全套課件計算機體系結(jié)構(gòu)(第二版)劉超

全套課件計算機體系結(jié)構(gòu)(第二版)劉超目錄CONTENTS計算機體系結(jié)構(gòu)概述指令系統(tǒng)存儲系統(tǒng)中央處理器總線與輸入輸出系統(tǒng)并行處理技術(shù)計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)01計算機體系結(jié)構(gòu)概述0102計算機體系結(jié)構(gòu)的定義它定義了計算機的基本功能、指令集、數(shù)據(jù)類型、寄存器、存儲器、輸入/輸出等，并決定了程序設(shè)計和軟件開發(fā)的基本方式。計算機體系結(jié)構(gòu)是指計算機系統(tǒng)的整體設(shè)計和組織結(jié)構(gòu)，包括其硬件和軟件的相互關(guān)系和配置。真空管時代，1940年代。第一代計算機晶體管時代，1950年代-1960年代。第二代計算機集成電路時代，1970年代-1980年代。第三代計算機超大規(guī)模集成電路時代，1990年代至今。第四代計算機計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程通用計算機和專用計算機。根據(jù)用途分類根據(jù)規(guī)模分類根據(jù)結(jié)構(gòu)分類巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機。單處理器計算機和多處理器計算機。030201計算機體系結(jié)構(gòu)的分類02指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)的定義指令系統(tǒng)是計算機硬件系統(tǒng)中的一組指令的集合，這些指令是計算機能夠識別和執(zhí)行的。指令系統(tǒng)的功能指令系統(tǒng)提供了一組操作碼和操作數(shù)，用于描述計算機能夠執(zhí)行的各種操作。指令系統(tǒng)的分類根據(jù)指令的長度、尋址方式、操作類型等因素，可以將指令系統(tǒng)分為不同的類型。指令系統(tǒng)的基本概念指令格式指令格式的設(shè)計需要考慮計算機的硬件實現(xiàn)、指令集的特性、操作碼和操作數(shù)的表示方式等因素。指令格式的設(shè)計指令格式是指令系統(tǒng)中指令的組成結(jié)構(gòu)和表示方式。指令格式的定義根據(jù)指令中操作碼和操作數(shù)的位置和長度，可以將指令格式分為不同的類型，如固定長度的指令格式、可變長度的指令格式等。指令格式的分類尋址方式的分類根據(jù)操作數(shù)的來源和表示方式，可以將尋址方式分為不同的類型，如立即尋址、寄存器尋址、內(nèi)存尋址等。尋址方式的選擇選擇合適的尋址方式可以提高指令的執(zhí)行效率和計算機的性能。尋址方式的定義尋址方式是指令系統(tǒng)中確定操作數(shù)地址的方式。尋址方式隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，指令系統(tǒng)也在不斷發(fā)展和改進。指令系統(tǒng)的發(fā)展歷程指令系統(tǒng)改進的原因指令系統(tǒng)改進的方向為了提高計算機的性能、降低能耗、提高編程效率和易用性等方面的考慮，需要不斷對指令系統(tǒng)進行改進。指令系統(tǒng)改進的方向包括擴展指令集、優(yōu)化指令集、引入新技術(shù)等。指令系統(tǒng)的發(fā)展與改進03存儲系統(tǒng)存儲器的分類根據(jù)存儲器的訪問速度、容量和價格等因素，可以將存儲器分為高速緩沖存儲器、主存儲器和輔助存儲器。存儲器的功能存儲器的主要功能是存儲數(shù)據(jù)和程序，供CPU直接訪問，同時還需要滿足高速、低延遲、高可靠性等要求。存儲系統(tǒng)的定義存儲系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中用于存儲數(shù)據(jù)的子系統(tǒng)，它由多個層次的存儲器組成，從主存儲器到輔助存儲器。存儲系統(tǒng)的基本概念123主存儲器是計算機系統(tǒng)中最重要的存儲器之一，它直接與CPU進行數(shù)據(jù)交換，用于存儲運行中的程序和數(shù)據(jù)。主存儲器的定義主存儲器由多個存儲單元組成，每個單元可以存儲一個字節(jié)或一個字的二進制數(shù)據(jù)。