计重庆大学算机系统结构

大学计算机基础计算机体系结构计算机体系结构是指计算机系统中各个硬件组件和它们之间的相互关系。

在大学计算机基础课程中，学生需要掌握计算机体系结构的基本概念和原理。

本文将从计算机组成原理、指令执行过程和存储器层次结构等方面来介绍大学计算机基础计算机体系结构。

1. 计算机组成原理计算机组成原理是计算机体系结构的基础，它涉及到计算机硬件的各个组成部分。

计算机组成原理包括指令系统设计、CPU结构设计、总线设计、I/O系统设计等内容。

其中，指令系统设计是计算机组成原理中最为重要的内容之一，它决定了计算机能够执行的指令种类和功能。

2. 指令执行过程计算机的运行是通过执行指令来完成的，指令执行过程是计算机体系结构中的一个关键环节。

指令执行过程包括指令的获取、解码、执行等步骤。

在指令的获取过程中，计算机从存储器中读取指令，并将其存储在指令寄存器中。

在指令的解码过程中，计算机对指令进行解析，并确定指令的操作类型。

在指令的执行过程中，计算机根据指令的操作类型执行相应的操作，并将结果存储在寄存器或者存储器中。

3. 存储器层次结构存储器层次结构是计算机体系结构中非常重要的一个概念，它包括多级存储器的组织和管理。

存储器层次结构由高速缓存、主存储器和辅助存储器等组成。

其中，高速缓存是位于CPU内部的一种高速存储器，用于存储最常用的指令和数据。

主存储器是计算机中用于存储指令和数据的主要存储器。

辅助存储器是计算机中用于存储大量数据和程序的设备，如硬盘、光盘等。

4. 总线结构总线是计算机体系结构中起连接作用的重要部分，它用于传输数据和指令。

计算机的各个组件之间通过总线进行数据的传输和通信。

总线结构包括数据总线、地址总线和控制总线。

数据总线用于传输数据，地址总线用于传输地址信息，控制总线用于传输控制信号。

5. 中央处理器中央处理器（CPU）是计算机体系结构中的核心部件，它负责执行指令和进行数据处理。

CPU由运算器和控制器组成，运算器用于执行算术和逻辑运算，控制器用于控制指令的执行和数据的传输。

02325计算机系统结构计算机系统结构第1章计算机系统结构的基本概念1.1计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构 1.2计算机系统结构、组成与实现1.2.1结构、组成、实现的定义与内涵内涵1.2.2计算机系统结构、组成和实现三者的相互影响现三者的相互影响1.3软硬件取舍与计算机系统设计思路思路1.3.1软硬件取舍的基本原则软硬件取舍的基本原则1.3.2计算机系统的设计思路计算机系统的设计思路1.4结构设计要解决好软件的可移植性植性1.4.1统一高级语言统一高级语言1.4.2采用系列机采用系列机1.4.3模拟与仿真模拟与仿真1.5应用与器件的发展对系统结构的影响的影响1.5.1应用的发展对系统结构的影响1.5.2器件的发展对系统结构的影响1.6系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类算机系统的分类1.6.1并行性概念并行性概念1.6.2并行处理系统的结构与多机系统的耦合度系统的耦合度1.6.3计算机系统的分类计算机系统的分类第2章数据表示与指令系统章数据表示与指令系统2.1数据表示数据表示2.1.1数据表示与数据结构数据表示与数据结构2.1.2高级数据表示高级数据表示2.1.3引入数据表示的原则引入数据表示的原则2.1.4浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择处理方法的选择2.2寻址方式寻址方式2.2.1寻址方式分析寻址方式分析2.2.2逻辑地址与主存物理地址逻辑地址与主存物理地址 2.3指令格式的优化设计指令格式的优化设计2.3.1操作码的优化操作码的优化2.3.2指令字格式的优化指令字格式的优化2.4按CISC方向发展与改进指令系统系统2.4.1面向目标程序优化实现改进2.4.2面向高级语言优化实现改进2.4.3面向操作系统优化实现改进2.5按RISC方向发展与改进指令系统系统2.5.1 RISC的提出的提出2.5.2设计RISC的原则的原则2.5.3设计RISC结构用的基本技术2.5.4 RISC技术的发展技术的发展第3章总线、中断与输入输出系统中断与输入输出系统 3.1输入输出系统的基本概念输入输出系统的基本概念3.2总线设计总线设计3.2.1总线的类型总线的类型3.2.2总线的控制方式总线的控制方式3.2.3总线的通讯技术总线的通讯技术3.2.4数据宽度与总线线数数据宽度与总线线数3.3中断系统中断系统3.3.1中断的分类和分级中断的分类和分级3.3.2中断系统的软硬件功能分配3.4通道处理机通道处理机 3.4.1工作原理工作原理3.4.2通道流量的分析通道流量的分析第4章存储体系章存储体系4.1存储体系概念与并行主存系统4.1.1发展存储体系的必要性发展存储体系的必要性4.1.2并行主存系统频宽的分析并行主存系统频宽的分析4.1.3存储体系的形成与分支存储体系的形成与分支4.1.4存储体系的性能参数存储体系的性能参数4.2虚拟存储器虚拟存储器4.2.1不同的虚拟存储管理方式不同的虚拟存储管理方式4.2.2页式虚拟存储器的构成页式虚拟存储器的构成4.2.3页式虚拟存储器实现中的问题4.3高速缓冲高速缓冲(Cache)(Cache)(Cache)存储器存储器存储器4.3.1基本结构基本结构4.3.2地址的映象与变换地址的映象与变换4.3.3替换算法的实现替换算法的实现4.3.4 Cache存储器的透明性及性能分析性能分析第5章重叠、流水和向量处理机章重叠、流水和向量处理机5.1重叠方式重叠方式5.1.1基本思想和一次重叠基本思想和一次重叠5.1.2相关处理相关处理5.2流水方式流水方式5.2.1基本概念基本概念5.2.2流水线处理机的主要性能流水线处理机的主要性能5.2.3流水机器的相关处理和控制机构机构5.3向量的流水处理与向量流水处理机理机5.3.1向量的流水处理向量的流水处理5.3.2向量流水处理机向量流水处理机5.4指令级高度并行的超级处理机5.4.1超标量处理机超标量处理机5.4.2超长指令字超长指令字(VLIW)(VLIW)(VLIW)处理机处理机处理机5.4.3超流水线处理机超流水线处理机第6章阵列处理机章阵列处理机6.1阵列处理机原理阵列处理机原理6.1.1阵列处理机的基本构形阵列处理机的基本构形6.1.2阵列处理机的特点阵列处理机的特点6.2阵列处理机的并行算法阵列处理机的并行算法6.2.1 ILLIACⅣ的处理单元阵列结构结构6.2.2阵列处理机的并行算法举例6.3 SIMD计算机的互连网络计算机的互连网络6.3.1互连网络的设计目标及互连函数函数6.3.2基本的单级互连网络基本的单级互连网络6.3.3多级互连网络多级互连网络6.4并行存储器的无冲突访问并行存储器的无冲突访问6.5并行处理机举例并行处理机举例6.5.1 MPP位平面阵列处理机位平面阵列处理机6.5.2 CM连接机连接机第7章多处理机章多处理机7.1多处理机的特点及主要技术问题7.2多处理机的硬件结构多处理机的硬件结构7.2.1紧耦合和松耦合紧耦合和松耦合7.2.2机间互连形式机间互连形式7.3程序并行性程序并行性7.3.1并行算法并行算法7.3.2程序并行性的分析程序并行性的分析7.3.3并行程序设计语言并行程序设计语言7.4多处理机的性能多处理机的性能7.4.1任务粒度与系统性能任务粒度与系统性能7.4.2性能模型与分析性能模型与分析7.5多处理机的操作系统多处理机的操作系统7.5.1主从型操作系统主从型操作系统7.5.2各自独立型操作系统各自独立型操作系统7.5.3浮动型操作系统浮动型操作系统第8章其它计算机结构章其它计算机结构8.1脉动阵列机脉动阵列机8.1.1脉动阵列结构的原理和特点8.1.2通用的脉动阵列结构通用的脉动阵列结构8.2大规模并行处理机MPP与机群系统系统8.2.1大规模并行处理机MPP8.2.2机群系统机群系统8.3数据流机数据流机8.3.1数据驱动的概念数据驱动的概念8.3.2数据流程序图和语言数据流程序图和语言8.3.3数据流计算机的结构数据流计算机的结构8.3.4数据流机器存在的问题数据流机器存在的问题8.4归约机归约机8.5智能机智能机8.5.1智能信息处理与智能机智能信息处理与智能机8.5.2智能机的结构和机器语言智能机的结构和机器语言★翻译和解释的区别和联系？区别：区别：翻译是整个程序转换，翻译是整个程序转换，翻译是整个程序转换，解释解释是低级机器的一串语句仿真高级机器的一条语句。

