《计算机系统结构》电子教案(课6)

《计算机系统结构》电子教案课6课程回顾与引言计算机系统结构概述指令系统结构存储系统结构输入输出系统结构教学案例与实践环节contents目录01课程回顾与引言定义了计算机系统结构的研究对象和任务，包括硬件和软件之间的功能分配、各功能部件的相互连接与相互作用。计算机系统结构的基本概念介绍了Flynn分类法，根据指令流和数据流的数量及多倍性对计算机系统进行分类，如SISD、SIMD、MISD和MIMD等。计算机系统分类讲解了性能评价的标准和测试程序，包括CPU执行时间、CPI、MIPS等指标，以及Amdahl定律和Gustafson定律在性能评价中的应用。计算机系统性能评价上节课内容回顾03了解流水线中的多发技术介绍多发技术的概念、分类和实现方法，包括超标量技术、超流水线技术和超长指令字技术等。01掌握流水线技术的基本原理了解流水线技术的概念、特点和分类，理解流水线技术对提高计算机系统性能的作用。02熟悉流水线性能分析掌握流水线性能分析的方法，包括时空图、流水线调度和流水线相关等概念。本节课教学目标实例分析与讨论通过具体实例，分析流水线技术在计算机系统中的应用，讨论其优缺点及改进方法。流水线技术概述介绍流水线技术的产生背景、发展过程和基本原理。流水线性能分析详细讲解流水线性能分析的方法，包括时空图绘制、流水线调度策略和相关处理技术等。流水线中的多发技术介绍多发技术的概念、分类和实现方法，包括超标量技术、超流水线技术和超长指令字技术等，并探讨它们在提高计算机系统性能方面的应用。教学内容概览02计算机系统结构概述计算机系统结构的研究内容包括指令系统、存储系统、输入输出系统、中央处理器结构以及各级界面关系等。计算机系统结构的设计目标实现高效、可靠、易用、低成本的计算机系统。计算机系统结构的基本概念指计算机系统各级界面的划分、定义及其上下级的连接关系，以及各功能部件的具体实现。计算机系统结构定义根据指令流、数据流和多倍性三个方面的不同特征，将计算机系统结构分为SISD、SIMD、MISD和MIMD四类。弗林分类法以最大并行度对计算机系统结构进行分类，包括字串位串、字串位并、字并位串和字并位并四类。冯氏分类法根据应用领域、处理机数量、处理机间互连方式等特征进行分类。其他分类方法计算机系统结构分类以电子管为主要元件，采用串行处理方式，系统结构相对简单。早期计算机系统结构晶体管替代电子管，提高了计算机性能和可靠性，出现了多道程序设计和分时系统等新技术。晶体管计算机时代集成电路技术的发展使得计算机系统结构更加紧凑和高效，出现了微处理器和微型计算机等新型计算机系统。集成电路计算机时代VLSI技术的发展使得计算机系统性能得到极大提升，出现了多处理器系统、分布式系统和云计算等新型计算机系统结构。超大规模集成电路计算机时代计算机系统结构发展历程03指令系统结构指令系统一台计算机中所有机器指令的集合，反映了计算机的基本功能。指令集架构（ISA）指令系统的规范和标准，包括指令格式、寻址方式、寄存器定义等。指令计算机执行某种操作的命令，通常由操作码和操作数组成。指令系统基本概念指令的组成和结构，包括操作码、地址码等字段。指令格式确定操作数地址的方法，如立即寻址、直接寻址、间接寻址等。寻址方式指令所占的位数，与计算机的字长有关。指令长度指令所能处理的数据类型和大小，如字节、字、双字等。操作数类型与大小指令格式与寻址方式指令系统设计原则完整性、正交性、高效率、简洁性等。指令系统优化方法减少指令条数、降低指令复杂度、提高指令并行性等。指令系统发展趋势从CISC到RISC，再到VLIW和EPIC等现代指令系统。指令系统对性能的影响指令系统的优劣直接影响CPU的性能和功耗等指标。指令系统设计与优化04存储系统结构存储系统层次结构如硬盘、光盘等，用于永久保存大量信息。辅助存储器（SecondaryStorage）位于CPU与主存之间，用于缓解CPU与主存之间速度不匹配的矛盾。高速缓存（Cache）计算机的主要存储部件，用于存放当前正在运行的程序和数据。主存储器（MainMemory）介绍存储器芯片的内部结构、引脚功能以及扩展方法。存储器芯片组织存储器访问方式主存与CPU连接包括随机访问、顺序访问和索引访问等，分析不同访问方式的优缺点。讨论主存与CPU之间的连接方式，如直接连接、间接连接等。030201主存储器组织与访问方式高速缓冲存储器（Cache）介绍Cache的工作原理、映射方式、替换算法以及写策略等。虚拟存储器（VirtualMemory）阐述虚拟存储器的概念、实现方法以及页式管理、段式管理等。Cache与虚拟存储器的结合分析Cache与虚拟存储器在计算机系统中的作用及其相互关系，讨论如何优化二者的结合以提高系统性能。高速缓冲存储器与虚拟存储器05输入输出系统结构键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等输入设备输出设备接口类型设备与接口的连接方式显示器、打印机、音响等串行接口、并行接口、USB接口、PS/2接口等有线连接、无线连接输入输出设备及其接口01020304程序查询方式CPU通过执行程序不断查询外设状态，控制数据输入中断方式外设准备就绪后，向CPU发出中断请求，CPU响应中断后执行相应的输入输出操作DMA方式直接内存访问，外设与内存之间直接进行数据交换，无需CPU干预通道方式通道是一种具有特殊功能的处理器，可以独立地执行输入输出操作，减轻CPU的负担输入输出控制方式总线概述总线是计算机内部各部件之间传输信息的公共通道，包括数据总线、地址总线和控制总线常见的总线标准有PCI、PCIExpress、USB、SATA等当多个部件同时请求使用总线时，需要通过仲裁机构进行裁决，确定哪个部件优先使用总线通道是一种独立于CPU的专门负责数据输入输出的处理机，它可以控制多台外设与内存直接进行数据交换，提高了输入输出操作的并行性和效率。总线标准总线仲裁通道技术总线与通道技术06教学案例与实践环节案例选择选择具有代表性的计算机系统结构案例，如IBM的System/360、MIPSR3000等，分析其设计思想、指令系统、存储系统、I/O系统等方面的特点。案例分析过程引导学生从系统结构的角度分析案例，理解计算机系统各部分之间的关联和影响，掌握系统设计的整体思路和方法。案例讨论与总结组织学生开展案例讨论，探讨案例中的优缺点、创新点以及改进方案等，总结经验和教训，提高分析和解决问题的能力。010203典型计算机系统结构案例分析010203设计任务给定一个简单的应用场景和需求，要求学生设计一个满足需求的计算机系统结构，包括指令系统、存储系统、I/O系统等。设计过程学生需要了解计算机系统的基本组成和工作原理，掌握指令系统的设计原则和方法，理解存储系统的层次结构和缓存技术，熟悉I/O系统的接口和传输方式等。在此基础上，进行系统设计、仿真和测试。设计成果与评价学生需要提交系统设计报告、仿真代码和测试结果等材料。教师根据学生的设计思路、实现方法、测试结果等方面进行综合评价，给出成绩和建议。实践环节针对本节课的教学内容和案例分析，提出一些具有启发性和挑战性的问题，引导学生进行深