《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》電子教案(課6)

《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》電子教案課6課程回顧與引言計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)案例與實(shí)踐環(huán)節(jié)contents目錄01課程回顧與引言定義了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究對(duì)象和任務(wù)，包括硬件和軟件之間的功能分配、各功能部件的相互連接與相互作用。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念介紹了Flynn分類(lèi)法，根據(jù)指令流和數(shù)據(jù)流的數(shù)量及多倍性對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi)，如SISD、SIMD、MISD和MIMD等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分類(lèi)講解了性能評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試程序，包括CPU執(zhí)行時(shí)間、CPI、MIPS等指標(biāo)，以及Amdahl定律和Gustafson定律在性能評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)上節(jié)課內(nèi)容回顧03了解流水線中的多發(fā)技術(shù)介紹多發(fā)技術(shù)的概念、分類(lèi)和實(shí)現(xiàn)方法，包括超標(biāo)量技術(shù)、超流水線技術(shù)和超長(zhǎng)指令字技術(shù)等。01掌握流水線技術(shù)的基本原理了解流水線技術(shù)的概念、特點(diǎn)和分類(lèi)，理解流水線技術(shù)對(duì)提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的作用。02熟悉流水線性能分析掌握流水線性能分析的方法，包括時(shí)空?qǐng)D、流水線調(diào)度和流水線相關(guān)等概念。本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)實(shí)例分析與討論通過(guò)具體實(shí)例，分析流水線技術(shù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用，討論其優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)方法。流水線技術(shù)概述介紹流水線技術(shù)的產(chǎn)生背景、發(fā)展過(guò)程和基本原理。流水線性能分析詳細(xì)講解流水線性能分析的方法，包括時(shí)空?qǐng)D繪制、流水線調(diào)度策略和相關(guān)處理技術(shù)等。流水線中的多發(fā)技術(shù)介紹多發(fā)技術(shù)的概念、分類(lèi)和實(shí)現(xiàn)方法，包括超標(biāo)量技術(shù)、超流水線技術(shù)和超長(zhǎng)指令字技術(shù)等，并探討它們?cè)谔岣哂?jì)算機(jī)系統(tǒng)性能方面的應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容概覽02計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容包括指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、中央處理器結(jié)構(gòu)以及各級(jí)界面關(guān)系等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)高效、可靠、易用、低成本的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各級(jí)界面的劃分、定義及其上下級(jí)的連接關(guān)系，以及各功能部件的具體實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義根據(jù)指令流、數(shù)據(jù)流和多倍性三個(gè)方面的不同特征，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為SISD、SIMD、MISD和MIMD四類(lèi)。弗林分類(lèi)法以最大并行度對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)，包括字串位串、字串位并、字并位串和字并位并四類(lèi)。馮氏分類(lèi)法根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域、處理機(jī)數(shù)量、處理機(jī)間互連方式等特征進(jìn)行分類(lèi)。其他分類(lèi)方法計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類(lèi)以電子管為主要元件，采用串行處理方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)晶體管替代電子管，提高了計(jì)算機(jī)性能和可靠性，出現(xiàn)了多道程序設(shè)計(jì)和分時(shí)系統(tǒng)等新技術(shù)。晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代集成電路技術(shù)的發(fā)展使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊和高效，出現(xiàn)了微處理器和微型計(jì)算機(jī)等新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代VLSI技術(shù)的發(fā)展使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能得到極大提升，出現(xiàn)了多處理器系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)和云計(jì)算等新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程03指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合，反映了計(jì)算機(jī)的基本功能。指令集架構(gòu)（ISA）指令系統(tǒng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，包括指令格式、尋址方式、寄存器定義等。指令計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令，通常由操作碼和操作數(shù)組成。指令系統(tǒng)基本概念指令的組成和結(jié)構(gòu)，包括操作碼、地址碼等字段。指令格式確定操作數(shù)地址的方法，如立即尋址、直接尋址、間接尋址等。尋址方式指令所占的位數(shù)，與計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)有關(guān)。指令長(zhǎng)度指令所能處理的數(shù)據(jù)類(lèi)型和大小，如字節(jié)、字、雙字等。操作數(shù)類(lèi)型與大小指令格式與尋址方式指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則完整性、正交性、高效率、簡(jiǎn)潔性等。指令系統(tǒng)優(yōu)化方法減少指令條數(shù)、降低指令復(fù)雜度、提高指令并行性等。