计算机体系结构.

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计算机四大基础知识点总结

计算机四大基础知识点总结

计算机四大基础知识点总结计算机是现代社会不可或缺的一部分,它已经深入到我们的生活中的方方面面。

无论是工作、学习还是娱乐,我们都需要计算机来帮助我们处理数据、提高效率。

而要深入理解计算机,首先需要掌握计算机的四大基础知识点,包括计算机组织与体系结构、操作系统、数据结构与算法,以及编程语言。

一、计算机组织与体系结构1. 计算机的基本组成计算机主要由中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、输入设备、输出设备和存储设备组成。

CPU是计算机的“大脑”,它负责执行指令、控制数据流通。

RAM是计算机的临时存储区域,用来存储数据和程序。

输入设备是用来输入数据和指令的设备,比如键盘、鼠标等。

输出设备是用来展示计算结果的设备,比如显示器、打印机等。

存储设备是用来长期存储数据和程序的设备,比如硬盘、光盘等。

2. 计算机的体系结构计算机的体系结构包括指令系统、总线结构、存储系统和输入/输出系统。

指令系统是CPU执行指令的集合,包括指令格式、寻址方式和指令执行的时序规定。

总线结构用于连接 CPU、内存和输入/输出设备,传输数据和指令。

存储系统包括RAM和存储设备,用来存储数据和程序。

输入/输出系统负责将数据从输入设备传输到存储设备或输出设备,以及从存储设备传输到输出设备。

3. 计算机的工作原理计算机工作的基本原理可以概括为:输入、处理、输出和存储。

首先,计算机通过输入设备接收数据和指令。

然后,CPU根据指令执行相应的运算和逻辑操作,得到结果。

最后,计算机将结果通过输出设备展示给用户,同时也会将数据和程序存储在存储设备里。

4. 计算机的性能指标计算机的性能指标包括速度、存储容量和可靠性。

速度是指计算机执行任务的快慢,通常用处理器的主频来表示。

存储容量是指计算机能够存储数据和程序的大小,通常用RAM和硬盘容量来表示。

可靠性是指计算机运行稳定性和故障率,通常用故障率和平均时间故障间隔来表示。

二、操作系统1. 操作系统的功能操作系统是计算机系统的核心软件,负责管理计算机的硬件资源和提供用户与计算机的接口。

计算机体系结构

计算机体系结构

计算机体系结构计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的接口、数据传输和运行机制的组织结构。

它决定了计算机系统的性能、可扩展性、可靠性和安全性。

计算机体系结构的设计是计算机科学和工程领域的核心问题之一,它直接影响到计算机的性能和能力。

一、概述计算机体系结构是计算机科学中一个重要的概念,它包括计算机的硬件和软件部分。

计算机硬件包括中央处理器(CPU)、内存、输入输出设备等,而计算机软件则包括操作系统、编译器、应用程序等。

计算机体系结构通过定义指令集架构、存储架构和总线结构等,来决定计算机系统的基本工作原理和功能。

二、指令集架构指令集架构是计算机体系结构的核心部分,它定义了计算机处理器所支持的指令集和指令执行方式。

常见的指令集架构有精简指令集(RISC)和复杂指令集(CISC)两种。

RISC架构采用简化的指令集和固定长度的指令格式,以提高指令执行的效率和速度;而CISC架构则支持更复杂的指令和灵活的地址模式,以提供更强大的功能和灵活性。

三、存储架构存储架构是计算机体系结构中的另一个核心要素,它定义了计算机系统中各种存储器的组织方式和访问机制。

存储器可以分为主存储器(RAM)和辅助存储器(硬盘、固态硬盘等)。

存储架构涉及到存储器的位宽、存储单元的地址和数据传输方式等问题。

不同的存储架构可以影响计算机的内存访问速度和容量。

四、总线结构总线结构是计算机体系结构中用于数据传输和通信的重要组成部分。

它定义了计算机系统中各种硬件组件之间的连接方式和数据传输的规范。

总线结构可以分为系统总线、数据总线和控制总线等不同的层次。

它决定了计算机系统中各个部件之间数据传输的带宽和速度。

五、并行处理并行处理是指利用多个处理器或处理核心同时执行多个任务,以提高计算机系统的性能和并发能力。

计算机体系结构中的并行处理包括指令级并行和线程级并行两种形式。

指令级并行通过同时执行多条指令来提高处理器的效率;线程级并行则利用多个线程并行执行任务,以提高整个系统的吞吐量。

计算机网络体系结构

计算机网络体系结构

计算机网络体系结构计算机网络体系结构是指将计算机网络划分为不同的层级,并在每个层级中定义特定的功能和协议。

这种分层结构有助于网络的设计、维护和扩展。

在计算机网络体系结构中,常用的是OSI参考模型和TCP/IP参考模型。

下面是TCP/IP参考模型的五层结构:1. 物理层:该层负责物理传输介质的传输,例如光纤、电缆等。

它定义了连接计算机所需的硬件细节,以及数据的电压、信号速率等特性。

在此层上,数据以比特流的形式传输。

2. 数据链路层:该层负责将原始的比特流转换为有意义的数据帧,并提供传输信道的错误检测和纠正。

它通常有两个子层:逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。

3. 网络层:该层负责在计算机网络中进行数据包的路由和转发。

