计算机设计基本原理计算机系统结构
计算机体系结构与并行处理
计算机体系结构与并行处理计算机体系结构与并行处理是计算机科学领域中的重要概念。
本文将介绍计算机体系结构的基本原理、并行处理的概念及其应用，并附带题库类型的相关问题及解析。
一、计算机体系结构基本原理计算机体系结构是指计算机系统中各个硬件组件之间的结构关系和工作原理。
它包括计算机的各个层次结构，以及指令系统设计、存储器层次结构和总线结构等内容。
1. 数据通路与控制单元计算机体系结构中，数据通路用于处理和传输数据，控制单元则负责指导和协调各个硬件组件的工作。
数据通路包括算术逻辑单元(ALU)、寄存器、数据缓冲器等，而控制单元则由指令寄存器(IR)、程序计数器(PC)和控制逻辑组成。
2. 存储器层次结构存储器层次结构包括寄存器、高速缓存、主存和辅助存储器等。
其中，寄存器是CPU内部用于保存数据和指令的最快速的存储器。
高速缓存则位于CPU与主存之间，用于加速数据的读写。
主存是计算机中用于存储程序和数据的主要存储设备。
而辅助存储器则用于长期存储数据和程序。
3. 指令系统设计指令系统是计算机体系结构的核心部分，它规定了计算机所能执行的指令集和执行方式。
指令集包括数据传输指令、算术逻辑指令、控制转移指令等。
指令系统设计的关键是平衡指令的功能和数量，以满足计算机的多样化需求。
4. 总线结构总线是计算机中用于数据传输的公共通道。
总线结构包括数据总线、地址总线和控制总线等。
数据总线用于传输数据，地址总线用于定位数据在存储器中的位置，而控制总线则用于传输控制信号。
二、并行处理的概念及应用并行处理是指多个处理器同时执行多个任务或同一任务的不同部分，以提高计算机系统的性能和效率。
它可以分为粗粒度并行和细粒度并行。
1. 粗粒度并行粗粒度并行是指将一个任务分成多个子任务，由多个处理器分别执行。
每个处理器独立地处理自己的子任务，最后将结果合并。
粗粒度并行适用于需要处理的数据量大、计算复杂度高的任务，如科学计算和大规模数据处理。
2. 细粒度并行细粒度并行是指将一个任务分成多个子任务，并行执行它们的不同部分。
计算机组成与基本工作原理
输入设备 输入设备是用来接受用户输入的原始数据 和程序，并将它们变为计算机能识别的二 进制数存放到内存中。常用的输入设备有 键盘、鼠标、扫描仪等。
输出设备 输出设备用于将存放在内存中由计算 机处理的结果转变为人们所能接受的 形式。常用的输出设备有显示器、打 印机等。
微机显示系统由显示器和显示控制适配卡 （Adapter，简称显示适配卡或显示卡）组成。 显示器 显示器又称监视器（Monitor），是微机系统的标 准输出设备，它能快速地将计算机输入的原始信 息和运算结果直接转换成人能直接观察和阅读的 光信号，输出信息可以是字符、汉字、图形或图 像。 按所使用的器件，显示器可分为以阴极射线管为 核心的CRT显示器与平板显示器。 显示器的主要技术指标：像素、点距和分辨率、 扫描方式。
Mn
DRAM
外存 n
低成本
外存 外存 ... 1 2
外存
硬盘、光盘、U盘等
信息的存储单位
位（Bit）：度量数据的最小单位
字节（Byte）：最常用的基本单位
b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 1 0 0 1 0 1 0 1 =27+ 24+ 22+ 20 K 字节 1K = 1024 byte M（兆）字节 1M = 1024 K G（吉） 字节 1G = 1024 M T（太）字节 1T = 1024 G
微机结构示意图
地址总线 AB
CPU
存 储 器
I/O 接 口
输 入 设 备
I/O 接 口
输 出 设 备
数据总线 DB
控制总线 CB
微机的硬件由CPU、存储器、输入/输出设备构成； 输入/输出设备通过I/O接口与系统相连； 各部件通过总线连接。
计算机系统的基本组成概述
输出设备（Output Device） （1）显示器（Monitor） 显示器是微型计算机不可缺少的输出设备，用 户通过它可以很方便地查看输入计算机 的程序、数据和图形等信息及经过计算机处理后 的中间和最后结果。 按照显示器工作原理可以将显示器分为3类：阴极 射线管显示器（CRT）、液晶显示器 （LCD）、等离子显示器（PDP）等。
