王道考研計(jì)組課件

王道考研計(jì)組課件2023-2026ONEKEEPVIEWREPORTING目錄CATALOGUE計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概述指令系統(tǒng)處理器組織結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)輸入輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的評(píng)估與優(yōu)化計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的最新進(jìn)展計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概述PART01計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)定義計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟、硬件功能的分配和定義，包括指令集、硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)等方面。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的重要性計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)不僅關(guān)系到計(jì)算機(jī)的性能和成本，還直接影響軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)的方法和效率。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本概念01020304第一代計(jì)算機(jī)以真空管作為基礎(chǔ)元件，體積大、耗能高、可靠性差。第二代計(jì)算機(jī)以晶體管作為基礎(chǔ)元件，體積縮小、耗能降低、可靠性提高。第三代計(jì)算機(jī)以集成電路作為基礎(chǔ)元件，體積進(jìn)一步縮小、耗能進(jìn)一步降低、可靠性進(jìn)一步提高。第四代計(jì)算機(jī)以大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路作為基礎(chǔ)元件，計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程按照存儲(chǔ)器的類型分類馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)。按照指令集分類復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISC）和精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC）。按照處理器的數(shù)量分類單處理器和多處理器系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的分類指令系統(tǒng)PART0201指令是計(jì)算機(jī)執(zhí)行的基本命令，由一組二進(jìn)制代碼表示，它們代表了要執(zhí)行的特定操作。指令02指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中所有可執(zhí)行指令的集合，這些指令可以由程序員使用高級(jí)語(yǔ)言編寫程序。指令系統(tǒng)03指令系統(tǒng)提供了計(jì)算機(jī)所需的基本操作，包括算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸、控制轉(zhuǎn)移等。指令系統(tǒng)的基本功能指令系統(tǒng)的基本概念完備性是指指令系統(tǒng)能夠完成所有基本的計(jì)算和控制操作，滿足程序員在編寫程序時(shí)的需求。完備性簡(jiǎn)單性是指指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能簡(jiǎn)單明了，這樣可以減少程序員的學(xué)習(xí)難度和出錯(cuò)概率。簡(jiǎn)單性統(tǒng)一性是指指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)風(fēng)格應(yīng)該一致，這樣程序員可以更容易地學(xué)習(xí)和掌握指令系統(tǒng)。統(tǒng)一性高效性是指指令系統(tǒng)應(yīng)該盡可能快地執(zhí)行程序，這樣可以提高計(jì)算機(jī)的整體性能。高效性01030204指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISC）這種指令系統(tǒng)包含了大量的復(fù)雜指令，可以完成各種復(fù)雜的操作，但同時(shí)也增加了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本。精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)（RISC）這種指令系統(tǒng)只包含最基本的指令，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且成本低，但同時(shí)也犧牲了一些復(fù)雜操作的性能。指令系統(tǒng)的分類處理器組織結(jié)構(gòu)PART03內(nèi)存管理單元內(nèi)存管理單元負(fù)責(zé)內(nèi)存的訪問(wèn)和管理。它包括內(nèi)存地址寄存器、內(nèi)存數(shù)據(jù)寄存器、內(nèi)存控制寄存器等。指令集指令集是處理器內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的核心，它規(guī)定了處理器能夠執(zhí)行的操作和指令。指令集包括各種算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送等指令。寄存器寄存器是處理器內(nèi)部的重要部件，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令。根據(jù)功能不同，寄存器可以分為通用寄存器、控制寄存器和狀態(tài)寄存器等。算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元是處理器的核心運(yùn)算單元，用于執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。