可以兼容使用口、USB、HDMI等用了传输数据的标准协议令传递这种设备间的这种标准化不仅提高了户可以根据需求选择合和接口规范计算机系统的组成 ppt《计算机系统组成新》课件，确保各种连通性确保了信息的有系统的可扩展性,也方适的接口,提高了系统硬件设备能够顺畅地与效传输和设备的协同工便了用户的操作体验的灵活性和适用范围计算机系统集成作中断机制定义中断机制是计算机系统用来暂时中断正在执行的程序并转移控制权以处理异步事件的重要机制种类常见的中断包括硬件中断、软件中断和定时中断它们可以来自外部设备、内部程序或定时器作用中断机制可以提高系统响应速度,增强系统的实时性和交互性,并可以实现更高效的资源利用直接存储器访问定义1直接存储器访问DMA是一种特殊的I/O传输技术,可以在不经过CPU的情况下,直接在外围设备和内存之间进行数据传输优势2DMA可以减轻CPU的负担,提高整体系统的效率和响应速度,适用于需要大量数据传输的场景实现3DMA控制器负责管理和协调DMA传输,与CPU、内存和外围设备进行交互,确保数据顺利传输总线结构1总线类型常见的总线类型包括数据总线、地址总线和控制总线它们分别负责传输数据、地址信息和控制信号2总线宽度总线宽度决定了一次能传输的数据量宽度越大意味着传输更快、容量更大3总线协议总线协议定义了总线的工作机制和时序合理的协议可以提高总线利用率和系统性能4总线结构总线可以采用单总线、多总线或者层次结构等不同的拓扑结构每种结构都有其适用的场景总线仲裁定义目的方式总线仲裁是一种用于控制多个总线仲裁的目的是协调多个设常见的总线仲裁方式包括集中设备访问共享总线资源的机制备对总线的访问,防止总线争用式仲裁、分布式仲裁和优先级它确保总线上的数据传输不会造成的数据丢失或错误仲裁它们各有优缺点,适用于发生冲突不同的系统需求总线协议总线定义总线协议类型协议特点总线是计算机系统中用于连接各个常见总线协议包括PCI总线、USB总良好的总线协议应该具备高速、低部件的通信通道,负责传输数据、地线、SATA总线等,每种总线都有自己延迟、低功耗、强容错性等特点,确址和控制信号总线协议是规定了的传输规范和特点保数据能快速可靠地在系统内部传总线传输的标准规范输操作系统概述操作系统是计算机系统的核心组件,负责管理硬件资源并为上层应用程序提供服务它扮演着协调各部件、调度任务、分配内存和管理文件等关键角色深入理解操作系统的基本概念和功能对于掌握计算机系统组成至关重要进程管理进程创建进程切换操作系统负责为各种应用程序创建新的进程,并分配必操作系统根据特定的调度算法,合理地在不同进程之间要的资源,如内存、CPU时间等切换,提高系统的利用率进程同步进程通信进程间需要协调工作,操作系统提供了互斥机制和同步进程之间可以通过共享内存、消息传递等方式进行数机制来实现进程间的协作据交换和信息传递内存管理内存分配根据程序需要动态分配和回收内存空间,提高内存利用率内存保护防止程序越界访问和非法操作内存,保证系统稳定可靠运行虚拟内存利用硬盘扩展内存容量,为程序提供更大的地址空间文件管理文件系统文件操作目录结构访问权限操作系统中的文件系统用户可以对文件执行各文件系统通常采用分层操作系统会为文件和目负责对存储设备上的文种操作,如打开、关闭、的目录结构,用户可以录设置读、写、执行等件进行组织和管理它读取、写入、重命名和在目录中组织和管理文不同的访问权限,以控提供了创建、读取、写删除等操作系统为这件目录可以包含文件制用户对文件的访问行入和删除文件的基本功些基本文件操作提供了和子目录,形成树状结为能相应的API构设备管理1概述设备管理是操作系统的一个重要组成部分,负责管理计算机系统中各种输入输出设备的分配和控制2主要职责包括设备驱动程序的加载与管理、设备的分配与回收、设备状态的监控和故障处理等3现代设备管理利用即插即用技术,实现硬件设备的自动识别和配置,提高系统的易用性和可扩展性4IO设备控制通过中断和直接存储器访问等机制,实现CPU与外围设备之间的高效数据交互。