输入设备（Input Device） （1）键盘（KeyBoard） 键盘是数字和字符的输入装置。 键盘上的按键大致可分为3个区域：字符键区、功 能键区和数字键区（数字小键盘）。 键盘的接口主要有PS/2和USB，Mouse） 鼠标是指点式输入设备，多用于Windows环 境中，来取代键盘的光标移动键，使定位更加方 便和准确。 按照鼠标的工作原理可将常用鼠标分为机械鼠标、 光电鼠标和光电机械鼠 标 3 种。 按照鼠标与主机接口标准分主要有 PS/2 接口和 USB 接口两类。
（3）扫描仪（Scanner） 扫描仪是一种光电一体化的设备，属于图形 输入设备。 （4）其他 手写板、视频头等。
输出设备 输出设备可以将计算机运算处理的结果以用 户熟悉的信息形式反馈给用户。通常输出形式 有数字、字符、图形、视频、声音等类型。常 见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。 思考：耳麦是属于输入设备还是输出设备？
1.系统软件:系统软件主要有操作系统和程序 设计语言两类。DOS、Windows、 Unix、Linux等都是计算机上使用的操 作系统软件。
二、计算机软件系统
2.应用软件:应用软件：如WPS、Word、 PowerPoint等都是应用软件。
三、计算机工作原理
1. 冯· 诺依曼结构计算机 :
(1)计算机由：运算器、控制器、 存储器、输入和输出设备组成。 (2)计算机中采用二进制 。 (3)把运算程序存在机器的存储器中， 程序设计员只需要在存储器中寻找 运算指令，机器就会自行计算。. 现代电子计算机之父
计算机系统的组成和基本结构资料
输出设备
微型计算机硬件系统的基本结构
中央处理器
概述 CPU的功能结构 CPU的主要技术参数
中央处理器
简称CPU（Central Processing Unit），是计算 机系统的核心，包括运算器和控制器两部分。 中央处理器是计算机的心脏。
运算器完成各种算术运算和逻辑运算。由进 行运算的运算器件和用来暂时寄存数据的寄 存器、累加器等组成。
固化在里面。 主要用于检查计算机系统的配置情况并提供
最基本的输入/输出控制程序。 特点是计算机断电后存储器中的数据仍然存在。 其他形式的只读存储器：可编程只读存储器PROM、可
擦除的可编程的只读存储器EPROM、闪存(Flash)本意是指互补金属氧化物半导体）， 主板上的一块可擦写的RAM芯片，用来保存 当前系统的硬件配置和用户对某些参数的设 定。 CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电， 信息也不会丢失。 CMOS RAM本身只是一块内存，只有数据保 存功能，而对CMOS中各项参数的设定要通过 专门的程序。
计算机系统的组成 和基本结构
计算机系统的组成和基本结构
1. 计算机系统的构成 2. 计算机硬件系统 3. 计算机软件系统 4. 计算机工作原理 5. 选配一台计算机
计算机系统构成结构
计算机系统
软件系统（程序、文档） 硬件系统（设备）
何为硬件系统？ 何为软件系统？
硬件系统是指由电子器件和机电装置组 成的计算机实体； 软件系统是指为计算机运行工作服务的 全部技术资料和各种程序。
分类：按其工作特点分为只读存储器ROM （Read-Only Memory）和随机存取存储器 RAM (Random Access Memory) 。
随机存取存储器（ RAM）
组成原理与计算机体系结构
组成原理与计算机体系结构计算机是一个非常复杂的系统，它在现代社会中扮演着至关重要的角色。
那么，计算机是如何诞生的呢？它的组成原理又是什么呢？本文将为大家介绍计算机的组成原理和体系结构，希望能够帮助大家更好地理解计算机。
一、计算机的组成原理计算机是由许多不同的部件组成的，这些部件需要相互配合才能正常工作。
计算机的主要组成部分包括：中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、硬盘、输入设备和输出设备等。
