Computer Architecture计算机系统结构 知识点详解
计算机系统结构知识点
第一章1、翻译和解释的区别和联系?区别：翻译是整个程序转换，解释是低级机器的一串语句仿真高级机器的一条语句。
联系：都是高级机器程序在低级机器上执行的必须步骤。
2、为什么将计算机系统看成是多级机器构成的层次结构?可以调整软、硬件比例;可以用真正的实处理机代替虚拟机器;可以在1台宿主机上仿真另一台。
3、计算机系统结构用软件实现和硬件实现各自的优缺点?硬件优点：速度快，节省存储时间;缺点：成本高，利用率低，降低灵活性、适用性。
软件优点：成本低，提高灵活性、适用性;缺点：速度慢，增加存储时间、软件设计费。
4、就目前通用机来说，计算机系统结构的属性主要包括哪些?数据表示、寻址方式、寄存器组织、指令系统、存储系统组织、中断系统、管态目态定义与转换、IO结构、保护方式和机构。
5、试述由上往下、由下往上设计思路和存在的问题?由上往下：先考虑应用要求，再逐级往下考虑怎样实现。
适用于专业机由下往上：根据已有器件，逐级往上。
六七十年代通用机设计思路。
以上方法存在的问题是软、硬件脱节。
6、采用统一高级语言方法、适用场合、存在问题和应采取的策略。
定义：是指为所有程序员使用的完全通用的高级语言。
适用场合：软件移植方便。
存在问题：目前语言的语法、语义结构不同;人们的看法不同;同一语言在不同机器上不通用;程序员的习惯应采取的策略：可一定范围内统一汇编语言，结构相同机器间搞系列机。
7、由中间开始的设计思路及优点既考虑应用也考虑现有器件，由软硬件分界面向两端设计。
优点：并行设计，缩短周期。
8、模拟和仿真的区别模拟：机器语言解释，在主存中;仿真：微程序解释，在控制存储器中。
9、采用系列机方法、适用场合、好处、存在问题和应采取的策略定义：根据软硬件界面的系列结构，设计软件和不同档次的系列机器。
适用场合：同一系列内软件兼容好处：呼应“中间开始”设计思路;缓解软件要求稳定环境和硬件发展迅速的矛盾。
存在问题：软件兼容有时会阻碍系统结构的变革。
计算机体系结构大学计算机基础知识全面解读
计算机体系结构大学计算机基础知识全面解读计算机体系结构是计算机科学与技术领域中的重要内容，它涉及到计算机硬件组成、计算机指令系统、计算机硬件和软件之间的交互关系等等。
本文将全面解读大学计算机基础知识中的计算机体系结构。
一、计算机体系结构的定义和作用所谓计算机体系结构，指的是构成计算机的各个硬件组成部分以及它们之间的连接方式、组织方式和功能。
计算机体系结构的设计和实现在计算机领域中起着重要的作用，它可以影响到计算机的性能、功耗、可靠性等方面。
二、计算机体系结构的组成1.中央处理器（CPU）CPU是计算机的核心部件，包括运算器和控制器两部分。
其中，运算器负责对数据进行运算和处理，而控制器负责指令的解析和执行。
2.存储器（内存）存储器用于存储计算机运行需要的数据和指令。
它分为主存和辅存两部分，主存存储运行中的数据和指令，而辅存则用于长期存储数据和程序。
3.输入输出设备输入输出设备用于与计算机进行信息的交互。
例如，键盘、鼠标、显示器、打印机等都属于输入输出设备。
4.总线总线是计算机中各个组件之间传输数据和控制信号的通道。
它包括数据总线、地址总线和控制总线。
三、计算机体系结构的类型根据不同的组成方式和功能特点，计算机体系结构可以分为以下几种类型：1.冯·诺伊曼结构冯·诺伊曼结构是最早提出的计算机体系结构之一。
它采用存储程序的方式，将数据和指令存储在同一个存储器中，并通过控制器从存储器中依次取出指令进行执行。
2.哈佛结构哈佛结构与冯·诺伊曼结构相比，将指令存储和数据存储分开，分别使用独立的存储器。
这样的结构可以实现指令和数据并行处理，提高计算机的性能。
3.组合式结构组合式结构将冯·诺伊曼结构和哈佛结构相结合，兼具两种结构的优点。
它的存储器既可以存储指令，也可以存储数据，根据需要进行读取和处理。
四、计算机体系结构的发展趋势随着计算机技术的不断发展，计算机体系结构也在不断演变和改进。
解释计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三者的定义及研究内容
解释计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三者的定义及研究内容计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是计算机科学领域的重要概念，它们之间存在密切的关系，但又有着各自独立的定义和研究内容。
首先，计算机系统结构（Computer Architecture）是指计算机硬件和软件的组织方式和相互之间的关系。
它关注的是计算机的总体设计和结构，包括处理器、存储器、输入输出设备等的组织和连接方式，以及数据和控制信号的传输方式。
计算机系统结构的研究内容包括指令集设计、指令执行过程、存储器层次结构、总线结构、输入输出系统等。
计算机组成（Computer Organization）是指计算机硬件的实现方式和内部组成部分的功能设计与实现。
它关注的是计算机硬件的具体构造和内部组织，包括逻辑电路、寄存器、运算器、控制器等的设计和实现，以及数据通路和控制信号的流动方式。
计算机组成的研究内容包括逻辑门电路的设计、寄存器和运算器的实现、控制器的设计、数据通路的布局等。
计算机实现（Computer Implementation）是指计算机体系结构和组成的具体实现方式，也可以理解为具体的计算机系统。
它是在计算机系统结构和计算机组成的基础上进行具体的设计和实现，包括选择硬件平台、设计和实现硬件电路、编写底层软件等。
计算机实现的研究内容包括硬件设计与制造、操作系统开发、编译器和驱动程序的编写等。
三者之间的关系是计算机系统结构提供了计算机的总体设计和组织方式，计算机组成根据计算机系统结构的要求进行硬件部分的具体设计和实现，而计算机实现则将计算机系统结构和组成转化为具体的计算机系统。
在计算机系统研究领域，人们通过对计算机系统结构、计算机组成和计算机实现的研究，可以提高计算机的性能和可靠性，设计出更高效的计算机系统，开发出更强大的应用软件，实现各种计算任务的需求。
同时，这些研究还可以推动和促进计算机技术的发展和进步，推动计算机科学的研究和应用。
计算机体系结构必考知识点
计算机体系结构必考知识点一、知识概述《计算机体系结构必考知识点》①基本定义：计算机体系结构呢，简单说就是计算机的各个组成部分，像处理器、内存、输入输出设备等，它们之间是怎么连接的，还有各自的功能怎么协同工作。
