第3章计算机体系结构

第3章计算机体系结构contents目录计算机体系结构概述计算机系统的基本组成指令系统存储系统中央处理器输入输出系统计算机体系结构的发展趋势01计算机体系结构概述计算机体系结构是指计算机系统的整体组织结构和运作机制，包括其硬件和软件的协作方式以及如何通过指令集、数据路径、控制单元等实现计算。计算机体系结构的设计和优化对于提高计算机的性能、能效、可扩展性和可靠性等方面具有至关重要的作用。计算机体系结构关注的是如何将计算任务分解为可执行的指令集，以及如何将这些指令集有效地传递给硬件和软件组件以完成计算任务。计算机体系结构的定义计算机体系结构是计算机科学领域中的核心学科之一，它涉及到计算机系统从微观到宏观的各个层面，是连接硬件和软件的重要桥梁。计算机体系结构的优化可以显著提高计算机的性能、能效和可靠性，从而满足各种应用的需求。随着技术的不断发展，计算机体系结构也在不断演进和创新，因此了解和掌握计算机体系结构的基本原理和最新进展对于计算机专业人员来说至关重要。计算机体系结构的重要性计算机体系结构的发展历程第三代计算机以集成电路为主要元件，采用高级语言编程，体积进一步减小，功耗进一步降低，运算速度进一步提高。第二代计算机以晶体管为主要元件，采用汇编语言编程，体积减小，功耗降低，运算速度提高。第一代计算机以真空管为主要元件，采用二进制编码，体积庞大，功耗高，运算速度慢。第四代计算机以大规模集成电路为主要元件，采用微处理器和操作系统，体积小、重量轻、功耗低、运算速度快、可靠性高。第五代计算机以人工智能为主要特征，采用知识表示、推理、机器学习等技术，具有高度智能化和自主化的特点。02计算机系统的基本组成中央处理器（CPU）总结词CPU是计算机系统的核心，负责执行指令和处理数据。详细描述CPU是计算机的“大脑”，负责执行计算机程序中的指令，处理数据，并协调计算机各个部分的工作。CPU的性能决定了计算机的整体性能。存储器用于存储数据和程序，分为内存储器和外存储器。总结词存储器是计算机中用于存储数据和程序的硬件设备。根据存储器的访问速度和存储容量，可以分为内存储器和外存储器。内存储器直接与CPU相连，速度快，但容量较小；外存储器速度较慢，但容量较大，如硬盘、光盘等。详细描述存储器总结词输入/输出设备用于与计算机进行交互，将数据输入到计算机中或将数据输出到外部设备。详细描述输入/输出设备是计算机与外部世界进行交互的桥梁。常见的输入设备包括键盘、鼠标、触摸屏等，常见的输出设备包括显示器、打印机、音响等。这些设备允许用户与计算机进行交互，向计算机输入指令和数据，并显示结果。输入/输出设备VS系统总线是连接计算机各部件的公共通道，接口用于连接外部设备和计算机。详细描述系统总线是计算机内部各部件之间传输数据的公共通道。通过系统总线，CPU可以与内存、输入/输出设备等其他部件进行通信和数据传输。接口则是连接外部设备和计算机的桥梁，通过接口，外部设备可以与计算机进行通信和数据传输。总结词系统总线与接口03指令系统地址码表示操作数的地址，可以是寄存器、内存单元或立即数。格式指令格式包括操作码、地址码和长度码的排列方式，常见的格式有固定格式、可变格式和扩展格式等。长度码表示指令的长度，即操作码和地址码的总长度。操作码表示指令的操作类型，如加、减、乘、除等。指令格式操作数直接包含在指令中，如MOVAX,1000H。立即寻址操作数存储在寄存器中，如MOVAX,BX。寄存器寻址操作数存储在内存单元中，如MOVAX,[BX]。内存寻址操作数的地址存储在内存单元或寄存器中，如MOVAX,[BX+SI]。间接寻址寻址方式精简指令集（RISC）指令集数量较少，但执行效率较高，适用于高性能计算和嵌入式系统。复杂指令集（CISC）指令集数量较多，功能强大，但执行效率较低，适用于通用计算机和桌面系统。混合指令集结合RISC和CISC的特点，根据实际需求选择合适的指令集，以提高执行效率和降低功耗。指令集与指令系统的发展03020104存储系统寄存器是CPU内部的存储单元，用于存储操作数和中间结果，具有高速、容量小的特点。寄存器高速缓存是位于CPU和主存储器之间的存储层次，用于存储访问频率高的数据和指令，以提高数据访问速度。