王道考研计组课件

王道考研计组课件2023-2026ONEKEEPVIEWREPORTING目录CATALOGUE计算机体系结构概述指令系统处理器组织结构存储器层次结构输入输出系统计算机体系结构的评估与优化计算机体系结构的最新进展计算机体系结构概述PART01计算机体系结构定义计算机体系结构是计算机系统软、硬件功能的分配和定义，包括指令集、硬件结构和软件系统等方面。计算机体系结构的重要性计算机体系结构不仅关系到计算机的性能和成本，还直接影响软件设计和开发的方法和效率。计算机体系结构的基本概念01020304第一代计算机以真空管作为基础元件，体积大、耗能高、可靠性差。第二代计算机以晶体管作为基础元件，体积缩小、耗能降低、可靠性提高。第三代计算机以集成电路作为基础元件，体积进一步缩小、耗能进一步降低、可靠性进一步提高。第四代计算机以大规模集成电路和超大规模集成电路作为基础元件，计算机技术进入了一个全新的时代。计算机体系结构的发展历程按照存储器的类型分类冯·诺依曼结构和哈佛结构。按照指令集分类复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）。按照处理器的数量分类单处理器和多处理器系统。计算机体系结构的分类指令系统PART0201指令是计算机执行的基本命令，由一组二进制代码表示，它们代表了要执行的特定操作。指令02指令系统是计算机中所有可执行指令的集合，这些指令可以由程序员使用高级语言编写程序。指令系统03指令系统提供了计算机所需的基本操作，包括算术运算、逻辑运算、数据传输、控制转移等。指令系统的基本功能指令系统的基本概念完备性是指指令系统能够完成所有基本的计算和控制操作，满足程序员在编写程序时的需求。完备性简单性是指指令系统的设计应该尽可能简单明了，这样可以减少程序员的学习难度和出错概率。简单性统一性是指指令系统的设计风格应该一致，这样程序员可以更容易地学习和掌握指令系统。统一性高效性是指指令系统应该尽可能快地执行程序，这样可以提高计算机的整体性能。高效性01030204指令系统的设计原则复杂指令系统（CISC）这种指令系统包含了大量的复杂指令，可以完成各种复杂的操作，但同时也增加了硬件设计的复杂性和成本。精简指令系统（RISC）这种指令系统只包含最基本的指令，硬件设计简单且成本低，但同时也牺牲了一些复杂操作的性能。指令系统的分类处理器组织结构PART03内存管理单元内存管理单元负责内存的访问和管理。它包括内存地址寄存器、内存数据寄存器、内存控制寄存器等。指令集指令集是处理器内部组织结构的核心，它规定了处理器能够执行的操作和指令。指令集包括各种算术运算、逻辑运算、数据传送等指令。寄存器寄存器是处理器内部的重要部件，用于存储数据和指令。根据功能不同，寄存器可以分为通用寄存器、控制寄存器和状态寄存器等。算术逻辑单元算术逻辑单元是处理器的核心运算单元，用于执行算术运算和逻辑运算。它由加法器、移位器、逻辑器等组成。处理器的内部组织结构总线接口是处理器与外部设备进行通信的桥梁。它包括地址总线、数据总线和控制总线。总线接口中断控制器用于处理外部中断请求。它包括中断请求寄存器和中断优先级寄存器。中断控制器定时器用于产生定时信号，用于定时操作和延时操作。它包括定时器控制寄存器和定时器计数寄存器。定时器处理器的外部组织结构紧耦合多处理器是指多个处理器之间紧密耦合，共享内存和I/O设备。这种结构适用于并行计算和分布式计算。松耦合多处理器是指多个处理器之间松散耦合，每个处理器都有自己的内存和I/O设备。这种结构适用于分布式计算和模块化设计。多处理器组织结构松耦合多处理器紧耦合多处理器存储器层次结构PART0403存储器的主要性能指标存储器的性能指标包括存储容量、存取时间、存储周期、可靠性等。01存储器定义存储器是计算机系统中的重要组成部分，用于存储程序和数据。02存储器分类根据存储介质、存取速度、容量等不同特征，存储器可分为多种类型，如半导体存储器、磁表面存储器、光存储器等。存储器的基本概念寄存器是CPU内部的高速存储器，用于临时存储指令和数据，具有高速存取的特点。寄存器L1/L2/L3高速缓存主存硬盘高速缓存是位于CPU和主存之间的临时存储器，用于存储经常访问的数据，以提高访问速度。