《系统结构讲义》课件

系统结构讲义欢迎来到系统结构的精彩旅程！我们将深入探索计算机系统的内部运作机制，从硬件到软件，从底层到应用，全面理解系统结构的奥秘。by计算机系统结构概述硬件结构计算机系统结构定义了计算机硬件组件的组织方式，例如CPU、内存、I/O设备等。软件交互系统结构还涉及软件与硬件之间的交互方式，例如操作系统如何管理硬件资源。系统性能理解系统结构有助于优化计算机性能，例如选择合适的处理器和存储器。1.1系统结构的定义11系统结构是指计算机系统的硬件组成、工作原理以及相互之间关系的描述。22它是对计算机系统进行设计、实现和维护的依据。33它定义了计算机系统的功能和性能，并决定了计算机系统的整体架构。44系统结构是计算机系统设计的基础，它影响着计算机系统的性能、成本和可靠性等重要指标。1.2系统结构设计的目标提升系统性能，最大化利用硬件资源，提高数据处理效率。降低系统成本，平衡性能和成本，选择合适的硬件和软件。保证系统可扩展性，方便添加新功能和设备，适应未来需求变化。增强系统可靠性，提高系统稳定性，减少故障发生率。1.3系统结构分类按功能划分将计算机系统划分为不同的功能模块，例如中央处理器、存储器、输入输出系统等。这种分类便于理解计算机系统的整体结构和各个模块之间的关系。按性能划分根据计算机系统处理能力的不同，可以分为超级计算机、大型机、小型机、微型机等。这种分类能够反映计算机系统的性能特点，例如处理速度、存储容量和数据吞吐量等。按体系结构划分可以分为冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构等，它们分别代表了不同的指令和数据存储方式。这种分类能够深入理解计算机系统的内部结构，例如指令执行方式、数据访问方式和内存管理机制等。2.指令系统指令系统是计算机硬件与软件之间的接口，定义了CPU可执行的指令集和数据格式。指令系统是计算机系统结构的核心，直接影响着系统的性能和功能。2.1指令格式操作码指令格式中操作码字段指定要执行的操作，例如加法、减法、数据传送等。地址码地址码字段包含操作数的地址信息，用于CPU找到要操作的数据。其他字段指令格式可能包含其他字段，例如标志位，用于控制指令执行过程中的某些选项。2.2寻址方式直接寻址直接寻址模式使用指令中的地址字段直接指定操作数的物理地址。简单高效，但缺乏灵活性，无法动态调整操作数地址。寄存器寻址寄存器寻址模式使用指令中的地址字段指定操作数存储在哪个寄存器中。速度快，但寄存器数量有限，无法存储大量数据。立即寻址立即寻址模式将操作数直接包含在指令中。方便快捷，但操作数的范围受限于指令字长。2.3指令流水线指令流水线是一种提高CPU性能的重要技术，它通过将指令执行过程分解为多个阶段，并让多个指令同时处于不同阶段执行，从而提高指令执行效率。1取指阶段从存储器中读取指令2译码阶段将指令转换为CPU可执行的格式3执行阶段执行指令的操作4访存阶段从内存中读取或写入数据5写回阶段将结果写入寄存器或内存3.中央处理器中央处理器(CPU)作为计算机的核心，负责执行指令和处理数据，是系统运行的控制中心。3.1CPU组成结构11.运算器运算器负责执行算术和逻辑运算，是CPU的核心部件。22.控制单元控制单元负责控制指令的执行顺序和CPU的整体工作流程。33.寄存器组寄存器组用于存储运算器操作的数据和指令，是CPU内部高速缓存。44.总线接口总线接口用于连接CPU与其他系统部件，例如内存、I/O设备。3.2指令执行过程1指令获取CPU从内存中获取指令，并将指令存放到指令寄存器。2指令译码CPU对指令进行分析，解码，识别指令的类型、操作码、操作数等信息。3指令执行CPU根据译码结果执行指令操作，例如算术运算、数据传输、逻辑操作等。4结果写入CPU将执行结果写入到相应的寄存器或内存单元中。3.3性能指标与优化性能指标是衡量计算机系统性能的重要指标，包括执行速度、吞吐量、响应时间等。系统优化是指通过调整系统结构和参数，以提高系统性能。优化策略包括指令优化、内存优化、缓存优化等，旨在提高指令执行效率、数据访问速度和系统资源利用率。4.存储系统存储系统是计算机系统的重要组成部分，负责存储和管理数据。存储系统由多个层次组成，每个层次都有不同的速度和容量，以满足不同的需求。4.1存储器层次结构分级存储体系现代计算机系统采用分级存储结构，不同级别的存储器根据速度和成本进行划分。速度越快的存储器，其成本越高，存储容量越小。分级存储结构通过将不同速度、成本和容量的存储器分层组织，以提高系统性能。4.2主存储器主要特性主存储器是计算机系统中最重要的组成部分之一，用于存放正在运行的程序和数据，可由CPU直接访问。访问速度相较于硬盘等外部存储设备，主存储器拥有更高的读写速度，是CPU直接访问数据的重要存储媒介。容量主存储器的容量通常以字节为单位，是决定计算机系统可存储数据量的关键因素。