计算机体系结构基础
计算机的基本组成和基本工作过程
02
硬件系统包括中央处理器、存储器、输入输出 设备等，是计算机的物理基础。
04
计算机的基本工作过程是通过中央处理器执行程序 中的指令，对数据进行运算和处理，并将结果输出
到相应的设备上。
02
计算机硬件系统
中央处理器（CPU）
1 2
3
控制器
负责从存储器中取出指令，并解析指令，根据指令的要求， 向计算机的各个部件发出控制信号，协调计算机的工作。
通常包括操作码、地址码等部分，用于标识操作类型和操作对象。
计算机执行程序的过程
取指令 分析指令 执行指令 存储结果 下一条指令
从存储器中取出要执行的指 令。
对取出的指令进行分析，确 定操作类型和操作对象。
根据分析结果，执行相应的 操作。
将执行结果存储到指定位置 。
取下一条要执行的指令，重 复上述过程。
中断与异常处理
中断
计算机在执行程序过程中，由于外部事件或内部原因引起的暂停当前程序执行，转去执行另一段 程序的过程。
异常
计算机在执行程序过程中出现的非正常情况，如算术溢出、非法操作等。
中断与异常处理机制
计算机通过中断与异常处理机制，实现对外部事件和内部异常的响应和处理，保证系统的稳定性 和可靠性。包括中断请求、中断响应、中断服务和中断返回等过程。
存储和处理数据的能力。
计算机的发展经历了机械计算机、 电子管计算机、晶体管计算机、 集成电路计算机和超大规模集成
电路计算机等阶段。
随着技术的不断进步，计算机的 性能不断提高，体积不断缩小， 价格不断降低，应用领域也不断
扩展。
计算机的分类与应用领域
根据计算机的运算速度、字长、存储容量等指标，计算机可分为巨型机、大型机、 小型机、微型机和工作站等类型。
计算机网络体系结构
数据传递过程
计算机网络的各个层次以及每个层次协议的集合称为计算机网络体系结构。
各个层次的所有协议也被称为协议栈。
世界上第一个计算机网络体系结构是美国IBM公司于1974年提出的SNA（系统网络体系结构）
其他的网络体系结构：Digital公司的网络体系结构DNA、Honeywell公司的分布式体系结构DSA等
03
04
本章知识点
信息交换过程
信息
数据
信号
通信网络
信息
数据
信号
物理链路是网络通信必备要素，它是信号传播的载体。
3
2
4
1
发送方如何确定接收方愿意接收数据或已经准备好了接收数据？
数据在传输过程中可能会丢失，如何检测丢失，丢失以后如何处理？
发送方和接收方之间可能间隔了多个网络，如何在网络之间找到一条正确的路，使得数据能够到达接收方？
各种 应用服务
TCP/IP 的三个服务层次
F T P
S M T P
T F T P
D N S
T e l n e t
S N M P
TCP UDP
应用层
运输层
TCP和UDP都根据端口(port)号把信息提交给上层对应的协议（进程）。
port
互联网层的四个主要协议
应用层
运输层
计算机网络体系结构
采用不同体系结构的两个网络之间很难通信 。
为使所有的网络都能互连互通，国际标准化组织ISO于1983年提出了开放系统互连参考模型（Open Systems Interconnection Reference Model，OSI/RM），简称OSI参考模型
计算机基础知识点总结
计算机基础知识点归纳1一、硬件知识1、计算机系统的组成包括硬件系统和软件系统硬件系统分为三种典型结构：（1）单总线结构（2）、双总线结构（3）、采用通道的大型系统结构中央处理器CPU包含运算器和控制器。
2、指令系统指令由操作码和地址码组成。
3、存储系统分为主存—辅存层次和主存—Cache层次Cache作为主存局部区域的副本，用来存放当前最活跃的程序和数据。
计算机中数据的表示Cache的基本结构：Cache由存储体、地址映像和替换机构组成。
4、通道是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器，它使CPU与I/O 操作达到更高的并行度。
5、总线从功能上看，系统总线分为地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB）。
6、磁盘容量记计算非格式化容量=面数x（磁道数/面）x内圆周长x最大位密度格式化容量=面数x（磁道数/面）x（扇区数/道）x（字节数/扇区）7、数据的表示方法原码和反码[+0]原=000...00 [—0]原=100......00 [+0]反=000...00 [—0]反=111 (11)正数的原码=正数的补码=正数的反码负数的反码：符号位不变，其余位变反。
二、操作系统操作系统定义：用以控制和管理系统资源，方便用户使用计算机的程序的集合。
功能：是计算机系统的资源管理者。
特性：并行性、共享性分类：多道批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统。
进程：是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。
