计算机组成原理-MIPS-02PPT课件

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计算机组成原理(本全)课件

计算机组成原理(本全)课件
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机，20世纪40年代中期至50年代末期，主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数，是衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的内存单元数量就越多。

《计算机组成原理》ppt课件

输入输出系统
输入设备
将人类可读的信息转换为计算机可识别的二进制代码，如键盘、鼠标等。
I/O控制方式
程序查询方式、中断方式、DMA 方式和通道方式等，用于管理输入输出操作。
输出设备
将计算机处理后的结果转换为人类可读的形式，如显示器、打印机等。
I/O接口
连接输入输出设备与主机，实现数据缓冲、电平转换和信号匹配等功能。
括通用寄存器、专用寄存器等。
指令的执行过程
取指
从内存中读取指令，并将其放入指令寄存器中。
执行
根据微操作命令序列，控制运算器、寄存器等部件执行相应的操作。
译码
将指令寄存器中的指令翻译成微操作命令序列。
写回
将执行结果写回到寄存器或内存中。
CPU的性能指标
主频
CPU的时钟频率，通常以MHz或 GHz表示，主频越高，CPU处理
运算器
执行算术运算和逻辑运算，处理数据。
寄存器
暂存指令、数据和地址，提高CPU的运算速度。
存储器
01
主存储器
存放程序和数据的主要区域，直接和CPU交换信息。
02
辅助存储器
长期保存信息，容量大、价格低、速度慢，需通过主存与CPU交换信息。
03
高速缓冲存储器（Cache）
位于CPU和主存之间，存取速度接近CPU，用于缓解主存速度瓶颈问题。
云计算和大数据的融合是未来发展的趋势，通过云计算平台提供的大数据服务，可以实现海量数据的存储、处理和分析。计算机组成原理在云计算和大数据融合中发挥着重要作用，为构建高效、稳定的云计算和大数据平台提供了理论支持。
计算机组成原理的发展趋势和挑战
发展趋势

计算机组成原理 MIPS

i
k
c j
字对齐方式下的存储器访问
速度较高接口较简单
CPU
寄存器 Byte3
Byte2
Byte1
Byte0
2020/11/20
Byte3 Byte2 Byte1 Byte0 存储器
字不对齐方式下的存储器访问
节省空间访存速度慢接口复杂
CPU
寄存器 Byte3 Byte2 Byte1 Byte0
操作码地址码 1 地址码 2 地址码 3
例1 设某台计算机有100条指令， (1) 采用固定长度操作码编码，试设计其操作码的编码。 (2) 假如这100条指令中有10条指令的使用概率达到90%，其余 90条指令的使用概率为10%。试采用不等长编码设计操作码。
解：
(1) 采用固定长度操作码编码时，需要7位操作码。取其中的100个代码作为指令操作码，可以用 0000000到1100011之间的代码代表100条指令，即
2020/11/20
访存次数问题
– Char c; – Short int i,j; – int k;
int i Int k
Char c Short j Int k
字对齐方式下的数据存储
2020/11/20
空间浪费问题
– Char c; – Short int i,j; – int k;
零地址指令
操作码
地址码
1111 1100 0000 0000～1111 1100 0000
指令的格式
R1
ADD load
2020/11/20
三、指令长度
固定长度
– 取指快、译码简单。 – 单字长、双字长、多字长
可变长度
– 可提高编码效率四、指令助记符