下面将分别介绍这些部件。
1、中央处理器中央处理器是计算机的“大脑”，它负责处理所有的指令和数据。
中央处理器包括两个重要的部分：控制单元和算术逻辑单元。
控制单元的主要功能是从内存中取出指令并执行它们，而算术逻辑单元则是负责执行各种算数和逻辑运算。
2、随机存储器随机存储器是计算机的内存，它用于暂时存储数据和指令。
随机存储器的容量和速度非常重要，它们直接影响计算机的性能。
3、硬盘硬盘是计算机的主要存储设备，它用于长期存储数据和程序。
硬盘的容量随着技术的发展而不断增加，目前最大的硬盘容量已经达到数十TB。
4、输入设备和输出设备输入设备和输出设备也是计算机的主要组成部分。
输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等，而输出设备则包括显示器、打印机、喇叭等。
二、计算机体系结构计算机体系结构是计算机硬件和软件之间的接口，它描述了计算机的组成和运行方式。
计算机体系结构包含两个层次：指令集体系结构和微体系结构。
下面将分别介绍这两个层次。
1、指令集体系结构指令集体系结构是计算机处理器和编译器之间的接口。
它定义了计算机所支持的指令集以及这些指令的语法和语义。
指令集体系结构包含许多方面，比如地址模式、数据类型、寄存器、中断和异常等。
2、微体系结构微体系结构是计算机处理器内部的设计，它描述了如何实现指令集体系结构。
微体系结构包括处理器中的电路、指令流水线、分支预测、缓存和总线等。
三、计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展经历了几个重要的阶段。
简述计算机的设计原理
简述计算机的设计原理计算机的设计原理。
计算机的设计原理是指计算机系统的构成和运行原理。
它涉及到计算机硬件、软件、网络等方面的知识，是计算机科学和技术的基础。
计算机的设计原理包括计算机的结构、指令系统、运算器和控制器的设计、存储器和输入输出设备的设计、计算机网络的设计等内容。
下面将简要介绍计算机的设计原理。
首先，计算机的结构是计算机的基本组成部分。
它包括中央处理器（CPU）、存储器、输入设备、输出设备和系统总线等。
中央处理器是计算机的核心部件，它包括运算器和控制器。
运算器负责进行各种算术运算和逻辑运算，控制器则负责控制计算机的运行。
存储器用于存储程序和数据，输入设备用于输入数据和程序，输出设备用于输出计算结果。
其次，计算机的指令系统是计算机的操作系统。
它包括指令的格式、指令的功能、指令的寻址方式等内容。
指令系统是计算机硬件和软件的接口，它规定了计算机的操作方式和功能。
指令系统的设计需要考虑到计算机的性能、可编程性、易用性等因素。
再次，计算机的运算器和控制器的设计是计算机的关键技术。
运算器负责进行各种算术运算和逻辑运算，控制器则负责控制计算机的运行。
它们的设计需要考虑到计算机的速度、精度、可靠性等因素。
在现代计算机中，运算器和控制器通常由微处理器实现。
此外，计算机的存储器和输入输出设备的设计也是计算机的重要组成部分。
存储器用于存储程序和数据，输入输出设备用于输入数据和程序以及输出计算结果。
它们的设计需要考虑到存储容量、存取速度、可靠性、成本等因素。
最后，计算机网络的设计是计算机的发展方向之一。
计算机网络是将多台计算机连接在一起，实现信息共享和资源共享。
计算机网络的设计需要考虑到网络拓扑、网络协议、网络安全、网络性能等因素。
综上所述，计算机的设计原理涉及到计算机的结构、指令系统、运算器和控制器的设计、存储器和输入输出设备的设计、计算机网络的设计等内容。
它是计算机科学和技术的基础，对于理解计算机的工作原理和提高计算机系统的性能具有重要意义。
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。
计算机系统结构和计算机组成原理
计算机系统结构和计算机组成原理计算机系统结构和计算机组成原理是计算机科学和技术领域中的两个重要概念。
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，而计算机组成原理是指计算机硬件的组成和工作原理。