它由加法器、移位器、邏輯器等組成。處理器的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)總線接口是處理器與外部設(shè)備進(jìn)行通信的橋梁。它包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線?？偩€接口中斷控制器用于處理外部中斷請(qǐng)求。它包括中斷請(qǐng)求寄存器和中斷優(yōu)先級(jí)寄存器。中斷控制器定時(shí)器用于產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)，用于定時(shí)操作和延時(shí)操作。它包括定時(shí)器控制寄存器和定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器。定時(shí)器處理器的外部組織結(jié)構(gòu)緊耦合多處理器是指多個(gè)處理器之間緊密耦合，共享內(nèi)存和I/O設(shè)備。這種結(jié)構(gòu)適用于并行計(jì)算和分布式計(jì)算。松耦合多處理器是指多個(gè)處理器之間松散耦合，每個(gè)處理器都有自己的內(nèi)存和I/O設(shè)備。這種結(jié)構(gòu)適用于分布式計(jì)算和模塊化設(shè)計(jì)。多處理器組織結(jié)構(gòu)松耦合多處理器緊耦合多處理器存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)PART0403存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)包括存儲(chǔ)容量、存取時(shí)間、存儲(chǔ)周期、可靠性等。01存儲(chǔ)器定義存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要組成部分，用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。02存儲(chǔ)器分類根據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)、存取速度、容量等不同特征，存儲(chǔ)器可分為多種類型，如半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁表面存儲(chǔ)器、光存儲(chǔ)器等。存儲(chǔ)器的基本概念寄存器是CPU內(nèi)部的高速存儲(chǔ)器，用于臨時(shí)存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，具有高速存取的特點(diǎn)。寄存器L1/L2/L3高速緩存主存硬盤高速緩存是位于CPU和主存之間的臨時(shí)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)，以提高訪問(wèn)速度。主存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的主要存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)和程序，具有較大的容量和較小的存取時(shí)間。硬盤是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外部存儲(chǔ)器，具有大容量、低成本、長(zhǎng)期存儲(chǔ)等特點(diǎn)。存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)當(dāng)CPU訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，如果數(shù)據(jù)已經(jīng)在高速緩存中，則無(wú)需從主存中讀取，直接從高速緩存中獲取即可，節(jié)省了存取時(shí)間。緩存命中當(dāng)CPU訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，如果數(shù)據(jù)不在高速緩存中，則需要從主存中讀取，同時(shí)將數(shù)據(jù)寫入高速緩存中，以備下次直接訪問(wèn)。緩存不命中高速緩存的基本原理輸入輸出系統(tǒng)PART05輸入輸出系統(tǒng)的定義輸入輸出系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中負(fù)責(zé)信息交換的設(shè)備、接口和通道的集合。它負(fù)責(zé)將外部設(shè)備（如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等）與主機(jī)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的輸入和輸出。輸入輸出系統(tǒng)的組成輸入輸出系統(tǒng)由硬件設(shè)備和軟件程序組成。硬件設(shè)備包括各種外部設(shè)備、接口卡、電纜等，軟件程序則包括與外部設(shè)備通信的程序和控制程序等。輸入輸出系統(tǒng)的分類根據(jù)傳輸方式的不同，輸入輸出系統(tǒng)可分為串行和并行輸入輸出系統(tǒng)。串行輸入輸出系統(tǒng)采用一根數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)，而并行輸入輸出系統(tǒng)則采用多根數(shù)據(jù)線同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。輸入輸出系統(tǒng)的基本概念010203中斷系統(tǒng)的基本概念中斷系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中用于處理輸入輸出設(shè)備請(qǐng)求的一種機(jī)制。當(dāng)輸入輸出設(shè)備需要與主機(jī)通信時(shí)，它們會(huì)通過(guò)中斷請(qǐng)求來(lái)通知主機(jī)。主機(jī)在接收到中斷請(qǐng)求后，會(huì)暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序來(lái)處理請(qǐng)求。中斷系統(tǒng)的組成中斷系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括中斷控制器、中斷向量表等，軟件部分則包括中斷處理程序、中斷向量表等。