它使用IP地址来标识不同的网络设备,并为数据包选择合适的路径。

在此层上,数据被划分为小块,并加上源和目的地的网络地址信息。

4. 传输层:该层负责在源和目的地之间提供可靠的数据传输。

它使用TCP和UDP协议来实现数据的分段和重新组装,以及连接的建立和终止。

在此层上,数据被划分为报文段,每个报文段都有序号和检验和。

5. 应用层:该层提供应用程序访问网络的接口,并为各种网络应用提供服务。

它包括HTTP、FTP、SMTP等协议,用于实现Web浏览、文件传输、电子邮件等常见的应用功能。

这种分层结构的优点在于,每个层级的功能和协议都相对独立,可以由不同的厂商和团队进行独立开发和测试。

同时,各层之间的接口规范也使得不同厂商的设备能够互相兼容和交互操作。

此外,通过将网络分解为多个层级,可以更好地进行网络故障诊断和故障隔离,提高网络的可靠性和可扩展性。

总之,计算机网络体系结构的分层设计为网络的建设、管理和维护提供了一种有效的方法。

它不仅可以提供高效的数据传输和服务提供,同时也为网络的安全性和可靠性提供了保障。

计算机网络体系结构的分层设计是网络通信的基础。

通过将网络的各个功能划分为不同的层级,可以使得不同的网络设备和应用程序可以按照规定的协议进行交互,实现信息的传输和交换。

计算机体系结构

计算机体系结构

计算机体系结构计算机体系结构是指计算机硬件与软件之间的结构和组织方式,包括计算机系统的层次、组件之间的连接方式、数据流以及控制流等。

它是计算机科学中的一个重要概念,对于理解计算机工作原理和优化计算机性能具有重要意义。

一、引言计算机体系结构是计算机科学领域中一项关键内容。

它关注计算机硬件和软件之间的交互和组织方式,是计算机系统设计的基础。

本文将介绍计算机体系结构的基本概念、组成以及它对计算机性能的影响。

二、计算机体系结构的基本概念1. 冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是计算机体系结构的基础,提出了程序存储器和数据存储器的概念,启发了后来计算机的设计思想。

在冯·诺依曼体系结构中,程序和数据被存储在同一块内存中,通过控制器实现程序和数据的读写。

2. 分布式体系结构分布式体系结构是一种多台计算机相互协作的体系结构,每台计算机具有独立的处理能力,通过通信网络进行数据交换和协作。

分布式体系结构具有高可靠性、高性能和可扩展性等优势,广泛应用于大规模计算和数据处理领域。

3. 多核体系结构多核体系结构是一种将多个处理核心集成到单个芯片上的体系结构。

多核体系结构有助于提高计算机的处理性能和并发能力,适用于并行计算和多任务处理。

三、计算机体系结构的组成1. 中央处理器(CPU)中央处理器是计算机体系结构的核心组件,负责执行计算机指令和控制计算机的工作流程。

它包括算术逻辑单元(ALU)、控制单元(CU)和寄存器等。

2. 存储器存储器用于存储计算机的程序和数据,分为主存储器和辅助存储器。

主存储器包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM),辅助存储器包括硬盘、光盘和闪存等。

3. 输入输出设备输入输出设备用于与计算机进行信息交互,包括键盘、鼠标、打印机、显示器等。

它们通过输入输出控制器与计算机系统进行数据交换。

四、计算机体系结构的影响因素1. 性能计算机体系结构直接关系到计算机的性能。

计算机体系结构综述

计算机体系结构综述

计算机体系结构综述
计算机体系结构是指计算机系统的结构,它是计算机软件和硬件设备的综合体,决定了一台计算机如何处理信息。

它包括:处理器、存储器、输入/输出系统和总线。

1. 处理器:处理器是计算机体系结构中最重要的部分,它由一个或多个中央处理单元(CPU)和支持元件组成,它们负责执行计算机程序并处理信息。

2. 存储器:存储器是计算机体系结构中的一个重要部分,它用于存储程序和数据。

它可以是内存或外存,如硬盘或闪存,它们可以帮助处理器快速访问需要的信息。

3. 输入/输出系统:输入/输出系统是计算机体系结构中的一个重要部分,它用于将信息传输到处理器和存储器中,以便处理器能够处理它们。

它还可以将处理器处理后的信息发送给外部设备,以供使用。

4. 总线:总线是计算机体系结构中的一个重要部分,它负责在处理器、存储器和输入/输出系统之间传输信息。

它将各个部件连接起来,使它们能够交换信息,以便处理器能够正确执行程序。

计算机体系结构(ComputerArchitecture)是程序员所看到的计算机的属性,即概念性结构与功能特性

计算机体系结构(ComputerArchitecture)是程序员所看到的计算机的属性,即概念性结构与功能特性

计算机体系结构(ComputerArchitecture)是程序员所看到的计算机的属性,即概念性结构与功能特性。

按照计算机系统的多级层次结构,不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。

一般来说,低级机器的属性对于高层机器程序员基本是透明的,通常所说的计算机体系结构主要指机器语言级机器的系统结构。

经典的关于“计算机体系结构(computerarchitecture)”的定义是1964年C.M.Amdahl在介绍IBM360系统时提出的,其具体描述为“计算机体系结构是程序员所看到的计算机的属性,即概念性结构与功能特性”
计算机体系结构
基本概念。

