计算机硬件体系结构

1.计算机硬件体系结构：未配置任何软件的计算机称为裸机。

美籍匈牙利数学
家冯●诺依曼 1946年提出储存程序原理。

→输入设备→存储器→输出设备→
↓
运算器控制器
2.中央处理器：（1）运算器（2）控制器（3）存储器
3.输入输出设备：鼠标.键盘.扫描仪.数码相机.条码阅读器。

输出：
显示器.打印机.音响.绘图仪等。

4.计算机软件体系结构：（1）操作系统软件:(DOS.Linux.Windows.
等)。

5.认识计算机主板：主板又名主机板.母板.系统板等。

主板一般为
矩形电路板。

主要组装计算机的电路系统 BIOS芯片.io控制芯片。

6.电路板各个部件：插槽.芯片.电阻.电容等。

内存插槽：AGP插
槽.PCI插槽.IDE接口.以及主办边缘的串口.并口.PS/2接口等。

7.主板主要结构：ATX版型：扩展插槽较多.PCI插槽数量为4～6个。

8.主板芯片：（1）BIOS芯片：BIOS是一组被固化到计算机中.为计
算机提供最低级.最直接的硬件控制程序.是连通软件程序和硬件设备之间的枢纽.负责解决硬件的及时要求.并按照软件对硬件的操作要求来具体执行。

9.主板插槽：SIMM.DIMM.RIMM.。

计算机体系结构设计
计算机体系结构设计是指设计计算机系统中的硬件和软件组成，
包括处理器、内存、输入输出设备等。

这个过程需要考虑计算机系统
的性能、功耗、成本、可靠性等方面。

设计师需要考虑如何优化计算
机体系结构，以满足不同应用场景的需求。

其中的一些关键问题包括：
1. CPU设计：需要考虑指令集、流水线、多核心、超线程、缓
存等问题来提高计算机的性能。

2. 存储器层次结构设计：包括如何设计高速缓存、内存和硬盘
之间的交互、内部总线等。

3. 总线设计：配置和设计I/O总线，内部总线和内存总线，以
保证系统的高效运作。

4. 输入输出设备设计：诸如显示器、键盘、鼠标、打印机等的
硬件设计。

5. 软件系统设计：包括操作系统、编译器、调试器等软件要素
的设计。

优秀的计算机体系结构设计需要有深厚的硬件和软件知识，也需
要丰富的实践经验。

现代计算机体系结构是一个复杂而庞大的系统，
设计师需要进行多层次的抽象和建模，逐步验证自己的设计。

层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。

这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。

虚拟机：用软件实现的机器。

翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。

解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。

执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。

计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。

在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。

计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。

系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。

Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。

程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。

包括时间局部性和空间局部性。

CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。

测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。

存储程序计算机：冯·诺依曼结构计算机。

其基本点是指令驱动。

程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。

系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。

计算机体系结构与并行计算计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的接口，它涉及到计算机系统的组成和功能。