本文将从计算机系统结构和计算机组成原理两个方面进行阐述，深入探讨计算机的工作原理和组成部分。
一、计算机系统结构计算机系统结构包括硬件和软件两个方面。
硬件部分主要包括中央处理器(CPU)、内存、输入输出设备等，而软件部分主要包括操作系统、编译器、应用程序等。
1. 中央处理器(CPU)中央处理器是计算机系统的核心部件，负责执行指令和控制计算机的运行。
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，而算术逻辑单元负责进行算术和逻辑运算。
2. 内存内存是计算机用于存储数据和指令的地方，也称为主存。
它分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两种。
RAM可以读写数据，而ROM只能读取数据。
内存的大小决定了计算机可以存储的数据量。
3. 输入输出设备输入输出设备用于与计算机进行数据的输入和输出。
常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等，而常见的输出设备有显示器、打印机、音频设备等。
输入输出设备通过与计算机系统的接口进行数据传输。
4. 操作系统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资源。
它提供了用户接口、文件管理、内存管理、进程管理等功能。
常见的操作系统有Windows、Linux、Mac OS等。
5. 编译器编译器是将高级程序语言转换为机器语言的软件工具。
它将程序源代码进行词法分析、语法分析和语义分析，生成目标代码。
常见的编译器有C语言编译器、Java编译器等。
6. 应用程序应用程序是计算机系统中的具体应用，如文字处理、图像处理、数据库管理等。
它们利用计算机系统的硬件和软件资源，完成特定的任务。
二、计算机组成原理计算机组成原理是研究计算机硬件组成和工作原理的学科。
它包括指令系统、数据表示、运算器设计、控制器设计等方面。
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1.1 引言 1.2 计算机的分类 1.3 计算机系统结构定义和计算机的设计任务 1.4 实现技术的趋势 1.5 集成电路功耗的趋势 1.6 成本的趋势 1.7 可靠性 1.8 测量、报告和总结计算机性能 1.9 计算机设计的量化原则 1.10 综合：性能和性价比
1
1.6 成本的趋势
） = 0.68
4.0
结论2：芯片面积大→成品率更低→ 芯片成本上升
直径30cm 晶圆有270 ×0.44=120个面积2.25cm 2成品芯片， 或者有640 ×0.68=435个面积1cm2成品芯片。 8
? 2006年，设30cm晶圆成本是 5500美元，
1个1.00cm 2的芯片成本 ----13美元 1个2.25cm 2的芯片成本 ----46 美元
3
集成电路的生产过程
4
一片封装好的集成电路成本的计算：
一片集成电路成本 = 每芯片成本 + 每个芯片测试成本 + 每个芯片封装成本
一片晶园成本 每芯片成本 =
每片晶园的芯片数 ×芯片成品率
晶圆面积
每片晶圆的芯片数 =
-
晶圆周长
芯片面积
芯片对角线长
单位面积的缺陷数 × 芯片面积
-α
芯片成品率 = 晶圆成品率× （ 1 +
? 因此，成本的小变化可能引起意料不到的价格大增
14
第1章 计算机设计基础
1.1 引言 1.2 计算机的分类 1.3 计算机系统结构定义和计算机的设计任务 1.4 实现技术的趋势 1.5 集成电路功耗的趋势 1.6 成本的趋势 1.7 可靠性 1.8 测量、报告和总结计算机性能 1.9 计算机设计的量化原则 1.10 综合：性能和性价比
? 系统的可靠性：系统从某个初始参考点开始一直连续 提供服务的能力。 例如：一个桌面电脑能用多久才出现故障？
16
可靠性的量化
? 模块可靠性： 从模块可用到出现故障的持续服务度量
? MTTF （mean time to failure ）: 平均故障时间
低成本
2
存储器芯片成本趋势
$80
$70
D? ? 3é ±? ?÷ê?