计算机体系结构名词解释

计算机体系结构名词解释

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。

计算机体系结构必考知识点

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。

计算机体系结构

计算机体系结构

计算机体系结构计算机体系结构是指计算机硬件、软件和数据组成的结构体系。

它涵盖了计算机内部各个部件的组织方式,以及它们之间的连接和交互方式。

计算机体系结构的设计与实现直接影响计算机的性能、可靠性和可扩展性。

I. 介绍计算机体系结构是计算机科学中的重要研究领域,它关注的是在硬件和软件层面上如何组织计算机系统,以实现高性能、可靠性、可扩展性等要求。

计算机体系结构的研究内容广泛,包括指令集架构、处理器设计、内存层次结构、输入输出系统等等。

II. 指令集架构指令集架构是计算机体系结构的核心部分,它定义了计算机的指令集以及执行这些指令的方式。

指令集架构一般分为精简指令集(RISC)和复杂指令集(CISC)两种。

RISC架构追求指令集的简洁和规整,通过减少指令的种类和提高指令的执行效率来提高计算机的性能。

而CISC架构则倾向于提供更多且复杂的指令,以方便编程和提高代码的密度。

III. 处理器设计处理器是计算机的核心部件,它执行指令、进行数据处理和控制计算机的各个部分。

处理器设计的目标是提高计算速度和性能,并支持更多的并行计算。

现代处理器常采用流水线、超标量、乱序执行等技术,以提高指令的执行效率。

除了性能,处理器设计还需要考虑功耗、散热等问题。

IV. 内存层次结构计算机的内存层次结构包括寄存器、高速缓存、主存和辅助存储等层次。

这些层次的设计目的是提供多级别的存储,以满足不同速度和容量要求的数据访问。

其中,高速缓存是处理器与主存之间的缓冲存储器,它通过存储最常用的数据和指令,减少了处理器对主存的访问次数,提高了数据访问速度。

V. 输入输出系统输入输出系统是计算机与外部设备进行通信的接口,它负责将数据传输到或从外部设备传输到计算机。

现代计算机的输入输出系统包括各种接口标准和协议,如USB、HDMI、以太网等。

输入输出系统的设计需要考虑数据传输速度、可靠性和兼容性等因素,以满足不同的应用需求。

VI. 发展趋势计算机体系结构领域一直在不断发展和创新。

《计算机体系结构》课件

《计算机体系结构》课件

ABCD
理解指令集体系结构、处 理器设计、存储系统、输 入输出系统的基本原理和 设计方法。
培养学生对计算机体系结 构领域的兴趣和热情,为 未来的学习和工作打下坚 实的基础。
CHAPTER
02
计算机体系结构概述
计算机体系结构定义
计算机体系结构是指计算机系统的整 体设计和组织结构,包括其硬件和软 件的交互方式。
CHAPTER
06
并行处理与多核处理器
并行处理概述
并行处理
指在同一时刻或同一时间间隔内 完成两个或两个以上工作的能力

并行处理的分类
时间并行、空间并行、数据并行和 流水并行。
并行处理的优势
提高计算速度、增强计算能力、提 高资源利用率。
多核处理器
1 2
多核处理器
指在一个处理器上集成多个核心,每个核心可以 独立执行一条指令。
间接寻址
间接寻址是指操作数的有效地址通过寄存器间接给出,计算机先取出 寄存器中的地址,再通过该地址取出操作数进行操作。
CHAPTER
04
存储系统
存储系统概述
存储系统是计算机体系结构中 的重要组成部分,负责存储和 检索数据和指令。
存储系统通常由多个层次的存 储器组成,包括主存储器、外 存储器和高速缓存等。
《计算机体系结构》ppt 课件
CONTENTS
目录
• 引言 • 计算机体系结构概述 • 指令系统 • 存储系统 • 输入输出系统 • 并行处理与多核处理器 • 流水线技术 • 计算机体系结构优化技术
CHAPTER
01
引言
课程简介
计算机体系结构是计算机科学的一门核心课程,主要研究计算机系统的基本组成、组织结构、工作原 理及其设计方法。

本科专业认证《计算机体系结构》教学大纲

本科专业认证《计算机体系结构》教学大纲

《计算机体系结构》教学大纲课程名称:计算机体系结构英文名称:Computer Architecture课程编号:0812000485课程性质:选修学分/学时:2/32。

其中,讲授 32学时,实验 0学时,上机 0学时,实训 0学时。

课程负责人:先修课程:模拟电路,数字电路,计算机组成原理,汇编语言,操作系统,算法与程序设计方法一、课程目标通过本课程的教学,使学生先掌握计算机系统结构的基本概念,以及计算机系统结构的形成和发展过程,再以现代计算机系统结构为主线,掌握计算机系统结构的合成、存储系统结构、流水线结构、多处理机系统、RISC结构、分布计算环境结构及数据流计算机结构等现代计算机的系统结构,并了解软件对计算机系统结构的影响,最后了解现代计算机系统结构的最新发展。

