《计算机原理》课件.ppt

计算机原理欢迎来到计算机原理课程！本课程将带领大家深入了解计算机系统的基本构成、工作原理以及核心技术。通过系统学习，您将掌握从硬件到软件、从单核到多核、从单机到网络的计算机系统全貌。无论您是计算机专业的学生，还是对计算机技术感兴趣的爱好者，本课程都将为您提供扎实的理论基础和实用的技术知识，帮助您理解现代计算机系统的复杂性和美感。

课程概述课程目标掌握计算机系统的基本组成和工作原理，理解硬件与软件的协同工作机制，培养分析和解决计算机系统问题的能力。通过本课程学习，学生将能够从底层理解计算机的运行机制，为后续专业课程奠定坚实基础。学习内容课程内容涵盖计算机系统概述、数据表示与运算、指令系统、CPU组成与设计、存储系统、输入输出系统、并行处理技术等核心知识，同时兼顾计算机网络、操作系统、编译原理、算法与数据结构等拓展内容。考核方式课程采用综合评价方式，包括课堂参与度(10%)、实验报告(30%)、期中考试(20%)和期末考试(40%)。考核内容注重理论与实践相结合，强调对计算机系统整体理解和问题解决能力的评估。

第一章：计算机系统概述计算机的定义计算机是一种能够按照程序指令自动执行数值计算和逻辑运算的电子设备。它能够存储、处理和输出信息，通过输入设备接收数据，经过中央处理器运算后，通过输出设备展示结果。现代计算机已经成为人类社会不可或缺的工具。计算机的发展历史计算机的发展经历了从机械计算时代、电子管计算机、晶体管计算机到集成电路和超大规模集成电路的飞跃。从第一代到第五代计算机，系统架构不断完善，性能指标持续提升，应用范围日益广泛。计算机的分类按规模和性能可分为超级计算机、大型计算机、小型计算机、微型计算机和嵌入式计算机；按用途可分为科学计算机、商用计算机、工业控制计算机和网络计算机；按数据处理方式可分为数字计算机、模拟计算机和混合计算机。

计算机系统的组成硬件系统计算机的物理实体，包括中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出设备和总线系统。硬件为软件的运行提供物理平台，决定了计算机系统的基本性能和功能极限。软件系统计算机程序及其文档的总称，分为系统软件和应用软件。系统软件负责管理和控制计算机系统资源，应用软件则用于解决特定领域的实际问题。固件存储在只读存储器(ROM)中的特殊软件，如BIOS和设备驱动程序，具有软硬件双重特性，是连接硬件和软件的重要桥梁。

冯·诺依曼体系结构五大部件冯·诺依曼体系结构包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件。其中运算器和控制器共同构成中央处理器(CPU)，负责程序的执行和数据处理，是整个计算机系统的核心。存储程序概念程序和数据都以二进制形式存储在同一个存储器中，可按地址访问，这是冯·诺依曼体系最重要的特征。计算机按照存储在内存中的程序指令顺序执行，使得程序可以像数据一样被读取和修改。优点和局限性优点是结构简单清晰，控制方式灵活，适应性强；局限性则表现为冯·诺依曼瓶颈——处理器和存储器之间的数据传输带宽限制了系统性能，使处理器经常处于等待状态，难以充分发挥其计算能力。

现代计算机系统结构并行处理多核处理器和多处理器系统多级存储体系缓存-主存-辅存的层次化设计总线结构数据、地址和控制信号的传输通道现代计算机系统采用总线结构作为各部件间的通信方式，大大提高了系统的灵活性和可扩展性。总线是一组公共的导线，用于在计算机各部件之间传输地址、数据和控制信号。多级存储体系通过在速度和容量之间取得平衡，有效缓解了冯·诺依曼瓶颈问题。从高速缓存到主存储器，再到辅助存储器，形成了一个层次化的存储结构，提高了存储系统的整体性能。并行处理技术通过多核处理器、多处理器系统以及并行算法设计，实现了计算任务的同时处理，显著提升了系统处理能力和吞吐量，是突破冯·诺依曼架构性能限制的重要发展方向。

计算机性能指标3.5GHz主频CPU的时钟频率，表示每秒钟产生的脉冲数，是衡量处理器速度的基本指标，但受制于同构架的限制，不能跨架构比较1.5CPI每指令周期数，表示执行一条指令平均需要的时钟周期数，反映了指令执行的效率500MIPSMIPS每秒执行百万条指令数，计算公式为主频/CPI，是综合考虑了时钟频率和指令效率的性能指标1TFLOPSFLOPS每秒浮点运算次数，是衡量科学计算领域计算机性能的重要指标，特别适用于评估超级计算机的性能

第二章：数据的表示与运算进位计数制计算机中常用的数制包括二进制、八进制、十进制和十六进制。二进制是计算机内部数据表示的基础，仅使用0和1两个数字，与电子计算机的物理特性（开关状态）完美匹配。八进制和十六进制主要用于简化二进制的表示和输入输出，它们与二进制之间的转换非常方便。十进制则是人类日常使用的数制，计算机需要在内部二进制表示和外部十进制表示之间进行转换。不同进制间的转换二进制转十进制：按