计算机系统结构0
计算机系统结构简介
计算机系统结构简介计算机系统结构是指计算机硬件与软件的组织和设计方式，它是计算机系统功能实现和性能提升的基础。
本文将介绍计算机系统结构的主要组成部分以及它们之间的相互关系。
一、中央处理器（Central Processing Unit, CPU）中央处理器是计算机系统的核心组成部分，它负责执行计算机指令、控制和处理数据。
CPU包括算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit, ALU）和控制单元（Control Unit, CU），其中ALU负责进行算术和逻辑运算，CU则负责指令的解码和执行。
二、存储器（Memory）存储器用于存储计算机程序和数据，它分为主存储器（Main Memory）和辅助存储器（Auxiliary Storage）。
主存储器是CPU能够直接访问的存储空间，常用的主存储器包括随机存取存储器（Random Access Memory, RAM）和只读存储器（Read-Only Memory, ROM）等。
辅助存储器则用于扩展主存储器的容量，如硬盘、光盘等。
三、输入输出设备（Input-Output Devices）输入输出设备用于与计算机系统进行交互，它可以将外部设备的数据输入到计算机系统中，或者将计算机系统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。
四、总线（Bus）总线是计算机系统中不同组件之间传送数据和控制信息的通道，它分为地址总线、数据总线和控制总线。
地址总线用于指示数据在存储器中的位置，数据总线用于传输数据，控制总线用于传送控制信号。
五、操作系统（Operating System）操作系统是计算机系统的核心软件，它负责管理计算机系统的资源、控制程序的执行、提供用户接口等功能。
常见的操作系统有Windows、Linux、macOS等。
六、指令系统（Instruction Set）指令系统是计算机系统中的一组机器指令，它规定了CPU能够执行的操作和数据的表示方式。
计算机体系结构基本概念
计算机体系结构基本概念计算机体系结构是指计算机系统中的各个组成部分之间的关系和交互方式。
它是计算机硬件与软件之间的接口，决定了计算机系统的工作方式、性能表现以及可扩展性。
本文将介绍计算机体系结构的基本概念和相关内容。
一、计算机体系结构的概述计算机体系结构是指计算机系统的结构组织，包括硬件和软件。
主要由计算机硬件、指令系统、运算方式和数据流组成。
计算机体系结构的目标是提供高性能、可靠性、可扩展性和高效能的计算机系统。
计算机体系结构的设计通常以指令集架构和微架构为基础。
二、指令集架构指令集架构是计算机体系结构中的一个重要概念。
它定义了计算机系统处理信息的方式。
指令集架构包括计算机的指令集、寄存器、数据类型和地址模式等。
根据指令集的不同，可以将计算机体系结构分为复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）。
三、微架构微架构是指计算机体系结构的实现方式。
它包括处理器的内部结构、数据通路、控制流和存储相关的电路设计。
微架构的设计影响着计算机系统的性能和功能。
常见的微架构包括超标量、乱序执行和流水线等。
四、存储结构与存储器层级存储结构是指计算机系统中用于存储数据的层次结构。
存储器层级分为寄存器、高速缓存、内存和辅助存储器等。
不同层级的存储器具有不同的特点，如容量、速度和价格等。
存储结构的设计旨在提高计算机系统的访问速度和运行效率。
五、总线结构总线结构是计算机体系结构中连接各个组件的通信系统。
它包括地址总线、数据总线和控制总线等。
总线结构的设计影响着计算机系统的数据传输速度和可扩展性。
六、并行处理与多核技术并行处理是指多个处理器或计算单元同时执行指令，提高计算机系统的运行速度和性能。
多核技术则是将多个处理核心集成到同一个芯片上，实现并行运算。
并行处理和多核技术在高性能计算、科学计算和图像处理等领域得到广泛应用。
七、虚拟化技术虚拟化技术是指通过软件将计算机资源抽象为多个逻辑实体，实现多个操作系统和应用程序的隔离和共享。
名词解释计算机系统结构
