王道考研計組課件2023-2026ONEKEEPVIEWREPORTING目錄CATALOGUE計算機體系結構概述指令系統處理器組織結構存儲器層次結構輸入輸出系統計算機體系結構的評估與優化計算機體系結構的最新進展計算機體系結構概述PART01計算機體系結構定義計算機體系結構是計算機系統軟、硬件功能的分配和定義，包括指令集、硬件結構和軟件系統等方面。計算機體系結構的重要性計算機體系結構不僅關系到計算機的性能和成本，還直接影響軟件設計和開發的方法和效率。計算機體系結構的基本概念01020304第一代計算機以真空管作為基礎元件，體積大、耗能高、可靠性差。第二代計算機以晶體管作為基礎元件，體積縮小、耗能降低、可靠性提高。第三代計算機以集成電路作為基礎元件，體積進一步縮小、耗能進一步降低、可靠性進一步提高。第四代計算機以大規模集成電路和超大規模集成電路作為基礎元件，計算機技術進入了一個全新的時代。計算機體系結構的發展歷程按照存儲器的類型分類馮·諾依曼結構和哈佛結構。按照指令集分類復雜指令集計算機（CISC）和精簡指令集計算機（RISC）。按照處理器的數量分類單處理器和多處理器系統。計算機體系結構的分類指令系統PART0201指令是計算機執行的基本命令，由一組二進制代碼表示，它們代表了要執行的特定操作。指令02指令系統是計算機中所有可執行指令的集合，這些指令可以由程序員使用高級語言編寫程序。指令系統03指令系統提供了計算機所需的基本操作，包括算術運算、邏輯運算、數據傳輸、控制轉移等。指令系統的基本功能指令系統的基本概念完備性是指指令系統能夠完成所有基本的計算和控制操作，滿足程序員在編寫程序時的需求。完備性簡單性是指指令系統的設計應該盡可能簡單明了，這樣可以減少程序員的學習難度和出錯概率。簡單性統一性是指指令系統的設計風格應該一致，這樣程序員可以更容易地學習和掌握指令系統。統一性高效性是指指令系統應該盡可能快地執行程序，這樣可以提高計算機的整體性能。高效性01030204指令系統的設計原則復雜指令系統（CISC）這種指令系統包含了大量的復雜指令，可以完成各種復雜的操作，但同時也增加了硬件設計的復雜性和成本。精簡指令系統（RISC）這種指令系統只包含最基本的指令，硬件設計簡單且成本低，但同時也犧牲了一些復雜操作的性能。指令系統的分類處理器組織結構PART03內存管理單元內存管理單元負責內存的訪問和管理。它包括內存地址寄存器、內存數據寄存器、內存控制寄存器等。指令集指令集是處理器內部組織結構的核心，它規定了處理器能夠執行的操作和指令。指令集包括各種算術運算、邏輯運算、數據傳送等指令。寄存器寄存器是處理器內部的重要部件，用于存儲數據和指令。根據功能不同，寄存器可以分為通用寄存器、控制寄存器和狀態寄存器等。算術邏輯單元算術邏輯單元是處理器的核心運算單元，用于執行算術運算和邏輯運算。它由加法器、移位器、邏輯器等組成。處理器的內部組織結構總線接口是處理器與外部設備進行通信的橋梁。它包括地址總線、數據總線和控制總線。總線接口中斷控制器用于處理外部中斷請求。它包括中斷請求寄存器和中斷優先級寄存器。中斷控制器定時器用于產生定時信號，用于定時操作和延時操作。它包括定時器控制寄存器和定時器計數寄存器。定時器處理器的外部組織結構緊耦合多處理器是指多個處理器之間緊密耦合，共享內存和I/O設備。這種結構適用于并行計算和分布式計算。松耦合多處理器是指多個處理器之間松散耦合，每個處理器都有自己的內存和I/O設備。這種結構適用于分布式計算和模塊化設計。多處理器組織結構松耦合多處理器緊耦合多處理器存儲器層次結構PART0403存儲器的主要性能指標存儲器的性能指標包括存儲容量、存取時間、存儲周期、可靠性等。01存儲器定義存儲器是計算機系統中的重要組成部分，用于存儲程序和數據。02存儲器分類根據存儲介質、存取速度、容量等不同特征，存儲器可分為多種類型，如半導體存儲器、磁表面存儲器、光存儲器等。存儲器的基本概念寄存器是CPU內部的高速存儲器，用于臨時存儲指令和數據，具有高速存取的特點。寄存器L1/L2/L3高速緩存主存硬盤高速緩存是位于CPU和主存之間的臨時存儲器，用于存儲經常訪問的數據，以提高訪問速度。主存是計算機系統中的主要存儲器，用于存儲大量數據和程序，具有較大的容量和較小的存取時間。