【大學課件】計算機體系結(jié)構(gòu)

計算機體系結(jié)構(gòu)本課程將探討計算機系統(tǒng)內(nèi)部的工作原理，包括硬件和軟件如何協(xié)同工作。計算機體系結(jié)構(gòu)概述硬件和軟件的橋梁計算機體系結(jié)構(gòu)定義了計算機系統(tǒng)的組織和工作原理，是硬件和軟件之間的橋梁。程序執(zhí)行的藍圖它描述了計算機如何執(zhí)行指令、存儲數(shù)據(jù)以及管理資源，為程序執(zhí)行提供藍圖。性能和成本的平衡計算機體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要在性能、成本、功耗等方面進行權(quán)衡，以滿足不同的應(yīng)用需求。計算機的基本組成中央處理器(CPU)計算機的大腦，負責執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。主存儲器(RAM)用于存儲正在運行的程序和數(shù)據(jù)。輸入/輸出設(shè)備(I/O)用于將信息輸入計算機，并將結(jié)果輸出到外部設(shè)備。存儲器(SecondaryStorage)用于存儲長期保存的數(shù)據(jù)和程序。計算機硬件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1系統(tǒng)級用戶視角,包括操作系統(tǒng),應(yīng)用軟件,數(shù)據(jù)文件等.2體系結(jié)構(gòu)級邏輯結(jié)構(gòu),包括指令集,數(shù)據(jù)類型,尋址方式,中斷處理等.3微體系結(jié)構(gòu)級硬件結(jié)構(gòu),包括CPU,內(nèi)存,外設(shè)等.4電路級邏輯門,觸發(fā)器等電路實現(xiàn).存儲系統(tǒng)硬盤主要存儲設(shè)備，提供持久性存儲，容量大、價格低，速度慢。固態(tài)硬盤速度更快，成本更高，容量略小于硬盤，壽命更長。閃存可移動存儲設(shè)備，容量較小，速度快，價格較低。存儲器的分類和特點1主存儲器也稱為內(nèi)存或RAM，是CPU直接訪問的存儲器，速度快，容量相對較小，存儲的數(shù)據(jù)會隨著斷電而丟失。2輔助存儲器也稱為外存，例如硬盤、光盤等，容量大，速度慢，存儲的數(shù)據(jù)在斷電后不會丟失。3高速緩存也稱為緩存，是介于CPU和主存儲器之間的一種高速存儲器，用于存放經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)，以提高訪問速度。主存儲器的工作原理地址映射CPU通過地址總線訪問主存儲器，每個存儲單元都有唯一的地址。地址映射是指CPU生成的邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過程。讀寫操作CPU通過數(shù)據(jù)總線讀寫數(shù)據(jù)，讀操作是將數(shù)據(jù)從主存儲器傳送到CPU，寫操作是將數(shù)據(jù)從CPU寫入到主存儲器。存儲器控制器存儲器控制器負責協(xié)調(diào)CPU和主存儲器之間的讀寫操作，包括地址譯碼、數(shù)據(jù)緩沖、錯誤檢測等功能。緩存存儲器的工作原理1高速緩存速度最快，容量最小2主存速度中等，容量中等3輔助存儲器速度最慢，容量最大虛擬存儲器擴展地址空間虛擬存儲器允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，從而允許運行更大的程序。提高內(nèi)存利用率通過將程序和數(shù)據(jù)部分地加載到內(nèi)存中，可以運行多個程序，即使它們的總大小超過了物理內(nèi)存容量。簡化內(nèi)存管理虛擬存儲器簡化了程序員的內(nèi)存管理，因為他們可以使用連續(xù)的地址空間，而無需考慮物理內(nèi)存的碎片化。存儲管理技術(shù)頁面置換算法選擇一個頁面從內(nèi)存中替換出來，為新頁面騰出空間。常用的算法包括FIFO、LRU和OPT。內(nèi)存碎片整理內(nèi)存碎片會導致內(nèi)存空間浪費，需要進行整理以提高內(nèi)存利用率。內(nèi)存分配策略決定如何分配和管理內(nèi)存空間，常見的策略包括連續(xù)分配和分頁分配。輸入/輸出系統(tǒng)I/O設(shè)備鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等用于與外部世界交互的設(shè)備。I/O接口連接I/O設(shè)備和CPU的橋梁，負責數(shù)據(jù)傳輸和控制。I/O控制器管理I/O設(shè)備，負責數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂坪蛥f(xié)調(diào)。I/O設(shè)備與I/O接口I/O設(shè)備I/O設(shè)備是指連接到計算機系統(tǒng)并與其進行數(shù)據(jù)交換的外部設(shè)備。I/O接口I/O接口是連接I/O設(shè)備和計算機系統(tǒng)的橋梁，負責協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸和控制信號。I/O控制I/O控制負責管理I/O設(shè)備和接口的運作，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸和設(shè)備的正常工作。I/O程序設(shè)計技術(shù)1中斷驅(qū)動I/O中斷驅(qū)動I/O是一種常用的I/O方式，它使用中斷機制來處理I/O事件，提高了系統(tǒng)效率。2DMA方式DMA方式直接內(nèi)存訪問，通過專用控制器將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)絻?nèi)存，減輕了CPU的負擔。