1计算机系统的的层次结构以现代通⽤计算机系统可以分成哪⼏级它们的相对位置各机器级的实现是⽤的翻译技术还是解释技术z⽬前情况来看MO ⽤硬件实现⼤的数2软件层⾼级语⾔通过软件MI ⽤微程序固件实现实现2汇编语⾔M 2M 5⽤软件实现ii 传统机器语⾔䎚鱲2瀶固件就是具备软件功能的⼀种硬件硬件实现作业控制语⾔微程序以什么是翻译技术什么是解释技术翻译技术⽤转换程序将⾼⼀级机器级上的程序整个地址转换为低⼀级机器级上的等效程序之后在低⼀级机器级上实现的技术解释技术在低级机器级上⽤⼀串语句或指令来仿真⾼级机器级上的⼀条语句或指令的功能是通过对⾼级机器级上的每条语句或指令逐条解释的技2.1计算机系统结构组成和实现的定义和研究⽅⾯1从计算机的层次结构⻆度来看系统结构system Architecture 是对计算机系统中各级界⾯的定义及其上下的功能分配iiiiii2计算机系统结构也称计算机系统的体系结构computer Architecture 它只是系统结构中的⼀部分指的传统机器语⾔机器级州的系统结构因此它是软件和硬件1固件的交接⾯是机器语算结论计算机系统结构研究的是软硬件之间的功能分配以及对传统机器级界⾯的确定为机器语⾔汇编语⾔程序设计者或编译程序⽣成系统设计或⽣成的程序能在机器结嘔趣魂䃴䏈臨嚹櫉出㒧瀃暶软礮 嚻㗸磡璐璐额嚻嚻 㓸年就⽬前的通⽤机和总其计算机系统结构的属性包括以D 硬件能够直接识别和处理的数据类型及格式等的数据表示系最⼩可寻址单位寻址种类地址计算等的寻址⽅式统通⽤寄存器的设置涨数量使⽤约定等的寄存器组织以⼆进制或汇编指令的操作类型格式排序⽅式控制机构等的指全系统构外主存的最⼩编址单位编址⽅式容量最⼤可编址空间等的存储系统组织以中断的处理与分级中断处理程序的功能与⼊⼝地址等的中断机构系统机器级的管态与⽤户态的定义与切换8输⼊1输出设备的连接使⽤⽅式流量操作结束出错指示等的机器级⼯10结构以系统各部分的信息保护⽅式和保护机构等属性_Énn 囎的讞囄 龖嚻欏㺦䵴 邈悦的縅 辄算樾设计䯁ì点2专⽤部件的设置是否设置乘除法浮点运算字符处理地址运算等专⽤部件设置的数量与机器要达到的速度价格以及专⽤部件的使⽤频率有关机烈各种操作对部件的共享程度分时共享使⽤程度⾼虽然限制了速度但价格便宜设置部件的降低共享程度因操作系统并⾏度提⾼可提⾼速度但价格也会提⾼4功能部件的并⾏度是⽤顺序串⾏还是⽤重叠流⽔或分布式控制和处理iii 䨊i ǐiiiiiiii iiiiiiiiin 控制机构的组成⽅式⽤硬件还是微程序控制是单机处理还是的机或功能分布处理成7预估预判技术⽤什么原则为优化性能预测未来⾏为6计算机的实现computer Implementation指的是计算机组成的物理实现包括处理机珔等部件的物理结构器件的集成度和速度器件模块插件底板的划分与连接专⽤器件的设计微组装技术信号传输电源冷却及整机装配技术等7计算机实现的设计着眼于器件技术和微组装技术器件技术起着主导作⽤8指令系统的确定属于计算机系统结构指令的实现如取指令指令操作码译码计算操作数地址取数运算送结果等的操作的安排三和排序属于汢籃噍感实现这些指令功能的具体计电路器件的说⽜的装⾣䃢⼰技术属于计算机实现ftpmsn琺迹歛辔緪appointingpinetnn感乘法器加法⼀位移器的物理实现中的类型叔美成度数量价格以及微组装技术的确定和选择属于计算机实现-0ns中央处理机任存算外⼀箱溜畦侧的概念性结构图䃴嚻蜘理雄和醚-嚻制品外诞级槬以瑡⼼纙斌䴍出硬件⽅⾯2通道机实设备控制器i10机器1汇编指令系统数据表示是否采⽤通道⽅式输⼊1输出的确定属于计算机系统结构指令采⽤重叠流⽔还是其他⽅式解释数据通路宽度的确定通道采⽤结合型还是独⽴型属于计算机组成2.2系统结构组成和实现的相互关系和影响1相同结构如指令系统相同的计算机可以因速度不同⽽采⽤不同的组成⼀种组成也可以有多种不同的实现⽅法2组成也会影响结构了组成设计向上决定结构向下受限于实现技术4由于计算机组成和计算机实现关系密切有⼈将它们合称计算机实现即计算机系统的逻辑实现和物理实现ǜjiiiiii