计算机组成原理课件第2章课件

压力测试
通过长时间运行高负载任务来测试计算机的稳定性和可靠性。
温度和散热测试
测试计算机在高温环境下的稳定性和散热性能。
计算机性能优化
01
02
03
04
硬件优化
通过升级硬件配置，如更快的处理器、更大的内存和存储空间等，提高计算机性能。
软件优化
通过优化软件算法、操作系统和应用程序等，提高计算机性能。
计算机安全重要性
随着计算机技术的快速发展，计算机安全问题日益突出，保护计算机安全对于保障国家安全、社会稳定和经济发展具有重要意义。
计算机安全威胁
计算机安全面临的威胁包括病毒、木马、黑客攻击、网络钓鱼、拒绝服务攻击等，这些威胁可能导致数据泄露、系统瘫痪、经济损失等严重后果。
计算机安全技术
防火墙技术
感谢您的观看
THANKS
Excel
电子表格软件，用于数据处理、图表制作和数据分析。
应用软件
PowerPoint
演示文稿软件，用于制作幻灯片、演示文稿和会议报告等。
图像处理软件
用于处理和编辑图像，如 Photoshop等。
图像裁剪
对图像进行裁剪，保留需要的部分。
应用软件
色彩调整
调整图像的色彩、亮度和对比度等参数。
数据库管理系统
用于管理大量数据，提供数据存储、检索、更新和保护功能。
系统软件
数据模型
定义数据的组织方式和数据之间的关系。
数据操作语言
用于执行数据的插入、删除、更新和检索等操作。
数据控制语言
用于控制对数据的访问权限和数据的安全性。
应用软件
Word
文本编辑软件，用于撰写文档、排版和打印。

计算机组成原理ppt文档

⒌可靠性：指在规定的时间内，存储器无故障读/写的概率。通常用MTBF(Mean Time Between Failures)。可以理解为连续两次故障之间的平均间隔。
⒍性能价格比C/S
C是指存储器价格： S是存储器的总容量。
4.1.4存储器系统的层次结构存储大量数据的传统办法是采用如图4-3所示的层次存储结构。
⑴Cache-M•M层次 ⑵M•M-A•M层次
4.2 半导体存储器
半导体读写存储器简称RWM，也称为RAM。具有体积小、速度快等到优点，按不同的工艺半导体RAM分为双极型和MOS型 RAM两大类，主要介绍MOS型RAM。
4.2.1 半导体存储器的分类
1
1.RAM
由于随机存取存储器可读可写，有时它们又被称为可读写存储器。随机存取存储器分为三类：静态 RAM、动态RAM和非易失性RAM
4.1.3 存储器的主要性能指标
⒈存储容量S
存储容量：主存所能容纳的二进制信息总量。对于字编址的计算机以字数与字长的乘积来表示容量。例：某计算机的容量为64K16，表示它有64K个字，字长为16位。若用字节表示，则可记为128KB。 1K=210=1024 1M=210K=220=1 048 576 1G= 210M=220K=230=1 073 741 824 1T=210G= 220M=230K=240=1 099 511 627 776
Ⅱ 是存储容量逐渐增大。
寄存器有128个字节就很合适；高速缓存可以是几MB；主存储器பைடு நூலகம்几十MB到数千MB之间；磁盘的容量应该是几GB到几十GB；磁带和光盘一般脱机存放，其容量只受限于用户的预算。
Ⅲ C/S即存储每位的价格逐渐减小。主存的价格应该是每兆(M)字节几个美元，磁盘的价格是每兆(M)字节几个美分，磁带的价格是每吉(G)字节几个美元或更低一些。

计算机组成原理课件讲解PPT

计算机系统包括计算机硬件、操作系统、应用软件等多个部分，维护整个系统的性能非常重要。
控制器
负责从存储器中提取指令，对整个计算机进行协调和控制。
寄存器
用于快速存储和访问计算机执行过程中需要用到的数据。
流水线技术的应用
流水线技术是将一个大的任务分成若干个小任务，分别处理后再组合成整体任务的技术，可以大大提高计算机运行速度。
计算机性能指标
CPU主频
衡量CPU运行速度的重要标准。
存储器的层次结构
高速缓存
位于CPU和主内存之间，是存储器层次结构中速度最快也最小的一层。
主内存
是计算机中大小和访问速度相对均衡的存储器，主要用于保存程序及数据。
辅助存储器
数据传输速度较慢的存储器，常用于长期存储，如硬盘和光盘。
中央处理器的组成与工作原理
运算器
负责进行各种算术和逻辑运算，是中央处理器的核心部分。
输入输出设备的分类
人机交互设备
如鼠标、键盘、触摸屏等，用于交互式操作和输入。 Nhomakorabea图形设备
如显示器、投影仪等，用于显示图像、视频等数据。
字符设备
如打印机、扫描仪等，用于数据输入输出。
输入输出方式的实现
1
中断方式
2
当有输入输出任务需要处理时，CPU会
停止当前的操作，并进入服务程序处理
输入输出任务。
3
计算机硬件系统的构架
1
冯诺依曼体系结构
由冯诺依曼于1945年提出，是计算机硬件结构设计的基本原则。
2
哈佛体系结构
指将指令和数据储存在不同的内存中，使得数据和指令可以同时传输。
3
人工智能体系结构
指为了加速特定类型的人工智能计算而设计的硬件和软件。