就好比一个足球队，每个球员（硬件组件）都有自己的位置（功能），教练（操作系统等软件）怎么安排他们配合踢球（协同工作），这就是大致的概念。
②重要程度：在计算机这个学科里，这可太重要了。
要是不懂体系结构，就好比你盖房子不知道怎么搭框架，那接下来的装修（软件开发之类的）就无从下手。
计算机系统的性能、功能等都和它有很大关系。
③前置知识：得有基本的数字电路知识，像什么是逻辑门之类的。
还有对计算机各个硬件部件有个简单了解，就像你得知道有CPU这个东西，它大致是干啥的。
如果之前学过计算机组成原理那就更好了，就像你是个盖房子的小工，盖了几次小房子（了解简单的硬件组合），再来盖大楼（学习体系结构）就容易些。
④应用价值：实际应用可多了。
比如说设计新的计算机芯片，要考虑体系结构。
像手机厂商想让手机运行得更快，还不那么耗电，那就得优化手机芯片的体系结构。
再比如说云计算中心设计大型服务器集群，也得按照合理的体系结构来，这样才能高效处理海量的数据。
二、知识体系①知识图谱：在计算机学科的大地图里，计算机体系结构是重要的一块。
它连接着计算机硬件底层，向上又影响着操作系统、软件应用的开发。
就好比它是城市里的交通规划（对计算机里的数据等流动起规划作用），其他的建筑物（软件等）得按照这个交通规划来建设。
②关联知识：和计算机组成原理关联紧密，组成原理就像是讲每个部件的详细构造，体系结构就是把这些部件组合起来看。
和操作系统也有很大关系，操作系统的运行依赖于计算机体系结构提供的环境。
就好像演员（操作系统）得在舞台（体系结构）上表演。
③重难点分析：掌握难度在于概念比较抽象，像多级存储体系结构，什么缓存、主存、外存的关系不好理解。
关键点在于要理解各个部件的交互原理。
计算机系统结构考点总结
计算机系统结构考点总结计算机系统结构是计算机科学与技术领域的重要分支，涉及计算机硬件和软件的组成及其相互关系。
为了帮助大家更好地掌握这一领域的核心知识，本文将针对计算机系统结构的考点进行详细总结。
一、计算机系统结构基本概念1.计算机系统结构的定义及发展历程2.计算机系统结构的分类：冯·诺伊曼结构、哈佛结构、堆栈式结构等3.计算机系统性能指标：指令周期、CPU时钟周期、主频、缓存命中率等二、中央处理器（CPU）1.CPU的组成：算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）、寄存器组等2.指令集架构：复杂指令集计算机（CISC）、精简指令集计算机（RISC）3.CPU缓存：一级缓存、二级缓存、三级缓存及其工作原理4.多核处理器：核数、并行计算、线程级并行等三、存储系统1.存储器层次结构：寄存器、缓存、主存储器、辅助存储器等2.主存储器：DRAM、SRAM、ROM等3.磁盘存储器：硬盘、固态硬盘、光盘等4.存储器管理：分页、分段、虚拟存储器等四、输入输出系统1.I/O接口：并行接口、串行接口、USB、PCI等2.I/O设备：键盘、鼠标、显示器、打印机等3.I/O控制方式：程序控制、中断、直接内存访问（DMA）等4.I/O调度策略：先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）、扫描算法等五、总线与通信1.总线分类：内部总线、系统总线、I/O总线等2.总线标准：ISA、PCI、PCI Express等3.通信协议：TCP/IP、UDP、串行通信等4.网络拓扑结构：星型、总线型、环型、网状等六、并行计算与分布式系统1.并行计算：向量机、SIMD、MIMD等2.分布式系统：分布式计算、分布式存储、负载均衡等3.并行与分布式编程：OpenMP、MPI、MapReduce等4.并行与分布式算法：排序、搜索、分布式锁等通过以上考点的总结，相信大家对计算机系统结构有了更加全面和深入的了解。
考研计算机体系结构知识点梳理
考研计算机体系结构知识点梳理计算机体系结构是计算机科学与技术中的重要分支，涵盖了计算机硬件和软件之间的接口设计、计算机系统的层次结构、指令集架构等内容。
考研中，对计算机体系结构的掌握是非常重要的，本文将对考研计算机体系结构的知识点进行梳理和总结。
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构（Computer Architecture）是指计算机硬件与软件之间接口规格定义的集合，它包括计算机硬件的组成和工作原理，以及指令集架构和计算机系统的层次结构。
1.1 计算机硬件的组成计算机硬件由中央处理器（CPU）、存储器（Memory）、输入输出设备（I/O）等组成。
其中，中央处理器是计算机的核心部件，负责执行指令和进行数据处理。
1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构包括硬件层次结构和软件层次结构。
硬件层次结构包括处理器、存储器、总线等组成部分；软件层次结构包括操作系统、编译系统、应用软件等。
1.3 指令集架构指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）定义了计算机系统的指令集合和指令的编码格式。
常见的指令集架构包括精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）。
二、计算机的性能指标在计算机体系结构中，常用的性能指标有时钟周期、时钟频率、执行时间和吞吐量等。
2.1 时钟周期和时钟频率时钟周期是指计算机系统中最小的时间单位，是计算机进行一次简单操作所需要的时间。
时钟频率是指计算机系统每秒钟进行时钟周期的次数。
2.2 执行时间执行时间是指计算机完成一个程序的时间，它等于指令执行的总周期数乘以时钟周期。
执行时间是衡量计算机性能的重要指标，通常以秒为单位。
2.3 吞吐量吞吐量是指计算机系统在单位时间内完成的任务数量。
吞吐量大表示计算机系统的处理能力强，可以同时处理更多的任务。
三、指令的执行流程计算机处理器执行指令的流程包括指令获取、指令译码、指令执行和结果写回等步骤。
3.1 指令获取指令获取是指计算机从存储器中获取指令的过程。
高级计算机系统结构部分知识点整理
