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《组成原理th》ppt课件•计算机系统概述•处理器•存储器CATALOGUE•输入输出系统目录•操作系统•组成原理实验01计算机系统概述计算机系统的基本组成硬件数据包括中央处理器、存储器、输入输出是计算机处理的对象,包括数值、文设备等,是计算机系统的物质基础字、图像、音频、视频等多种形式软件包括系统软件和应用软件,是计算机系统的灵魂计算机系统的层次结构010203硬件层操作系统层应用层最底层,包括各种物理设中间层,负责管理和调度最高层,包括各种应用程备和组件硬件资源,提供应用程序序,如办公软件、图像处开发接口理软件等计算机系统的性能指标01020304速度可靠性存储容量扩展性包括CPU主频、内存带宽等,指计算机系统的稳定性和可用包括内存大小、硬盘容量等,指计算机系统的可扩展性,反反映计算机处理数据的速度性,反映计算机在出现故障时反映计算机存储数据的能力映计算机在未来能够升级和扩能够正常运行的时间和频率展的能力02处理器指令系统指令集架构指令格式寻址方式指令集架构是处理器设计的基础,指令格式是指令集架构中的重要寻址方式是指令集中规定的操作它定义了处理器能够理解和执行组成部分,它规定了每条指令的数的获取方式,包括直接寻址、的指令集合指令集架构的差异长度、操作码、操作数等信息间接寻址、寄存器寻址等不同会影响处理器的性能和功能了解指令格式有助于更好地理解的寻址方式会影响指令执行的速指令集架构度和效率指令执行过程取指阶段01取指阶段是从内存中获取指令并加载到指令寄存器中这个阶段通常由一个专门的硬件单元完成,以确保指令能够快速地被加载到指令寄存器中译码阶段02译码阶段是将指令寄存器中的操作码进行解码,确定需要执行的操作和操作数的地址这个阶段通常由一个解码器完成,它会将操作码转换成对应的微操作序列执行阶段03执行阶段是实际执行指令的阶段,包括读取操作数、执行微操作、保存结果等这个阶段通常由一个或多个执行单元完成,它们会根据译码器输出的微操作序列进行相应的操作指令流水线技术指令流水线指令流水线是将处理器中的指令执行过程划分为多个独立的阶段,每个阶段完成特定的任务通过将多个阶段连接起来,形成一个流水线,可以同时处理多条指令,提高处理器的吞吐量流水线冲突流水线冲突是指两个或多个指令在同一时刻竞争同一资源的情况为了避免流水线冲突,需要采取相应的措施,如使用多路分发、设立缓冲区等流水线调度流水线调度是指根据一定的策略将指令分配到流水线中的各个阶段合理的调度策略可以提高处理器的性能和吞吐量处理器设计处理器结构处理器结构是指处理器的整体架构,包括取指、译码、执行、存储等单元的布局和连接方式处理器结构会影响处理器的性能和功能处理器优化处理器优化是指在处理器设计过程中采取一系列措施来提高处理器的性能和效率这些措施包括改进指令流水线、优化存储层次结构、采用并行处理技术等处理器实现处理器实现是指将设计好的处理器通过硬件描述语言或硬件编程语言实现到具体的硬件上实现过程中需要考虑硬件资源的限制和性能要求,以确保最终实现的处理器能够满足设计要求03存储器存储器层次结构高速缓存高速缓存是一种高速、小容量的寄存器存储器,用于存储经常访问的指主存储器令和数据寄存器是处理器内部的高速存储主存储器是计算机中主要的大容单元,用于存储操作数和中间结量存储器,用于存储操作系统、果应用程序和数据存储器层次结构概述辅助存储器存储器层次结构是一种组织不同辅助存储器是计算机中容量最大、类型存储器的架构,以实现不同速度最慢的存储器,如硬盘、光速度、容量和可靠性的需求盘等主存储器主存储器的组成主存储器由多个存储单元组成,每个单元存储一个字节或多个字节的数据主存储器的访问方式主存储器可以通过地址线、数据线、控制线等与处理器进行通信,实现数据的读取和写入主存储器的容量和速度主存储器的容量通常较大,但访问速度较慢容量和速度受到制造工艺和成本的限制高速缓存高速缓存的作用高速缓存用于加速对主存储器的访问,通过将常用的数据和指令缓存在高速缓存中,