《计算机组成原理》课件

了解多种计算机体系结构的优缺点，分析不同系统的适用领域，结合实际案例深入理解计算机体系结构的实现原理和设计思路
计算机组成基础理论
寄存器与缓存
探索计算机内部的寄存器和缓存原理，了解不同级别寄存器和缓存在计算机系统中的角色和作用
主板与总线
深入了解计算机总线结构及数据和控制流在总线上的传输方式，了解与总线相关的概念和术语
掌握计算机硬件与软件之间的交互、
学会优化计算机性能的技巧
2
协作机制及其适用领域
了解计算机性能优化的基本概念和方
法，并能熟练运用于实践中
3
应用计算机体系结构案例分析
了解计算机体系结构中重要的实用技术及其应用案例，并以此为基础研究计算机领域中的新技术Fra bibliotek课程大纲
1 计算机组成基础理论
2 计算机硬件设计
操作系统优化技术
了解操作系统的内部工作原理，学习操作系统性能优化的方法和技巧
硬件优化技术
研究不同硬件系统中的性能问题，了解针对硬件性能进行的优化和调整策略
计算机体系结构案例分析
大型机体系结构
了解大型机的体系结构和设计原理，深入探索大型机的操作系统和应用场景
小型机体系结构
了解不同小型机的体系结构和优化方案，探索小型机领域的设计和发展趋势
分布式计算体系结构
了解分布式计算的各种技术和常用框架，学习相关开源软件和系统的使用方法和技巧
评价与总结
在本课程中，我们深入探讨了计算机组成原理的各个方面，了解了计算机硬件的基本原理、如何优化计算机性能、如何设计计算机体系结构等关键技能和知识。
希望通过这门课程的学习，您能够对计算机系统有更深入的理解，并能更好地应用相关技术和知识。谢谢！

计算机组成原理(课件)

IO接口的原理与结构
包括基本接口电路、标准接口电路、通用串行总线等组成的IO结构体系。
C P U 结构和指令系统设计
1
C P U 的寄存器
包括通用寄存器、程序计数器、指令
指令的地址形式
2
地址寄存器等。
包括立即寻址、寄存器寻址、直接寻
址、间接寻址等多种形式。
3
指令的执行方式
包括指令周期、指令周期计时、流水线技术等。
计算机组成原理
本课程笼统介绍计算机组成原理，从硬件、软件等多个方面全面剖析计算机的构成和发展历程。
计算机系统构成与发展历程
电子元器件的发明
第一个集成电路CI的发明 1961年，从此计算机进入全新的电子时代。
主机和终端的时代
60年代到70年代是主机和终端的时代，人们通过终端连接主机来进行计算和处理工作。
包括浮点数的加减乘除、浮点数转换等运算方法。
讲解浮点数运算中的多种异常情况及其处理方法。
计算机组成原理的发展趋势分析
1
多核处理器技术
将多个处理器核心集成到同一个处理
并行计算技术
2
器芯片上，提高处理速度。
利用多个CPU并行计算数据，提高计
算速度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ效率。
3
新型存储技术
包括固态硬盘、3D XPoint和氢原子存储器等新型存储技术。
3
CPU
包括寄存器、ALU、CU等，完成计算机的数据处理和控制工作。
I/O设备
负责计算机与外部设备之间的数据流转，包括输入和输出。
输入输出系统设计原理
IO方式的分类
根据信息的传送方式可以分为程序查询方式、中断方式、DMA方式等。