本课程帮助学生了解计算机系统结构的基本概念,基本原理、基本结构、基本分析方法以及近年来的重要进展。

通过本课程的学习,达到以下教学目标:1. 工程知识1.1 掌握必要的计算机体系结构基础理论知识。

1.2 能够应用计算机体系结构理论知识解决复杂工程技术问题。

2. 问题分析2.1 能够理解并恰当表述计算机体系结构的实际问题。

2.2 能够找到合适的解决计算机体系结构实际问题的程序与方法。

2.3 在一定的限制条件下能够合理解决计算机体系结构方面的实际问题。

3.设计/开发解决方案能够运用计算机系统结构基础知识初步进行计算机系统的规划与设计并体现创新意识。

4. 研究4.1能够采用计算机系统结构理论知识进行研究并合理设计实验方案。

4.2具备采集有效数据的能力。

5. 使用现代工具能够正确运用工具与资源对计算机系统的性能提升等问题进行设计与实现。

6. 终身学习6.1具有自觉搜集阅读与整理资料的能力。

6.2了解计算机系统结构的发展前沿。

6.3具有终身学习的意识与能力。

二、课程内容及学时分配如表1所示。

三、教学方法课程教学以课堂教学、实验教学、课外作业、综合讨论、网络课程等共同实施。

计算机体系结构精选ppt

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• 中央处理器和主存储器构成了计算机主体, 称为主机;相对地又把I/O设备称作外围设备或 外部设备,简称外设。
• 于是,计算机又被看成是由主机和外设两 大部分组成。但无论怎样划分,计算机的5大 部件始终是相对独立的子系统,缺一不可。
3.1.2 计算机硬件的典型结构
• 计算机系统的硬件结构包括各种形式的总线结构和通 道结构,它们是各种大、中、小、微型计算机的典型 结构体系。
第三章 计算机体系结构
• 硬件和软件是学习计算机知识经常遇到的术语。 硬件是指计算机系统中实际设备的总称。它可
以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件
或设备,或由它们组成的计算机部件或整个计 算机硬件系统。
• 计算机系统包括大型机、中小型机以及微机等 多种结构形式,其硬件主要包括: 运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出设备等部件。
息的通路叫输入/输出总线(I/O总线),各种I/O设备通过
I/O接口连接在I/O总线上。
这种结构的优点是控
制线路简单,对I/O
总线的传输速率相对
地可降低一些要求。
缺点是I/O设备与主
存储器之间交换信息
一律要经过CPU,将
耗费CPU大量时间,
降低了CPU的工作效
率。
3.小型机的总线型结构
(3)以存储器为中心的双总线结构
备之间均可以通过系统总线交换信息。
备与主存储器交换信息时,
CPU还可以继续处理默认的不
需要访问主存储器或I/O设备
的工作。缺点是同一时刻只允
许连接到单总线上的某一对设
备之间相互传递信息,限制了
信息传送的吞吐量(或称速率)。
此外,单总线控制逻辑比专用
的存储总线控制逻辑更为复杂,

计算机体系结构

计算机体系结构

计算机体系结构计算机体系结构是指计算机系统中各个硬件组件之间的连接方式和数据传输路径,以及软件系统对硬件的组织和管理方式。

它主要包括计算机的硬件结构和软件结构两个方面。

一、计算机的硬件结构计算机的硬件结构是指计算机系统中各个硬件组件的组成和相互连接方式。

通常包括中央处理器(CPU)、内存、输入输出设备(I/O设备)、总线等。

中央处理器是计算机的核心部件,负责执行指令和处理数据,内存用于存储程序和数据,输入输出设备用于与外部环境进行信息交互,总线则是连接各个硬件组件之间的通信通道。

在计算机的硬件结构中,中央处理器起着至关重要的作用。

它由运算器和控制器组成,分别负责算术逻辑运算和指令控制。

中央处理器和内存之间通过总线进行数据传输,而输入输出设备则通过I/O接口与中央处理器相连,实现数据的输入输出。

二、计算机的软件结构计算机的软件结构是指计算机系统中各种软件之间的关系和协作方式。

主要包括操作系统、应用软件和系统软件等。

操作系统是计算机系统的核心软件,负责管理和控制计算机的各项资源,为用户提供一个友好的操作界面。

应用软件则是根据用户需求设计开发的软件,用于实现各种应用功能。

系统软件则是为应用软件提供支持的基础软件,如编译器、数据库管理系统等。

在计算机体系结构中,软件与硬件相辅相成,共同构建了一个完整的计算机系统。

软件通过控制硬件来实现各种功能,硬件则为软件提供了运行的基础。

计算机的性能和功能取决于硬件和软件的协同工作。

总的来说,计算机体系结构是计算机系统中硬件和软件各个组成部分之间的组织和管理方式。

它决定了计算机系统的性能、可靠性和扩展性,是计算机科学和工程领域的重要研究内容。

通过不断地优化和改进计算机体系结构,可以实现更高效、更稳定的计算机系统,服务于人类社会的发展进步。

计算机体系结构

计算机体系结构

一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。

Amdahl所定义的体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。

所关心的是如何合理的进行软硬件功能的分配。

计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属性,即外特性。

可以包含数据表示,寄存器定义、数量、使用方式,指令系统,中断系统,存存储系统,IO系统等。

计算机组成是计算机结构的逻辑实现。

可以包含数据通路宽度,专用部件设置,缓冲技术,优化处理等。

计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。

包括处理机,主存部件的物理结构,器件的集成度,速度的选择,模块、硬件、插件底板的划分和连接。

从使用语言的角度,可以把计算机系统按功能从高到低分为7级:0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电子线路级。

