《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》電子教案(課)

《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》電子教案目錄contents計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述數(shù)據(jù)表示與運算方法存儲器層次結(jié)構(gòu)與優(yōu)化技術(shù)指令系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化策略中央處理器（CPU）組成與功能總線、接口和輸入輸出系統(tǒng)01計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是從外部來研究計算機系統(tǒng)的一門學(xué)科，一般說來，凡是計算機系統(tǒng)的直接使用者（研究人員、應(yīng)用開發(fā)人員）所能看到的計算機系統(tǒng)的屬性都是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所要研究的對象。定義計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可按不同標準進行分類，如Flynn分類法、馮氏分類法、Handler分類法和Kuck分類法等。其中，F(xiàn)lynn分類法根據(jù)指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式，將計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）、單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）、多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）和多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）四類。分類計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義與分類性能指標計算機系統(tǒng)的主要性能指標包括字長、運算速度、存儲容量、存取周期、運算器的邏輯結(jié)構(gòu)、主存儲器與CPU之間數(shù)據(jù)傳輸速率等。評價方法計算機系統(tǒng)性能評價方法主要有時鐘頻率法、指令執(zhí)行速度法、等效指令速度法、數(shù)據(jù)處理速率法、基準程序法等。其中，基準程序法是目前最常用的一種性能評價方法，它通過運行一組有代表性的程序來度量計算機系統(tǒng)的性能。計算機系統(tǒng)性能指標與評價方法計算機系統(tǒng)經(jīng)歷了從電子管計算機、晶體管計算機、集成電路計算機到超大規(guī)模集成電路計算機等發(fā)展階段。在發(fā)展過程中，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷演變，從最初的單一處理器結(jié)構(gòu)發(fā)展到現(xiàn)在的多處理器結(jié)構(gòu)、分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、并行處理結(jié)構(gòu)等。發(fā)展歷程未來計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展將更加注重高性能、高可靠性、高可擴展性、低功耗和易用性等方面。同時，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也將面臨新的挑戰(zhàn)和機遇。例如，新型計算機體系結(jié)構(gòu)如量子計算機、生物計算機等的研究正在不斷深入；計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計也將更加注重軟硬件協(xié)同設(shè)計、體系結(jié)構(gòu)自適應(yīng)等方面的研究。趨勢計算機系統(tǒng)發(fā)展歷程及趨勢02數(shù)據(jù)表示與運算方法03字符和字符串表示介紹字符編碼的標準，如ASCII、Unicode等，以及字符串的存儲和處理方式。01原碼、反碼和補碼介紹三種基本的二進制數(shù)表示方法，包括其定義、轉(zhuǎn)換方式以及應(yīng)用場景。02整數(shù)和實數(shù)表示闡述在計算機系統(tǒng)中如何表示整數(shù)和實數(shù)，包括定點數(shù)和浮點數(shù)的概念及其優(yōu)缺點。數(shù)據(jù)表示方法定點數(shù)加減運算詳細講解定點數(shù)加減運算的規(guī)則、溢出處理以及電路實現(xiàn)。