《系統(tǒng)結(jié)構(gòu)講義》課件

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)講義歡迎來到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的精彩旅程！我們將深入探索計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)作機(jī)制，從硬件到軟件，從底層到應(yīng)用，全面理解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的奧秘。by計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述硬件結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義了計(jì)算機(jī)硬件組件的組織方式，例如CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備等。軟件交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還涉及軟件與硬件之間的交互方式，例如操作系統(tǒng)如何管理硬件資源。系統(tǒng)性能理解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有助于優(yōu)化計(jì)算機(jī)性能，例如選擇合適的處理器和存儲(chǔ)器。1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義11系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成、工作原理以及相互之間關(guān)系的描述。22它是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和維護(hù)的依據(jù)。33它定義了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能和性能，并決定了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體架構(gòu)。44系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它影響著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能、成本和可靠性等重要指標(biāo)。1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)提升系統(tǒng)性能，最大化利用硬件資源，提高數(shù)據(jù)處理效率。降低系統(tǒng)成本，平衡性能和成本，選擇合適的硬件和軟件。保證系統(tǒng)可擴(kuò)展性，方便添加新功能和設(shè)備，適應(yīng)未來需求變化。增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少故障發(fā)生率。1.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類按功能劃分將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)劃分為不同的功能模塊，例如中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出系統(tǒng)等。這種分類便于理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和各個(gè)模塊之間的關(guān)系。按性能劃分根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理能力的不同，可以分為超級(jí)計(jì)算機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)等。這種分類能夠反映計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，例如處理速度、存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)吞吐量等。按體系結(jié)構(gòu)劃分可以分為馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)等，它們分別代表了不同的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。這種分類能夠深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如指令執(zhí)行方式、數(shù)據(jù)訪問方式和內(nèi)存管理機(jī)制等。2.指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件與軟件之間的接口，定義了CPU可執(zhí)行的指令集和數(shù)據(jù)格式。指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心，直接影響著系統(tǒng)的性能和功能。2.1指令格式操作碼指令格式中操作碼字段指定要執(zhí)行的操作，例如加法、減法、數(shù)據(jù)傳送等。地址碼地址碼字段包含操作數(shù)的地址信息，用于CPU找到要操作的數(shù)據(jù)。其他字段指令格式可能包含其他字段，例如標(biāo)志位，用于控制指令執(zhí)行過程中的某些選項(xiàng)。2.2尋址方式直接尋址直接尋址模式使用指令中的地址字段直接指定操作數(shù)的物理地址。簡(jiǎn)單高效，但缺乏靈活性，無法動(dòng)態(tài)調(diào)整操作數(shù)地址。寄存器尋址寄存器尋址模式使用指令中的地址字段指定操作數(shù)存儲(chǔ)在哪個(gè)寄存器中。速度快，但寄存器數(shù)量有限，無法存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。立即尋址立即尋址模式將操作數(shù)直接包含在指令中。