名词解释计算机系统结构名词解释计算机系统结构计算机系统是由多个不同层次的硬件与软件组成的复杂系统，在计算机系统中系统结构则是其中最为重要的一个方面。
本文将从五个不同方面来对计算机系统结构进行解释。
一、计算机系统结构的概念计算机系统结构是指计算机硬件组成与指令集架构的综合，是计算机整体结构的描述和安排布局，描述了计算机硬件和系统软件之间的关系，包括计算机的各个硬件模块之间的互连方式，体现了计算机硬件的层次结构。
二、计算机系统结构的层次结构计算机系统结构可根据功能和层次分为五层：计算机客户层、操作系统层、编译器与解释器层、核心服务与系统程序层、计算机硬件层。
三、计算机系统结构的硬件构成计算机系统的硬件构成主要包括：输入输出设备、存储器、中央处理器、总线、控制器等。
其中，中央处理器（CPU）是计算机系统关键的硬件部件，它集成了算术逻辑单元(ALU)、控制单元(CU)、寄存器等模块。
四、计算机系统结构的指令集分类指令集打破了不同计算机之间的语言障碍，为计算机添加新指令的同时也为计算机的应用程序提供了更多的选择，指令集的分类主要有以下几种：复杂指令集（CISC）、精简指令集（RISC）、超标量指令集（VLIW）、显式并行指令集（EPIC）等。
五、计算机系统结构的发展趋势计算机的不断发展带来了计算机系统结构的变革，目前计算机系统结构的发展主要在以下几个方向：并行考虑（多核）、强化数据cache技术、多线程技术、仿真和虚拟化技术、服务器集成、存储系统优化和功能性加强等。
总结：计算机系统结构是硬件和软件之间的紧密结合，它使得不同的硬件可以协同工作，不同软件可以相互兼容。
理解计算机系统结构对于计算机专业人员来说非常重要，只有通过深入的研究与学习，才能在未来的事业道路中有更优秀的表现。
计算机体系结构概述
计算机体系结构概述计算机体系结构是指计算机硬件与软件之间的组织和交互方式。
它定义了计算机系统内部各个组成部分的功能、连接方式以及数据传输的路径等。
计算机体系结构的设计直接影响了计算机性能、可扩展性和能效等方面的表现。
本文将概述计算机体系结构的基本概念、发展历程和常见结构类型。
一、基本概念计算机体系结构是计算机系统的“蓝图”，可以将其比作大楼的设计图。
它包括了各个部分之间的功能划分、数据传输和操作方式等。
计算机体系结构主要由以下几个方面组成：1. 处理器：负责执行计算机指令，包括算术逻辑运算、控制逻辑和数据处理等功能。
2. 存储器：用于存储程序和数据。
常见的存储器有主存储器和辅助存储器，如内存和硬盘等。
3. 输入输出设备：用于与用户进行信息交互，如键盘、鼠标、显示器等。
4. 总线：用于连接各个组件之间的数据传输通路。
主要包括数据总线、地址总线和控制总线。
二、发展历程计算机体系结构随着计算机技术的发展而不断演变和完善。
以下是计算机体系结构的三个主要发展阶段：1. 单指令流单数据流(SISD)：早期计算机采用的体系结构，指令和数据都从单一的内存存取，处理器按照指令序列依次执行，没有并发操作。
2. 单指令流多数据流(SIMD)：在SISD的基础上，引入多个处理器核心，它们可以同时处理不同的数据，但执行的指令序列相同。
3. 多指令流多数据流(MIMD)：当前普遍采用的体系结构，具有多个独立的处理器核心，可以同时执行不同的指令和处理不同的数据。
三、常见结构类型根据计算机体系结构的特点和应用需求，发展出了多种常见的结构类型。
以下是几种常见的计算机体系结构：1. 冯·诺依曼结构：由冯·诺依曼于20世纪40年代提出的经典计算机结构。
它以存储程序的概念为基础，包含了用于指令和数据存取的存储器、算术逻辑单元(ALU)、控制单元和输入输出设备等。
2. 流水线结构：将指令执行划分为多个阶段，并行处理不同的指令。
计算机系统体系结构
计算机系统体系结构计算机系统体系结构是指计算机硬件和软件之间的组织结构，它是计算机系统的基础。
计算机系统体系结构包括计算机的组成部分、它们之间的连接方式、数据传输方式、指令集和操作系统等。
计算机系统体系结构的设计和实现对计算机的性能、可靠性、安全性和可维护性等方面都有着重要的影响。
计算机系统体系结构的组成部分包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备（I/O设备）和总线等。