$60
$50
$40
$30
$20
$10
$0
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
16Kb
64Kb
256Kb
1Mb
4Mb
16Mb
7
例：设单位面积残次密度为 0.4/cm 2 ，且 α=4.0，分别 求边长1.5cm 和1.0cm 芯片的成品率。
单位面积的缺陷数 × 芯片面积
-α
芯片成品率 = （ 1 +
）
α 答：
0.4× 2.25 -4
1.5cm 芯片成品率 =（ 1 +
） = 0.44
4.0
0.4× 1.00 -4
1.0cm 芯片成品率 =（ 1 +
推论：芯片面积增加到 2倍，则成本增加到约 4倍。
芯片成本 对于计算机设计者，能够控制的是 芯片面积：
功能特性和 I/O 管脚数目
9
一个计算机系统中的成本分布
下表表明了2001 年$1000 PC 成本的近似分解
10
成本与价格
? 器件成本（Component costs ） ? 直接成本（direct cost ）：直接影响产品的成本.
? 人力成本, 废料 (the leftover from yield), 和保修期内 的保修费等
? 直接成本在器件成本上增加20%~40%.
? 毛利润（gross margin ，间接成本）
? 企业一般管理费直接分摊到一个产品中. ? 研发(R&D)，制造设备，市场销售 ，维护, 租场地, 经济
成本, 税收等. ? 研发费用一般占收入的4%~12%
）
α
5
晶圆面积
每片晶圆的芯片数=
-
晶圆周长
芯片面积
芯片对角线长
结论1，芯片面积直接影响芯片成本 ： 芯片面积大 → 晶圆上芯片数减少 →芯片成本上升
单位面积的缺陷数 × 芯片面积
-α
芯片成品率 = 晶圆成品率× （ 1 +
）
பைடு நூலகம்
α
假设为100%
?α 是取决于制造工艺复杂性的一个参数，与掩膜的层数成正比。 对于目前复杂的CMOS 工艺来说，估算值 α =4 。
11
? Average selling price （平均销售价格）
= Component costs + direct cost + gross margin ? ASP直接被计入到每一个产品的售价 .
? List price （市场价格）
= Component costs + direct costs+ gross margin + average discount
商家在ASP上的加价（一般是list price的25%~50%）
12
$1000 PC的价格组成
13
成本与价格
? 前图表明了一个设计决定是怎样影响出售价格的
如：成本增加1000美元，则售价可能增加到3000~4000美元
? 考虑产量与价格的关系：直接影响产品的成本.
? 通常，出售的计算机越少，价格越高 ? 产量的减少会引起成本的增加，进一步引起价格增加
? 元器件成本是设计者需要考虑的一个方面 ? 影响成本的主要因素：
? Time---- 元器件价格随着时间而下降（实现技术没有实质 性改进）。因为随着时间推移 产出率不断增高。
? Volume （产量）---- 提高意味着制造效率提高 ? Commodification（商品）----元器件供应商之间的竞争会降
? 单位面积缺陷数是衡量材料与工艺的一个指标，典型值为 0.5~1/cm 2
6
例子：直径为30cm 的晶圆上有多少边长为 1.5cm 的芯片？
? 答：芯片面积为（ 1.5cm ）2 = 2.25 cm 2
π × （30 /2）2
每片晶圆的芯片数 =
-
2.25
π ×30 2.12
= 270
类似的，直径 30cm 晶圆上边长为 1 cm 的芯片数为： 640
15
1.7 可靠性--Dependability
? 可靠性：广义上包括 可靠性、安全性和可用性 （Dependability is a deliberately broad term to
encompass many facets including reliability, security and availability .）