計算機結構與邏輯設計演講人：日期:CATALOGUE目錄02硬件組成模塊01計算機系統概述03邏輯設計基礎04指令集架構05存儲系統設計06性能優化方向01PART計算機系統概述定義了硬件和軟件之間的接口，使得軟件能夠正確地指揮硬件進行操作。將復雜的軟件系統劃分為多個層次，每個層次都具有特定的功能和接口，以提高軟件的可維護性和可擴展性。在硬件和軟件設計過程中進行協同仿真和驗證，以確保二者之間的正確性和兼容性。將軟件嵌入到硬件中，形成一個緊密耦合的系統，以提高系統的可靠性和性能。硬件與軟件協同架構指令集架構軟件分層設計軟硬件協同驗證嵌入式系統馮·諾依曼體系核心原理存儲程序原理01程序存儲在計算機的內存中，計算機按照程序的指令逐條執行。指令和數據都存儲在同一個存儲器中02簡化了計算機的結構，降低了成本，但指令和數據之間的區別需要由計算機硬件來識別。采用二進制表示03二進制只有0和1兩種狀態，易于物理實現，且運算規則簡單。五大部件04輸入設備、輸出設備、存儲器、運算器和控制器。微程序層也稱為微指令層，是計算機最底層的控制程序，由微指令組成，用于解釋和執行機器指令。機器語言層也稱為機器指令層，是計算機的硬件能夠直接識別和執行的指令集合。操作系統層管理計算機的硬件資源和軟件資源，為用戶提供友好、統一的界面和服務。應用軟件層為解決用戶的具體問題而設計的各種軟件，如辦公軟件、圖形處理軟件等。用戶層是計算機系統的最高層，直接與用戶進行交互，通過應用程序和軟件來使用計算機系統的功能和資源。現代計算機層級劃分010203040502PART硬件組成模塊執行算術和邏輯運算，如加法、減法、邏輯與運算等。運算器暫存數據或指令，以便CPU能夠快速訪問。寄存器01020304解析并識別指令，控制各個功能單元的操作。指令譯碼器負責整個CPU的協調和控制，包括指令的獲取、譯碼和執行。控制器中央處理器功能單元高速緩存（Cache）位于CPU和主存之間，存儲速度接近CPU，用于存放當前正在使用的數據和指令。主存儲器（RAM）可讀可寫，存儲速度較慢，但容量大于高速緩存，用于存放程序和數據。輔助存儲器（硬盤、SSD）容量大，速度慢，用于長期存儲數據和程序。存儲器層次結構通過不同速度和容量的存儲器組合，實現存儲系統的性價比最優化。存儲器層次化設計輸入輸出系統接口端口和連接器提供與外部設備連接的物理接口，如USB、HDMI、網線接口等。數據傳輸方式和協議定義數據傳輸的速率、格式和方式，如USB協議、HDMI協議等。輸入設備接口接收用戶輸入的數據，如鍵盤、鼠標、掃描儀等。輸出設備接口將處理后的數據發送給輸出設備，如顯示器、打印機、音響等。03PART邏輯設計基礎布爾代數與邏輯門實現布爾代數基本概念布爾代數是一種用于描述邏輯關系的數學工具，包括變量、常量、布爾運算等基本內容。邏輯門電路布爾代數在邏輯門電路中的應用邏輯門電路是實現布爾代數的基本單元，包括與門、或門、非門等基本邏輯門，以及它們的組合形式如與非門、或非門等。通過布爾代數可以描述邏輯門電路的輸入和輸出關系，進而實現復雜的邏輯功能。123組合電路設計方法組合電路是由多個邏輯門電路組合而成的，其輸出狀態僅與當前輸入狀態有關，與之前的輸入狀態無關。組合電路的基本概念根據實際需求，確定輸入和輸出變量；列出真值表，描述所有可能的輸入和輸出組合；通過邏輯門電路實現真值表所描述的邏輯關系。組合電路設計步驟在保證邏輯功能正確的前提下，通過簡化邏輯表達式、減少邏輯門數量等方法優化組合電路的設計。組合電路的優化時序電路控制原理時序電路的基本概念01時序電路是一種輸出狀態不僅與當前輸入狀態有關，還與之前輸入狀態有關的電路。時序電路具有記憶功能，能夠存儲信息。