中央处理器是计算机系统的核心部件，它负责执行指令、控制计算机的运行和处理数据。
内存是计算机系统中存储数据和程序的地方，它是计算机系统的重要组成部分。
输入输出设备是计算机系统与外部世界交互的方式，它包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
总线是计算机系统中各个组成部分之间传输数据和指令的通道，它是计算机系统的重要组成部分。
计算机系统体系结构的连接方式包括并行连接和串行连接。
并行连接是指多个设备同时连接到计算机系统中，它可以提高计算机系统的处理速度和效率。
串行连接是指一个设备连接到计算机系统中，它可以减少计算机系统的复杂度和成本。
计算机系统体系结构的数据传输方式包括同步传输和异步传输。
同步传输是指数据在固定的时间间隔内传输，它可以提高数据传输的稳定性和可靠性。
异步传输是指数据在不固定的时间间隔内传输，它可以提高数据传输的灵活性和效率。
计算机系统体系结构的指令集是计算机系统中的指令集合，它是计算机系统的重要组成部分。
指令集包括操作码和操作数，它可以控制计算机系统的运行和处理数据。
指令集的设计和实现对计算机系统的性能、可靠性和安全性等方面都有着重要的影响。
计算机系统体系结构的操作系统是计算机系统中的软件系统，它是计算机系统的重要组成部分。
操作系统可以管理计算机系统的资源，控制计算机系统的运行和处理数据。
操作系统的设计和实现对计算机系统的性能、可靠性和安全性等方面都有着重要的影响。
计算机系统体系结构是计算机系统的基础，它对计算机系统的性能、可靠性、安全性和可维护性等方面都有着重要的影响。
计算机系统结构的组成
计算机系统结构的组成
计算机系统结构通常包括以下几个主要组成部分：
1. 处理器：处理器是计算机的核心部分，负责执行程序中的指令。
它从内存中获取指令并执行，然后处理数据，并将结果存储回内存中。
处理器的能力决定了计算机的速度和性能。
2. 内存：内存是计算机的临时存储设备，用于存储正在处理的程序和数据。
内存分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
RAM可以随时读写，而ROM只能读取不能写入。
3. 输入/输出设备：输入/输出设备是计算机与外部世界交互的工具。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、触摸屏等，常见的输出设备包括显示器、打印机、音响等。
4. 存储器：存储器是计算机的永久性存储设备，用于长期存储数据和程序。
常见的存储器包括硬盘、闪存盘、光盘等。
5. 总线：总线是计算机中各个部分之间传输数据的通道。
总线带宽决定了数据传输的速度，总线类型决定了计算机各个部分之间的连接方式。
6. 操作系统：操作系统是计算机的管理和控制软件，
负责管理计算机的资源，控制程序的执行，并提供用户界面。
操作系统是计算机的重要组成部分，它使得计算机更易于使用和管理。
7. 应用软件：应用软件是为特定目的而编写的程序，例如办公软件、图像处理软件等。
应用软件使计算机具有各种功能和用途。
以上这些部分共同构成了计算机系统结构的主要组成部分。
在实际应用中，根据不同的需求和用途，还可以对计算机系统结构进行更详细或更概括的分类。
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(计算机软、硬件的系统结构)
计算机体系结构发展的第四代从20世纪80年代中期开始，一直持续到现在。这个阶段，人们感受到的是硬件 和软件的综合效果。由复杂操作系统控制的强大的桌面机及局域网和广域网，与先进的应用软件相配合，已经成 为当前的主流。计算机体系结构已迅速地从集中的主机环境转变成分布的客户机/服务器(或浏览器/服务器)环境。 世界范围的信息网为人们进行广泛交流和资源的充分共享提供了条件。软件产业在世界经济中已经占有举足轻重 的地位。随着时代的前进，新的技术也不断地涌现出来。面向对象技术已经在许多领域迅速地取代了传统的软件 开发方法。