中斷系統(tǒng)的分類根據(jù)中斷源的不同，中斷系統(tǒng)可分為硬件中斷和軟件中斷。硬件中斷是由輸入輸出設(shè)備引起的中斷，而軟件中斷則是由程序中使用的系統(tǒng)調(diào)用引起的中斷。中斷系統(tǒng)DMA技術(shù)的概念DMA（DirectMemoryAccess）技術(shù)是一種允許外部設(shè)備直接訪問(wèn)內(nèi)存的技術(shù)。它通過(guò)將數(shù)據(jù)直接從內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)酵獠吭O(shè)備或從外部設(shè)備傳輸?shù)絻?nèi)存，避免了主機(jī)CPU的干預(yù)，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。DMA技術(shù)的實(shí)現(xiàn)DMA技術(shù)是通過(guò)DMA控制器實(shí)現(xiàn)的。DMA控制器是一種專門設(shè)計(jì)的芯片，它可以控制內(nèi)存與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。在DMA傳輸中，DMA控制器會(huì)接管對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)權(quán)，直接控制數(shù)據(jù)的傳輸，而不需要經(jīng)過(guò)CPU的干預(yù)。DMA技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)使用DMA技術(shù)可以顯著提高數(shù)據(jù)傳輸效率，因?yàn)樗苊饬薈PU對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母深A(yù)。此外，DMA技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)外部設(shè)備同時(shí)訪問(wèn)內(nèi)存，從而提高了計(jì)算機(jī)的整體性能。DMA技術(shù)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的評(píng)估與優(yōu)化PART06計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的評(píng)估方法01定量評(píng)估方法02MIPS：衡量指令執(zhí)行速度，是衡量計(jì)算機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。03FLOPS：衡量浮點(diǎn)運(yùn)算性能，適用于衡量高性能計(jì)算機(jī)的性能。BOPS：衡量I/O性能，用于衡量系統(tǒng)整體性能。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的評(píng)估方法基準(zhǔn)測(cè)試：通過(guò)運(yùn)行一系列測(cè)試程序來(lái)評(píng)估計(jì)算機(jī)性能。定性評(píng)估方法用戶體驗(yàn)：通過(guò)用戶對(duì)計(jì)算機(jī)的操作體驗(yàn)來(lái)評(píng)估性能。專家評(píng)審：由專家根據(jù)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和性能進(jìn)行綜合評(píng)估。01020304計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的評(píng)估方法指令級(jí)并行通過(guò)同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)來(lái)提高性能。數(shù)據(jù)級(jí)并行線程級(jí)并行內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化01020403通過(guò)優(yōu)化內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)來(lái)提高緩存命中率和減少內(nèi)存延遲。通過(guò)同時(shí)執(zhí)行多個(gè)指令來(lái)提高性能。通過(guò)同時(shí)執(zhí)行多個(gè)線程來(lái)提高性能。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化技術(shù)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的最新進(jìn)展PART07多核處理器技術(shù)是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的最新進(jìn)展之一，它通過(guò)在單個(gè)芯片上集成多個(gè)核心，提高了處理器的并行計(jì)算能力和性能。多核處理器的實(shí)現(xiàn)方式有多種，包括將多個(gè)單核處理器集成到一個(gè)芯片上，或者使用超線程技術(shù)將單個(gè)核心模擬成多個(gè)核心。多核處理器技術(shù)在服務(wù)器、桌面和移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個(gè)重要方向。多核處理器技術(shù)并行計(jì)算技術(shù)包括多線程并行、多進(jìn)程并行和分布式并行等不同實(shí)現(xiàn)方式。并行計(jì)算技術(shù)在高性能計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理和云計(jì)算等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的另一個(gè)重要方向。并行計(jì)算是指同時(shí)執(zhí)行多個(gè)計(jì)算任務(wù)的技術(shù)，它通過(guò)將計(jì)算任務(wù)分解為多個(gè)子任務(wù)，并分別執(zhí)行這些子任務(wù)，從而加快了計(jì)算速度。并行計(jì)算技術(shù)非傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是指不同于傳統(tǒng)的馮·諾依曼體系的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，它通過(guò)改變指