iiiiiiii能分配和确定程序设计者所看到的机器级界⾯的计算机系统结构称结论计算机系统结构设计的任务是进⾏软硬件的功能分配确定传统机器级的软硬件界⾯但作为计算机系统结构这⻔学科来讲实为程序设计者看到的计算机系统结构把着眼于如何更好更合理地实现分配给硬件的功能的计算机组成称为计算机设计者看到的计算机系统结构3计算机系统的软硬件取舍与设计思路引软硬件实现的优缺点1从原理上来讲软件的功能可以由硬件或固件来完成硬件的功能也可以由软件来模拟完成只是它们在性能价格实现的难易程度是不同的2软件实现的速度慢编制复杂编程⼯作量⼤程序所占存储空间量较的i 但是所花硬件少硬件的实现上也就相对简单容易硬件的成本低解题的灵活性和适性就好了具有相同功能的计算机系统其软硬件功能分配⽐例可以在很宽的范围内变化如下图⼀般来说提⾼硬件功能的⽐例可提⾼解题速度减少程序所需的时间但会增加硬件成本降低硬件利⽤率和计算机系统的灵活性及适应性提⾼软件功i ǘjf ǘǜǜ是⾼系统的灵活性适应性但是解题速度会下降软件设计费⽤和所需的存储器⽤量增加了原则D 应考虑在现有的硬器件主要是逻辑器件和存储器件的条件下系统要有⾼的性价⽐以实现费⽤速度和其他性能⽅⾯考虑2要考虑到准备采⽤和可能采⽤的组成技术使之尽可能不要过的或不合理地限制各种组成实现技术的采⽤了不能仅从硬的⻆度考虑如何便于应⽤组成技术的成果和便于发挥器件技术的发展还应从软的⻆度把如何为编译和操作系统的实现以及1⾼级语⾔程序的设计提供更的更好的硬件⽀持放在⾸位软硬件取舍的最终⽬标提⾼性能降低消耗评判性能的标准使⽤者响应时间完成任务的时间服务者吞吐量单位时间内的⼯作总量2软硬件取舍成本计算13软件开发费⽤C 软件重复设计的次数品硬件开发费⽤R 软件复制和存储的次数的更件实现的费⽤i Dn Nt Mn Ms 软件重复⽣产的费⽤例如批量部署1软件实现的费⽤Ds x clvtM tn Mn 硬件重复⽣产的费⽤⽣产计算机系统台数3.3计算机系统的定量设计原理真实程序的运⾏时间是衡量计算机性能的唯⼀可靠的①⼤概率事件优先原则喧⾛曼n 铡压n 缩原理oir提⾼经常性事件的处理速度经常性事件例如程序中的循环体②阿姆达尔Amdahl 定律定义系统性能的加速⽐确定对性能限制最⼤的部分计算改进某些部件所获得的性能提⾼③程序的局部性 效旦 璧和空间㞗盥改进效果好的⾼性能系统应是个各部分性能功能平衡得到提⾼的系统时间局部性现在正在使⽤的信息将来还要使⽤如程序中存在循环空间局部性将来要使⽤的信息与现在正在使⽤的信息在程序位置上是相邻的因为指令通常是顺序存放的数据也通常是以向量阵列树表等形式簇数据时间局部性空间局部性And 定律系统性能改进前⼆总执⾏时间部件加速⽐指令循环语句总加速⽐⼆系统性能改进后总执⾏时间瞿善⼆1-可改进⽐例可改进⽐例变量数据顺序语句字符串常量数据4计算机系统的设计⽅法①计算机系统⼀般有3种设计⽅法D 由上往下⾃顶向底专⽤机设计⽅法先考虑满⾜应⽤要再逐级向下设计串⾏设计⽅法周期⻓成本⾼难以量化2由下往上⾃底向顶通⽤机设计⽅法不考虑应⽤要求先根据已有条件设计硬件软件设计需要被动地适应硬件3⾃中间开始向两边设计它可以克服以上两⽅式中软硬件设计分离和脱节的致命缺点5软件应⽤器件的发展对系统结构的影响-5.1软件发展对系统结构的影响①软件的可移植性Portability 指的是软件不修改或只经少量修改就可由⼀台机器移到另⼀台机器上运⾏同⼀软件可应⽤于不同的环境软件兼容性i 向后兼容第⼀代电⼦管valve 1945-1954IBM 701机器档次当前机器第⼆代i 晶体管Transistor 19551964IBM7030㿚䨻容向后兰道时间第三代集成电路四1965-1974IBM张巧第四代⼤规模集成电路以红19741940IBM 3090Pc 第五代微处理器19902000IntelArm ②实现可移植性的常⽤⽅法D 采⽤系列机由同⼀⼚家⽣产的具有相同的系统结构但具有不同组成和实现的⼀系列不同型号的机器2模拟和仿真使件能够在具有不同系统结构的机器之间相互移植3i 实理软件移植的⼀种理想的⽅法例如Java 语⾔程序能在不同架构平台上运⾏模拟姚妣啊䲉犌⻰台 瞅⼀雅 额殆机⼀⼀刷啪镶处理器件发展历史通常⽤〇解释的⽅法去实现运⾏速度慢性能较差只适⽤于移植运⾏时间短使⽤次数少且在时间短上没有约束和受限制的软件仿真emulation ⽤⼀台现有的机器缩主机上的微程序〇去解释另⼀台机器⽬标机的指令集运⾏速度⽐模拟⽅法的快仿真只能在系统结构差距不⼤的机器之间使⽤区别模拟和仿真的区别在解释使⽤的语⾔模拟是⽤机器语⾔程序解释解释程序存储于主存中仿真使⽤微程序解释解释程序存储于控制存储器中③模拟与仿真的选择离频繁使⽤易于仿真的机器指令宜⽤仿真以提⾼速度较少使⽤的难以仿真的指令以及北操作宜⽤模拟即使两种机器系统差别不⼤往往也需要⽤模拟来完成机器间的映像11④3种⽅法的优缺点统⼀⾼级语⾔可以解决结构相同或完全不相同的机器间移植是未来发展⽅向但是⽬前难以解决只能做到相对统⼀系列机是当前遍采⽤的⽅法但只能实现同⼀系列内的软件兼容虽然允许发展变化但兼容的约束反过来会阻碍系统结构取得突破性的进展模灵活可实现不同系统结构间的软件移植但结构差别过⼤时效率速度会急剧下降伤真在速度上损失⼩但不灵活只能差别不⼤的系统之间使⽤否则效率也会过低且难以仿真需要与模拟结合才⾏此外发展异种机联⽹也是实现软件移植的⼀种途径5.2应⽤的发展对系统结构的影响不同的应⽤对计算机系统结构的设计提出了不同的要求应⽤需求是促使机算机系统结构发展的最根本的动⼒在不同的领域需要⾼性能的系统结构多媒体引了游戏⾼清影⾳⽹络应⽤⾼性能路由防⽕墙科学计算天⽓预报⽯油勘探班⽤户⻘尵 器件⼚家⽣产时固定的器件的⽤户即机器设计者只能使⽤不能改变器件内部功能现场为⽤户根据需要可改变器件内部功能⽤户为专⻔按⽤户要求⽣产的⾼度集成的以红器件完全按照⽤户要求设计的⽤户⽚称为全⽤户⽚⼀般同⼀系列内各档机器可分别⽤通⽤⽚现场⽚和⽤户为实现6系统结构的并⾏性开发及计算机轰统的分类6.1并⾏性概念与开发6.1.1并⾏性的含义与级别①并⾏性包含同时性和并发性两重含义⾃然性simultaneity 指两个或约个事件在同⼀时刻发⽣并发性concurrency 指两个或㑜事件在同⼀⽇②䲜䉪厵并⾏鍳靠 礜为了能并⾏处理以提⾼计算机解题的效率CnnD 计算机系统执⾏程序⻆度由低到⾼等级齽产操作之间的并⾏执⾏2指令之间放条指令的并⾏执⾏14作业或程序之间c______12计算机系统中处理数据⻆度由低到⾼等级冯⽒分类法1972冯泽云1位串字串同时只对⼀个字 齹⼯整处理通常指串⾏单处理机⽆并⾏性2位并字串并⾏单处理机3i 位为串字并不⼀⼀对许的字的同⼀位称位⽚进⾏处理3并⾏性贯穿于计算机信息加⼯的各个步骤和阶段的i 存储器操作并⾏2处理器操作并骤并⾏了处理器并⾏tiiiiii inin4指令任务作业并⾏皊之⼆及以上的并⾏是所处之理机同0时对然⾦撧或相关的的组娄-対居进⾏处理操作上避流的数据流计算机6.1.2并发性开发的途径时间重叠i鼝相互错不轮流重叠使⽤同⼀套硬件设备的各个部分加快硬件周转来赢得速度②资源重复邈邈䟐群Replication重复设置硬件资源来提⾼可靠性或性能③资源共享逛䬒aresharing⽤软件⽅法让的个⽤户按⼀定时间顺序轮流使⽤同⼀套资源来提⾼资源利⽤率相应地6.1.3多机系统的耦合度耦合度⽤于反映的机系统中各机器之间物理连接的紧密度和交叉作⽤能⼒的强弱1各种脱机处理系统是最低耦合系统lease coupled system 2多台计算机通过通道或通信线路实现互连以较低频带在⽂件或数据集⼀级相互作⽤这种系统被称为松散耦合系统loosely a system或间接耦合系统Indirectly Coupled system3多台计算机通过总线或⾼速开关琏共享主存有较⾼的信息传输速率可实现数据集⼀级任务级作业级并⾏则称该系统为紧密耦合系统Tighcoupled system 或直接耦合系统Directly c oupled system 6.1.4计算机系统的分类弗林分类瀓按照指令流和数据流的的倍性进⾏分类共分为4类数据流由执令流调⽤的数据序列圝鬬管⾔ 䨻⽇搻䲜时处于同⼀执⾏阶段的指令或数据的最⼤数⽬单指令流单数据流GED Single Instruction stream Single Data stream 单指令流的数据流Gen single Instruction stream Multiple Data Stream 阵列处理机和相联处理机多指令流多数据流㟗⽆实现对应的应⽤传统的单处理计算机多指令流单数据流MIS D -。