1.高级计算机系统结构：Advanced Computer Architecture（Parallel Computer）：The computer system constituted by many process units of mutual communication for solving some large-scale applications。
翻译：由多个处理单元组成的计算机系统，相互通信和协作，能快速求解大型复杂问题2. 课程教学内容第一章绪论3.MIPS处理机的运算速度MIPS=Fz*IPC Fz处理机的主频；IPC每个时钟周期平均执行指令数4.计算机技术快速进步的原因：计算机生产技术的发展—集成电路技术IC）；计算机设计的创新—计算机系统结构。
5.2004年，Intel取消了高性能单核处理器项目，和其他公司一起宣布：为了获得更高性能的处理器，应当提高一个芯片上集成的核心数目，而不是加快单核处理器的速度。
历史性转折的里程碑信号处理器性能的提高从单纯依赖指令级并行（ILP）转向数据级并行（DLP）和线程级并行（TLP）6.体系结构研究的内容:--进一步提高单个微处理器的性能（光速极限问题）--基于微处理器的多处理器体系结构--全面提高计算机系统性能：可用性、可维护性、可缩放性--新型器件的处理器：如光计算机；新原理的计算机（生物、分子、量子、DNA计算机）7.应用程序中主要有以下两种并行：数据级并行（DLP）：其出现是因为可以同时操作许多数据项任务级并行（TLP）：其出现是因为创建了一些能够单独处理但大量采用并行方式执行的工作任务.8. 计算机硬件以如下四种主要方式来开发这两种类型的并行性：[1]指令级并行：在编译器的帮助下，利用流水线等思想适度开发数据级并行，利用推理执行等思想以中等水平开发数据级并行；[2]向量体系结构和图形处理器（GPU）：将单条指令并行应用于一个数据集，以开发数据级并行[3]线程级并行：在紧耦合硬件模型中开发数据级并行或任务级并行，允许在并行线程之间进行交互；[4]请求级并行：在程序员或操作系统指定的大量去耦合任务之间开发并行性。
举例说明计算机结构、计算机组成与计算机实现的相互关系
举例说明计算机结构、计算机组成与计算机实现的相互关系计算机结构、计算机组成和计算机实现是计算机科学中重要的概念，它们之间存在着密切的相互关系。
下面我将分别解释这三个概念，并举例说明它们之间的相互关系。
1.计算机结构（Computer Architecture）计算机结构指的是计算机系统的物理和逻辑组织方式，包括处理器、内存、输入输出设备以及数据通路等部分。
它关注的是计算机硬件如何组织和交互，以便实现计算、存储和通信等功能。
计算机结构决定了计算机的性能、吞吐量和可扩展性等特性。
举例来说，一个常见的计算机结构是冯·诺依曼结构，它由中央处理器（CPU）、内存、输入设备和输出设备组成。
CPU负责执行指令，从内存中读取数据并进行计算，然后将结果存回内存或输出到外部设备。
这种结构的计算机通过存储程序的方式实现通用计算能力，可以执行各种不同的任务。
2.计算机组成（Computer Organization）计算机组成是指计算机结构在硬件层面的具体实现方式，即如何设计和构建计算机的各个组件。
它涉及到电路设计、信号传输、时序控制等细节，关注的是计算机硬件的具体构造和工作原理。
举例来说，计算机组成可能涉及到CPU的微体系结构设计，包括指令集、流水线、缓存等方面的设计。
这些设计决定了CPU的性能和效率。
另外，计算机组成还包括内存的组织方式、总线的设计、输入输出设备的接口等方面的考虑。
3.计算机实现（Computer Implementation）计算机实现是指将计算机结构和计算机组成转化为实际可运行的计算机系统的过程。
它包括硬件的制造和组装、操作系统的安装配置以及软件的开发和部署等环节。
计算机实现是将计算机结构和计算机组成的概念应用于实际的计算机系统中。
举例来说，当一个计算机结构和组成被设计完成后，制造商可以根据这些设计制造出真正的计算机硬件，然后将操作系统和应用软件安装在这台计算机上，使其能够运行各种任务。
计算机系统结构(章节知识点)
1、计算机高性能发展受益于：(1)电路技术的发展；(2)计算机体系结构技术的发展。
2、层次结构：计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。
第六级：应用语言虚拟机->第五级：高级语言虚拟机->第四级：汇编语言虚拟机->第三级：操作系统虚拟机->第二级：机器语言(传统机器级) ->第一级：微程序机器级。
3、计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概括性结构与功能特性。
4、透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。
5、Amdahl提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。
6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能来实现。
7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机系统的物理实现。
8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系？答：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现，体系结构包括对组织与实现的研究。
9、系列机：是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。
10、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。
11、兼容机：不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。
12、向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。
13、当今计算机领域市场可划分为：服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。
14、摩尔定律：集成电路密度大约每两年翻一番。
15、定量分析技术基础（1）性能的评测：（a）响应时间：从事件开始到结束之间的时间；计算机完成某一任务所花费的全部时间。
（b）流量：单位时间内所完成的工作量。