浮點數(shù)加減運算闡述浮點數(shù)加減運算的步驟，包括對齊、加減、規(guī)格化、舍入和溢出處理等。乘法與除法運算介紹定點數(shù)和浮點數(shù)的乘法和除法運算方法，包括其電路實現(xiàn)和優(yōu)化技術(shù)。定點數(shù)與浮點數(shù)運算介紹與、或、非等基本邏輯運算的定義和實現(xiàn)方式。基本邏輯運算復(fù)合邏輯運算邏輯運算電路實現(xiàn)闡述復(fù)合邏輯運算的構(gòu)成和實現(xiàn)方法，如異或、同或等。介紹邏輯運算在電路中的實現(xiàn)方式，包括門電路和可編程邏輯器件等。030201邏輯運算及實現(xiàn)方式糾錯碼原理介紹糾錯碼的基本原理，包括其編碼和解碼方法以及糾錯能力。校驗碼與糾錯碼應(yīng)用舉例說明校驗碼和糾錯碼在計算機系統(tǒng)中的應(yīng)用，如數(shù)據(jù)傳輸、存儲和通信等領(lǐng)域。校驗碼原理闡述校驗碼的概念、分類以及生成和檢測原理。校驗碼與糾錯碼原理及應(yīng)用03存儲器層次結(jié)構(gòu)與優(yōu)化技術(shù)存儲器層次結(jié)構(gòu)概述及特點存儲器層次結(jié)構(gòu)概念從CPU寄存器到硬盤，速度由快到慢、容量由小到大的多層次存儲系統(tǒng)。存儲器層次結(jié)構(gòu)特點各層次間通過數(shù)據(jù)交換和地址映射實現(xiàn)數(shù)據(jù)連續(xù)性和訪問速度的優(yōu)化。存儲器層次結(jié)構(gòu)優(yōu)勢提高數(shù)據(jù)訪問速度、減少CPU等待時間、降低存儲系統(tǒng)成本。主存儲器是計算機系統(tǒng)中的主要存儲部件，用于存放程序和數(shù)據(jù)。主存儲器基本概念包括字選址和字節(jié)選址兩種方式，以及相應(yīng)的存儲單元排列和尋址方式。主存儲器組織方式考慮存儲容量、存取速度、可靠性、成本等因素，采用適當?shù)拇鎯夹g(shù)和組織結(jié)構(gòu)。主存儲器設(shè)計原則主存儲器組織與設(shè)計原則Cache是一種高速緩沖存儲器，用于存放CPU頻繁訪問的數(shù)據(jù)和指令。Cache基本概念Cache工作原理Cache應(yīng)用舉例采用地址映射和數(shù)據(jù)交換技術(shù)，將主存中的數(shù)據(jù)和指令復(fù)制到Cache中，CPU直接訪問Cache以提高訪問速度。在CPU與主存之間設(shè)置Cache，可以顯著提高計算機系統(tǒng)的整體性能，如減少CPU等待時間、提高數(shù)據(jù)吞吐量等。高速緩沖存儲器（Cache）原理及應(yīng)用虛擬存儲器工作原理采用程序局部性原理和地址映射技術(shù)，將程序和數(shù)據(jù)劃分為多個頁面，按需調(diào)入主存，實現(xiàn)主存的擴展和程序的連續(xù)執(zhí)行。虛擬存儲器實現(xiàn)技術(shù)包括頁面置換算法、TLB（TranslationLookasideBuffer）技術(shù)、內(nèi)存保護技術(shù)等，以確保虛擬存儲器的正確性和高效性。虛擬存儲器基本概念虛擬存儲器是一種邏輯上的存儲器，其容量比實際主存大得多。虛擬存儲器原理及實現(xiàn)技術(shù)04指令系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化策略指令系統(tǒng)基本概念及分類方法介紹兩種指令系統(tǒng)的設(shè)計理念、特點及應(yīng)用場景。復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISC）與精簡指令系統(tǒng)（RISC）計算機硬件能夠識別的指令集合，包括指令格式、操作碼、地址碼等要素。指令系統(tǒng)定義按照功能、格式、操作數(shù)類型等多種方式進行分類，如算術(shù)指令、邏輯指令、數(shù)據(jù)傳送指令等。指令分類確定指令中操作數(shù)地址的方法，包括立即尋址、直接尋址、間接尋址等。尋址方式定義從指令長度、執(zhí)行速度、存儲空間等方面分析不同尋址方式的優(yōu)缺點。尋址方式特點比較根據(jù)程序語言特性、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法要求等因素選擇合適的尋址方式。尋址方式選擇依據(jù)尋址方式及其特點比較指令的組成結(jié)構(gòu)，包括操作碼字段、地址碼字段等。指令格式定義提高指令執(zhí)行速度、減少指令長度、降低譯碼復(fù)雜度等。指令格式優(yōu)化目標采用變長指令格式、擴展操作碼字段、優(yōu)化地址碼字段等。指令格式優(yōu)化方法在滿足功能和性能要求的前提下，盡量簡化指令格式，提高系統(tǒng)可靠性。指令格式設(shè)計原則指令格式優(yōu)化策略探討采用哈夫曼編碼、擴展操作碼等技術(shù)，縮短操作碼長度，提高指令執(zhí)行效率。