《计算机系统结构》课件.pptVIP

计算机系统结构欢迎来到计算机系统结构的世界！本课程将带您深入了解计算机系统的核心设计理念与实现方式。我们将从基础概念出发，逐步探索高级主题，旨在培养您对计算机系统整体架构的深刻理解和创新能力。

课程介绍：为什么学习计算机系统结构？理解底层原理学习计算机系统结构能够帮助我们理解计算机系统底层的运作原理，包括指令的执行、数据的存储和I/O操作等。这对于优化程序性能、设计高效算法至关重要。把握技术发展计算机系统结构是计算机科学领域的核心组成部分，掌握它能够让我们更好地把握计算机技术的发展趋势，例如并行计算、异构计算等。解决实际问题学习计算机系统结构能够提高我们解决实际问题的能力，例如设计高性能服务器、优化嵌入式系统等。这对于从事计算机相关领域的工作非常有帮助。

课程目标与内容概要1课程目标理解计算机系统的层次结构和基本组成部分，掌握指令集体系结构、存储器层次结构、I/O系统等核心概念。培养分析和设计计算机系统的能力，能够针对特定应用场景进行优化。了解计算机体系结构的发展趋势，例如并行计算、异构计算等。2内容概要计算机系统层次结构、体系结构与实现的区分、冯·诺依曼体系结构、指令集体系结构、存储器层次结构、I/O系统、并行处理技术、计算机体系结构发展趋势。3学习方法理论学习与实践相结合。通过阅读教材、完成作业、参与讨论等方式掌握理论知识。通过实验、模拟等方式加深对理论知识的理解。积极思考、勇于提问，培养独立思考和解决问题的能力。

计算机系统的层次结构应用软件用户直接使用的软件，如文字处理软件、游戏等。操作系统管理计算机硬件资源，为应用软件提供运行环境。系统软件连接硬件和操作系统，对I/O操作进行管理。指令集体系结构(ISA)机器码指令的集合，定义了硬件可以执行的操作。微体系结构硬件的具体实现方式，如流水线、Cache等。数字逻辑使用逻辑门等基本电路元件实现微体系结构。器件物理构成计算机系统的物理基础，如晶体管等。

体系结构与实现的区分体系结构定义了程序员所看到的计算机系统的属性，包括指令集、数据类型、寻址方式等。关注的是“做什么”，而不是“怎么做”。例如，ISA规定了有哪些指令可以使用，但没有规定这些指令如何实现。实现指的是如何在硬件或软件上实现体系结构。关注的是“怎么做”，包括微体系结构、逻辑设计、物理实现等。例如，可以使用流水线、Cache等技术来实现ISA规定的指令。

冯·诺依曼体系结构回顾存储程序1指令和数据2CPU3顺序执行4冯·诺依曼体系结构是现代计算机的基础。其核心思想是：采用存储程序方式，即指令和数据都以二进制形式存储在存储器中；计算机由CPU、存储器、输入设备和输出设备组成；CPU从存储器中逐条取出指令并执行。虽然现代计算机在冯·诺依曼体系结构的基础上进行了很多改进，但其基本原理仍然没有改变。

非冯·诺依曼体系结构简介数据流计算机以数据驱动指令的执行，而不是像冯·诺依曼计算机那样以指令驱动数据的处理。适用于并行计算，能够提高计算效率。归约机基于函数式编程语言，通过归约表达式来进行计算。具有良好的并行性，适用于大规模并行计算。神经网络计算机模拟人脑的神经网络结构，用于处理模式识别、图像处理等问题。具有强大的学习能力和容错能力。非冯·诺依曼体系结构是对传统冯·诺依曼体系结构的一种突破。它们采用不同的计算模型和存储方式，以适应特定的应用场景。虽然非冯·诺依曼计算机在某些领域具有优势，但由于其复杂性和成本等原因，目前尚未得到广泛应用。然而，随着计算机技术的不断发展，非冯·诺依曼体系结构有望在未来发挥更大的作用。

并行计算的概念提高计算速度通过同时执行多个任务来提高计算速度。解决复杂问题能够解决单台计算机无法解决的复杂问题。提高资源利用率能够更有效地利用计算机资源。并行计算是指同时使用多种计算资源来解决计算问题的过程。其核心思想是将一个计算问题分解成多个子问题，然后将这些子问题分配给不同的计算资源进行并行处理。并行计算可以有效地提高计算速度、解决复杂问题和提高资源利用率。并行计算在科学研究、工程设计、金融分析等领域具有广泛的应用。

指令集体系结构(ISA)概述1应用软件使用ISA提供的指令来完成特定任务2编译器将高级语言代码翻译成ISA指令3操作系统提供系统调用，间接使用ISA指令4ISA定义了计算机可以执行的所有指令指令集体系结构（ISA）是计算机硬件和软件之间的接口，它定义了计算机可以执行的所有指令。ISA包括指令格式、寻址方式、数据类型、寄存器组织等方面的内容。ISA的设计对计算机的性能、成本、功耗等都有重要影响。不同的计算机体系结构具有不同的ISA，例如x86、ARM、RISC-V等。

ISA的设计考虑1兼容性新的ISA应该尽可能兼容现有的软件，以减少软件移植的成本。2性能ISA的设计应该有利于提高