计算机体系结构基本概念计算机体系结构是指计算机系统中的各个组成部分之间的关系和交互方式。

它是计算机硬件与软件之间的接口，决定了计算机系统的工作方式、性能表现以及可扩展性。

本文将介绍计算机体系结构的基本概念和相关内容。

一、计算机体系结构的概述计算机体系结构是指计算机系统的结构组织，包括硬件和软件。

主要由计算机硬件、指令系统、运算方式和数据流组成。

计算机体系结构的目标是提供高性能、可靠性、可扩展性和高效能的计算机系统。

计算机体系结构的设计通常以指令集架构和微架构为基础。

二、指令集架构指令集架构是计算机体系结构中的一个重要概念。

它定义了计算机系统处理信息的方式。

指令集架构包括计算机的指令集、寄存器、数据类型和地址模式等。

根据指令集的不同，可以将计算机体系结构分为复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）。

三、微架构微架构是指计算机体系结构的实现方式。

它包括处理器的内部结构、数据通路、控制流和存储相关的电路设计。

微架构的设计影响着计算机系统的性能和功能。

常见的微架构包括超标量、乱序执行和流水线等。

四、存储结构与存储器层级存储结构是指计算机系统中用于存储数据的层次结构。

存储器层级分为寄存器、高速缓存、内存和辅助存储器等。

不同层级的存储器具有不同的特点，如容量、速度和价格等。

存储结构的设计旨在提高计算机系统的访问速度和运行效率。

五、总线结构总线结构是计算机体系结构中连接各个组件的通信系统。

它包括地址总线、数据总线和控制总线等。

总线结构的设计影响着计算机系统的数据传输速度和可扩展性。

六、并行处理与多核技术并行处理是指多个处理器或计算单元同时执行指令，提高计算机系统的运行速度和性能。

多核技术则是将多个处理核心集成到同一个芯片上，实现并行运算。

并行处理和多核技术在高性能计算、科学计算和图像处理等领域得到广泛应用。

七、虚拟化技术虚拟化技术是指通过软件将计算机资源抽象为多个逻辑实体，实现多个操作系统和应用程序的隔离和共享。

计算机系统结构自考笔记一、计算机系统结构概述。

1. 计算机系统的层次结构。

- 从底层到高层：硬件、操作系统、系统软件、应用软件。

- 各层次的功能及相互关系。

例如，硬件为软件提供运行平台，软件控制硬件资源的使用等。

2. 计算机系统结构的定义。

- 经典定义：程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。

- 包括指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机制等方面的属性。

3. 计算机系统结构的分类。

- 按指令流和数据流的多倍性分类。

- 单指令流单数据流（SISD）：传统的单处理器计算机。

- 单指令流多数据流（SIMD）：如阵列处理机，适合进行数据并行处理。

- 多指令流单数据流（MISD）：较少见的结构。

- 多指令流多数据流（MIMD）：多处理器系统，如对称多处理机（SMP）。

- 按存储程序原理分类。

- 冯·诺依曼结构：程序和数据存储在同一存储器中，按地址访问。

- 哈佛结构：程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的地址空间。

二、数据表示与指令系统。

1. 数据表示。

- 数据类型。

- 数值型数据（整数、浮点数）：不同的表示格式，如定点数的原码、反码、补码表示；浮点数的IEEE 754标准表示。

- 非数值型数据（字符、字符串、逻辑数据等）。

- 数据的存储方式。

- 大端存储与小端存储：大端存储是高位字节存于低地址，小端存储是低位字节存于低地址。

2. 指令系统。

- 指令格式。

- 操作码：表示指令的操作类型，如加法、减法等操作。

- 地址码：指出操作数的地址或操作数本身。

有零地址、一地址、二地址、三地址等指令格式，每种格式的特点及适用场景。

- 指令类型。

- 数据传送指令：在寄存器、存储器等之间传送数据。

- 算术运算指令：加、减、乘、除等运算。

- 逻辑运算指令：与、或、非等逻辑操作。

- 控制转移指令：如无条件转移、条件转移、子程序调用与返回等，用于改变程序的执行顺序。

三、存储系统。

1. 存储器层次结构。

- 高速缓冲存储器（Cache） - 主存储器 - 辅助存储器的层次结构。

一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。

Amdahl所定义的体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。

所关心的是如何合理的进行软硬件功能的分配。

计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属性，即外特性。

可以包含数据表示，寄存器定义、数量、使用方式，指令系统，中断系统，存存储系统，IO系统等。

计算机组成是计算机结构的逻辑实现。

可以包含数据通路宽度，专用部件设置，缓冲技术，优化处理等。

计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。

包括处理机，主存部件的物理结构，器件的集成度，速度的选择，模块、硬件、插件底板的划分和连接。

从使用语言的角度，可以把计算机系统按功能从高到低分为7级：0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电子线路级。

3～6级为虚拟机，其语言功能均由软件实现。

硬件功能分配的基本原则：（1）功能要求。

首先是应用领域对应的功能要求，其次是对软件兼容性的要求；（2）性能要求。

如运算速度，存储容量，可靠性，可维护性和人机交互能力等；（3）成本要求。

体系结构设计的方法有三种：由上而下－从考虑如何满足应用要求开始设计；由下而上－基于硬件技术所具有的条件；由中间开始的方法。

体系设计的步骤：需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价。

计算机体系结构的分类：（1）弗林FLYNN分类法：按指令流和数据流将计算机分为4类：①单指令流、单数据流－Single Instruction Stream Single Data Stream，SISD。

计算机，即传统的单处理机，通常用的计算机多为此类，如脉动阵列计算机systolic array；②单指令流、多数据流－Multiple，SIMD。

典型代表是并行处理机。

其并行性在于指令一级。

如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等；③MISD计算机；④MIMD计算机。

计算机体系结构设计基础知识计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的结构和组织，它直接关系到计算机系统的性能、可扩展性和可靠性。