成本相较于硬盘等外部存储设备，主存储器拥有更高的成本，容量越大，成本越高。4.3高速缓存高速缓存概念高速缓存是位于CPU与主存储器之间的高速存储器。它存储了主存储器中使用频率高的数据和指令，以便CPU可以更快地访问这些数据。高速缓存作用高速缓存可以提高CPU的访问速度，减少CPU的等待时间，从而提高系统性能。高速缓存原理高速缓存的工作原理是利用程序局部性原理，即CPU在访问数据时通常会访问相邻的数据或指令，以及时间局部性原理，即CPU在一段时间内可能会反复访问同一数据或指令。高速缓存通过存储这些数据和指令，提高访问效率。高速缓存类型高速缓存根据其在系统中的位置和功能，可以分为一级缓存(L1)、二级缓存(L2)、三级缓存(L3)等。4.4虚拟存储器虚拟存储器概念虚拟存储器使用硬盘作为辅助存储器，扩展主存储器容量，允许多个程序同时运行。分页技术将程序和数据分割成固定大小的页面，并将其存储在主内存或磁盘的页面帧中。分段技术将程序和数据分割成逻辑上相互独立的段，每个段拥有不同的权限和访问控制机制。5.输入输出系统输入输出系统是计算机系统中与外部世界进行信息交换的桥梁。它负责将来自外部设备的数据传递给CPU，并将CPU处理后的数据传送到外部设备。5.1I/O接口定义I/O接口是连接外部设备与系统总线之间的桥梁，提供数据传输、控制信号和状态信息。功能负责与外部设备进行数据交换、控制设备操作，以及接收设备状态信息。类型常见的I/O接口包括串行接口、并行接口、USB接口、网络接口等，根据不同的应用场景和设备类型选择。5.2I/O控制器I/O控制器功能I/O控制器负责管理I/O设备与主机的通信，包括数据传输、状态控制和错误处理。I/O设备接口I/O控制器通过特定的接口连接I/O设备，协调设备与主机的交互。数据传输控制器负责将数据从主存传输到I/O设备，或将数据从设备传输到主存。指令控制控制器接收CPU指令，并控制I/O设备的运行，例如启动、停止、读取或写入数据等。5.3I/O通信协议同步通信同步通信是指在数据传输过程中，发送方和接收方必须保持同步，才能进行数据交换。同步通信方式包括：查询方式中断方式DMA方式异步通信异步通信是指发送方和接收方可以不同步，数据传输不依赖于时钟信号。异步通信方式包括：串行通信并行通信总线系统总线是连接计算机系统中各个组件的关键元素，负责数据、地址和控制信号的传输。6.1总线的功能与特性11.数据传输总线是计算机系统中不同部件之间进行数据传输的通道，例如CPU、内存、外设。22.地址传输总线负责传输地址信息，用于定位存储器或外设中的特定位置。33.控制信号传输总线传递各种控制信号，协调系统各个部件之间的操作，例如读写操作、中断请求。44.特性总线具有带宽、传输速度、信号类型等特性，影响着系统性能。6.2总线结构分类单总线结构单总线结构是最简单的一种总线结构，所有设备共享一条总线，成本低，但效率较低。多总线结构多总线结构通过多个总线来提高系统的效率和性能，例如，使用独立的总线连接CPU、内存和I/O设备。层次总线结构层次总线结构将总线分为多个层次，每个层次连接不同的设备，例如，CPU与高速缓存之间使用高速总线，而内存与I/O设备之间使用低速总线。6.3总线仲裁机制11.集中仲裁单个仲裁器控制所有设备的访问权限，可以实现公平性和效率。22.分布式仲裁每个设备都有一个仲裁器，通过竞争机制决定谁拥有总线控制权。33.链式仲裁设备按优先级连接，优先级高的设备优先获得总线控制权。44.优先级仲裁每个设备都有一个优先级，系统根据优先级分配总线使用权。多处理器系统多处理器系统（MultiprocessorSystem）是指包含多个处理器的计算机系统。这些处理器协同工作以提高系统的整体性能。7.1多处理器结构单处理器系统单个CPU处理所有任务，并行性受限。对称多处理器(SMP)多个相同CPU共享内存和总线，并行性提高。非对称多处理器(NUMA)多个CPU拥有各自的内存和总线，提高扩展性。多核处理器单个芯片上集成多个CPU内核，提高性能。7.2并行处理技术指令级并行指令级并行利用流水线技术，将指令的执行过程分解为多个阶段，同时执行多个指令的不同阶段，提高指令执行效率。例如，在流水线中，取指、译码、执行、写回等操作可以同时进行，从而提高CPU的处理速度。数据级并行数据级并行利用多条执行单元或多个功能部件，同时执行多个操作，提高数据处理效率。例如，使用多个ALU或FPU，可以同时进行多个算术运算或浮点运算，从而提高CPU的计算能力。线程级并行线程级并行利用多线程技术，将一个程序分解为多个线程，同时执行多个线程，提高程序的执行效率。例如，使用多线程可以同时处理多个任务，例如，在一个网页浏览器中，可以使用一个线程下载网页，另一个线程渲染网页，从而提高浏览速度。进程级并行进程级并行利用多进程技术，将多