（c）假定两台计算机x、y；x比y快意思为：对于给定任务，x的响应时间比y少。
ComputerArchitecture计算机系统结构知识点详解
ComputerArchitecture计算机系统结构知识点详解Computer Architecture计算机系统结构1. Fundamentals of Computer Architecture 计算机系统结构的基本原理1.1 Layers of Computer System计算机的层次Application Language Machine M5 应⽤语⾔机High-Level Language Machine M4 ⾼级语⾔机Assembly Language Machine M3 汇编语⾔机Operating System Machine M2 操作系统机Conventional Machine M1 传统机Microprogram Machine M0 微程序机1. 每个层次执⾏相关的功能⼦集。
2. 每个层次要依赖于下⼀个低层去执⾏更原始的功能。
3. 这就将问题分解成更易处理的⼦问题。
4. 从M2到M5的层次是虚拟机。
5. 在传统机上的指令（算数、逻辑等）由微程序级的程序实现。
该程序是作为⼀个解释器，能理解⼀组简单的操作集合，称为微指令集。
1.2 Computer Architecture and Implementation计算机的系统结构和实现Computer Architecture 计算机系统结构Refers to those attributes of a system visible to a programmer, or those attributes have direct impact on logical execution of program.程序员可见，或者对程序执⾏有直接影响的属性Implementation 实现Two components: Organization and hardware. 两个组件:组织和硬件1. Organization(组织): includes high-level aspects of a computer’s design, such as: memory system, bus structure, internal CPU. 组织(组织):包括⾼级⽅⾯的计算机的设计,如:内存系统,总线结构、内部CPU。
计算机体系结构知识点汇总
计算机体系结构知识点汇总(总20页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除第一章计算机体系结构的基本概念1.计算机系统结构的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。
（计算机组成：指计算机系统结构的逻辑实现。
计算机实现：计算机组成的物理实现）2.计算机系统的多级层次结构：1.虚拟机：应用语言机器->高级语言机器->汇编语言机器->操作系统机器2.物理机：传统机器语言机器->微程序机器3.透明性：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。
4.编译：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5.解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都转去执行低一级机器上的一段等效程序。
6.常见的计算机系统结构分类法有两种：Flynn分类法、冯氏分类法（按系统并行度）进行分类。
Flynn分类法把计算机系统的结构分为4类：单指令流单数据流(SISD)单指令流多数据流(SIMD)多指令流单数据流(MISD)多指令流多数据流(MIMD)IS指令流，DS数据流，CS（控制流），CU（控制部件），PU（处理部件），MM，SM（表示存储器）7.计算机设计的定量原理：1.大概率事件优先原理（分配更多资源，达到更高性能）2.Amdahl定理：加速比：(Fe为可改进比例（可改进部分的执行时间/总的执行时间），Se为部件加速比（改进前/改进后）3.程序的局部性原理：时间局部性：程序即将使用的信息很可能是目前使用的信息。
空间局部性：即将用到的信息可能与目前用到的信息在空间上相邻或相近。
4.CPU性能公式：1.时钟周期时间2.CPI：CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC3.IC(程序所执行的指令条数)8.并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。
计算机系统结构知识点
计算机系统结构知识点计算机系统结构是计算机科学的一个分支，它研究计算机系统的组件、结构、功能和性能之间的关系，以及如何优化它们以满足不断增长的计算机性能和系统功能。
最常用的计算机系统结构模型包括：硬件层次结构、软件和控制层次结构、系统软件和系统优化结构以及通信原理和原理层次结构。
硬件层次结构指的是处理器、存储器、I/O设备和其他硬件组件之间的关系。
软件和控制层次结构关注的是驱动程序、操作系统和中间件（如Web服务器和客户端）之间的关系。
系统软件和优化结构考虑性能优化，包括优化和测试。
通信原理和层次结构考虑了计算机网络之间的通信，以及如何最有效地在这些网络之间传输信息。
系统结构的主要目标是利用这些结构的组件更有效地做出决策。
通过系统结构，开发人员可以理解计算机系统如何进行任务，以及如何优化它们以实现最佳的性能。
计算机系统结构在构建复杂的计算机系统中起着重要作用，它涉及用于实现特定任务的组件、它们之间的关系以及如何按计划运行它们。
它还可以提示计算机性能是如何通过处理器、存储器、I/O设备和易失性组件之间的关系而改变的。
此外，计算机系统结构还可用于设计专门的计算机系统，例如自动化系统、驾驶控制系统和多媒体应用程序。
它可用于设计高性能的系统，以及易于维护的系统，它的性能由数据的量和形式而定。
计算机系统结构还可以用于计算性能分析，以检测计算机系统中的瓶颈，从而确定优化项。
计算机系统结构是一个庞大复杂的领域，其内容较广，涉及硬件、软件、优化、系统设计和分析，以及计算机网络通信等。
它还重视实践性训练，以提高开发人员的设计能力和分析能力。
尽管计算机系统结构的学习过程可能具有挑战性，但它可以让你的应用程序和计算机系统更具可扩展性、可维护性和可读性，从而更好、更快地响应用户需求。
