計算機結(jié)構(gòu)與邏輯設計

計算機結(jié)構(gòu)與邏輯設計演講人：日期:CATALOGUE目錄02硬件組成模塊01計算機系統(tǒng)概述03邏輯設計基礎04指令集架構(gòu)05存儲系統(tǒng)設計06性能優(yōu)化方向01PART計算機系統(tǒng)概述定義了硬件和軟件之間的接口，使得軟件能夠正確地指揮硬件進行操作。將復雜的軟件系統(tǒng)劃分為多個層次，每個層次都具有特定的功能和接口，以提高軟件的可維護性和可擴展性。在硬件和軟件設計過程中進行協(xié)同仿真和驗證，以確保二者之間的正確性和兼容性。將軟件嵌入到硬件中，形成一個緊密耦合的系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的可靠性和性能。硬件與軟件協(xié)同架構(gòu)指令集架構(gòu)軟件分層設計軟硬件協(xié)同驗證嵌入式系統(tǒng)馮·諾依曼體系核心原理存儲程序原理01程序存儲在計算機的內(nèi)存中，計算機按照程序的指令逐條執(zhí)行。指令和數(shù)據(jù)都存儲在同一個存儲器中02簡化了計算機的結(jié)構(gòu)，降低了成本，但指令和數(shù)據(jù)之間的區(qū)別需要由計算機硬件來識別。采用二進制表示03二進制只有0和1兩種狀態(tài)，易于物理實現(xiàn)，且運算規(guī)則簡單。五大部件04輸入設備、輸出設備、存儲器、運算器和控制器。微程序?qū)右卜Q為微指令層，是計算機最底層的控制程序，由微指令組成，用于解釋和執(zhí)行機器指令。機器語言層也稱為機器指令層，是計算機的硬件能夠直接識別和執(zhí)行的指令集合。操作系統(tǒng)層管理計算機的硬件資源和軟件資源，為用戶提供友好、統(tǒng)一的界面和服務。應用軟件層為解決用戶的具體問題而設計的各種軟件，如辦公軟件、圖形處理軟件等。用戶層是計算機系統(tǒng)的最高層，直接與用戶進行交互，通過應用程序和軟件來使用計算機系統(tǒng)的功能和資源?，F(xiàn)代計算機層級劃分010203040502PART硬件組成模塊執(zhí)行算術和邏輯運算，如加法、減法、邏輯與運算等。運算器暫存數(shù)據(jù)或指令，以便CPU能夠快速訪問。寄存器01020304解析并識別指令，控制各個功能單元的操作。指令譯碼器負責整個CPU的協(xié)調(diào)和控制，包括指令的獲取、譯碼和執(zhí)行?？刂破髦醒胩幚砥鞴δ軉卧咚倬彺妫–ache）位于CPU和主存之間，存儲速度接近CPU，用于存放當前正在使用的數(shù)據(jù)和指令。主存儲器（RAM）可讀可寫，存儲速度較慢，但容量大于高速緩存，用于存放程序和數(shù)據(jù)。輔助存儲器（硬盤、SSD）容量大，速度慢，用于長期存儲數(shù)據(jù)和程序。存儲器層次結(jié)構(gòu)通過不同速度和容量的存儲器組合，實現(xiàn)存儲系統(tǒng)的性價比最優(yōu)化。存儲器層次化設計輸入輸出系統(tǒng)接口端口和連接器提供與外部設備連接的物理接口，如USB、HDMI、網(wǎng)線接口等。數(shù)據(jù)傳輸方式和協(xié)議定義數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?、格式和方式，如USB協(xié)議、HDMI協(xié)議等。輸入設備接口接收用戶輸入的數(shù)據(jù)，如鍵盤、鼠標、掃描儀等。輸出設備接口將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給輸出設備，如顯示器、打印機、音響等。03PART邏輯設計基礎布爾代數(shù)與邏輯門實現(xiàn)布爾代數(shù)基本概念布爾代數(shù)是一種用于描述邏輯關系的數(shù)學工具，包括變量、常量、布爾運算等基本內(nèi)容。邏輯門電路布爾代數(shù)在邏輯門電路中的應用邏輯門電路是實現(xiàn)布爾代數(shù)的基本單元，包括與門、或門、非門等基本邏輯門，以及它們的組合形式如與非門、或非門等。通過布爾代數(shù)可以描述邏輯門電路的輸入和輸出關系，進而實現(xiàn)復雜的邏輯功能。123組合電路設計方法組合電路是由多個邏輯門電路組合而成的，其輸出狀態(tài)僅與當前輸入狀態(tài)有關，與之前的輸入狀態(tài)無關。組合電路的基本概念根據(jù)實際需求，確定輸入和輸出變量；列出真值表，描述所有可能的輸入和輸出組合；通過邏輯門電路實現(xiàn)真值表所描述的邏輯關系。組合電路設計步驟在保證邏輯功能正確的前提下，通過簡化邏輯表達式、減少邏輯門數(shù)量等方法優(yōu)化組合電路的設計。組合電路的優(yōu)化時序電路控制原理時序電路的基本概念01時序電路是一種輸出狀態(tài)不僅與當前輸入狀態(tài)有關，還與之前輸入狀態(tài)有關的電路。時序電路具有記憶功能，能夠存儲信息。觸發(fā)器及時序電路的基本單元02觸發(fā)器是一種具有記憶功能的邏輯電路，是時序電路的基本單元。常見的觸發(fā)器包括RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器等。