主存儲器的組成隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，主存儲器的容量和速度也在不斷提高，同時新的技術(shù)如DDR、DDR2和DDR3等也在不斷涌現(xiàn)。主存儲器的發(fā)展趨勢主存儲器輔助存儲器是計算機系統(tǒng)中的一種外部存儲器，它主要用于存儲大量的數(shù)據(jù)和程序，其容量比主存儲器大得多。輔助存儲器的定義常見的輔助存儲器有硬盤、固態(tài)硬盤、光盤、磁帶等。輔助存儲器的種類隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，輔助存儲器的容量和速度也在不斷提高，同時新的技術(shù)如SSD、藍光光盤等也在不斷涌現(xiàn)。輔助存儲器的發(fā)展趨勢輔助存儲器層次結(jié)構(gòu)的原理通過將訪問速度較快的存儲器和訪問速度較慢的存儲器進行合理搭配，可以使得整個存儲系統(tǒng)的性能得到優(yōu)化。層次結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式常見的實現(xiàn)方式有高速緩沖存儲器、主存和磁盤的層次結(jié)構(gòu)等。層次結(jié)構(gòu)的定義計算機系統(tǒng)的存儲層次結(jié)構(gòu)是指將不同性能的存儲器按照一定的層次關(guān)系組合起來，形成一個完整的存儲系統(tǒng)。存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)04中央處理器中央處理器（CPU）是計算機系統(tǒng)的核心部件，負責執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。CPU的功能包括算術(shù)運算、邏輯運算、控制指令的執(zhí)行等。CPU的組成主要由運算器、控制器、寄存器等組成。CPU的性能指標主要包括時鐘頻率、指令集、緩存大小等。中央處理器的基本概念CPU的功能和組成CPU的組成控制器主要由運算器、控制器、寄存器等組成。負責控制指令的執(zhí)行順序。CPU的功能運算器寄存器主要包括算術(shù)運算、邏輯運算、控制指令的執(zhí)行等。負責執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算。用于存儲數(shù)據(jù)和指令。03緩存大小CPU內(nèi)部用于存儲數(shù)據(jù)和指令的高速緩存的大小，也是衡量CPU性能的重要指標之一。01時鐘頻率CPU每秒鐘執(zhí)行的時鐘周期數(shù)，是衡量CPU性能的重要指標之一。02指令集CPU所支持的指令集合，也是衡量CPU性能的重要指標之一。CPU的性能指標主要包括指令集設(shè)計、流水線設(shè)計、緩存設(shè)計等。CPU的設(shè)計主要包括硬件實現(xiàn)和軟件實現(xiàn)兩種方式。硬件實現(xiàn)是指使用集成電路實現(xiàn)CPU，軟件實現(xiàn)是指使用編程語言實現(xiàn)CPU的功能。CPU的實現(xiàn)CPU的設(shè)計與實現(xiàn)05總線與輸入輸出系統(tǒng)總線是連接計算機各部件的一組公共信號線，用于實現(xiàn)各部件之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換?？偩€是計算機內(nèi)部各部件之間通信的通道，是計算機體系結(jié)構(gòu)的重要組成部分?？偩€具有規(guī)范性、標準性和共享性的特點，使得各部件之間的連接更加簡單、可靠、高效?？偩€的基本概念根據(jù)傳輸方式，總線可分為并行總線和串行總線。并行總線同時傳輸多個數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)傳輸速率快；串行總線逐位傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率較慢。根據(jù)總線功能，總線可分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。地址總線用于傳輸?shù)刂沸畔?，?shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)信息，控制總線用于傳輸控制信號?？偩€的標準包括總線的物理特性、電氣特性、機械特性和功能特性等，這些標準保證了總線的互連互通性和兼容性?？