在设计计算机体系结构时，需要考虑多个因素，包括指令集体系结构、数据通路和控制、内存层次结构、并行处理等。

本文将介绍计算机体系结构设计的基础知识，以及一些常见的设计原则和方法。

一、指令集体系结构（Instruction Set Architecture）指令集体系结构是计算机体系结构中最重要的一个部分，它定义了计算机的指令集合、寻址方式和数据类型等。

常见的指令集体系结构包括精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）。

RISC指令集体系结构采用较为简单、固定长度和交互作用少的指令，它的设计思想是提高指令的执行速度。

而CISC指令集体系结构则提供了丰富的指令集合和复杂的寻址方式，以便于编程人员编写更为高级和复杂的指令序列。

二、数据通路与控制数据通路与控制是计算机体系结构中的核心部分，它包括执行指令所需的寄存器、算术逻辑单元（ALU）和数据通路等。

数据通路负责数据的传输和处理，而控制单元则负责指令的译码和控制。

在设计数据通路时，需要考虑数据的流向、寄存器的分配以及数据传输的方式等。

同时，控制单元需要能够根据指令的类型和操作码来产生相应的控制信号，以控制数据通路的工作。

三、内存层次结构计算机的内存层次结构是指计算机使用多种不同速度和容量的存储器来提高存取速度和存储容量。

常见的内存层次结构包括寄存器、高速缓存、主存和辅助存储器等。

寄存器是位于CPU内部的最快速和最小容量的存储器，它用于暂存指令和数据。

高速缓存是位于CPU和主存之间的存储器，它的容量较小但速度较快，用于提高访问主存的速度。

主存是计算机中容量最大的内存，用于存储程序和数据。

辅助存储器则是非常大容量的存储器，如硬盘驱动器和光盘等。

四、并行处理并行处理是指将多个处理单元同时工作来执行一个或多个任务，以提高计算机系统的性能和吞吐量。

《计算机系统结构》计算机系统结构计算机是一种用于处理数据的电子设备，其内部结构和组成部分称为计算机系统结构。

计算机系统结构可以分为五个层次，包括硬件层、操作系统层、编程语言层、应用层和用户层，每个层次的结构和组成部分都不同，但彼此之间却相互关联。

硬件层是计算机系统结构最基本的层次，包括计算机的主板、CPU、内存、存储器、输入输出设备等，这些硬件组成了计算机的物理部分。

其中，CPU 是计算机系统结构的核心，它能够执行各种计算、运算和控制操作，使计算机能够高效地完成各种任务。

操作系统层是计算机系统结构的第二层次，包括计算机的操作系统、驱动程序和各种系统服务，这些软件组成了计算机的逻辑层次。

操作系统是计算机系统结构的“大脑”，它负责计算机资源的管理、任务的分配和调度等，以保障计算机能够高效地运行。

编程语言层是计算机系统结构的第三层次，包括各种编程语言和编译器等，这些软件可以让程序员能够使用高级语言编写程序，而不需要了解底层的硬件和操作系统。

应用层是计算机系统结构的第四层次，包括各种应用软件，这些软件可以让用户完成各种计算、办公、娱乐和通讯等任务。

用户层是计算机系统结构的最高层，包括计算机的终端用户和计算机的外部环境，比如网络、打印机、扫描仪等，这些用户能够直接接触、使用和操作的设备和软件。

以上五个层次共同构成了计算机系统结构，每个层次都有其独立的构成和作用，但也相互依存和联系，这种结构可以让计算机能够高效地工作，完成各种复杂任务。

在计算机系统结构中，CPU的设计和实现尤为复杂和重要。

CPU需要具备高性能、低功耗、高可靠性、高安全性等多方面的要求，而这些要求之间往往具有矛盾性。

CPU的设计需要涉及到微处理器芯片的制造、集成电路的设计和开发、指令集架构的设计和实现等多个方面。

指令集架构是CPU设计中最核心和最基本的部分，它定义了所有可执行的指令的格式和功能，以及CPU的寄存器、内存地址空间等的规范。

现代计算机系统结构中，主流的指令集架构有CISC、RISC和VLIW等几种，它们都有各自的特点和优势。

计算机体系结构与组成原理什么是计算机体系结构与组成原理？计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的接口，它规定了计算机硬件的组织和功能。

它包括指令集架构、处理器设计和内存层次结构等方面。

组成原理则涉及计算机硬件组成部分的设计和实现，包括处理器、内存、输入输出设备等。

计算机体系结构与组成原理的重要性- 提供了计算机系统的基本框架：计算机体系结构为软件开发者提供了一种标准的计算机系统框架，使得软件能够在不同硬件平台上运行，提高软件的可移植性。

- 影响计算机性能和能耗：合理的计算机体系结构可以提高计算机的性能，如提高处理器的时钟频率和并行处理能力。

同时，通过优化计算机体系结构，可以降低计算机的能耗。

- 指导硬件设计和制造：计算机体系结构与组成原理为硬件设计者提供了指导，使得硬件能够满足性能要求，并在制造过程中降低成本。

计算机体系结构与组成原理的关键概念- 指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）：定义了计算机的指令集和操作模式，如x86、ARM等。