高速缓存主存储器是计算机中主要的永久性存储介质，用于存储程序和数据，具有容量大、存取速度适中的特点。主存储器辅助存储器是计算机中用于长期存储大量数据的设备，如硬盘、光盘等，具有容量大、价格低的特点。辅助存储器存储器的层次结构主存储器分类主存储器可以分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。RAM可以随时读写，而ROM只能读不能写。速度主存储器的速度是指其读写数据的速度，通常以存取时间来表示，即从主存储器中读取或写入一个数据所需要的时间。容量主存储器的容量是指其能够存储的二进制位数，通常以字节为单位，如1KB、2MB等。价格主存储器的价格是指其制造成本和销售价格，通常与容量和速度有关。分类辅助存储器的容量是指其能够存储的数据量，通常以字节为单位，如1TB、20GB等。容量速度价格辅助存储器可以分为磁带、硬盘、光盘等。不同类型的辅助存储器具有不同的特点和应用场景。辅助存储器的价格是指其制造成本和销售价格，通常与容量和速度有关。辅助存储器的速度是指其读写数据的速度，通常以数据传输速率来表示，即每秒钟传输的数据量。辅助存储器分段管理是一种将主存空间划分为若干个逻辑段，每个逻辑段可以独立地分配给一个程序或进程使用。这种管理方式可以提高主存的利用率和方便内存的保护。分页管理是一种将主存空间划分为若干个固定大小的页框，每个页框可以独立地分配给一个程序或进程使用。这种管理方式可以提高主存的利用率和方便内存的保护。分段管理分页管理存储管理05中央处理器控制和运算计算机内部数据，是计算机的“大脑”。运算器、控制器、寄存器、高速缓存等。CPU的功能和组成组成功能取指令从内存中读取指令并放入指令寄存器。解码将指令寄存器中的指令解码，确定操作码和操作数。执行指令根据解码结果，从寄存器或内存中取得操作数，进行运算或传输。存储结果将运算结果存回内存或寄存器中。指令的执行过程CPU的性能指标CPU工作的时钟频率，单位是Hz。主频每秒执行的指令数，是衡量CPU性能的重要指标。指令执行速度功耗越低，效率越高，CPU性能越好。功耗和效率高速缓存容量越大，存取速度越快，CPU性能越高。缓存容量和速度06输入输出系统连接设备与处理器的桥梁I/O接口是计算机中连接处理器和外部设备的桥梁，负责数据的传输和控制信号的传递。它具有缓冲、转换和通信等功能，能够实现设备与处理器之间的数据传输和控制信号的传递。I/O接口不同的数据传输和控制方式I/O控制方式是指计算机中控制输入输出设备的方式。常见的I/O控制方式有程序直接控制方式、中断控制方式、DMA（DirectMemoryAccess）控制方式和通道控制方式。这些方式各有优缺点，适用于不同的应用场景。I/O控制方式各种外部设备的分类和特性I/O设备是指计算机中用于输入输出数据的外部设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等。不同类型的I/O设备具有不同的特性和功能，能够满足不同的应用需求。例如，显示器用于显示图像和文本，打印机用于输出文本和图像等。I/O设备的类型和特点07计算机体系结构的发展趋势123随着半导体技术的发展，集成电路上的晶体管数量每18个月翻一倍，推动了计算机硬件性能的快速提升。摩尔定律随着晶体管数量的增加，计算机的运算速度、存储容量和能效比等硬件性能得到显著提升。硬件性能提升然而，随着晶体管尺寸逐渐接近原子级别，摩尔定律的延续面临着物理极限的挑战。技术挑战摩尔定律与计算机硬件的发展并行计算多核处理器是并行计算在硬件上的实现，通过在一个芯片上集成多个核心，提高处理器的计算能力。多核处理器并行编程模型为了充分利用并行计算的优势，需要采用适当的并行编程模型和工具，如OpenMP和CUDA。为了提高计算性能，并行计算技术通过同时执行多个操作来加速处理过程。并行计算与多核处理器分布式计算分布式计算通过将大型任务分解为多个小任务，并在多个计算机上同时执行这些小任务，以加快处理速度。云计算与分布式计算的关系云计算提供了基础设施和平台，使得分布式计算更加容易实现和管理。云计算云计算是一种将计算资源（如服务器、存储设备和应用程序）通过互联网提供给用户的模式。云计算与分布式计算03其他新