指令系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)從CISC到RISC，再到VLIW和EPIC等現(xiàn)代指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)對(duì)性能的影響指令系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響CPU的性能和功耗等指標(biāo)。指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化04存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如硬盤(pán)、光盤(pán)等，用于永久保存大量信息。輔助存儲(chǔ)器（SecondaryStorage）位于CPU與主存之間，用于緩解CPU與主存之間速度不匹配的矛盾。高速緩存（Cache）計(jì)算機(jī)的主要存儲(chǔ)部件，用于存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。主存儲(chǔ)器（MainMemory）介紹存儲(chǔ)器芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳功能以及擴(kuò)展方法。存儲(chǔ)器芯片組織存儲(chǔ)器訪問(wèn)方式主存與CPU連接包括隨機(jī)訪問(wèn)、順序訪問(wèn)和索引訪問(wèn)等，分析不同訪問(wèn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)。討論主存與CPU之間的連接方式，如直接連接、間接連接等。030201主存儲(chǔ)器組織與訪問(wèn)方式高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）介紹Cache的工作原理、映射方式、替換算法以及寫(xiě)策略等。虛擬存儲(chǔ)器（VirtualMemory）闡述虛擬存儲(chǔ)器的概念、實(shí)現(xiàn)方法以及頁(yè)式管理、段式管理等。Cache與虛擬存儲(chǔ)器的結(jié)合分析Cache與虛擬存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用及其相互關(guān)系，討論如何優(yōu)化二者的結(jié)合以提高系統(tǒng)性能。高速緩沖存儲(chǔ)器與虛擬存儲(chǔ)器05輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀、攝像頭等輸入設(shè)備輸出設(shè)備接口類(lèi)型設(shè)備與接口的連接方式顯示器、打印機(jī)、音響等串行接口、并行接口、USB接口、PS/2接口等有線連接、無(wú)線連接輸入輸出設(shè)備及其接口01020304程序查詢(xún)方式CPU通過(guò)執(zhí)行程序不斷查詢(xún)外設(shè)狀態(tài)，控制數(shù)據(jù)輸入中斷方式外設(shè)準(zhǔn)備就緒后，向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷后執(zhí)行相應(yīng)的輸入輸出操作DMA方式直接內(nèi)存訪問(wèn)，外設(shè)與內(nèi)存之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，無(wú)需CPU干預(yù)通道方式通道是一種具有特殊功能的處理器，可以獨(dú)立地執(zhí)行輸入輸出操作，減輕CPU的負(fù)擔(dān)輸入輸出控制方式總線概述總線是計(jì)算機(jī)內(nèi)部各部件之間傳輸信息的公共通道，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線常見(jiàn)的總線標(biāo)準(zhǔn)有PCI、PCIExpress、USB、SATA等當(dāng)多個(gè)部件同時(shí)請(qǐng)求使用總線時(shí)，需要通過(guò)仲裁機(jī)構(gòu)進(jìn)行裁決，確定哪個(gè)部件優(yōu)先使用總線通道是一種獨(dú)立于CPU的專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入輸出的處理機(jī)，它可以控制多臺(tái)外設(shè)與內(nèi)存直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，提高了輸入輸出操作的并行性和效率。總線標(biāo)準(zhǔn)總線仲裁通道技術(shù)總線與通道技術(shù)06教學(xué)案例與實(shí)踐環(huán)節(jié)案例選擇選擇具有代表性的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)案例，如IBM的System/360、MIPSR3000等，分析其設(shè)計(jì)思想、指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)等方面的特點(diǎn)。案例分析過(guò)程引導(dǎo)學(xué)生從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度分析案例，理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部分之間的關(guān)聯(lián)和影響，掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體思路和方法。案例討論與總結(jié)組織學(xué)生開(kāi)展案例討論，探討案例中的優(yōu)缺點(diǎn)、創(chuàng)新點(diǎn)以及改進(jìn)方案等，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，提高分析和解決問(wèn)題的能力。010203典型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)案例分析010203設(shè)計(jì)任務(wù)給定一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)滿(mǎn)足需求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)等。設(shè)計(jì)過(guò)程學(xué)生需要了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成和工作原理，掌握指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和方法，理解存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和緩存技術(shù)，熟悉I/O系統(tǒng)的接口和傳輸方式等。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試。設(shè)計(jì)成果與評(píng)價(jià)學(xué)生需要提交系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告、仿真代碼和測(cè)試結(jié)果等材料。教師根據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)思路、實(shí)現(xiàn)方法、測(cè)試結(jié)果等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，給出成績(jī)和建議。實(shí)踐環(huán)節(jié)針對(duì)本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容和案例分析，提出一些具有啟發(fā)性和挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深