操作碼優(yōu)化地址碼優(yōu)化優(yōu)化方法選擇依據(jù)優(yōu)化效果評估采用寄存器間接尋址、基址尋址等技術(shù)，減少內(nèi)存訪問次數(shù)，提高數(shù)據(jù)存取速度。根據(jù)指令系統(tǒng)特點、硬件資源及性能要求等因素選擇合適的優(yōu)化方法。通過仿真測試、性能分析等手段評估優(yōu)化效果，為指令系統(tǒng)設(shè)計提供參考依據(jù)。操作碼優(yōu)化和地址碼優(yōu)化方法05中央處理器（CPU）組成與功能控制器運算器寄存器高速緩存CPU基本組成部件介紹負責(zé)指令的獲取、解碼和執(zhí)行，控制CPU各部件的操作。存儲操作數(shù)和中間結(jié)果，提供快速數(shù)據(jù)訪問通道。執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算，包括加法、減法、乘法、除法等。位于CPU內(nèi)部，用于暫時存儲頻繁訪問的數(shù)據(jù)和指令，提高訪問速度。CPU從存儲器中讀取指令，并放入指令寄存器。指令獲取指令解碼器對指令進行解析，確定要執(zhí)行的操作和所需的操作數(shù)。指令解碼根據(jù)指令類型，運算器執(zhí)行相應(yīng)的算術(shù)或邏輯運算。指令執(zhí)行運算結(jié)果寫回到寄存器或存儲器中，供后續(xù)指令使用。結(jié)果寫回指令執(zhí)行過程剖析流水線技術(shù)原理01將指令執(zhí)行過程拆分為多個階段，每個階段獨立執(zhí)行，實現(xiàn)多條指令的并行處理。流水線技術(shù)在CPU中應(yīng)用02通過流水線技術(shù)，CPU可以同時處理多條指令，提高指令吞吐量和CPU性能。流水線技術(shù)優(yōu)化03針對流水線中的瓶頸階段進行優(yōu)化，如采用超標量技術(shù)、分支預(yù)測技術(shù)等，進一步提高CPU性能。流水線技術(shù)原理及其在CPU中應(yīng)用多核處理器架構(gòu)將多個獨立的CPU核心集成在一個處理器芯片上，每個核心都有自己的控制器、運算器和緩存等部件。性能提升途徑通過并行處理、任務(wù)分配和資源共享等方式，充分利用多核處理器的優(yōu)勢，提高整體性能。多核處理器優(yōu)化針對多核處理器的特點進行優(yōu)化，如采用線程級并行、數(shù)據(jù)級并行等技術(shù)，進一步提高性能。同時，需要考慮多核處理器之間的通信和同步問題，以確保正確的數(shù)據(jù)共享和一致性。多核處理器架構(gòu)及性能提升途徑06總線、接口和輸入輸出系統(tǒng)外部總線連接計算機和外部設(shè)備的總線，如USB、SATA等。系統(tǒng)總線連接計算機系統(tǒng)的主要部件，如CPU、內(nèi)存、I/O接口等。內(nèi)部總線連接CPU和內(nèi)部存儲器的總線，速度快，位數(shù)多?？偩€定義總線是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導(dǎo)線組成的傳輸線束?？偩€分類根據(jù)總線所處的位置和作用，總線可以分為內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線?？偩€基本概念和分類方法一種高性能的32位或64位總線，支持即插即用和自動配置。PCI總線通用串行總線，支持熱插拔和即插即用，傳輸速度較快。USB總線常見總線標準和性能比較SATA總線：串行ATA總線，主要用于連接硬盤和光驅(qū)等存儲設(shè)備。常見總線標準和性能比較不同總線的傳輸速度不同，PCI總線速度較快，USB和SATA次之。傳輸速度PCI總線適用于高速數(shù)據(jù)傳輸和需要較大帶寬的場合；USB總線適用于連接外部設(shè)備和移動存儲設(shè)備；SATA總線適用于連接硬盤和光驅(qū)等存儲設(shè)備。適用范圍隨著技術(shù)的發(fā)展，總線的傳輸速度和性能不斷提高，新的總線標準也不斷涌現(xiàn)。發(fā)展趨勢常見總線標準和性能比較數(shù)據(jù)各位同時傳輸，傳輸速度快，但傳輸距離較短。數(shù)據(jù)一位一位地順序傳輸，傳輸速度較慢，但傳輸距離較長。接口類型和特點分析串行接口并行接口USB接口：通用串行總線接口，支持熱插拔和即插即用。接口類型和特點分析123適用于需要高速傳輸?shù)膱龊?，但成本較高。并行接口適用于遠距離傳輸和低成本應(yīng)用。串行接口方便易用，支持多種設(shè)備，已成為主流接口之一。USB接口接口類型和特點分析輸入輸出控制方式探討程序查詢方式CPU通過程序不斷查詢外設(shè)的狀態(tài)，直到外設(shè)準備好才進行數(shù)據(jù)傳送。中斷方式當外設(shè)準備好后，向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應(yīng)中斷并進行數(shù)據(jù)傳送。DMA