3~6级为虚拟机,其语言功能均由软件实现。

硬件功能分配的基本原则:(1)功能要求。

首先是应用领域对应的功能要求,其次是对软件兼容性的要求;(2)性能要求。

如运算速度,存储容量,可靠性,可维护性和人机交互能力等;(3)成本要求。

体系结构设计的方法有三种:由上而下-从考虑如何满足应用要求开始设计;由下而上-基于硬件技术所具有的条件;由中间开始的方法。

体系设计的步骤:需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价。

计算机体系结构的分类:(1)弗林FLYNN分类法:按指令流和数据流将计算机分为4类:①单指令流、单数据流-Single Instruction Stream Single Data Stream,SISD。

计算机,即传统的单处理机,通常用的计算机多为此类,如脉动阵列计算机systolic array;②单指令流、多数据流-Multiple,SIMD。

典型代表是并行处理机。

其并行性在于指令一级。

如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等;③MISD计算机;④MIMD计算机。

计算机的体系结构

计算机的体系结构

计算机的体系结构计算机的体系结构是指计算机硬件系统整体组成的结构形式,主要包括硬件组成、指令系统、运算方式和数据路径等。

以下将从四个方面详细介绍计算机的体系结构。

1. 硬件组成计算机的硬件组成主要包括输入设备、输出设备、存储设备和中央处理器(CPU)等。

输入设备主要包括键盘、鼠标、扫描仪等,用于将人类活动转化为计算机可以理解的形式。

输出设备主要包括显示器、打印机等,用于将计算机的结果转化为人类可以理解的形式。

存储设备主要包括硬盘、U盘、内存等,用于存储计算机的数据和程序。

CPU是计算机的核心部件,主要负责计算、控制和存储数据等操作。

2. 指令系统指令系统是计算机执行程序的基础,它决定了计算机可以执行哪些操作以及如何执行。

不同的计算机有不同的指令系统,但它们大多都包括算术逻辑指令、数据传送指令、控制指令等。

算术逻辑指令主要用于完成数值运算和逻辑运算,数据传送指令用于将数据从一个位置传送到另一个位置,控制指令用于控制程序的执行流程。

3. 运算方式计算机的运算方式主要包括定点运算、浮点运算、矢量运算和并行运算等。

其中,定点运算主要用于整数运算,浮点运算用于实数运算,矢量运算用于计算向量和矩阵等复杂数据结构,而并行运算则可以同时执行多个指令,提高计算机的运算速度。

4. 数据路径数据路径是指计算机中用于传输数据和指令的路径。

它由总线、寄存器、运算器等组成。

总线主要用于将计算机各部件之间的数据传输,寄存器用于存储指令和数据,运算器用于执行指令操作。

在数据路径中,还有许多重要的部件如ALU(算术逻辑单元)、Cache(高速缓存)、MMU(内存管理单元)等等,它们的设计和性能都对计算机的整体性能有着决定性的影响。

综上所述,计算机的体系结构是计算机硬件系统整体组成的结构形式,主要包括硬件组成、指令系统、运算方式和数据路径等。

对于计算机发展和应用的推动具有重要意义,同时,也能够为我们理解计算机的工作原理提供重要帮助。

计算机体系结构

计算机体系结构

计算机体系结构是指根据属性和功能不同而划分的计算机理论组成部分及计算机基本工作原理、理论的总称。

以下是一些主要的知识点:
1. 存储程序计算机(冯诺依曼型):这种类型的计算机包括运算器、存储器、输入输出设备和控制器四部分。

它以运算器为中心,采用存储程序原理,即程序(指令)和数据放在同一存储器中。

此外,存储器按地址访问,控制流由指令流产生,指令由操作码和地址码组成,数据以二进制代码表示。

2. 程序员所看到的机器属性:这包括数据表示,即硬件能直接辨认和处理的数据类型;寻址规则,包括最小寻址单元,寻址方式及其表示;寄存器定义,包括各种寄存器的定义,数量和使用方式。

