第3章計算機體系結(jié)構(gòu)

第3章計算機體系結(jié)構(gòu)contents目錄計算機體系結(jié)構(gòu)概述計算機系統(tǒng)的基本組成指令系統(tǒng)存儲系統(tǒng)中央處理器輸入輸出系統(tǒng)計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢01計算機體系結(jié)構(gòu)概述計算機體系結(jié)構(gòu)是指計算機系統(tǒng)的整體組織結(jié)構(gòu)和運作機制，包括其硬件和軟件的協(xié)作方式以及如何通過指令集、數(shù)據(jù)路徑、控制單元等實現(xiàn)計算。計算機體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化對于提高計算機的性能、能效、可擴展性和可靠性等方面具有至關(guān)重要的作用。計算機體系結(jié)構(gòu)關(guān)注的是如何將計算任務分解為可執(zhí)行的指令集，以及如何將這些指令集有效地傳遞給硬件和軟件組件以完成計算任務。計算機體系結(jié)構(gòu)的定義計算機體系結(jié)構(gòu)是計算機科學領(lǐng)域中的核心學科之一，它涉及到計算機系統(tǒng)從微觀到宏觀的各個層面，是連接硬件和軟件的重要橋梁。計算機體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以顯著提高計算機的性能、能效和可靠性，從而滿足各種應用的需求。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機體系結(jié)構(gòu)也在不斷演進和創(chuàng)新，因此了解和掌握計算機體系結(jié)構(gòu)的基本原理和最新進展對于計算機專業(yè)人員來說至關(guān)重要。計算機體系結(jié)構(gòu)的重要性計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程第三代計算機以集成電路為主要元件，采用高級語言編程，體積進一步減小，功耗進一步降低，運算速度進一步提高。第二代計算機以晶體管為主要元件，采用匯編語言編程，體積減小，功耗降低，運算速度提高。第一代計算機以真空管為主要元件，采用二進制編碼，體積龐大，功耗高，運算速度慢。第四代計算機以大規(guī)模集成電路為主要元件，采用微處理器和操作系統(tǒng)，體積小、重量輕、功耗低、運算速度快、可靠性高。第五代計算機以人工智能為主要特征，采用知識表示、推理、機器學習等技術(shù)，具有高度智能化和自主化的特點。02計算機系統(tǒng)的基本組成中央處理器（CPU）總結(jié)詞CPU是計算機系統(tǒng)的核心，負責執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。詳細描述CPU是計算機的“大腦”，負責執(zhí)行計算機程序中的指令，處理數(shù)據(jù)，并協(xié)調(diào)計算機各個部分的工作。CPU的性能決定了計算機的整體性能。存儲器用于存儲數(shù)據(jù)和程序，分為內(nèi)存儲器和外存儲器。總結(jié)詞存儲器是計算機中用于存儲數(shù)據(jù)和程序的硬件設(shè)備。根據(jù)存儲器的訪問速度和存儲容量，可以分為內(nèi)存儲器和外存儲器。內(nèi)存儲器直接與CPU相連，速度快，但容量較?。煌獯鎯ζ魉俣容^慢，但容量較大，如硬盤、光盤等。詳細描述存儲器總結(jié)詞輸入/輸出設(shè)備用于與計算機進行交互，將數(shù)據(jù)輸入到計算機中或?qū)?shù)據(jù)輸出到外部設(shè)備。詳細描述輸入/輸出設(shè)備是計算機與外部世界進行交互的橋梁。常見的輸入設(shè)備包括鍵盤、鼠標、觸摸屏等，常見的輸出設(shè)備包括顯示器、打印機、音響等。這些設(shè)備允許用戶與計算機進行交互，向計算機輸入指令和數(shù)據(jù)，并顯示結(jié)果。輸入/輸出設(shè)備VS系統(tǒng)總線是連接計算機各部件的公共通道，接口用于連接外部設(shè)備和計算機。詳細描述系統(tǒng)總線是計算機內(nèi)部各部件之間傳輸數(shù)據(jù)的公共通道。通過系統(tǒng)總線，CPU可以與內(nèi)存、輸入/輸出設(shè)備等其他部件進行通信和數(shù)據(jù)傳輸。接口則是連接外部設(shè)備和計算機的橋梁，通過接口，外部設(shè)備可以與計算機進行通信和數(shù)據(jù)傳輸?？偨Y(jié)詞系統(tǒng)總線與接口03指令系統(tǒng)地址碼表示操作數(shù)的地址，可以是寄存器、內(nèi)存單元或立即數(shù)。格式指令格式包括操作碼、地址碼和長度碼的排列方式，常見的格式有固定格式、可變格式和擴展格式等。長度碼表示指令的長度，即操作碼和地址碼的總長度。操作碼表示指令的操作類型，如加、減、乘、除等。指令格式操作數(shù)直接包含在指令中，如MOVAX,1000H。立即尋址操作數(shù)存儲在寄存器中，如MOVAX,BX。寄存器尋址操作數(shù)存儲在內(nèi)存單元中，如MOVAX,[BX]。內(nèi)存尋址操作數(shù)的地址存儲在內(nèi)存單元或寄存器中，如MOVAX,[BX+SI]。間接尋址尋址方式精簡指令集（RISC）指令集數(shù)量較少，但執(zhí)行效率較高，適用于高性能計算和嵌入式系統(tǒng)。復雜指令集（CISC）指令集數(shù)量較多，功能強大，但執(zhí)行效率較低，適用于通用計算機和桌面系統(tǒng)?；旌现噶罴Y(jié)合RISC和CISC的特點，根據(jù)實際需求選擇合適的指令集，以提高執(zhí)行效率和降低功耗。