减少对主存储器的访问次数高速缓存的组织方式高速缓存采用块为单位进行组织,每个块包含多个字节的数据高速缓存的大小和块大小可以根据需要进行配置高速缓存的替换策略当高速缓存已满时,需要替换原有的数据或指令常见的替换策略有最近最少使用(LRU)和先进先出(FIFO)等辅助存储器辅助存储器的种类辅助存储器的特点辅助存储器的接口常见的辅助存储器包括硬辅助存储器的容量较大,辅助存储器通过特定的接盘、光盘、磁带等但访问速度较慢它们通口与计算机系统进行连接,常用于长期保存大量的数如IDE/SATA接口、SCSI接据和程序代码口等04输入输出系统I/O设备输入设备键盘、鼠标、扫描仪、触摸屏等,用于将数据输入到计算机中输出设备显示器、打印机、音响等,用于将计算机处理后的数据输出给用户I/O控制器定义I/O控制器是计算机中用于管理输入输出设备与主机之间数据传输的硬件设备功能控制设备的启动、停止、数据传输等操作,实现设备与主机之间的数据交换I/O方式中断方式当设备准备就绪时,通过中断请求程序查询方式通知CPU进行数据传输通过程序不断查询设备的状态,确定数据传输的时机DMA方式直接内存存取方式,设备直接与内存进行数据交换,不需要CPU的干预I/O总线定义I/O总线是连接计算机内部各个I/O设备与主机之间的通信总线功能实现设备与主机之间的数据传输和控制信号的传递05操作系统操作系统的功能进程管理内存管理文件管理设备管理操作系统负责创建和终操作系统负责分配和管操作系统负责组织和管操作系统负责管理硬件止进程,以及进程间的理内存空间,包括物理理文件,提供文件访问设备,提供设备驱动程切换内存和虚拟内存和保护机制序和I/O操作接口进程管理进程状态进程同步操作系统通过进程状态来跟踪操作系统提供机制来同步多个进程的状态,包括运行状态、进程的执行,以确保它们之间就绪状态、等待状态等的正确交互进程调度进程通信操作系统根据进程优先级、操作系统提供进程间通信机制,CPU可用性等因素来决定哪个以便进程之间可以交换数据和进程可以运行信息内存管理内存分区内存分配操作系统将内存划分为不同的区域,包括代操作系统负责分配内存给进程,并管理内存码区、数据区、堆区等的使用情况内存保护内存回收操作系统提供机制来保护内存区域,以防止操作系统负责回收不再使用的内存,以便重非法访问和错误操作新分配给其他进程使用文件管理文件系统结构文件访问控制操作系统定义了文件系统的组织结构,操作系统提供权限和访问控制机制,包括目录结构、文件类型等以确保文件的安全性和完整性文件备份与恢复文件系统性能优化操作系统提供文件备份和恢复机制,操作系统提供文件系统性能优化机制,以防止数据丢失和损坏以提高文件访问速度和效率06组成原理实验实验一处理器的设计与实现总结词详细描述处理器是计算机的核心部件,负责执行指令和处实验一将介绍处理器的设计和实现,包括指令集、理数据指令分析、指令执行等过程,以及处理器内部的各个功能模块,如取指、译码、执行、访存等总结词详细描述实验过程中需要关注指令集的设计、指令分析的实验一将通过实际操作,让学生了解处理器的内算法、处理器内部的流水线设计等关键问题部结构和运作原理,掌握处理器的设计和实现方法实验二存储器的设计与实现总结词总结词存储器是计算机的重要组成部分,实验过程中需要关注存储器的容0103用于存储数据和程序量、速度、可靠性和成本等关键问题详细描述详细描述0204实验二将介绍存储器的设计和实实验二将通过实际操作,让学生现,包括内存储器和外存储器,了解存储器的内部结构和运作原以及各种类型的存储器,如RAM、理,掌握存储器的设计和实现方ROM、Flash等法实验三输入输出系统的设计与实现总结词详细描述输入输出系统是计算机的重要组成部分,实验三将介绍输入输出系统的设计和实现,负责数据的输入和输出包括各种类型的输入输出设备,如键盘、鼠标、显示器、打印机等总结词详细描述实验过程中需要关注输入输出设备的接口实验三将通过实际操作,让学生了解输入标准、数据传输速率等关键问题输出系统的内部结构和运作原理,掌握输入输出系统的设计和实现方法THANKS感谢观看。