硬盤是計算機系統中的外部存儲器，具有大容量、低成本、長期存儲等特點。存儲器的層次結構當CPU訪問數據時，如果數據已經在高速緩存中，則無需從主存中讀取，直接從高速緩存中獲取即可，節省了存取時間。緩存命中當CPU訪問數據時，如果數據不在高速緩存中，則需要從主存中讀取，同時將數據寫入高速緩存中，以備下次直接訪問。緩存不命中高速緩存的基本原理輸入輸出系統PART05輸入輸出系統的定義輸入輸出系統是計算機中負責信息交換的設備、接口和通道的集合。它負責將外部設備（如鍵盤、鼠標、顯示器等）與主機連接起來，實現數據和指令的輸入和輸出。輸入輸出系統的組成輸入輸出系統由硬件設備和軟件程序組成。硬件設備包括各種外部設備、接口卡、電纜等，軟件程序則包括與外部設備通信的程序和控制程序等。輸入輸出系統的分類根據傳輸方式的不同，輸入輸出系統可分為串行和并行輸入輸出系統。串行輸入輸出系統采用一根數據線傳輸數據，而并行輸入輸出系統則采用多根數據線同時傳輸數據。輸入輸出系統的基本概念010203中斷系統的基本概念中斷系統是計算機中用于處理輸入輸出設備請求的一種機制。當輸入輸出設備需要與主機通信時，它們會通過中斷請求來通知主機。主機在接收到中斷請求后，會暫停當前正在執行的程序，轉而執行相應的中斷處理程序來處理請求。中斷系統的組成中斷系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括中斷控制器、中斷向量表等，軟件部分則包括中斷處理程序、中斷向量表等。中斷系統的分類根據中斷源的不同，中斷系統可分為硬件中斷和軟件中斷。硬件中斷是由輸入輸出設備引起的中斷，而軟件中斷則是由程序中使用的系統調用引起的中斷。中斷系統DMA技術的概念DMA（DirectMemoryAccess）技術是一種允許外部設備直接訪問內存的技術。它通過將數據直接從內存傳輸到外部設備或從外部設備傳輸到內存，避免了主機CPU的干預，從而提高了數據傳輸效率。DMA技術的實現DMA技術是通過DMA控制器實現的。DMA控制器是一種專門設計的芯片，它可以控制內存與外部設備之間的數據傳輸。在DMA傳輸中，DMA控制器會接管對內存的訪問權，直接控制數據的傳輸，而不需要經過CPU的干預。DMA技術的優點使用DMA技術可以顯著提高數據傳輸效率，因為它避免了CPU對數據傳輸的干預。此外，DMA技術還可以實現多個外部設備同時訪問內存，從而提高了計算機的整體性能。DMA技術計算機體系結構的評估與優化PART06計算機體系結構的評估方法01定量評估方法02MIPS：衡量指令執行速度，是衡量計算機性能的重要指標之一。03FLOPS：衡量浮點運算性能，適用于衡量高性能計算機的性能。BOPS：衡量I/O性能，用于衡量系統整體性能。計算機體系結構的評估方法基準測試：通過運行一系列測試程序來評估計算機性能。定性評估方法用戶體驗：通過用戶對計算機的操作體驗來評估性能。專家評審：由專家根據計算機的設計、實現和性能進行綜合評估。01020304計算機體系結構的評估方法指令級并行通過同時處理多個數據項來提高性能。數據級并行線程級并行內存層次結構優化01020403通過優化內存層次結構來提高緩存命中率和減少內存延遲。通過同時執行多個指令來提高性能。通過同時執行多個線程來提高性能。計算機體系結構的優化技術計算機體系結構的最新進展PART07多核處理器技術是計算機體系結構的最新進展之一，它通過在單個芯片上集成多個核心，提高了處理器的并行計算能力和性能。多核處理器的實現方式有多種，包括將多個單核處理器集成到一個芯片上，或者使用超線程技術將單個核心模擬成多個核心。多核處理器技術在服務器、桌面和移動設備等領域得到了廣泛應用，成為計算機體系結構發展的一個重要方向。多核處理器技術并行計算技術包括多線程并行、多進程并行和分布式并行等不同實現方式。并行計算技術在高性能計算、大數據處理和云計算等領域得到了廣泛應用，成為計算機體系結構發展的另一個重要方向。并行計算是指同時執行多個計算任務的技術，它通過將計算任務分解為多個子任務，并分別執行這些子任務，從而加快了計算速度。并行計算技術非傳統計算機體系結構是指不同于傳統的馮·諾依曼體系的計算機結構，它通過改變指