- 处理器设计：涉及处理器的微体系结构和指令执行流程，如流水线、超标量等。

- 内存层次结构：指不同层次的存储器之间的组织和访问方式，如高速缓存、主存等。

- 输入输出设备：包括输入设备和输出设备，如键盘、显示器等。

总结计算机体系结构与组成原理是计算机科学中的重要学科，它为计算机的硬件设计和软件开发提供了基本框架。

它的重要性体现在提供了计算机系统的基本框架、影响计算机性能和能耗，并指导硬件的设计和制造。

关键概念包括指令集架构、处理器设计、内存层次结构和输入输出设备。

计算机系统结构基础知识要点梳理计算机系统结构是指计算机硬件和软件之间的组织和交互方式，是计算机科学与技术的基础。

了解计算机系统结构的基础知识对于计算机专业学生和从事计算机相关工作的人员来说至关重要。

本文将梳理计算机系统结构的基础知识要点，帮助读者更好地理解和掌握这一领域的知识。

一、计算机的组成与功能计算机系统由硬件和软件组成。

硬件包括中央处理器(CPU)、内存、存储器、输入输出设备等，而软件包括系统软件和应用软件。

计算机的主要功能是数据的输入、处理、输出和存储。

1.中央处理器中央处理器是计算机的核心部件，负责执行指令并控制计算机的工作。

它由运算器和控制器组成，运算器负责进行算术和逻辑运算，控制器负责解析和执行指令。

2.内存内存是计算机用来存储数据和指令的地方，它可以分为主存和辅存。

主存是CPU可以直接访问的存储器，而辅存则用于长期存储数据和程序。

3.存储器存储器用于存储计算机系统中的各种数据和信息，包括数据、指令和程序等。

根据存储介质的不同，可以将存储器分为内存和外存。

4.输入输出设备输入输出设备用于将数据从外部输入到计算机系统中，或将计算机系统中的数据输出到外部设备中。

常见的输入输出设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。

二、计算机的层次结构计算机系统可以按照功能和性能划分为多个层次，从底层到高层分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

1.物理层物理层是计算机系统中最底层的层次，它负责处理计算机硬件和信号传输的问题。

包括处理器、存储器、总线等硬件设备，并规定了数据的传输方式和电信号的特性。

2.数据链路层数据链路层负责处理数据在链路上的传输和错误控制。

它将数据分组成帧，并对传输过程中的错误进行检测和纠正。

3.网络层网络层负责处理数据在不同网络之间的传输和路由问题。

它使用IP 地址来标识网络和主机，并通过路由选择算法确定数据的传输路径。

4.传输层传输层负责处理数据的传输可靠性和流量控制。

专升本《计算机系统结构》计算机系统结构是计算机科学与技术专业中的一门重要课程，是培养学生计算机系统设计能力的关键课程之一、通过学习该课程，可以使学生了解计算机系统的组成结构，掌握计算机系统的工作原理，培养学生计算机系统设计与优化能力。

以下是关于计算机系统结构的一篇1200字以上的专业文章。

计算机系统结构是计算机科学与技术中的基础课程，主要研究计算机系统的组成结构和工作原理。

计算机系统是由硬件和软件两个部分组成，硬件包括中央处理器、内存、外设等，软件包括操作系统、应用程序等。

计算机系统结构主要研究如何将这些硬件和软件组合起来，构成完整的计算机系统。

计算机系统结构包括指令流水线、存储器层次结构、总线系统和I/O系统等内容。

其中，指令流水线是计算机系统中的一种重要技术，可以提高计算机运行速度。

指令流水线将指令执行过程划分为若干个阶段，每个阶段只执行一个操作，从而可以并行执行多个指令。

通过指令流水线可以提高计算机的效率，降低计算机系统的延迟。

存储器层次结构是计算机系统中的另一个重要部分，主要包括主存、高速缓存和辅助存储器等。

存储器层次结构的设计是为了在速度、容量和成本之间找到一个平衡点。

高速缓存是CPU和主存之间的一种高速存储器，用于存放经常访问的数据和指令。

通过高速缓存可以减少CPU访问主存的次数，提高计算机的运行速度。

总线系统是计算机系统中的交通系统，用于连接计算机系统中不同部件之间的数据和信号。

总线系统主要包括数据总线、地址总线和控制总线等。

数据总线用于传输数据，地址总线用于传输地址，控制总线用于传输控制信号。

总线系统的设计需要考虑带宽、传输速度和信号干扰等因素，以保证计算机系统的正常运行。

I/O系统是计算机系统中的输入输出系统，用于对外部设备进行数据交换。

I/O系统主要包括输入设备、输出设备和I/O接口等。

输入设备用于将外部设备的数据输入到计算机系统中，输出设备用于将计算机系统中的数据输出到外部设备中，I/O接口用于连接计算机系统和外部设备。

计算机系统结构1. 介绍计算机系统结构是计算机科学与技术中的重要内容之一，它涉及到计算机组成原理、系统结构、指令系统、硬件设计和软件编程等多个方面。

在计算机科学的学习过程中，深入理解计算机系统结构对于提升专业水平和技术能力都具有重要意义。

在本文中我将予以深入探讨。

2. 计算机系统结构概述计算机系统结构是指计算机硬件系统以及与之相关的软件系统的总体结构和运行机制。

它包括计算机硬件的组成、相互关系、工作原理、运行机制以及相关的软件系统。

计算机系统结构的学习既需要理论知识的学习，也需要实际操作的经验积累。

它是计算机科学与技术学科中的基础课程，也是其他高级课程的基础。

3. 计算机系统结构的重要性计算机系统结构对于计算机科学专业的学习非常重要。

它不仅关系到计算机硬件系统的组成和工作原理，还关系到计算机软件系统的运行机制。

在实际工作中，对计算机系统结构的深入理解能够为我们设计和开发计算机系统提供重要的指导和支持。

它也是进行系统性能优化和故障排除的重要基础。

4. 我对计算机系统结构的个人观点和理解在我看来，深入理解计算机系统结构对于计算机科学与技术专业的学生来说是至关重要的。

在学习过程中，我们不仅应该注重理论知识的学习，还应该注重实践操作的积累。

只有理论联系实际，才能更好地掌握计算机系统结构相关的知识和技能。

我认为要想真正掌握计算机系统结构，我们还需要不断地进行知识更新和学习，紧跟行业的发展和变化。

5. 总结回顾通过本文的探讨，我们对计算机系统结构有了更深入的了解。

我们了解了它的概述、重要性以及个人观点和理解。

在今后的学习和工作中，希望我们能够不断学习和提高自己的技能，将理论与实践相结合，不断提升自己在计算机系统结构领域的能力和水平。

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6. 计算机系统结构的基本原理计算机系统结构的基本原理是指计算机硬件系统和软件系统的组成、运行机制和相互关系。