方便快捷，但操作數(shù)的范圍受限于指令字長(zhǎng)。2.3指令流水線指令流水線是一種提高CPU性能的重要技術(shù)，它通過將指令執(zhí)行過程分解為多個(gè)階段，并讓多個(gè)指令同時(shí)處于不同階段執(zhí)行，從而提高指令執(zhí)行效率。1取指階段從存儲(chǔ)器中讀取指令2譯碼階段將指令轉(zhuǎn)換為CPU可執(zhí)行的格式3執(zhí)行階段執(zhí)行指令的操作4訪存階段從內(nèi)存中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)5寫回階段將結(jié)果寫入寄存器或內(nèi)存3.中央處理器中央處理器(CPU)作為計(jì)算機(jī)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)運(yùn)行的控制中心。3.1CPU組成結(jié)構(gòu)11.運(yùn)算器運(yùn)算器負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，是CPU的核心部件。22.控制單元控制單元負(fù)責(zé)控制指令的執(zhí)行順序和CPU的整體工作流程。33.寄存器組寄存器組用于存儲(chǔ)運(yùn)算器操作的數(shù)據(jù)和指令，是CPU內(nèi)部高速緩存。44.總線接口總線接口用于連接CPU與其他系統(tǒng)部件，例如內(nèi)存、I/O設(shè)備。3.2指令執(zhí)行過程1指令獲取CPU從內(nèi)存中獲取指令，并將指令存放到指令寄存器。2指令譯碼CPU對(duì)指令進(jìn)行分析，解碼，識(shí)別指令的類型、操作碼、操作數(shù)等信息。3指令執(zhí)行CPU根據(jù)譯碼結(jié)果執(zhí)行指令操作，例如算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸、邏輯操作等。4結(jié)果寫入CPU將執(zhí)行結(jié)果寫入到相應(yīng)的寄存器或內(nèi)存單元中。3.3性能指標(biāo)與優(yōu)化性能指標(biāo)是衡量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，包括執(zhí)行速度、吞吐量、響應(yīng)時(shí)間等。系統(tǒng)優(yōu)化是指通過調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以提高系統(tǒng)性能。優(yōu)化策略包括指令優(yōu)化、內(nèi)存優(yōu)化、緩存優(yōu)化等，旨在提高指令執(zhí)行效率、數(shù)據(jù)訪問速度和系統(tǒng)資源利用率。4.存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)系統(tǒng)由多個(gè)層次組成，每個(gè)層次都有不同的速度和容量，以滿足不同的需求。4.1存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)分級(jí)存儲(chǔ)體系現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用分級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，不同級(jí)別的存儲(chǔ)器根據(jù)速度和成本進(jìn)行劃分。速度越快的存儲(chǔ)器，其成本越高，存儲(chǔ)容量越小。分級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)通過將不同速度、成本和容量的存儲(chǔ)器分層組織，以提高系統(tǒng)性能。4.2主存儲(chǔ)器主要特性主存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，用于存放正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，可由CPU直接訪問。訪問速度相較于硬盤等外部存儲(chǔ)設(shè)備，主存儲(chǔ)器擁有更高的讀寫速度，是CPU直接訪問數(shù)據(jù)的重要存儲(chǔ)媒介。容量主存儲(chǔ)器的容量通常以字節(jié)為單位，是決定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量的關(guān)鍵因素。成本相較于硬盤等外部存儲(chǔ)設(shè)備，主存儲(chǔ)器擁有更高的成本，容量越大，成本越高。4.3高速緩存高速緩存概念高速緩存是位于CPU與主存儲(chǔ)器之間的高速存儲(chǔ)器。它存儲(chǔ)了主存儲(chǔ)器中使用頻率高的數(shù)據(jù)和指令，以便CPU可以更快地訪問這些數(shù)據(jù)。高速緩存作用高速緩存可以提高CPU的訪問速度，減少CPU的等待時(shí)間，從而提高系統(tǒng)性能。高速緩存原理高速緩存的工作原理是利用程序局部性原理，即CPU在訪問數(shù)據(jù)時(shí)通常會(huì)訪問相鄰的數(shù)據(jù)或指令，以及時(shí)間局部性原理，即CPU在一段時(shí)間內(nèi)可能會(huì)反復(fù)訪問同一數(shù)據(jù)或指令。高速緩存通過存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)和指令，提高訪問效率。高速緩存類型高速緩存根據(jù)其在系統(tǒng)中的位置和功能，可以分為一級(jí)緩存(L1)、二級(jí)緩存(L2)、三級(jí)緩存(L3)等。4.4虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器概念虛擬存儲(chǔ)器使用硬盤作為輔助存儲(chǔ)器，擴(kuò)展主存儲(chǔ)器容量，允許多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行。分頁(yè)技術(shù)將程序和數(shù)據(jù)分割成固定大小的頁(yè)面，并將其存儲(chǔ)在主內(nèi)存或磁盤的頁(yè)面幀中。