计算机系统结构概要归纳
计算机系统结构复习第一章 计算机系统结构基本概念1.1计算机系统结构计算机系统层次结构·计算机系统结构主要研究软件、硬件功能分配和对软件硬件界面的确定，即哪些功能由软件完成、哪些功能由硬件完成。
·软件与硬件实现的特点：硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少。
软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多。
·计算机组成的任务是在计算机系统结构确定分配给硬件子系统的功能及其概念结构之后，研究各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。
·系统结构是计算机系统的软硬件界面；计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。
·计算机系统结构的分类：①Flynn 分类法：指令流：机器执行的指令序列。
数据流：由指令调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。
多倍性：在系统最受限制的元件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。
按照数据流和指令流的组织方式分为：SISD 、SIMD 、MISD 、MIMD 。
②冯氏分类法：用最大并行度分类，最大并行度：计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。
分为：1、字串位串WSBS ；2、字并位串WPBS ；3、字串位并WSBP ；4、字并位并WPBP 。
③Handler 分类法：根据并行度和流水线分类，把计算机的硬件结构分成三个层次：1、程序控制部件（PCU ）的个数k ；2、算术逻辑部件（ALU ）或处理部件PE 的个数d ；3、每个算术逻辑部件包含基本逻辑线路（ELC ）的套数w 。
1.2计算机系统设计技术·计算机系统设计的定量原理：①、加快经常性时间的处理速度；②、Amdahl 定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。
加速比=（采用改进措施后的性能）/（没有采用改进措施性能）=（没有采用改进措施前执行某任务的时间）/（采用改进措施后某任务执行时间）。
计算机系统结构基础知识要点梳理
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。
计算机系统结构(ComputerArchitecture)
02 中央处理器(CPU)
CPU的基本组成
运算器
执行算术和逻辑运算操作，处理数据。
寄存器
存储数据和指令，提供快速访问。
控制器
控制计算机各部件协调工作，发出控制信号。
指令集
一组指令集合，用于实现计算机的基本操作。
CPU的主要功能
数据处理
执行算术和逻辑运算，处理数据。
指令执行
解释和执行程序中的指令。
通道方式：通过独立的通道处 理输入输出操作，提高系统的 效率。
I/O设备的发展趋势
高速化
提高设备的传输速度，满足大数据处理的需 求。
智能化
设备具有更高的自主性和智能性，能够自动 完成更多的任务。
网络化
设备通过多个设备共享物理设备 的资源，提高设备的利用率。
CPU的发展趋势
多核化
通过增加核心数量提高处理能力。
并行化
采用多线程、多进程等技术提高并行 处理能力。
微处理器定制化
根据特定应用需求定制处理器。
节能环保
降低功耗，提高能效比，实现绿色计 算。
03 存储器系统
存储器的基本组成
数据存储单元
用于存储二进制数据，通常由晶体管组成。
地址存储单元
用于存储存储单元的地址，通过地址码来识别存 储单元。
计算机系统结构 (computerarchitecture)
contents
目录
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 计算机系统结构的发展趋势
01 计算机系统概述
计算机系统的基本组成
01
02
03
硬件
包括中央处理器、存储器、 输入输出设备等，是计算 机系统的物理基础。
计算机系统结构考点总结
计算机系统结构考点总结计算机系统结构是指计算机硬件和软件之间的组织关系，它决定了计算机系统的性能、可靠性和可扩展性。
它是计算机科学中的一个重要领域，涉及到计算机的各个方面，包括中央处理器、存储器、输入输出设备以及各种通信和控制设备。
计算机系统结构的考点主要包括以下几个方面：1.中央处理器（CPU）：中央处理器是计算机系统的核心部件，负责执行计算机程序中的指令。
它由控制单元和算术逻辑单元组成，控制单元负责指令的解码和执行，算术逻辑单元负责执行算术运算和逻辑运算。
中央处理器的性能取决于其时钟频率、指令集和缓存结构等因素。
2.存储器：存储器用于存储计算机程序和数据。
计算机系统通常包括主存储器和辅助存储器。
主存储器是CPU直接访问的存储介质，其速度较快但容量较小；辅助存储器用于长期存储数据，容量较大但速度较慢。
存储器的组织和访问方式对计算机系统的性能有重要影响。
3.输入输出设备：输入输出设备用于与外部环境进行信息交换。
常见的输入设备包括键盘、鼠标和扫描仪等，输出设备包括显示器、打印机和音频设备等。
输入输出设备的种类和性能对计算机系统的使用体验和功能扩展能力有重要影响。
4.总线和通信：总线是计算机系统中各个组件之间进行数据传输的通道。
它包括地址总线、数据总线和控制总线等，用于传输指令、数据和控制信号。
通信是计算机系统中各个计算机之间进行数据交换的方式，常见的通信方式包括以太网、无线网络和蓝牙等。
5.操作系统：操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理计算机的资源和控制计算机的运行。
它提供了文件管理、进程管理、内存管理和设备管理等功能，为用户提供了友好的接口和良好的使用体验。
6.并行计算和分布式系统：并行计算是指多个处理器同时进行计算，以提高计算速度和处理能力。
分布式系统是指多台计算机通过网络相互连接，共同完成计算任务。
并行计算和分布式系统在科学计算、大数据处理和人工智能等领域具有重要应用。
7.虚拟化和云计算：虚拟化是指将一个物理资源划分为多个逻辑资源，使多个用户可以共享物理资源。