计算机组成原理 MIPS 02ppt课件

struct Tight {
Foo* P;
int i;
short s;
char c;
2020/5/6
};
.
寻址方式
按地址寻找与按内容寻找寻址方式
–地址码形成操作数存储位置的方式
2020/5/6
.
寻址方式
1. 隐含方式如ADD A中的累加器
2. 立即数方式如INT #3
3. 寄存器方式如INC R1
零地址指令
操作码
地址码
1111 1100 0000 0000～1111 1100 0.000
指令的格式
R1
ADD load
2020/5/6
三、指令长度
固定长度
– 取指快、译码简单。 – 单字长、双字长、多字长
可变长度
– 可提高编码效率四、指令助记符
伪指令、累加器，通用寄存器
Add $1, $2, $3
4×90% + 8×10% = 4.4位
比等长编码的7位小。
.
例2 若某计算机要求有如下形式的指令：三地址指令12 条，二地址指令60条，零地址指令16条(不要求有单地址指令)。设指令字长为16位，每个地址码长为4位，试用扩展操作码为其编码。
解：三个地址码12条指令的操作码分别为
0000、0001、0010、…、1011
2020/5/6
访存次数问题
– Char c; – Short int i,j; – int k;
跨页问题
Short j
Short int i Int k
Char c Short j Int k
.
字对齐方式下的数据存储
2020/5/6

计算机组成原理第课件

内存的分类与结构
结构内存条：由多个记忆单元（cell）组成，每个记忆单元包含一个晶体管和一个电容
内存条上还有地址译码器、数据缓冲器等其他组件
内存的工作原理
静态存储器（SRAM）工作原理
利用双稳态电路的记忆特性来存储信息，具有速度快、集成度高的优点，但功耗较大，价格也较高。
动态存储器（DRAM）工作原理
结构
CPU主要由运算器和控制器组成，运算器负责执行算术和逻辑运算，控制器负责控制指令的执行顺序。
功能
CPU是计算机的核心部件，负责执行程序中的指令，处理数据，控制计算机的各个部件协调工作。
CPU的工作原理
指令执行
CPU从内存中取出指令并解码，然后根据指令操作码执行相应的操作，最后将结果写回到内存或寄存器中。
计算机组成原理课件
目录
• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出设备 • 计算机系统总线 • 计算机系统网络
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
电子计算机时代
20世纪40年代，基于电子管技术的第一台计算机诞生。
个人计算机时代
20世纪80年代，个人计算机（ PC）的出现，计算机进入家庭和企业。
鼠标
触摸屏
鼠标用于在屏幕上选择、拖动和点击，其内部结构包括滚轮、传感器、电路板等部分。
触摸屏是一种新型的输入设备，用户可以通过直接触摸屏幕进行操作，常见于手机、平板电脑等移动设备。
输出设备的分类与结构
总结词
了解输出设备的分类和结构是理解计算机如何将信息呈现给用户的关键。
显示器
显示器用于显示文字、图像和视频，其内部结构包括背光灯、液晶面板、控制电路等部分。