3. 指令系统:指令系统是计算机中用来计算和控制的命令集合。

4. 流水线技术:这是一种提高处理器执行指令速度的技术,将指令执行过程分解为多个阶段,并让各阶段的操作重叠进行。

5. 存储层次:存储层次是指把内存划分为不同的等级,以满足不同的存储需求。

6. 输入输出系统:这是负责计算机与外部信息交互的部分。

7. 多处理机和非冯-洛依曼型计算机:这些是计算机体系结构中的高级主题。

计算机体系结构

计算机体系结构

计算机体系结构计算机体系结构(Computer Architecture)是研究计算机系统如何实现功能和性能的科学和艺术。

它涉及硬件设计、指令集架构、组织结构以及与软件和应用程序的接口等方面。

计算机体系结构决定了计算机系统的性能、可靠性和可扩展性,对计算机技术的发展至关重要。

一、计算机体系结构的起源计算机体系结构的发展可以追溯到二十世纪四十年代的冯·诺依曼体系结构。

冯·诺依曼体系结构由冯·诺依曼等科学家提出,并被广泛应用于当今的计算机系统。

在冯·诺依曼体系结构中,计算机由五个基本部件组成,即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

这一体系结构将程序和数据存储在同一存储器中,并通过控制器按照程序指令的顺序执行操作。

二、经典1. Von Neumann Architecture(冯·诺依曼体系结构)冯·诺依曼体系结构是计算机体系结构的经典范例。

它以冯·诺依曼的名字命名,采用存储程序的概念,计算机的程序和数据都存储在同一块存储器中。

冯·诺依曼体系结构具有指令流水线和核心级并行处理等特点,广泛应用于现代计算机系统。

2. Harvard Architecture(哈佛体系结构)哈佛体系结构是冯·诺依曼体系结构的一种变种。

哈佛体系结构将程序存储器和数据存储器分开,允许程序和数据并行访问,提高计算机系统的性能。

哈佛体系结构常用于嵌入式系统和高性能计算机。

3. RISC Architecture(精简指令集计算机)精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer,RISC)是一种计算机体系结构,通过减少指令集的复杂性来提高计算机系统的性能。

RISC体系结构采用固定长度的指令、流水线处理和寄存器架构等特点,广泛应用于个人计算机和工作站等领域。

三、现代计算机体系结构的发展趋势1. 多核处理器随着计算机应用的复杂性和计算需求的增加,多核处理器成为现代计算机体系结构的主流趋势。

计算机体系结构

计算机体系结构

计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构,也称为计算机架构,是指计算机硬件和系统软件相互关联的总体结构。

它涉及到计算机的逻辑、数据传输、存储、控制部件、操作系统及与其通信的各种应用程序等方面内容。

计算机体系结构的设计目标是提供最高效的计算机工作方式,使计算机系统在硬件和软件层面上相互协调、稳定运行。

计算机体系结构包括硬件和软件两个层面。

硬件部分包括中央处理器(CPU)、存储器、输入输出(I/O)系统、总线、控制器等组成部分。

软件部分包括操作系统、编程语言、应用程序等。

CPU是计算机体系结构的主要组成部分。

它是计算机的核心,有时也被称为“计算机大脑”。

CPU的任务是执行电子计算机的指令集。

指令集是指可用于计算机指令的集合。

CPU的速度与计算机系统的运行速度有着密切的关系。

CPU的速度越快,计算机系统的运行速度越快。

存储器是计算机的另一重要组成部分。

存储器分为内存和外存两种。

内存是指高速缓存RAM,用于存放CPU正在运行的程序和数据。

外存则是指硬盘等外部设备,在计算机运行程序和处理数据时,需要将其从存储器中读入内存,处理完后再将处理结果存回外存。

输入输出(I/O)系统是指计算机与外部设备之间进行数据交互的部分。

它包括各种输入设备和输出设备,如键盘、鼠标、打印机、扫描仪等。

计算机通过I/O系统与各种外部设备进行交互,实现输入输出功能。

总线是计算机体系结构中的另一个关键部分,它是计算机内部各个组成部件之间传递数据和控制信息的管道。

总线包括地址总线、控制总线和数据总线。

地址总线用来传递指令和数据的地址;控制总线用来传递各种控制信号,如时钟信号、中断信号等;数据总线用来传递各种数据。

控制器是计算机体系结构的另一个重要组成部分,它用来控制计算机各个部件的运行和通信。

控制器负责管理CPU、存储器、I/O系统和总线之间的信息流。

操作系统是计算机体系结构中的主要软件部分之一。

操作系统负责管理计算机的各种资源,如CPU时间、内存空间、输入输出设备等。

计算机体系结构

计算机体系结构

第一章1、计算机系统多级层次结构从高到低:(6级)应用程序计算机、高级语言、汇编语言、操作系统、机器语言、微机程序控制、(0级)硬联逻辑计算机。

第0级由硬件实现,第1级由微程序(固件)实现,2—6级机器由软件实现。

2、透明性现象:一种本来存在的有差异的事物或属性,从某种角度来看似乎不再存在。

3、计算机组成是计算机系统的逻辑实现;计算机实现是计算机组成的物理实现。

4、计算机系统结构是计算机系统的软、硬件的界面;系统结构、组成和实现所包含的具体内容第随不同机器而变化的,且三者之间的界限越来越模糊。

5、系统结构分类①按“流”分:SISD单指令流单数据流,SIMD单指令流多数据流,MISD多指令流单数据流,MIMD多指令流多数据流。

Flynn分类法:按指令流(机器执行的指令序列)和数据流(指令流调用的数据序列,include输入数据和中间结果)的多倍性(指在系统最受限制的原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)概念进行分类。