指令集與指令系統(tǒng)的發(fā)展03020104存儲系統(tǒng)寄存器是CPU內(nèi)部的存儲單元，用于存儲操作數(shù)和中間結(jié)果，具有高速、容量小的特點。寄存器高速緩存是位于CPU和主存儲器之間的存儲層次，用于存儲訪問頻率高的數(shù)據(jù)和指令，以提高數(shù)據(jù)訪問速度。高速緩存主存儲器是計算機中主要的永久性存儲介質(zhì)，用于存儲程序和數(shù)據(jù)，具有容量大、存取速度適中的特點。主存儲器輔助存儲器是計算機中用于長期存儲大量數(shù)據(jù)的設(shè)備，如硬盤、光盤等，具有容量大、價格低的特點。輔助存儲器存儲器的層次結(jié)構(gòu)主存儲器分類主存儲器可以分為隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。RAM可以隨時讀寫，而ROM只能讀不能寫。速度主存儲器的速度是指其讀寫數(shù)據(jù)的速度，通常以存取時間來表示，即從主存儲器中讀取或?qū)懭胍粋€數(shù)據(jù)所需要的時間。容量主存儲器的容量是指其能夠存儲的二進制位數(shù)，通常以字節(jié)為單位，如1KB、2MB等。價格主存儲器的價格是指其制造成本和銷售價格，通常與容量和速度有關(guān)。分類輔助存儲器的容量是指其能夠存儲的數(shù)據(jù)量，通常以字節(jié)為單位，如1TB、20GB等。容量速度價格輔助存儲器可以分為磁帶、硬盤、光盤等。不同類型的輔助存儲器具有不同的特點和應用場景。輔助存儲器的價格是指其制造成本和銷售價格，通常與容量和速度有關(guān)。輔助存儲器的速度是指其讀寫數(shù)據(jù)的速度，通常以數(shù)據(jù)傳輸速率來表示，即每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。輔助存儲器分段管理是一種將主存空間劃分為若干個邏輯段，每個邏輯段可以獨立地分配給一個程序或進程使用。這種管理方式可以提高主存的利用率和方便內(nèi)存的保護。分頁管理是一種將主存空間劃分為若干個固定大小的頁框，每個頁框可以獨立地分配給一個程序或進程使用。這種管理方式可以提高主存的利用率和方便內(nèi)存的保護。分段管理分頁管理存儲管理05中央處理器控制和運算計算機內(nèi)部數(shù)據(jù)，是計算機的“大腦”。運算器、控制器、寄存器、高速緩存等。CPU的功能和組成組成功能取指令從內(nèi)存中讀取指令并放入指令寄存器。解碼將指令寄存器中的指令解碼，確定操作碼和操作數(shù)。執(zhí)行指令根據(jù)解碼結(jié)果，從寄存器或內(nèi)存中取得操作數(shù)，進行運算或傳輸。存儲結(jié)果將運算結(jié)果存回內(nèi)存或寄存器中。指令的執(zhí)行過程CPU的性能指標CPU工作的時鐘頻率，單位是Hz。主頻每秒執(zhí)行的指令數(shù)，是衡量CPU性能的重要指標。指令執(zhí)行速度功耗越低，效率越高，CPU性能越好。功耗和效率高速緩存容量越大，存取速度越快，CPU性能越高。緩存容量和速度06輸入輸出系統(tǒng)連接設(shè)備與處理器的橋梁I/O接口是計算機中連接處理器和外部設(shè)備的橋梁，負責數(shù)據(jù)的傳輸和控制信號的傳遞。它具有緩沖、轉(zhuǎn)換和通信等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備與處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制信號的傳遞。I/O接口不同的數(shù)據(jù)傳輸和控制方式I/O控制方式是指計算機中控制輸入輸出設(shè)備的方式。常見的I/O控制方式有程序直接控制方式、中斷控制方式、DMA（DirectMemoryAccess）控制方式和通道控制方式。這些方式各有優(yōu)缺點，適用于不同的應用場景。I/O控制方式各種外部設(shè)備的分類和特性I/O設(shè)備是指計算機中用于輸入輸出數(shù)據(jù)的外部設(shè)備，如鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等。不同類型的I/O設(shè)備具有不同的特性和功能，能夠滿足不同的應用需求。例如，顯示器用于顯示圖像和文本，打印機用于輸出文本和圖像等。I/O設(shè)備的類型和特點07計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢123隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，集成電路上的晶體管數(shù)量每18個月翻一倍，推動了計算機硬件性能的快速提升。摩爾定律隨著晶體管數(shù)量的增加，計算機的運算速度、存儲容量和能效比等硬件性能得到顯著提升。硬件性能提升然而，隨著晶體管尺寸逐漸接近原子級別，摩爾定律的延續(xù)面臨著物理極限的挑戰(zhàn)。技術(shù)挑戰(zhàn)摩爾定律與計算機硬件的發(fā)展并行計算多核處理器是并行計算在硬件上的實現(xiàn)，通過在一個芯片上集成多個核心，提高處理器的計算能力。多核處理器并行編程模型為了充分利用并行計算的優(yōu)勢，需要采用適當?shù)牟⑿芯幊棠Ｐ秃凸ぞ?，如OpenMP和CUDA。為了提高計算性能，并行計算技術(shù)通過同時執(zhí)行多個操作來加速處理過程。并行計算與多核處理器分布式計算分布式計算通過將大型任務分解為多個小任務，并在多個計算機上同時執(zhí)行這些小任務，以加快處理速度。云計算與分布式計算的關(guān)系云計算提供了基礎(chǔ)設(shè)施和平臺，使得分布式計算更加容易實現(xiàn)和管理。云計算云計算是一種將計算資源（如服務器、存儲設(shè)備和應用程序）通過互聯(lián)網(wǎng)提供給用戶的模式。云計算與分布式計算03其他新