而并行计算是指多个任务同时进行，以提高计算机的处理能力和效率。

本文将从计算机体系结构和并行计算两个方面进行探讨，并分析二者之间的关系。

一、计算机体系结构计算机体系结构包括指令系统、处理器组织、存储组织和输入输出系统等。

其中，指令系统是计算机硬件与软件之间的接口，用于定义计算机所能执行的操作。

处理器组织是指负责执行指令和控制计算机操作的部件，包括运算器、控制器等。

存储组织是指计算机用来存储数据和程序的部件，包括主存储器、辅助存储器等。

输入输出系统则负责计算机与外部设备之间的数据传输和交互。

计算机体系结构的设计与优化直接影响着计算机的性能和效率。

在过去，计算机体系结构主要以单核处理器为主，即一次只能处理一个任务。

而随着科技的发展，为了满足越来越复杂的应用需求，人们开始将目光转向了并行计算。

二、并行计算并行计算是指多个任务之间通过并行执行共同完成某一计算任务。

它可以将一个大型任务划分为多个子任务，通过不同的处理器或计算核心同时执行，从而提高计算速度和效率。

并行计算可分为两种类型：数据并行和任务并行。

数据并行主要是指对大规模数据进行划分，使得每个处理器可以处理一部分数据，并在各个处理器之间进行数据交换和通信。

任务并行则是指将一个大型任务拆分成多个小任务，由不同的处理器执行，最终将结果合并。

这种方式可以充分利用多个处理器的计算能力，加快任务完成的速度。

并行计算的优势在于同时进行多个计算任务，提高了计算的效率和吞吐量。

它在大规模科学计算、数据处理和图形渲染等领域得到了广泛应用。

然而，并行计算也面临着一些挑战，如任务划分、负载平衡和数据同步等问题，需要通过合理的算法设计和系统结构来解决。

三、计算机体系结构与并行计算的关系计算机体系结构和并行计算是相辅相成的关系。

计算机体系结构提供了并行计算所需的硬件平台和系统支持，而并行计算则在提高计算机性能和效率方面对体系结构提出了更高的要求。

冯诺依曼计算机的体系结构冯·诺依曼计算机体系结构是现代计算机硬件和软件架构的基石之一。

它由冯·诺依曼教授于1945年提出，并于1946年完成了一台基于该体系结构的计算机原型。

冯·诺依曼计算机体系结构由5个重要部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

运算器是计算机的核心部件，负责进行各种算术和逻辑运算。

控制器负责协调和控制计算机各个部件的工作，按照指令序列的顺序执行操作。

存储器用于存储程序和数据，其中包括运行时的指令和数据，以及处理数据的结果。

输入设备用于将外部信息输入计算机，输出设备用于将计算机加工后的信息传递给外部。

冯·诺依曼计算机采用了存储程序的概念，即将程序和数据存储在同一种类型的存储器中。

这种方法使得计算机可以根据程序的指示按需获取和处理数据。

与之相对，冯·诺依曼计算机引入了存储程序的概念，这使得计算机不仅能够执行预编程的操作，还能够根据指令自动改变执行路径。

冯·诺依曼计算机的指令由操作码和操作数组成。

操作码定义了所执行的操作类型，而操作数则指定了该操作所需的数据。

指令以二进制代码的形式存储在计算机的存储器中，并按照特定的格式解码和执行。

指令的执行过程包括获取指令、解码指令、执行指令和存储结果。

冯·诺依曼计算机还引入了模块化设计的概念，即将计算机划分为多个模块，每个模块负责不同的任务。

这种设计使得计算机的构建和维护更加简便和灵活，并促进了计算机的发展和演进。

冯·诺依曼计算机体系结构的优点在于其简单性和通用性。

由于存储程序的概念，计算机可以按照预先定义的方式执行操作，而无需进行物理改变。

此外，冯·诺依曼计算机的体系结构可以用于各种不同的计算任务，从科学计算到商业数据处理。

然而，冯·诺依曼计算机体系结构也存在一些局限性。

首先，由于计算机的运算和存储操作是分离的，导致了存储器和运算器之间的瓶颈问题。

常规计算机硬件体系结构第二章常规计算机硬件体系结构早期的包处理系统是建立在常规计算机系统之上的，这也是最廉价的包处理系统。

我们定义一个常规的计算机系统由四个基本部件组成：一个CPU，一个内存，一个或多个I/O设备，一条总线。

总线连接另外的三个基本部件，并允许它们相互通信。

PC机是一个常规计算机系统，因为它包括了以上所有四个部件。

为了将一台常规的计算机转换成一个能够处理数据包的网络系统，必须在计算机上增加一些硬件和软件。

增加的硬件用来发送和接收数据包，增加的软件用来处理数据包。

2.1 早期的NIC将一个计算机系统连接到一个网络的硬件设备称为网络接口卡（Network Interface Card，NIC）。

对于计算机来说，NIC和其它I/O设备一样连接到计算机的总线并由CPU控制，CPU控制NIC 的方法与控制其它I/O设备的方法也相同。

对于网络来说，NIC表现得像一台主机，即NIC能够发送和接收数据包。

主机和包分析器只连接到一个网络上，这样的系统只需要一块NIC。

复杂一些的系统，像网桥、路由器等，要求多个网络连接。

当系统需要多个网络连接时，有两种可能的实现方法。

一种方法是将多块网卡插入到总线扩展槽中，每块网卡连接一个网络；另一种方法是在一块电路板上提供多个独立的网络接口，电路板插入扩展槽中，每个网络接口连接一个网络，当前已经出现了这种商用的NIC硬件。

从计算机的角度来看，这两种方法没有什么区别。

可是由于总线扩展槽的数量是有限的，因此后一种方法更好，能够节省扩展槽。

网络接口由CPU操作，这意味着CPU控制着所有数据包的发送和接收。

为发送一个数据包，CPU首先在内存中组装好数据包，然后将包传递给NIC，NIC再将数据包发送到网络上。

在系统接收一个数据包前，CPU必须先允许NIC，指明数据包存放的位置。

NIC等待从网络上到来的数据包，将其存放到指定的位置，然后通知CPU。

NIC中一般包含实现物理层协议标准的物理接口芯片组，它们保证每个输出的帧具有正确的格式而且产生出符合物理层协议标准的信号波形；类似地，它们检查每个到来的帧以保证每个帧是有效的。

冯诺依曼体系结构的计算机硬件系统
冯诺依曼机（也称作“发明机”）是第一台真正实用的计算机，由威廉·冯·诺依曼于1936年发明。

它的体系结构被普遍认为是当今计算机的基石。

虽然冯诺依曼机的设计有多种不同的变体，但它们的主要特点都是类似的：它们同时具有计算、存储、控制以及输入/输出功能。

第二部分电路
冯诺依曼体系结构的电路通常由两个主要部分组成：指令格子和数据格子。

指令格子包括控制单元和算术逻辑单元，它们负责处理指令；数据格子包括存储单元和输入/输出单元，它们负责存储和处理数据。

电路不仅可根据指令对数据进行运算，而且还可以根据数据对指令进行解释，从而实现动态指令表（Dynamic Instruction Table）。

第三部分软件
冯诺依曼机的软件主要是操作系统和应用程序。

操作系统负责控制机器，它提供指令集和指令格式，以及调度机器的内部操作。

应用程序是用来实现用户任务的，它们可以是用户自定义的，也可以是由操作系统提供的。

此外，冯诺依曼机的软件还可以包括所谓的“冯·诺依曼模拟器”，它们用来模拟冯·诺依曼机的功能，从而允许使用普通计算机来处理冯·诺依曼机上的任务。

第四部分总结
冯诺依曼机的体系结构是当今计算机的基础，其电路由指令格子和数据格子组成，用来运行操作系统和应用程序。

它的软件可以是用
户自定义的，也可以是由操作系统提供的，它们用来实现用户的任务。

冯·诺依曼机的模拟器还可以用来模拟冯·诺依曼机的功能，从而使用普通计算机处理冯·诺依曼机上的任务。