进程分为三种状态：运行状态（Running）、就绪状态（Ready）、等待状态（Blocked）。
虚拟存储器：是指一种实际上并不以物理形式存在的虚假的存储器。
页架：把主存划分成相同大小的存储块。
页：把用户的逻辑地址空间（虚拟地址空间）划分成若干个与页架大小相同的部分，每部分称为页。
页面置换算法有：1、最佳置换算法OPT2、先进先出置换算法FIFO3、最近最少使用置换算法LRU4、最近未使用置换算法NUR使独占型设备成为共享设备，从而提高设备利用率和系统的效率。
体系结构的其他基础知识
3．4 体系结构其他基础知识3．4．1主要知识点了解掌握流水线技术、RISC计算机、并行处理技术、多处理机系统方面的基本知识。
3．4．1．1流水线技术流水线技术是通过并行硬件来提高系统性能的常用方法。
计算机流水线技术包括指令流水线和运算操作流水线。
计算机中一条指令的执行需要若干步，通常采用流水线技术来实现指令的执行，以提高CPU 性能。
流水线设计的基本思想其实很简单，任何一个可以分解的任务都可以用流水线来做，可以设置多个处理机构，分别执行相应的子任务。
为了提高流水线性能，有些处理时间长的步骤还需分解成更小的步骤，使流水线上所有步骤的处理时间相同。
实际上，流水线技术对性能的提高程度取决于其执行顺序中最慢的一步。
在实际情况中，流水线各个阶段可能会相互影响，阻塞流水线，使其性能下降。
阻塞主要由两种情形引起：执行转移指令和共享资源冲突。
指令流水线技术其实是把处理瓶颈从CPU子系统转移给了存储子系统。
在存储系统中也需要使用流水线技术的CPU系统的处理能力。
流水线计算机的存储器分成若干（4个）独立存储体，以支持流水线方式并发访问。
流水线计算机也使用了Cache，通常分为指令Cache和数据Cache，各自用于存放指令和操作数。
3．4．1．2RISC计算机的主要特点①指令数量少：RISC机优先选取使用频率最高的一些简单指令以及一些常用的指令，避免使用复杂指令。
②复杂的寻址方式少：RISC机通常支持寄存器寻址方式、立即数寻址方式以及相对寻址方式。
③指令长度固定，指令格式种类少：因为RISC指令数量少，格式也相对简单（与CISC比较）其指令长度固定，指令之间各字段的划分比较一致，所以其译码也相对容易。
④只提供了Load/Store指令访问存储器。
⑤以硬布线逻辑控制为主：RISC机为了提高操作的执行速度，通常采用硬布线逻辑（组合逻辑）来构建控制器。
而CISC机的指令系统很复杂，难以用组合逻辑电路来实现控制器，通常采用微程序控制。
计算机网络技术体系架构
计算机网络技术体系架构计算机网络技术是现代信息技术的重要组成部分，它涉及到数据的传输、处理和存储等多个方面。
一个完整的计算机网络技术体系架构通常包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层等多个层次。
下面将详细介绍这些层次的功能和作用。
物理层物理层是网络体系结构的基础，主要负责在物理媒介上传输原始的比特流。
这一层包括了电缆、光纤、无线电波等传输媒介，以及与之相关的信号调制、编码和解码技术。
物理层的设备包括集线器、中继器等，它们负责信号的放大和转发。
数据链路层数据链路层位于物理层之上，负责在相邻的网络设备之间建立、维护和终止数据链路。
这一层的主要功能包括帧的封装、错误检测和纠正、流量控制等。
数据链路层的设备包括网桥和交换机，它们可以过滤和转发数据帧。
网络层网络层是整个网络体系架构中的核心，负责在多个网络之间进行数据包的传输和路由选择。
网络层的主要功能包括IP地址分配、路由协议、数据包的分段和重组等。
网络层的设备包括路由器，它们根据路由表来决定数据包的转发路径。
传输层传输层位于网络层之上，负责在端到端的通信过程中提供可靠的数据传输服务。
这一层的主要协议有TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。
TCP提供可靠的、面向连接的服务，而UDP则提供不可靠的、无连接的服务。
传输层负责数据的分段、重组、流量控制和拥塞控制。
会话层会话层负责在网络通信中建立、管理和终止会话。
它提供了一种机制，使得通信的两个端点能够在一个会话中进行数据交换。
会话层的功能包括会话建立、数据同步、会话恢复等。
表示层表示层负责数据的表示、编码和解码。
它确保发送的数据能够被接收端正确理解。
表示层的功能包括数据格式转换、数据压缩、加密和解密等。
应用层应用层是最接近用户的一层，它提供了网络服务和应用程序之间的接口。
应用层包括了各种网络应用和服务，如Web服务、电子邮件、文件传输等。
应用层的协议包括HTTP、FTP、SMTP等。
北理工计算机体系结构习题解答
*1
32000 *
2
15000
*
2
8000
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2)
*
(
40
1 *106
)
3.875*103秒
21