時序電路的設計方法03根據(jù)實際需求，確定輸入和輸出變量；設計狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，描述狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關系；選擇合適的觸發(fā)器和邏輯門電路實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖所描述的邏輯關系。時序電路的分析方法04根據(jù)給定的時序電路，分析電路的輸入和輸出關系，確定電路的功能和特性。時序電路的分析包括狀態(tài)轉(zhuǎn)換表的建立、時序圖的繪制等步驟。04PART指令集架構(gòu)指令格式立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、基址尋址、相對尋址、堆棧尋址等多種方式，用于確定操作數(shù)的有效地址。尋址模式指令長度固定長度指令和可變長度指令，影響指令的編碼效率和靈活性。操作碼+寄存器地址/立即數(shù)/存儲器地址，指示計算機執(zhí)行的操作和所需數(shù)據(jù)的位置。指令格式與尋址模式流水線執(zhí)行機制流水線的基本概念將指令的執(zhí)行過程分解為多個獨立的階段，并行執(zhí)行，以提高指令的執(zhí)行速度。流水線的分類單功能流水線、多功能流水線、線性流水線、非線性流水線等。流水線的性能評估吞吐量、效率、加速比、流水線深度等指標，用于衡量流水線的性能。流水線的相關與沖突數(shù)據(jù)相關、控制相關、結(jié)構(gòu)相關，以及解決沖突的方法，如轉(zhuǎn)發(fā)、阻塞、旁路等。異常與中斷的概念中斷系統(tǒng)異常的分類與處理異常與中斷的異同異常是指計算機在執(zhí)行指令時發(fā)生的非預期事件，中斷是指計算機暫時停止當前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行另一段程序以處理異常事件。中斷請求、中斷響應、中斷處理、中斷返回等過程，以及中斷向量表、中斷優(yōu)先級等概念。內(nèi)部異常（如除零錯誤、越界錯誤）和外部異常（如I/O設備中斷），以及相應的處理方法。異常處理通常由軟件實現(xiàn)，中斷處理由硬件和軟件協(xié)同完成；異常處理主要用于處理程序錯誤，中斷處理主要用于響應外部事件。異常處理與中斷系統(tǒng)05PART存儲系統(tǒng)設計主存與輔存協(xié)同策略主存高速、容量小、成本高，用于存放當前運行的程序和數(shù)據(jù)。輔存低速、容量大、成本低，用于長期保存程序和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)調(diào)動策略將輔存中的數(shù)據(jù)塊按需調(diào)入主存，提高數(shù)據(jù)訪問效率。淘汰策略當主存空間不足時，根據(jù)一定算法將不常用的數(shù)據(jù)塊淘汰回輔存。虛擬內(nèi)存管理技術虛擬內(nèi)存01通過軟件將輔存部分空間模擬成主存空間，擴大程序可訪問的內(nèi)存范圍。虛擬內(nèi)存地址與物理內(nèi)存地址的映射02通過操作系統(tǒng)建立虛擬內(nèi)存地址與物理內(nèi)存地址的對應關系，實現(xiàn)程序的正常訪問。缺頁中斷處理03當程序訪問的頁面不在主存時，觸發(fā)缺頁中斷，操作系統(tǒng)將所需頁面從輔存調(diào)入主存。頁面淘汰策略04當主存空間不足時，根據(jù)算法選擇不常用的頁面淘汰回輔存，騰出空間給新的頁面使用。位于CPU與主存之間的快速存儲器，用于存放當前訪問的熱門數(shù)據(jù)。在多處理器系統(tǒng)中，確保各處理器的高速緩存中的數(shù)據(jù)與主存中的數(shù)據(jù)保持一致。當某個處理器對緩存中的數(shù)據(jù)進行修改時，通知其他處理器將該數(shù)據(jù)標記為無效，避免數(shù)據(jù)不一致。當某個處理器對緩存中的數(shù)據(jù)進行修改時，將該數(shù)據(jù)寫回主存，并通知其他處理器更新其緩存中的副本。高速緩存一致性協(xié)議高速緩存緩存一致性協(xié)議寫無效協(xié)議寫更新協(xié)議06PART性能優(yōu)化方向SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）技術通過同時處理多個數(shù)據(jù)元素來提高性能。MIMD（多指令多數(shù)據(jù)）技術允許不同處理器同時執(zhí)行不同指令，實現(xiàn)更高效的并行處理。多核與超線程技術通過增加處理器核心數(shù)和線程數(shù)來提高性能。GPU（圖形處理器）加速利用GPU進行大規(guī)模并行計算，提高計算性能。并行計算架構(gòu)演進如PCIe、USB3.0等，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。采用高速總線技術通過多個通道同時傳輸數(shù)據(jù)，提高總線帶寬。多通道數(shù)據(jù)傳輸01020304通過增加總線的物理寬度，提高數(shù)據(jù)傳輸速度。增加總線寬度減少數(shù)據(jù)傳輸量