计算机体系结构.ppt
8种属性
• 1·机内数据表示：硬件能直接 辨识和操作的数据类型和格式 计算机体系结构 计算机体系结 构
• 2·寻址方式：最小可寻址单位、 寻址方式的种类、地址运算
• 3·寄存器组织：操作寄存器、 变址寄存器、控制寄存器及专 用寄存器的定义、数量和使用 规则
• 4·指令系统：机器指令的操作 类型、格式、指令间排序和控 制机构
基本概念
• 计算机体系结构就是指适当地组织在一起的一系列系统元 素的集合，这些系统元素互相配合、相互协作，通过对信 息的处理而完成预先定义的目标。通常包含的系统元素有： 计算机软件、计算机硬件、人员、数据库、文档和过程。 其中，软件是程序、数据库和相关文档的集合，用于实现 所需要的逻辑方法、过程或控制；硬件是提供计算能力的 电子设备和提供外部世界功能的电子机械设备(例如传感 器、马达、水泵等)；人员是硬件和软件的用户和操作者； 数据库是通过软件访问的大型的、有组织的信息集合；文 档是描述系统使用方法的手册、表格、图形及其他描述性 信息；过程是一系列步骤，它们定义了每个系统元素的特 定使用方法或系统驻留的过程性语境。
谢谢欣赏！
Байду номын сангаас
• 计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部数据流和控制 流的组成以及逻辑设计等。其目标是合理地把各种部件、 设备组成计算机，以实现特定的系统结构，同时满足所希 望达到的性能价格比。一般而言，计算机组成研究的范围 包括：确定数据通路的宽度、确定各种操作对功能部件的 共享程度、确定专用的功能部件、确定功能部件的并行度、 设计缓冲和排队策略、设计控制机构和确定采用何种可靠 技术等。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，器件、模块、插件、 底板的划分与连接，专用器件的设计，信号传输技术，电 源、冷却及装配等技术以及相关的制造工艺和技术。
1计算机系统结构的基本知识
1计算机系统结构的基本知识计算机系统结构是指计算机硬件和软件组成的总体结构，包括计算机的组成部分、各部分之间的连接方式，以及它们组织成的整体系统。
一、计算机系统结构的组成部分1.中央处理器（CPU）：负责指令的解释执行和数据的处理，包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）和寄存器。
2.存储器：用于存放程序指令和数据的设备，包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
3.输入设备：用于将外部数据输入计算机系统，例如键盘、鼠标、扫描仪等。
4.输出设备：用于将计算机内部数据输出到外部，例如显示器、打印机、音响等。
5.控制器：用于控制计算机系统的各个部分之间的协调工作，例如总线控制器、磁盘控制器等。
6.总线：用于连接各个部件之间传输数据和信息的通道。
二、计算机系统结构的工作原理1.冯·诺依曼体系结构：计算机系统使用存储程序的概念，指令和数据在同一存储器中存放，并以二进制的形式表示。
2.指令周期：CPU执行一条指令所需要的时间，包括取指令、分析指令、执行指令和写回结果等阶段。
3.数据流：指令的操作数可以直接从存储器或寄存器读取，结果也可以直接存放到存储器或寄存器中。
4.指令集体系结构（ISA）：定义了计算机硬件和软件之间的接口，包括指令集的种类、指令格式、寄存器的功能等。
三、计算机系统结构的分类1.单机结构：计算机系统中只包含一个计算机，适用于个人电脑、工作站等个体使用的计算设备。
2.分布式结构：计算机系统中包含多个计算机，各个计算机之间通过网络进行通信和协作，适用于服务器集群、云计算等场景。
3.并行结构：计算机系统通过多个处理器同时执行多个任务，提高计算能力和执行效率，适用于超级计算机、大规模并行处理等高性能计算领域。
4.网络结构：计算机系统通过网络连接多个计算机，在分布式环境下实现资源共享和协同工作，适用于互联网、计算机集群等场景。
四、计算机系统结构的发展趋势1.大规模集成电路（VLSI）：集成了大量的电子元器件，提高了计算机系统的性能和可靠性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Computer Architecture计算机系统结构1. Fundamentals of Computer Architecture 计算机系统结构的基本原理1.1 Layers of Computer System计算机的层次Application Language Machine M5 应用语言机High-Level Language Machine M4 高级语言机Assembly Language Machine M3 汇编语言机Operating System Machine M2 操作系统机Conventional Machine M1 传统机Microprogram Machine M0 微程序机1. 每个层次执行相关的功能子集。
2. 每个层次要依赖于下一个低层去执行更原始的功能。
3. 这就将问题分解成更易处理的子问题。
4. 从M2到M5的层次是虚拟机。
5. 在传统机上的指令（算数、逻辑等）由微程序级的程序实现。
该程序是作为一个解释器，能理解一组简单的操作集合，称为微指令集。
1.2 Computer Architecture and Implementation计算机的系统结构和实现➢Computer Architecture 计算机系统结构Refers to those attributes of a system visible to a programmer, or those attributes have direct impact on logical execution of program.程序员可见，或者对程序执行有直接影响的属性➢Implementation 实现Two components: Organization and hardware. 两个组件:组织和硬件1. Organization(组织): includes high-level aspects of a computer’s design, such as: memory system, bus structure, internal CPU. 组织(组织):包括高级方面的计算机的设计,如:内存系统,总线结构、内部CPU。