觸發器及時序電路的基本單元02觸發器是一種具有記憶功能的邏輯電路，是時序電路的基本單元。常見的觸發器包括RS觸發器、D觸發器、JK觸發器等。時序電路的設計方法03根據實際需求，確定輸入和輸出變量；設計狀態轉換圖，描述狀態之間的轉換關系；選擇合適的觸發器和邏輯門電路實現狀態轉換圖所描述的邏輯關系。時序電路的分析方法04根據給定的時序電路，分析電路的輸入和輸出關系，確定電路的功能和特性。時序電路的分析包括狀態轉換表的建立、時序圖的繪制等步驟。04PART指令集架構指令格式立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、基址尋址、相對尋址、堆棧尋址等多種方式，用于確定操作數的有效地址。尋址模式指令長度固定長度指令和可變長度指令，影響指令的編碼效率和靈活性。操作碼+寄存器地址/立即數/存儲器地址，指示計算機執行的操作和所需數據的位置。指令格式與尋址模式流水線執行機制流水線的基本概念將指令的執行過程分解為多個獨立的階段，并行執行，以提高指令的執行速度。流水線的分類單功能流水線、多功能流水線、線性流水線、非線性流水線等。流水線的性能評估吞吐量、效率、加速比、流水線深度等指標，用于衡量流水線的性能。流水線的相關與沖突數據相關、控制相關、結構相關，以及解決沖突的方法，如轉發、阻塞、旁路等。異常與中斷的概念中斷系統異常的分類與處理異常與中斷的異同異常是指計算機在執行指令時發生的非預期事件，中斷是指計算機暫時停止當前程序的執行，轉而執行另一段程序以處理異常事件。中斷請求、中斷響應、中斷處理、中斷返回等過程，以及中斷向量表、中斷優先級等概念。內部異常（如除零錯誤、越界錯誤）和外部異常（如I/O設備中斷），以及相應的處理方法。異常處理通常由軟件實現，中斷處理由硬件和軟件協同完成；異常處理主要用于處理程序錯誤，中斷處理主要用于響應外部事件。異常處理與中斷系統05PART存儲系統設計主存與輔存協同策略主存高速、容量小、成本高，用于存放當前運行的程序和數據。輔存低速、容量大、成本低，用于長期保存程序和數據。數據調動策略將輔存中的數據塊按需調入主存，提高數據訪問效率。淘汰策略當主存空間不足時，根據一定算法將不常用的數據塊淘汰回輔存。虛擬內存管理技術虛擬內存01通過軟件將輔存部分空間模擬成主存空間，擴大程序可訪問的內存范圍。虛擬內存地址與物理內存地址的映射02通過操作系統建立虛擬內存地址與物理內存地址的對應關系，實現程序的正常訪問。缺頁中斷處理03當程序訪問的頁面不在主存時，觸發缺頁中斷，操作系統將所需頁面從輔存調入主存。頁面淘汰策略04當主存空間不足時，根據算法選擇不常用的頁面淘汰回輔存，騰出空間給新的頁面使用。位于CPU與主存之間的快速存儲器，用于存放當前訪問的熱門數據。在多處理器系統中，確保各處理器的高速緩存中的數據與主存中的數據保持一致。當某個處理器對緩存中的數據進行修改時，通知其他處理器將該數據標記為無效，避免數據不一致。當某個處理器對緩存中的數據進行修改時，將該數據寫回主存，并通知其他處理器更新其緩存中的副本。高速緩存一致性協議高速緩存緩存一致性協議寫無效協議寫更新協議06PART性能優化方向SIMD（單指令多數據）技術通過同時處理多個數據元素來提高性能。MIMD（多指令多數據）技術允許不同處理器同時執行不同指令，實現更高效的并行處理。多核與超線程技術通過增加處理器核心數和線程數來提高性能。GPU（圖形處理器）加速利用GPU進行大規模并行計算，提高計算性能。并行計算架構演進如PCIe、USB3.0等，提高數據傳輸速率。采用高速總線技術通過多個通道同時傳輸數據，提高總線帶寬。多通道數據傳輸01020304通過增加總線的物理寬度，提高數據傳輸速度。增加總線寬度減少數據傳輸量