3通道技術(shù)通道技術(shù)是一種更高級的I/O控制方式，通過專用通道控制器來管理I/O操作，使CPU可以專注于其他任務(wù)。中央處理器定義中央處理器(CPU)是計算機系統(tǒng)的核心，負責執(zhí)行指令、處理數(shù)據(jù)和控制整個系統(tǒng)的運行。功能CPU通過執(zhí)行指令來完成各種任務(wù)，例如運算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)傳輸和控制設(shè)備等。重要性CPU的性能直接影響計算機的運算速度、效率和整體性能。中央處理器的基本結(jié)構(gòu)算術(shù)邏輯單元(ALU)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算，例如加減乘除、比較大小等。寄存器用于存儲數(shù)據(jù)和指令，包括通用寄存器、專用寄存器等。控制單元負責控制CPU的各個部件協(xié)同工作，執(zhí)行指令。指令集結(jié)構(gòu)指令集是計算機體系結(jié)構(gòu)的核心，定義了CPU可以執(zhí)行的指令和操作。指令集決定了CPU的編程模型，影響著軟件的開發(fā)和運行效率。指令集的種類繁多，常見的包括CISC、RISC等，各有優(yōu)劣，需要根據(jù)不同的應(yīng)用場景選擇。CPU的性能指標CPU的性能指標有很多,包括主頻,指令周期,CPI,MIPS,MFLOPS等.這些指標可以用來衡量CPU的性能.流水線技術(shù)提高效率通過將指令執(zhí)行過程分解成多個子任務(wù)，并行處理這些子任務(wù)，從而提高CPU的執(zhí)行效率。減少等待時間流水線技術(shù)可以減少指令執(zhí)行的等待時間，因為在一條指令正在執(zhí)行時，下一條指令已經(jīng)開始準備執(zhí)行。增加吞吐量流水線技術(shù)可以提高CPU的吞吐量，因為在相同時間內(nèi)可以執(zhí)行更多的指令。計算機體系結(jié)構(gòu)的分類1串行計算機體系結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)計算機，指令順序執(zhí)行。2并行計算機體系結(jié)構(gòu)多個處理器協(xié)同工作，提高計算速度。串行計算機體系結(jié)構(gòu)單處理器只有一個中央處理單元(CPU)，一次只能執(zhí)行一個指令。順序執(zhí)行指令按順序執(zhí)行，每個指令完成之后才能執(zhí)行下一個指令。簡單結(jié)構(gòu)相對容易設(shè)計和實現(xiàn)，成本較低。并行計算機體系結(jié)構(gòu)共享內(nèi)存多個處理器共享同一個內(nèi)存空間,它們可以直接訪問彼此的數(shù)據(jù).分布式內(nèi)存每個處理器都有自己的私有內(nèi)存,通過網(wǎng)絡(luò)通信來交換數(shù)據(jù).并行處理的分類指令級并行利用流水線技術(shù)，在同一時間執(zhí)行多條指令的不同階段，以提高指令執(zhí)行效率。數(shù)據(jù)級并行通過對數(shù)據(jù)進行分解，將多個數(shù)據(jù)同時處理，以提高數(shù)據(jù)處理速度。任務(wù)級并行將一個大的任務(wù)分解成多個子任務(wù)，由多個處理器同時執(zhí)行，以提高任務(wù)執(zhí)行效率。并行計算機的結(jié)構(gòu)組織1共享存儲器系統(tǒng)所有處理器共享一個全局地址空間2分布式存儲器系統(tǒng)每個處理器擁有自己的局部存儲器3混合型系統(tǒng)結(jié)合了兩種系統(tǒng)的優(yōu)點向量處理機高性能計算向量處理機非常適合處理大量數(shù)據(jù)，例如科學計算和圖像處理。專用指令集它們具有專門的指令集來高效地執(zhí)行向量運算。并行處理向量處理機通過并行處理多個數(shù)據(jù)元素來提高效率。陣列處理機并行處理陣列處理機利用多個處理單元來同時執(zhí)行同一操作，顯著提升計算效率。數(shù)據(jù)并行適用于對大量數(shù)據(jù)進行相同的操作，例如圖像處理和科學計算。結(jié)構(gòu)特點多個處理單元以矩陣形式排列，每個單元處理數(shù)據(jù)的一個部分，協(xié)同完成計算。多處理器系統(tǒng)多核處理器在一個芯片上集成多個處理核心，共享緩存和內(nèi)存，提高并行處理能力。集群系統(tǒng)多個獨立的計算機通過網(wǎng)絡(luò)連接，協(xié)同工作，實現(xiàn)高性能計算和容錯。分布式系統(tǒng)將任務(wù)分解到多個計算機節(jié)點上執(zhí)行，通過網(wǎng)絡(luò)通信進行協(xié)調(diào)，提高可擴展性和可靠性。系統(tǒng)總線技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸連接計算機系統(tǒng)中各個部件，傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信號。性能指標帶寬、傳輸速率、數(shù)據(jù)傳輸周期等影響系統(tǒng)性能。標準化總線標準的制定和遵循，確保不同部件之間相互兼容。總線的分類和特點按結(jié)構(gòu)分類總線可以分為單總線、多總線和層次總線。按傳輸方式分類總線可以分為串行總線和并行總線。按同步方式分類總線可以分為同步總線和異步總線?？偩€仲裁技術(shù)1集中式仲裁由一個專門的仲裁器負責分配總線使用權(quán).2分布式仲裁多個設(shè)備共同參與仲裁過程,通常采用優(yōu)先級機制或輪詢機制.3鏈式仲裁多個設(shè)備通過鏈式連接,按照優(yōu)先級順序依次請求總線使用權(quán).4獨立請求仲裁每個設(shè)備都有獨立的總線請求線路,