2. Hardware(硬件): refers to the specifics of a machine, include: detailed logic design and packaging technology. 硬件(硬件):指机器的细节,包括:详细的逻辑设计和包装技术。
➢Architectural Attributes 系统结构方面的属性instruction set, 指令集I/O mechanisms, I/O机制techniques for addressing memory 寻址技术number of bits representing various data type(numbers, characters) 表示各种数据类型的位数(数值、字符)➢Organizational Attributes 组织方面的属性Hardware details transparent to the programmer.对于程序透明的硬件细节such as: control signals 控制信号computer/peripheral interfaces 计算机/外设接口memory technology 存储技术➢Hardware Attributes 硬件方面的属性packaging technology 封装技术power 功耗cooling 冷却➢Architectural Design Issue 系统结构设计问题Whether a computer will have a multiply instruction. 是否要有一个乘法指令➢Organizational Issue 组织设计问题1. Whether the instruction will be implemented by a special multiply unit or by repeated use ofthe add unit. 是采用乘法单元还是采用加法单元迭代使用2. The decision may be based on the anticipated frequency of use of the multiply instruction, the relative speed of the two approaches, and the cost and physical size of a special multiply unit. 决策取决于乘法指令使用频率，两种方法的相对速度，乘法单元的成本和大小1.3 The Task of A Computer Designer计算机设计者的任务➢Determine what attributes are important for a new machine. 确定哪些属性是重要的Design a machine to maximize performance (性能) while staying within cost (成本) and power(功耗) constraints, 设计一台机器来最大化性能,并保持在成本和力量约束including: instruction set design 指令集设计，functional organization 功能设计，logic design 逻辑设计，implementation(实现): IC design, package, cooling➢They have to determine the functional requirements: major task: 功能需求是主要的1. The requirements may be specific features inspired by the market. 由市场决定的某个特性2. Application software often drives the choice of certain functional requirements.应用软件驱动3. The presence of a large market for a particular class of applications might encourage the designers to incorporate requirements. 应用驱动1.4 Measuring and Reporting Performance测量和报告性能➢When we say one computer is faster than another, what do we mean? 快的涵义？The user may say a computer is faster when a program runs in less time. 用户：程序运行时间短the computer center manager may say a computer is faster when it completes more jobs in an hour. 计算机中心经理：在一小时内做更多工作1. response time (响应时间)—The computer user is interested in reducing2. execution time (执行时间)—the time between the start and the completion of an event3. throughput (吞吐量)—the total amount of work done in a given time.X比Y快n倍：n=Execution time YExecution time X=Performance YPerformance Xn=执行时间Y执行时间X=性能Y性能X 执行时间=1性能➢Measuring Performance 测量性能Even execution time can be defined in different ways: 执行时间的不同定义wall-clock time, response time, or elapsed time, which is the latency to complete a task, including disk accesses, memory accesses, input/output activities, operating system overhead.时钟时间、响应时间,或运行时间,这是延迟完成一个任务,包括磁盘访问,内存的访问、输入/输出,操作系统开销。
