計算機組成與設(shè)計第七章王城

計算機組成與設(shè)計第七章王城目錄第七章概述計算機系統(tǒng)概述中央處理器存儲器層次結(jié)構(gòu)輸入輸出系統(tǒng)總線與通信計算機組成與設(shè)計的發(fā)展趨勢01第七章概述010204章節(jié)目標(biāo)與內(nèi)容掌握計算機組成與設(shè)計的基本原理和概念了解計算機各部件的功能、組織方式和相互關(guān)系學(xué)習(xí)計算機系統(tǒng)的性能評價方法和優(yōu)化技術(shù)培養(yǎng)計算機硬件設(shè)計和軟件開發(fā)的綜合能力030102計算機組成指計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)表示、運算器、控制器、存儲器等部件的設(shè)計和實現(xiàn)。計算機設(shè)計指根據(jù)計算機應(yīng)用的需求和性能指標(biāo)，選擇和確定合適的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及進行各部件的詳細設(shè)計和實現(xiàn)。指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）定義了計算機硬件和軟件之間的接口，包括指令格式、尋址方式、寄存器組織、中斷和異常處理等內(nèi)容。微體系結(jié)構(gòu)指計算機組成中的微操作級別，包括微指令格式、微操作序列、控制信號等內(nèi)容的設(shè)計和實現(xiàn)。性能評價指對計算機系統(tǒng)的性能進行測量、分析和比較的過程，常用的性能評價指標(biāo)包括執(zhí)行時間、吞吐量、資源利用率等。030405關(guān)鍵概念與術(shù)語02計算機系統(tǒng)概述包括中央處理器、內(nèi)存儲器、外存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等，是計算機的物理基礎(chǔ)。硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，是計算機的靈魂，控制和協(xié)調(diào)硬件系統(tǒng)的工作。是計算機處理的對象，包括數(shù)字、文字、圖像、聲音等。030201計算機系統(tǒng)的組成第一代計算機第二代計算機第三代計算機第四代計算機計算機系統(tǒng)的發(fā)展歷程01020304電子管計算機，體積龐大、功耗高、可靠性差。晶體管計算機，體積縮小、功耗降低、可靠性提高。集成電路計算機，進一步縮小體積、降低功耗、提高可靠性。大規(guī)模集成電路計算機，實現(xiàn)了微型化、高性能化和智能化。存儲容量包括內(nèi)存儲器和外存儲器的容量，內(nèi)存以字節(jié)（Byte）為單位，外存以位（Bit）為單位。運算速度單位時間內(nèi)執(zhí)行指令的條數(shù)，用MIPS（百萬條指令/秒）或GFLOPS（十億次浮點運算/秒）表示?？煽啃灾赣嬎銠C在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，用MTBF（平均無故障時間）表示。性能價格比指計算機的性能與價格之間的比值，是評價計算機系統(tǒng)性價比的重要指標(biāo)?？删S護性指計算機在發(fā)生故障時能夠迅速恢復(fù)正常運行的能力，用MTTR（平均修復(fù)時間）表示。計算機系統(tǒng)的性能指標(biāo)03中央處理器負責(zé)指令的取指、譯碼和執(zhí)行流程的控制，是CPU的“指揮中心”?？刂茊卧–U）算術(shù)邏輯單元（ALU）寄存器組總線接口單元負責(zé)數(shù)據(jù)的算術(shù)運算和邏輯運算，如加減乘除、與或非等。包括通用寄存器、程序計數(shù)器（PC）、指令寄存器（IR）等，用于暫存數(shù)據(jù)和指令。負責(zé)與內(nèi)存、I/O設(shè)備等外部部件進行通信和數(shù)據(jù)交換。CPU的結(jié)構(gòu)與功能CPU所能執(zhí)行的全部指令的集合，分為RISC（精簡指令集）和CISC（復(fù)雜指令集）兩種類型。指令集確定操作數(shù)地址的方式，包括立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址等。尋址方式指令集與尋址方式主要包括主頻、CPI（每條指令所需時鐘周期數(shù)）、MIPS（每秒百萬條指令數(shù)）等。采用流水線技術(shù)、超標(biāo)量技術(shù)、分支預(yù)測技術(shù)等提高CPU性能。