缺点:对于标量及向量流水计算机应属于哪一类系统,不是很明确。

②按“并行级”和“流水线”分类:程序控制部件PCU的个数是K,算术逻辑部件ALU/处理部件PE的个数是d,每个ALU包含基本逻辑线路ELC 的套数是w。

T系统型号=(k,d,w)。

③按“并行度”分类:WSBS字串位串,WPBS字并位串,WSBP字串位并,WPBP字并位并。

6、*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取决于这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例。

实际上定义了加快某部分功能处理后,整个系统所获得的性能改进或执行时间的加速比的大小。

加速比与两个因素有关:一是计算机执行某个人物的总时间中可被改进部分的时间所占的百分比,Fe=可改进部分占用的时间/改进前整个任务的执行时间,它总小于1;二是改进部分采用改进措施后比没有采用改进措施前性能提高倍数,Se=改进前改进部分的执行时间/改进后改进部分的执行时间,它总大于1。

计算机网络的体系结构

计算机网络的体系结构

计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构是指计算机网络的分层结构或组织结构,它将网络功能划分为多个层次,在每个层次上实现特定的功能,并通过不同层次之间的接口进行通信和协作。

常见的计算机网络体系结构包括TCP/IP参考模型和OSI参考模型。

下面我将详细介绍这两种体系结构。

1.TCP/IP参考模型TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)参考模型是最常用的计算机网络体系结构之一,它有四个层次:物理层、数据链路层、网络层和传输层。

-物理层:物理层负责比特流的传输,它定义了电器、光学和无线信号等在传输媒介中的传输规范,如电压、编码和信号时钟等。

-数据链路层:数据链路层在物理层之上建立了可靠的数据传输通道,它将比特流划分为数据帧,并进行错误检测和错误纠正。

常见的数据链路层协议有以太网和Wi-Fi。

- 网络层:网络层负责将数据分组从发送端传输到接收端,它使用IP地址来标识网络设备和路径,也负责路由选择和拥塞控制。

常见的网络层协议有IP(Internet Protocol)。

-传输层:传输层提供端到端的可靠传输和数据分组的重组,它使用端口号标识不同的应用程序,并提供传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)等协议。

2.OSI参考模型OSI(Open Systems Interconnection)参考模型是一种通用的计算机网络体系结构,它有七个层次:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