1-11 假设在一台40MHz处理机上运营200,000条指令旳目旳代码，程序主要
由四种指令构成。根据程序跟踪试验成果，已知指令混合比和每种指令所 需旳指令数如下：
指令类型
CPI
指令混合比
算术和逻辑
1
6
第1章 基础知识
仿真
用一种机器(A)旳微程序直接解 释 实 现 另 一 种 机 器 ( B) 旳 指 令 系 统，从而实现软件移植旳措施
被仿真旳机器称为目旳机，进行 仿真旳机器称为宿主机，解释微 程序机器称为仿真微程序
7
第1章 基础知识
并行性
指能够同步进行运算或操作旳特 征，它有两重含义：
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第2章
（1）最优Huffman H=- ∑Pi×log2Pi
=0.25×2+0.20×2.322+0.15×2.737+ ……
=2.96
41
I10
I9
I8
I7
I6
I5
I4
I3
I2
0.02
0.03
0.04
0.05
0.08
0.08
0.10
0.15
0.20
1
1 0
0
0.05
0.09
1
0
1
0
0.17
原来存在旳事物或属性，从某个角 度看却好象不存在
软件兼容
程序能够不加修改地运营在各档机 器上，区别仅在于运营时间不同
《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。
简述冯.诺依曼计算机系统结构
简述冯.诺依曼计算机系统结构
冯·诺依曼计算机系统结构也被称为冯·诺依曼体系结构或冯·诺依曼体系，是现代计算机系统结构的基础和范例。
该结构由美国数学家冯·诺依曼于1945年提出，并在其著作《EDVAC报告》中详细阐述。
冯·诺依曼计算机系统结构包括以下几个关键部分：
1.中央处理器（CPU）：负责执行计算机指令和处理数据的核心部件，分为算术逻辑单元（ALU）和控制单元（CU）两部分。
2.存储器：用于存储指令和数据的设备，包括主存储器（RAM）和辅助存储器（硬盘、固态硬盘等）。
3.输入/输出设备：用于与外部世界进行信息交互的设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等。
4.指令集架构（ISA）：规定了计算机能够执行的指令集和操作码的集合，决定了计算机的编程模型和指令执行方式。
5.存储程序：计算机能够执行的指令和数据以二进制形式存储在存储器中，并按照顺序执行。
冯·诺依曼计算机系统结构的特点包括：
1.存储程序：指令和数据以相同的格式存储在存储器中，计算
机可以按顺序读取并执行。
2.存储器访问：计算机可以通过地址寻址方式从存储器中读取或写入指令和数据。
3.存储器分层：将存储器分为主存储器和辅助存储器，主存储器用于临时存储数据和指令，辅助存储器用于永久存储。
4.指令流水线：计算机可以将指令和数据进行流水线处理，以提高执行效率。
5.可编程性：冯·诺依曼计算机具有较高的可编程性，可以根据需求修改和执行不同的程序。
冯·诺依曼计算机系统结构的发展和应用为现代计算机科学和技术的进步提供了坚实的基础，并成为了普遍采用的计算机结构范例。
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计算机体系结构基础
计算机体系结构基础是指计算机的内部实现，包括主板、处理器、存储器、总线、I/O设备及相关互联等。
计算机体系结构的核心就是中
央处理器（CPU）。
CPU与RAM、ROM、电源、外部设备以及特殊集成电
路等都有必须相互连接的要求，即计算机的硬件结构。
主板是一个在硬件上实现信息传递的平台，各种元器件都可以通
过它来连接在一起，它将每个电子元器件组成一个完整的计算机系统。
主板上有接口安装CPU、内存、显卡、声卡、网卡、串口等接口。
存储器用来存储电脑计算结果和作业数据，主要分为内存和外存
两种。
内存主要有DRAM（动态随机存取存储器）,这类存储器内存单元大，便宜，但容量较小，速度也比较慢；SRAM（静态随机存取存储器），它的容量小，但速度快，一般用在读写，如缓冲存储器；外存
方面主要有硬盘、U盘、CD-ROM等，它们具有较大容量，但速度相对
较慢。
总线是计算机内部硬件元器件之间相互通信传输数据的通道。
总
线也分为几种，如主板总线、IO总线、专用总线等，这其中最常用的
是主板总线，它连接CPU、内存和主板上的扩展插槽的元器件，按照总
线的宽度可以分为8位、16位、32位、64位几种。
I/O设备是计算机完成输入输出的设备，可以用来在计算机和外部
设备之间传输数据。
I/O设备有很多种，如硬盘、显卡、鼠标、键盘、
打印机、扫描仪等，这些都是计算机使用过程中必不可少的设备。
计算机体系结构基础包括主板、CPU、内存、总线、I/O设备等，
这些元素组合成一个完整的硬件系统，能够完成信息的输入和输出，
并且完成不同的处理功能。
计算机体系结构基础可以给我们认识计算
机系统架构及其工作原理提供重要依据和知识支持，让我们更好地使
用计算机来进行海量数据的处理与分析，从而有效解决实际问题。