同時，優(yōu)化編譯器和算法也可以提高CPU的運行效率。CPU的性能指標(biāo)與優(yōu)化優(yōu)化方法性能指標(biāo)04存儲器層次結(jié)構(gòu)按存取方式分類隨機存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、順序存取存儲器（SAM）、直接存取存儲器（DAM）存儲器的特點存儲容量、存取時間、存儲周期、存儲器帶寬按在計算機中的作用分類主存儲器、輔助存儲器、緩沖存儲器按存儲介質(zhì)分類半導(dǎo)體存儲器、磁表面存儲器、光表面存儲器存儲器的分類與特點存放指令和數(shù)據(jù)，并能由中央處理器（CPU）直接隨機存取，是計算機系統(tǒng)中的主要組成部分。主存儲器一般采用半導(dǎo)體存儲器，與輔助存儲器相比有容量小、讀寫速度快、價格高等特點。主存儲器又稱外存儲器，簡稱外存。用于存放當(dāng)前不活躍的程序和數(shù)據(jù)，它不能與CPU直接交換數(shù)據(jù)，必須通過內(nèi)存儲器才能與CPU交換信息。輔助存儲器的特點是容量大、價格低、讀寫速度慢，通常用來存放長期保存的信息。輔助存儲器主存儲器與輔助存儲器Cache存儲器位于CPU和主存之間的高速小容量存儲器，一般由高速SRAM構(gòu)成。Cache的功能是存放CPU最經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù)，提高CPU的利用率，減少CPU的等待時間，從而提高計算機的運算速度。虛擬存儲器是一種內(nèi)存管理技術(shù)，它將內(nèi)存和外存結(jié)合起來，為用戶提供比實際內(nèi)存空間大得多的邏輯地址空間。虛擬存儲器的實現(xiàn)需要硬件和操作系統(tǒng)的支持，通過請求調(diào)頁或請求分段等技術(shù)實現(xiàn)內(nèi)存與外存的信息交換。Cache存儲器與虛擬存儲器05輸入輸出系統(tǒng)人機交互類設(shè)備存儲設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備其他專用設(shè)備I/O設(shè)備的類型與特點如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等，用于實現(xiàn)人與計算機之間的信息交換。如網(wǎng)卡、路由器、交換機等，用于實現(xiàn)計算機之間的遠程通信。如硬盤、U盤、SSD等，用于長期保存數(shù)據(jù)和程序。如打印機、掃描儀、攝像頭等，用于特定場合下的輸入輸出需求。I/O接口01計算機與外部設(shè)備之間的連接電路，起到數(shù)據(jù)緩沖、電平轉(zhuǎn)換、信號匹配等作用。常見的接口有USB、HDMI、SATA等。數(shù)據(jù)傳輸方式02包括并行傳輸和串行傳輸兩種方式。并行傳輸多位數(shù)據(jù)同時傳輸，速度快但成本高；串行傳輸一位一位地傳輸數(shù)據(jù)，成本低但速度慢。中斷與DMA技術(shù)03中斷是CPU與I/O設(shè)備之間的一種異步通信方式，用于處理突發(fā)事件；DMA技術(shù)則允許I/O設(shè)備與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)，降低了CPU的負載。I/O接口與數(shù)據(jù)傳輸方式包括吞吐量、響應(yīng)時間、帶寬等，用于衡量I/O系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。性能評價指標(biāo)通過采用高速緩存、優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸方式、提高接口速率等手段，提高I/O系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。性能優(yōu)化方法在追求性能的同時，也需要關(guān)注I/O系統(tǒng)的可靠性與安全性，如采用容錯技術(shù)、加密技術(shù)等手段保障數(shù)據(jù)安全。可靠性與安全性I/O性能評價與優(yōu)化06總線與通信總線（Bus）是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，在微型計算機中可以用來連接各個功能部件（插卡）的插頭插座以及連接被控對象的接口插頭插座。總線定義根據(jù)總線所處位置的不同，總線可分為內(nèi)部總線和外部總線兩類。內(nèi)部總線是指CPU內(nèi)各部件的連線，而外部總線是指系統(tǒng)總線，即CPU、主存、I/O設(shè)備（通過I/O接口）各部件之間的連線。