CPU time (CPU时间)：means the time CPU is computing, not including the time waiting for I/O or running other programs. CPU时间:是指CPU计算时间,其中还不包括时间等待I / O或运行其他程序。
CPU time can be further divided into: CPU时间可以进一步分为:1. user CPU time (用户CPU时间)：the CPU time spent in the program CPU花在这个程序的时间2. system CPU time (系统CPU时间)：the CPU time spent in the operating system performing tasks requested by the program, called). CPU花在操作系统执行任务所要求的项目➢Choosing Programs to Evaluate Performance 选择程序来评估性能Four levels of programs listed below in decreasing order of accuracy of prediction. 四个层次的程序, 按精确度从高到底的次序1. Real applications 真实应用 input, output, and options 有输入、输出、可选项2. Kernels 核心程序 key pieces 关键片段 最便于辨析出机器单个特性的性能3. Toy benchmarks 玩具测试基准4. Synthetic benchmarks 合成测试基准 匹配程序中操作和操作数的平均频率➢ Benchmark Suites 测试基准程序1. put together collections of benchmarks to measure the performance of processors with a variety of applications 把集合的基准来测量性能的处理器与各种应用程序2. A key advantage of such suites is that the weakness of one benchmark is lessened by the presence of other benchmarks 互补3. Benchmark suits are made of collections of programs, some of which may be kernels, but many of which are typically real programs 有些是核心程序, 但很多是真实程序➢ Reporting Performance Results 报告性能结果1. The guiding principle of reporting performance measurements should be reproducibility 报告的指导原则的性能测量应再现性2. requires a fairly complete description of the machine, the compiler flags, as well as the publication of both the baseline and optimized results 需要一个相当完整的描述机器,编译器标志,以及出版的两个基线和优化结果3. contains the actual performance times, shown both in tabular form and as a graph 包含实际的表现时期,显示两个表格形式和图表➢ Comparing and Summarizing Performance 比较和总结性能battles are fought over what is the fair way to summarize relative performance of a collection of programs. 什么是公平的方法：竞争➢ Total Execution Time: A Consistent Summary Measure 总体执行时间This summary tracks execution time, our final measure of performance.执行时间:最终性能度量 An average of the execution time is the arithmetic mean: 平均执行时间 1n ∑time i n i=1➢ Weighted Execution Time 加权执行时间第一种方法：对每个程序赋予权值weighted arithmetic mean: 加权算数平均值∑Weigℎt i ×Time i n i=1➢ Normalized Execution Time and the Pros and Cons of Geometric Means归一化执行时间，以及几何平均值的优劣第二种方法：利用归一化的执行时间实际性能=归一化数×参考机性能Average normalized execution time can be expressed as either an arithmetic or geometric mean. 可采用算数或几何平均值√∏Execution time ratio i n i=1n几何平均值的好性质: 几何平均值的比率与比率的几何平均值相同Geometric mean(X i )Geometric mean(Y i )=Geometric mean(X i Y i) In contrast to arithmetic means, geometric means of normalized execution times are consistent no matter which machine is the reference. Hence, the arithmetic mean should not be used to. 无论采用哪个机器作为参考机，归一化执行时间的几何平均值都是一致的。