概念性结构与功能特性，这是从程序设计者角度所看到的计算机属性。它包括机器内的数据表示、寻址方式 以及对这些数据的运算和控制这些运算的执行等(即指令系统)。对于通用型机器，一般包括数据表示、寻址方式、 寄存器定义、指令系统、中断机构、机器工作状态的定义和状态切换、机器级的输入、输出结构以及对信息保护 的支持等 。
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
计算机体系结构是指计算机系统中由硬件和软件组成的总体架构，它是计算机系统结构的核心。
其组成部分有如下：
一、中央处理单元(CPU)：
CPU是计算机系统的核心单元，它负责执行程序指令、执行运算、管理程序的运行等功能。
CPU可以分为两个部分，一部分是控制单元，另一部分是运算单元。
控制单元负责管理指令的执行，运算单元负责计算和记录数据。
二、主存储器：
主存储器是计算机内部最重要的一部分，它把程序和数据存储在一个可以轻易访问的位置。
主存储器中存储的数据和指令会被CPU提取，然后被执行。
三、输入设备：
输入设备是将外部信息传入到计算机系统中的设备，它可以帮助用户将文字、图片、声音、视频等信息输入到计算机系统中。
常见的输入设备有鼠标、键盘、扫描仪、摄像头等。
四、输出设备：
输出设备是将计算机中处理后的结果传送到外部的设备，它可以帮助用户将文字、图片、声音、视频等信息输出到外部。
常见的输出设备有显示器、打印机、喇叭等。
五、存储设备：
存储设备是一个用于存储数据或信息的设备，它能够在计算机系统和外部之间进行数据的传输，以便保存和备份数据。
常见的存储设备有U盘、硬盘、闪存盘等。
六、网络设备：
网络设备是一种连接计算机网络的电子设备，它可以帮助构建和维护网络。
由于网络设备可以提高网络的可靠性和安全性，所以它也被称为“神奇的桥梁”。
常见的网络设备有路由器、交换机、集线器等。
计算机体系结构是一种复杂而完备的系统架构，它具有功能完善、稳定可靠、计算能力强等特点。
以上就是计算机体系结构的主要组成部分。
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课程学习的特点
本科专业的重要课程
可能是在其他学院不开的很少的几门计算机科学与技 术的专业课程之一
宏观上看计算机系统，不是单纯的硬件课程，
而是硬件和软件的结合点 综合知识，牵扯到多门课程。
计算机组成、编译原理、操作系统、计算机网络、高 级语言程序设计，微机原理与接口、嵌入式系统等
课程学习的特点（续）
重点讲解基本原理和相关的新技术、
新概念。 重视听课、课下复习
有2-3次课堂测验
教材及参考书
教材： 《计算机系统结构》第五版 李学干编著 西安电子科技大学出版社 参考书： 《计算机系统结构》第二版 郑纬民 汤志忠 清华大学出版社 《计算机系统结构》 陆鑫达主编 高等教育出版社 《计算机体系结构》 石教英主编 浙江大学出版社 《计算机体系结构》 张晨曦著 高等教育出版社
交流、合作是成功的关键
对本专业来讲：
问题：
假如你可以使用神威﹒太湖之光超级计算机
系统，你能做什么？想做什么？
假如现在的网络带宽足够宽、延迟足够小，
你能想象计算机系统是什么样？它对硬件和 软件技术的影响如何？
几十年来由于微处理器一直按照Moore定律预测的性能 增长速度争发展，使得并行处理得不到强烈的需求牵引， 导致以并行计算机为主业的公司几乎全部夭折。 单处理器性能的提高遇到阻碍以后，计算机要提高性能 基本上只剩下一条路可走－依靠并行处理。过去几十年 的编程模式主要的串行，现在必须转到并行编程，这一 迫不得已的转变，对软件界既是挑战也是机遇。
MPP计算机
CLUSTER计算机
神威〃太湖之光组成
坐落于国家超级计算无锡中心。机身安放在一间约 1000平方米的房间内。由40个运算机柜和8个网络机 柜组成，每个运算机柜比家用的双门冰箱略大。打 开柜门，4块由32块运算插件组成的超节点分布其中； 每个插件由4个运算节点板组成，一个运算节点板又 含2块“申威26010”高性能处理器。据统计，一台机 柜装有1024块处理器，整台“神威〃太湖之光”共 有40960块处理器。
神威〃太湖之光应用
1分钟完成地球人32年计算
天气预测、身体检测、石油勘探、生物信息、 新药创新、材料化工、环境科学、船舶工程、 航空航天设计、传统制造业改造等等
超级计算机发展路线图
时间 器件 计算速度 并行度 内存容量 功耗 用途