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0000000
指令0的操作码
0000001
指令1的操作码
…
1100011
指令99的操作码
剩下从1100100到1111111共28个代码可用于增加新指令，每条指令的操作码的长度都是7。
2021/3/14
.
3
例1 设某台计算机有100条指令， (1) 采用固定长度操作码编码，试设计其操作码的编码。 (2) 假如这100条指令中有10条指令的使用概率达到90%，其余 90条指令的使用概率为10%。试采用不等长编码设计操作码。
操作码地址码 1 地址码 2 地址码 3
.
2
例1 设某台计算机有100条指令， (1) 采用固定长度操作码编码，试设计其操作码的编码。 (2) 假如这100条指令中有10条指令的使用概率达到90%，其余 90条指令的使用概率为10%。试采用不等长编码设计操作码。
解：
(1) 采用固定长度操作码编码时，需要7位操作码。取其中的100个代码作为指令操作码，可以用 0000000到1100011之间的代码代表100条指令，即
.
6
数据的类型及其存储方式
2021/3/14
操作数的类型
– 整型数、单精度和双精度浮点数、字符型 – 数据长度：单字节、双字节、字、双字、四倍字
操作数的存储方式
– 大数端(big Endian)和小数端(little Endian)
地址数据
地址数据
4
5
67
00 0F 42 40
(a) 大数端存储方式
2021/3/14
指令
操作码图 4-7
操作数立即寻址
指令
操作码
R
寄存器
操作数
图 4-8
寄存器寻址
.
16
寻址方式
4. 直接寻址如INC 1000
指令
操作码
A
存储器
操作数
2021/3/14
图 4-9 直接寻址
.
17
寻址方式
5. 寄存器间接
如INC (R1)
指令
操作码
R
寄存器
A
存储器
操作数
零地址指令
操作码
地址码
1111 1100 0000 0000～1111 1100 0.000 5
指令的格式
R1
ADD load
2021/3/14
三、指令长度
固定长度
– 取指快、译码简单。 – 单字长、双字长、多字长
可变长度
– 可提高编码效率四、指令助记符
伪指令、累加器，通用寄存器
Add $1, $2, $3
2021/3/14
struct Tight { Foo* P; int i; short s; char c;
};
.
14
寻址方式
按地址寻找与按内容寻找寻址方式
–地址码形成操作数存储位置的方式
2021/3/14
.
15
寻址方式
1. 隐含方式如ADD A中的累加器
2. 立即数方式如INT #3
3. 寄存器方式如INC R1
2021/3/14
Byte2 Byte1 Byte0 Byte3
存储器
.
12
数据存储方式的例子
2021/3/14
.
13
数据对齐的例子
试改变以下数据结构定义以减少对齐的开销
struct Loose { short s; int I; char c; Foo* p;
};
// 16 bit // 32bit // 8 bit // 64 bit
4×90% + 8×10% = 4.4位
比等长编码的7位小。
.
4
例2 若某计算机要求有如下形式的指令：三地址指令12 条，二地址指令60条，零地址指令16条(不要求有单地址指令)。设指令字长为16位，每个地址码长为4位，试用扩展操作码为其编码。
解：三个地址码12条指令的操作码分别为
0000、0001、0010、…、1011
2021/3/14
(2) 用4位代码对10条常用指令进行编码，用8位代码对90 条不常用代码进行编码，即
0000
指令0的操作码
0001
指令1的操作码
…
1000
指令8的操作码
1001
指令9的操作码
10100000
指令10的操作码
10100001
指令11的操作码
…
11111001 指令99的操作码
指令操作码的平均长度为
i
k
c j
.
10
字对齐方式下的存储器访问
速度较高接口较简单
CPU
寄存器 Byte3
Byte2
Byte1
Byte0
2021/3/14
Byte3 Byte2 Byte1 Byte0 存储器
.
11
字不对齐方式下的存储器访问
节省空间访存速度慢接口复杂
CPU
寄存器 Byte3 Byte2 Byte1 Byte0
2021/3/14
图 4-10 寄存器间接寻
.
18
寻址方式
6. 存储器间接如INC (1000)
指令
操作码
A
存储器
A 操作数
2021/3/14
图 4- 11 存储器间接寻址
.
19
寻址方式
7. 相对寻址
4
5
67
40 42 0F 00
.
7
数据的类型及其存储方式
数据对齐方式
地址 3 2 1 0 0 4 8 12 16 … …………
字节 3 2 1 0 0 4 8 12 16 … …………
2021/3/14
(a) 字不对齐
(b) 字对齐
图4-11 存储器中字的对齐情况
如何判断字对齐？
.
8
字不对齐方式下的数据存储
2021/3/14
访存次数问题
– Char c; – Short int i,j; – int k;
跨页问题
Short j
Short int i Int k
Char c Short j Int k
.
9Байду номын сангаас
字对齐方式下的数据存储
2021/3/14
空间浪费问题
– Char c; – Short int i,j; – int k;
第二章指令系统
2021/3/14
.
1
指令与指令系统指令的格式
立即数寻址方式
2021/3/14
指令格式：操作码，地址码一、操作码opcode
固定长度操作码：便于译码，扩展性差可变长度操作码：能缩短指令平均长度二、地址码addressing code 零地址指令，如NOP, CLR 一地址指令，如INC R1 二地址指令，如ADD R1, R2 三地址指令，如ADD R1, R2, R3
在双地址指令
– 1100 0000～1111 1011
零地址指令
– 1111 1100 0000 0000～1111 1100 0000 1111
三地址指令操作码地址码 1 地址码 2 地址码 3 0000～1011
2021/3/14
二地址指令
操作码
地址码 1 地址码 2
1100 0000～1111 1011