-物理层:物理层在OSI模型中的作用与TCP/IP模型中类似。

-数据链路层:数据链路层在OSI模型中的作用与TCP/IP模型中类似。

-网络层:网络层在OSI模型中的作用与TCP/IP模型中类似。

-传输层:传输层在OSI模型中的作用与TCP/IP模型中类似。

-会话层:会话层在OSI模型中提供了在网络中建立、管理和终止会话的功能。

它允许不同计算机应用程序之间的通信,并提供了可靠性和错误恢复机制。

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• 本章研究
• 减少停顿(stalls)数的方法和技术
• 基本途径
• 软件方法(编译器优化)
– – – – Gcc: 17%控制类指令 5 instructions + 1 branch 在基本块上,得到更多的并行性 挖掘循环级并行
• 硬件方法
– 动态调度方法
• 以DLX的浮点数操作为例
计算机体系结构 chapter4. 5
计算机体系结构 chapter4. 1
第4章 指令级并行
计算机体系结构 chapter4. 2
Review: 基本流水线
• 流水线提高的是指令带宽(吞吐率),而不是单条指令的 执行速度 • 相关限制了流水线性能的发挥
• 结构相关:需要更多的硬件资源 • 数据相关:需要定向,编译器调度 • 控制相关:尽早检测条件,计算目标地址,延迟转移,预测
• 从处理数据的角度,并行性等级分为:
• 提高并行的三种途径
• 时间重叠 • 资源重复 • 资源共享
计算机体系结构 chapter4. 4
4.1 先进流水线技术和指令级并行 (Instruction Level Parallelism)
• ILP: 无关的指令重叠执行 • 流水线的平均CPI
Pipeline CPI = Ideal Pipeline CPI + Struct Stalls + RAW Stalls + WAR Stalls + WAW Stalls + Control Stalls
• 代码移动后
• SD移动到SUBI后,注意 偏移量的修改 • Loads移动到SD前,注意 偏移量的修改
; 8-32 = -24
14 clock cycles, or 3.5 per iteration 注意第11,12行,P137有错
计算机体系结构 chapter4. 15
循环展开示例小结
• • • • • 移动SD到SUBI和BNEZ后,需要调整 SD中的偏移 循环展开对循环间无关的程序是有效降低stalls 的手段(对循环级并行). 不同次的循环,使用不同的寄存器. 删除不必要的测试和分支后,需调整循环步长等 控制循环的代码. 注意循环展开中的Load和Store,不同次循环的 Load 和Store 是相互独立的。需要分析对存储 器的引用,保证他们没有引用同一地址. 指令调度,必须保证程序运行的结果不变
计算机体系结构 chapter4. 7
基本块内的指令级并行
• 基本块的定义
• 直线型代码,无分支 • 单入口 • 整个程序是由分支语句连接基本块构成
• 循环级并行
for (i = 1; i <= 1000; i++) x(i) = x(i) + s; • 计算x(i)时没有相关 • 可以并行产生1000个数据 •这里没有相关是指没有数据相关 •问题是在生成代码时会有Branch指令-控制相关 •预测比较容易,但我们必须有预测方案
采用的基本技术
计算机体系结构 chapter4. 6
本章遵循的指令延时
产生结果的指令 使用结果的指令 所需延时
3 2 1 0 0 FP ALU op Another FP ALU op FP ALU op Store double Load double FP ALU op Load double Store double Integer op Integer op (当使用结果的指令为BRANCH指令时除外)
练习(2004年3月17日):
假设各种分支占所有指令数的百分比如下表所示:
条件分支 跳转和调用
20% (其中60%是成功的) 5%
现有一5段流水线,每段延迟时间均为一个时钟周期,分支转移地址在第3个时 钟周期结束时才能计算出来,条件分支的转移条件在第4个时钟周期才能确定 。假设第一个流水段是取指阶段,第二个流水段是指令译码阶段,理想CPI值 为1。试通过计算说明应该采用哪种控制相关处理策略(冻结技术、预测分支 成功策略以及预测分支失败策略)性能最高?
• 向量处理机模型
• load vectors x and y (up to some machine dependent max) • then do result-vec = xvec + yvec in a single instruction
计算机体系结构 chapter4. 8
简单循环及其对应的汇编程序
计算机体系结构 chapter4. 10
FP 循环中的Stalls
1 Loop: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 LD stall ADDD stall stall SD SUBI stall BNEZ stall F0,0(R1) F4,F0,F2 ;F0=vector element ;add scalar in F2
for (i=1; i<=1000; i++) x(i) = x(i) + s;
Loop:
LD ADDD SD SUBI BNEZ NOP
F0,0(R1) F4,F0,F2 0(R1),F4 R1,R1,8 R1,Loop
;F0=vector element ;add scalar from F2 ;store result ;decrement pointer 8B (DW) ;branch R1!=zero ;delayed branch slot
计算机体系结构 chapter4. 9
FP 循环中的相关
Loop: LD ADDD SD SUBI BNEZ NOP F0,0(R1) F4,F0,F2 0(R1),F4 R1,R1,8 R1,Loop ;F0=vector element ;add scalar from F2 ;store result ;decrement pointer 8B (DW) ;branch R1!=zero ;delayed branch slot
0(R1),F4 R1,R1,8 R1,Loop
;store result ;decrement pointer 8B (DW) ;书上有错 ;branch R1!=zero ;delayed branch slot
所需的延时
3 2 1 0 0
产生结果的指令
FP ALU op FP ALU op Load double Load double Integer op
• 反相关(Antidependence) (WAR if a hazard for HW) – Instruction j 所写的寄存器或存储单元,与 instruction i 所读的寄存器 或存储单元相同,注instruction i 是先执行
way)
Rewrite loop to minimize stalls?
15 + 4 x (1+2) + 1 = 28 cycles, or 7 per iteration Assumes R1 is multiple of 4
计算机体系结构 chapter4. 14
Stalls数最小的循环展开
1 Loop: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 LD LD LD LD ADDD ADDD ADDD ADDD SD SD SUBI SD BNEZ SD F0,0(R1) F6,-8(R1) F10,-16(R1) F14,-24(R1) F4,F0,F2 F8,F6,F2 F12,F10,F2 F16,F14,F2 0(R1),F4 -8(R1),F8 R1,R1,#32 16(R1),F12 R1,LOOP 8(R1),F16
产生结果的指令
FP ALU op FP ALU op Load double Load double Integer op
使用结果的指令
Another FP ALU op Store double FP ALU op Store double Integer op
所需的延时
3 2 1 0 0

需要在哪里加stalls?
;delayed branch ;altered when move past SUBI
Swap BNEZ and SD by changing address of SD
产生结果的指令 FP ALU op
FP ALU op Load double Load double Integer op
使用结果的指令 Another FP A生的可能性 • 异常,浮点运算使得流水线控制更加复杂 • 编译器可降低数据相关和控制相关的开销
• Load 延迟槽 • Branch 延迟槽 • Branch预测
计算机体系结构 chapter4. 3
指令级并行的概念
• 计算机系统的并行性,从执行程序的角度,分为:
• • • • • • • • 指令内部并行:指令内部的微操作 指令级并行:并行执行两条或多条指令 任务级或过程级并行:并行执行两个或多个过程或任务 作业或程序级并行:在多个作业或程序间并行 字串位串 字串位并 字并位串 全并行
• 如果相关, 不能并行执行 • 对于寄存器比较容易确定(fixed names) • 但对memory的引用,比较难确定:
• 100(R4) = 20(R6)? • 在不同次的循环中,20(R6) = 20(R6)?
计算机体系结构 chapter4. 17
下列程序哪里有数据相关?
1 Loop: 2 3 4 5 LD ADDD SUBI BNEZ SD F0,0(R1) F4,F0,F2 R1,R1,8 R1,Loop 8(R1),F4
使用结果的指令
Another FP ALU op Store double FP ALU op Store double Integer op
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