主存是计算机系统中的主要存储器，用于存储大量数据和程序，具有较大的容量和较小的存取时间。硬盘是计算机系统中的外部存储器，具有大容量、低成本、长期存储等特点。存储器的层次结构当CPU访问数据时，如果数据已经在高速缓存中，则无需从主存中读取，直接从高速缓存中获取即可，节省了存取时间。缓存命中当CPU访问数据时，如果数据不在高速缓存中，则需要从主存中读取，同时将数据写入高速缓存中，以备下次直接访问。缓存不命中高速缓存的基本原理输入输出系统PART05输入输出系统的定义输入输出系统是计算机中负责信息交换的设备、接口和通道的集合。它负责将外部设备（如键盘、鼠标、显示器等）与主机连接起来，实现数据和指令的输入和输出。输入输出系统的组成输入输出系统由硬件设备和软件程序组成。硬件设备包括各种外部设备、接口卡、电缆等，软件程序则包括与外部设备通信的程序和控制程序等。输入输出系统的分类根据传输方式的不同，输入输出系统可分为串行和并行输入输出系统。串行输入输出系统采用一根数据线传输数据，而并行输入输出系统则采用多根数据线同时传输数据。输入输出系统的基本概念010203中断系统的基本概念中断系统是计算机中用于处理输入输出设备请求的一种机制。当输入输出设备需要与主机通信时，它们会通过中断请求来通知主机。主机在接收到中断请求后，会暂停当前正在执行的程序，转而执行相应的中断处理程序来处理请求。中断系统的组成中断系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括中断控制器、中断向量表等，软件部分则包括中断处理程序、中断向量表等。中断系统的分类根据中断源的不同，中断系统可分为硬件中断和软件中断。硬件中断是由输入输出设备引起的中断，而软件中断则是由程序中使用的系统调用引起的中断。中断系统DMA技术的概念DMA（DirectMemoryAccess）技术是一种允许外部设备直接访问内存的技术。它通过将数据直接从内存传输到外部设备或从外部设备传输到内存，避免了主机CPU的干预，从而提高了数据传输效率。DMA技术的实现DMA技术是通过DMA控制器实现的。DMA控制器是一种专门设计的芯片，它可以控制内存与外部设备之间的数据传输。在DMA传输中，DMA控制器会接管对内存的访问权，直接控制数据的传输，而不需要经过CPU的干预。DMA技术的优点使用DMA技术可以显著提高数据传输效率，因为它避免了CPU对数据传输的干预。此外，DMA技术还可以实现多个外部设备同时访问内存，从而提高了计算机的整体性能。DMA技术计算机体系结构的评估与优化PART06计算机体系结构的评估方法01定量评估方法02MIPS：衡量指令执行速度，是衡量计算机性能的重要指标之一。03FLOPS：衡量浮点运算性能，适用于衡量高性能计算机的性能。BOPS：衡量I/O性能，用于衡量系统整体性能。计算机体系结构的评估方法基准测试：通过运行一系列测试程序来评估计算机性能。定性评估方法用户体验：通过用户对计算机的操作体验来评估性能。专家评审：由专家根据计算机的设计、实现和性能进行综合评估。01020304计算机体系结构的评估方法指令级并行通过同时处理多个数据项来提高性能。数据级并行线程级并行内存层次结构优化01020403通过优化内存层次结构来提高缓存命中率和减少内存延迟。通过同时执行多个指令来提高性能。通过同时执行多个线程来提高性能。计算机体系结构的优化技术计算机体系结构的最新进展PART07多核处理器技术是计算机体系结构的最新进展之一，它通过在单个芯片上集成多个核心，提高了处理器的并行计算能力和性能。多核处理器的实现方式有多种，包括将多个单核处理器集成到一个芯片上，或者使用超线程技术将单个核心模拟成多个核心。多核处理器技术在服务器、桌面和移动设备等领域得到了广泛应用，成为计算机体系结构发展的一个重要方向。多核处理器技术并行计算技术包括多线程并行、多进程并行和分布式并行等不同实现方式。并行计算技术在高性能计算、大数据处理和云计算等领域得到了广泛应用，成为计算机体系结构发展的另一个重要方向。并行计算是指同时执行多个计算任务的技术，它通过将计算任务分解为多个子任务，并分别执行这些子任务，从而加快了计算速度。并行计算技术非传统计算机体系结构是指不同于传统的冯·诺依曼体系的计算机结构，它通过改变指