2010
2020年 CMOS Exaflops(1018) >109-10 25PB 40MW 核聚变模拟
计算机系统结构概论
数据表示、寻址方式与指令系统 存储、中断、总线与I/O系统* 存储体系* 流水和指令级高速并行的超级机 阵列处理机 多处理机 数据流机和规约机* 多核技术
课程的重点
从整体上掌握计算机系统的工作原理，以讲
授计算机系统结构的基本概念和基本原理为 主，而不是完整介绍各种系统结构，即不是 以具体的机器为实例进行教学 让同学们明白计算机技术发展的趋势及影响， 激发学习热情、钻研和创新精神 了解各种技术、概念，扩大知识面
2030年 纳米量子器件 1011 -1012 EB(1018B) MW 地球模拟
2050年 量子、生物分子 1013 -1015 ZB(1021B) MW MEMS优化
Zettaflops(1021) >Yottaflops(1024)
蛋白质折叠等
2020
生命科学等
2030
脑科学模拟等
2050
必须突破并行编程模型
Байду номын сангаас
必须突破并行编程模型
现在微处理器少则几个十几个核，多则数千个核，连每个 用户手中的终端都是多核处理器，如何让一个任务分解到 多个核中运行成为今后编程的大问题。在现有串行编程模 型上做并行化没有出路，一定回到原始问题，重新新考虑 并行算法和并行编程，这可能是今后几十年计算机科学和 软件界必须突破的科学问题和关键技术。
说明
计算机技术七十年的发展，尤其是近十年的发展十分迅猛， 新概念、新技术不断涌现，对社会和生活的有巨大影响 计算机应用的广度和深度日益扩大，概念有所变化： 软、硬件技术发展不均衡。 计算机的应用不是简单的编写程序，而是解决方案 (solution)，集成(Integrated)，标准(Standard) 技术的研发要从商业运营模式出发考虑，才能体现其价值
如：RISC、RAID、SMP、Cluster等 如：网格计算（Grid Computing） 如：多核技术（Multicore） 如：Itanium 2与Opteron等
为什么讨论系统结构？
计算机更新换代的标志 一般把主要电子器件的使用作为更新换代的 主要标志 电子管、晶体管（变址寄存器）、 集成电路、 中小规模集成电路（开始出现并行计算机）、 超大规模集成电路 系统结构新技术的不断出现与应用
《Computer Architecture:A Quantitative Approach》 John L.Hennessy, David A.Patterson 《ADVANCED COMPUTER ARCHITECTURE 》 Kai Hwang
共勉之言
态度决定一切
考试只是手段，掌握知识才是关键。 本课的重点在于宏观理解计算机系统，扩大知识 面。 向他人公开你的见解和问题，勇于提出问题。 通过报纸、杂志、书籍和网络查阅相关文献。 活到老、学到老，时时更新自己的知识。
课程目标
本课程主要包括计算机系统结构基本概念、组成及 相关设计原理；计算机系统结构各组成部分的相关 技术、分析及设计方法；计算机系统设计的基本方 法。通过本课程的学习，使同学们理解计算机系统 的基本工作原理，以及在硬件、软件界面划分的权 衡策略，建立完整的、系统的计算机软硬件整体概 念。
课程主要内容
计算机系统结构
课程介绍
课程目标
本课程是计算机科学与技术专业的一门的基础课程。 该课程是《数字逻辑》、《计算机组成原理》、 《操作系统》、《编译原理》、《数据结构》、 《汇编语言程序设计》等课程的后续课程。该课程 将先修课程中所学的软、硬件知识有机的结合起来， 以计算机系统结构中硬中有软、软中有硬、相互转 换、彼此渗透的观念，从原理、结构和实现技术等 方面系统地对现代计算机的并行处理及相关技术进 行深入分析和探讨。
如：Pentium（P5) 采用两条指令流水线 如： Pentium Pro 基于动态执行技术 如：多核技术（Multicore） 2006年双核元年，多核时代
2013下半年 top10
2014上半年 top10
2014下半年 top10
2015上半年 top10
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