偩€的分類與標準輸入輸出系統(tǒng)是計算機中負責與外部設(shè)備進行通信的系統(tǒng)，包括輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。輸入輸出系統(tǒng)是計算機與外部環(huán)境進行信息交換的橋梁，其性能直接影響計算機的整體性能。輸入輸出系統(tǒng)的基本功能包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)存儲和控制外部設(shè)備等。輸入輸出系統(tǒng)的基本概念輸入輸出控制方式輸入輸出控制方式可分為程序查詢方式、中斷方式和直接存儲器訪問方式。程序查詢方式通過執(zhí)行輸入輸出指令來查詢外部設(shè)備的狀態(tài)，中斷方式通過中斷處理程序來處理外部設(shè)備的請求，直接存儲器訪問方式通過內(nèi)存映射的輸入輸出指令直接讀寫外部設(shè)備的數(shù)據(jù)。06并行處理技術(shù)并行處理指在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成多個操作或計算的技術(shù)。并行性指可以同時進行工作的特性，包括時間并行性和空間并行性。并行處理的應(yīng)用領(lǐng)域科學計算、工程設(shè)計、數(shù)據(jù)庫處理、圖像處理等。并行處理的基本概念向量處理器、并行處理器、多核處理器等。并行處理器的種類高速緩存、并行磁盤陣列等。并行存儲器的設(shè)計網(wǎng)絡(luò)適配器、圖形處理器等。并行I/O設(shè)備總線、交叉開關(guān)、網(wǎng)絡(luò)互連等。并行處理器的互連網(wǎng)絡(luò)并行處理的硬件支持并行算法的設(shè)計原則負載均衡、減少通信開銷、避免死鎖等。并行算法的應(yīng)用實例矩陣乘法、FFT、最短路徑算法等。并行算法的性能分析時間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度、并行度等。并行算法的分類數(shù)據(jù)并行算法、任務(wù)并行算法、流水并行算法等。并行算法的設(shè)計與分析ABCD并行處理技術(shù)的發(fā)展趨勢異構(gòu)并行處理利用不同架構(gòu)的處理器實現(xiàn)并行計算，如GPU加速計算。云計算中的并行處理利用云計算平臺實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的并行處理。分布式并行處理將任務(wù)分解成多個子任務(wù)，分布到多個節(jié)點上并行處理。并行處理的編程模型和工具支持多種編程語言的并行計算框架和工具，如MPI、OpenMP等。07計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)向更高性能發(fā)展異構(gòu)計算分布式和云計算綠色計算計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢異構(gòu)計算成為一種趨勢，通過將不同類型的處理器（如CPU、GPU、FPGA等）集成到一個系統(tǒng)中，實現(xiàn)更高效、更靈活的計算。分布式和云計算技術(shù)使得計算機體系結(jié)構(gòu)能夠更好地支持大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和并行計算。隨著能源消耗的日益嚴重，綠色計算成為計算機體系結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展方向，旨在降低能耗和提高能源利用效率。隨著技術(shù)的進步，計算機體系結(jié)構(gòu)正朝著更高性能的方向發(fā)展，以滿足不斷增長的計算需求。隨著計算能力的提升，能耗問題愈發(fā)突出，如何實現(xiàn)高效能、低能耗的計算機體系結(jié)構(gòu)是當前面臨的重要挑戰(zhàn)。能耗問題隨著處理器核數(shù)的增加，如何實現(xiàn)處理器核之間的有效通信和同步，避免通信瓶頸和死鎖等問題，是計算機體系結(jié)構(gòu)面臨的另一個挑戰(zhàn)?？蓴U展性問題隨著計算設(shè)備的普及，安全性和可靠性問題變得越來越重要，如何設(shè)計安全、可靠的計算機體系結(jié)構(gòu)是亟待解決的問題。安全性和可靠性問題計算機體系結(jié)構(gòu)面臨的