按傳輸信息不同，又可分為三種：數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。總線分類總線的概念與分類總線的通信協(xié)議與標(biāo)準總線上的通信協(xié)議定義了設(shè)備之間如何進行數(shù)據(jù)傳輸和通信。常見的通信協(xié)議包括I2C、SPI、UART等。這些協(xié)議規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?、速率、時序等參數(shù)，以確保設(shè)備之間的可靠通信。通信協(xié)議為了規(guī)范不同設(shè)備之間的通信，制定了各種總線標(biāo)準。例如，PCI總線標(biāo)準定義了計算機內(nèi)部設(shè)備之間的通信方式，USB總線標(biāo)準則定義了計算機與外部設(shè)備之間的通信方式。這些標(biāo)準規(guī)定了總線的物理特性、電氣特性、數(shù)據(jù)傳輸格式等，以確保不同設(shè)備之間的兼容性和互操作性。標(biāo)準VS評價總線性能的主要指標(biāo)包括總線的帶寬、傳輸速率和傳輸延遲等。帶寬是指單位時間內(nèi)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，通常以位/秒（bps）或字節(jié)/秒（Bps）表示；傳輸速率是指數(shù)據(jù)在總線上傳輸?shù)乃俣?，通常以兆赫茲（MHz）或吉赫茲（GHz）表示；傳輸延遲是指數(shù)據(jù)從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩怂璧臅r間，通常以微秒（μs）或納秒（ns）表示。優(yōu)化方法為了提高總線的性能，可以采取多種優(yōu)化方法。例如，增加總線的帶寬和傳輸速率，減少傳輸延遲；采用高效的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間和空間開銷；優(yōu)化總線的布局和布線方式，減少信號干擾和傳輸損耗等。性能指標(biāo)總線的性能指標(biāo)與優(yōu)化07計算機組成與設(shè)計的發(fā)展趨勢摩爾定律的提出與影響摩爾定律指出，集成電路上可容納的元器件數(shù)量每18個月翻一倍，性能也將提升一倍。這一定律揭示了集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，并推動了計算機硬件行業(yè)的不斷進步。集成電路的技術(shù)極限隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)極限也逐漸顯現(xiàn)。目前，研究人員正在探索新的技術(shù)，如生物計算和光計算，以突破集成電路的技術(shù)瓶頸。三維集成電路的發(fā)展三維集成電路是一種將多個芯片垂直堆疊的技術(shù)，可以顯著提高芯片的性能和集成度。隨著三維集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，未來計算機硬件行業(yè)將會迎來更加廣闊的天地。摩爾定律與集成電路技術(shù)的發(fā)展并行計算的原理與應(yīng)用并行計算是指同時使用多種計算資源解決計算問題的過程。它可以顯著提高計算速度和處理能力，被廣泛應(yīng)用于科學(xué)計算、大數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域。分布式計算的原理與應(yīng)用分布式計算是指將一個大型計算問題分解成若干個小問題，并分配給多個計算機進行處理的過程。它可以充分利用網(wǎng)絡(luò)中的計算資源，提高計算效率。并行計算與分布式計算的融合隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展和普及，并行計算和分布式計算的融合已成為趨勢。未來，人們將會更加注重開發(fā)并行分布式計算系統(tǒng)，以應(yīng)對日益增長的計算需求。并行計算與分布式計算的發(fā)展010203生物計算的原理與應(yīng)用生物計算是指利用生物分子進行計算的過程。它具有高效、低能耗等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于藥物設(shè)計、基因測序等領(lǐng)域。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，生物計算的應(yīng)用前景將會更加廣闊。光計算的原理與應(yīng)用光計算是指利用光子進行計