计算机系统结构大纲计算机系统结构的大纲通常包括以下几个方面：1. 计算机硬件：介绍计算机系统的硬件组成部分，如中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等。

包括硬件的功能和特点，以及它们之间的连接方式和数据传输原理。

2. 指令系统和编程语言：介绍计算机的指令系统和编程语言，包括指令的分类、指令的执行过程、寻址方式、寄存器的使用等。

同时还可以介绍常用的编程语言和编程范式。

3. 存储系统：介绍计算机的存储器层次结构，包括主存储器、辅助存储器和缓存等。

涵盖存储器的组织方式、存取速度、容量等方面的知识。

4. 输入输出系统：介绍计算机系统与外部设备进行数据交互的过程，包括输入设备、输出设备和存储设备等。

可以涉及输入输出接口的工作原理、数据传输方式等。

5. 中断系统和异常处理：介绍计算机系统中的中断机制和异常处理机制，包括中断的分类、中断向量表的建立、中断服务程序的执行流程等。

同时还可以介绍异常处理的原理和常见的异常类型。

6. 性能评价与优化：介绍计算机系统性能评价的方法和指标，如响应时间、吞吐量等。

同时可以介绍性能优化的技术和策略，如流水线技术、并行处理等。

7. 多核与并行处理：介绍多核处理器和并行处理的概念、原理和应用。

包括多核处理器的架构、并行算法和并行程序设计等。

8. 系统总线和输入输出设备：介绍计算机系统中的总线结构和输入输出设备的工作原理。

涉及总线的分类、总线传输方式和输入输出设备的接口标准等知识。

9. 操作系统支持：介绍操作系统对计算机系统结构的支持，包括进程管理、内存管理、文件系统等方面。

可以涉及操作系统的基本原理和常见的操作系统类型。

以上仅为计算机系统结构大纲的一些主要内容，具体的大纲会根据教学目标和课程安排可能有所不同。

大一上册计算机系统结构课程笔记一、引言计算机系统结构是计算机科学与技术专业中的一门重要课程，它涉及计算机硬件和软件之间的关系，对于帮助学生全面理解计算机系统的工作原理和内部结构具有重要意义。

本文将介绍我作为一名专业老师在大一上册计算机系统结构课程中所做的一些笔记和教学方法。

二、具体操作方法1. 举例说明为了帮助学生更好地理解计算机系统结构的概念和原理，我在课堂上经常使用举例的方法进行讲解。

比如，在介绍计算机的五大组成部分时，我会以一台电脑为例，详细解释其中的中央处理器、内存、输入输出设备、存储设备和通信设备。

通过具体的实例，学生可以更加直观地理解这些概念。

2. 分析性循序推理在讲解计算机系统结构的各个模块时，我会采用分析性循序推理的方法，逐步展开讲解。

例如，在介绍中央处理器的时候，我会先讲解指令的执行过程，然后再讲解指令的格式和编码方式，最后再讲解寄存器和流水线的概念。

通过这样的循序推理，学生可以逐步理解计算机系统结构的复杂性。

三、分析性循序推理论点在教学过程中，我发现学生对于计算机系统结构中的存储器层次结构和指令执行过程比较困惑。

因此，我将重点对这两个方面进行分析性循序推理。

1. 存储器层次结构存储器层次结构是计算机系统中非常重要的一个概念，它包括寄存器、缓存、主存和辅助存储器。

在教学中，我会先从寄存器开始讲解，因为寄存器是最快的存储设备，也是中央处理器的一部分。

然后再讲解缓存和主存的概念，它们位于寄存器和辅助存储器之间。

最后，我会介绍辅助存储器，它是计算机系统中最慢、容量最大的存储设备。

2. 指令执行过程指令执行过程是计算机系统中非常核心的一个概念，它涉及到指令的获取、解码和执行三个阶段。

在教学中，我会先讲解指令的获取过程，即从内存中获取指令并存储到指令寄存器中。

然后再讲解指令的解码过程，即将指令的操作码解析成具体的操作。

最后，我会介绍指令的执行过程，即根据解码后的操作进行相应的计算和操作。

计算机组成原理课程设计报告题目：微程序设计专业：计算机科学与技术班级：指导老师：目录一、摘要二、设计要求三、微程序控制器原理四、总体设计五、测试六、结论七、参考文献目录八、个人总结重庆大学本科学生课程设计任务书一、摘要利用CPU与复杂机设计实验中所学到的实验原理以及编程思想，硬件设备，自拟编写指令的应用程序，用微程序控制器实现了一系列的指令功能。

完成了各指令的格式以及编码设计，实现了各机器指令微代码，形成具有一定功能的完整的应用程序。

在本设计中完成了，交换指令：XCHGRM reg addr ；加法指令：ADDI rd,rs,imme；ADDM rd,rs,addr；带右移(n位)的加法运算：ADDN ri ,rj, n。

关键词：微程序控制器原理微指令编码机器指令微代码指令格式设计流程图二、设计要求要求：用微程序控制器实现以下指令功能（各类指令至少包括一条），设计各机器指令格式以及编码，并实现各机器指令功能的微代码，根据定义的机器指令，自拟编写包含以下机器指令的应用程序。

交换指令：xchgrm reg, addr ；功能：(reg)←→(addr)，addr是8位二进制地址xchgmm addr1,addr2 ；功能：(addr1)←→(addr2)，addr是8位二进制地址加法指令：addi rd,rs,imme ；功能：rd←(rs)+immeaddm rd,rs,addr ；功能：rd←(rs)+(addr)带右移的加法运算：add ri ,rj, n ; ri←（ri）+（rj）>> n，rj中内容不变三、微程序控制器原理下面讲述一下模型计算机的数据格式及指令系统。

1．数据格式模型机规定采用定点补码表示法表示数据，字长为８位，8 位全用来表示数据（最高位不表示符号），数值表示范围是：0≤X≤28－1。

2．指令设计模型机设计三大类指令共十五条，其中包括运算类指令、控制转移类指令，数据传送类指令。