分段技術(shù)將程序和數(shù)據(jù)分割成邏輯上相互獨(dú)立的段，每個(gè)段擁有不同的權(quán)限和訪問控制機(jī)制。5.輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中與外部世界進(jìn)行信息交換的橋梁。它負(fù)責(zé)將來自外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳遞給CPU，并將CPU處理后的數(shù)據(jù)傳送到外部設(shè)備。5.1I/O接口定義I/O接口是連接外部設(shè)備與系統(tǒng)總線之間的橋梁，提供數(shù)據(jù)傳輸、控制信號(hào)和狀態(tài)信息。功能負(fù)責(zé)與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、控制設(shè)備操作，以及接收設(shè)備狀態(tài)信息。類型常見的I/O接口包括串行接口、并行接口、USB接口、網(wǎng)絡(luò)接口等，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)備類型選擇。5.2I/O控制器I/O控制器功能I/O控制器負(fù)責(zé)管理I/O設(shè)備與主機(jī)的通信，包括數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)控制和錯(cuò)誤處理。I/O設(shè)備接口I/O控制器通過特定的接口連接I/O設(shè)備，協(xié)調(diào)設(shè)備與主機(jī)的交互。數(shù)據(jù)傳輸控制器負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從主存?zhèn)鬏數(shù)絀/O設(shè)備，或?qū)?shù)據(jù)從設(shè)備傳輸?shù)街鞔?。指令控制控制器接收CPU指令，并控制I/O設(shè)備的運(yùn)行，例如啟動(dòng)、停止、讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)等。5.3I/O通信協(xié)議同步通信同步通信是指在數(shù)據(jù)傳輸過程中，發(fā)送方和接收方必須保持同步，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同步通信方式包括：查詢方式中斷方式DMA方式異步通信異步通信是指發(fā)送方和接收方可以不同步，數(shù)據(jù)傳輸不依賴于時(shí)鐘信號(hào)。異步通信方式包括：串行通信并行通信總線系統(tǒng)總線是連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)組件的關(guān)鍵元素，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)的傳輸。6.1總線的功能與特性11.數(shù)據(jù)傳輸總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不同部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，例如CPU、內(nèi)存、外設(shè)。22.地址傳輸總線負(fù)責(zé)傳輸?shù)刂沸畔?，用于定位存?chǔ)器或外設(shè)中的特定位置。33.控制信號(hào)傳輸總線傳遞各種控制信號(hào)，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個(gè)部件之間的操作，例如讀寫操作、中斷請(qǐng)求。44.特性總線具有帶寬、傳輸速度、信號(hào)類型等特性，影響著系統(tǒng)性能。6.2總線結(jié)構(gòu)分類單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的一種總線結(jié)構(gòu)，所有設(shè)備共享一條總線，成本低，但效率較低。多總線結(jié)構(gòu)多總線結(jié)構(gòu)通過多個(gè)總線來提高系統(tǒng)的效率和性能，例如，使用獨(dú)立的總線連接CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備。層次總線結(jié)構(gòu)層次總線結(jié)構(gòu)將總線分為多個(gè)層次，每個(gè)層次連接不同的設(shè)備，例如，CPU與高速緩存之間使用高速總線，而內(nèi)存與I/O設(shè)備之間使用低速總線。6.3總線仲裁機(jī)制11.集中仲裁單個(gè)仲裁器控制所有設(shè)備的訪問權(quán)限，可以實(shí)現(xiàn)公平性和效率。22.分布式仲裁每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)仲裁器，通過競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制決定誰擁有總線控制權(quán)。33.鏈?zhǔn)街俨迷O(shè)備按優(yōu)先級(jí)連接，優(yōu)先級(jí)高的設(shè)備優(yōu)先獲得總線控制權(quán)。44.優(yōu)先級(jí)仲裁每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級(jí)分配總線使用權(quán)。多處理器系統(tǒng)多處理器系統(tǒng)（MultiprocessorSystem）是指包含多個(gè)處理器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這些處理器協(xié)同工作以提高系統(tǒng)的整體性能。7.1多處理器結(jié)構(gòu)單處理器系統(tǒng)單個(gè)CPU處理所有任務(wù)，并行性受限。對(duì)稱多處理器(SMP)多個(gè)相同CPU共享內(nèi)存和總線，并行性提高。非對(duì)稱多處理器(NUMA)多個(gè)CPU擁有各自的內(nèi)存和總線，提高擴(kuò)展性。多核處理器單個(gè)芯片上集成多個(gè)CPU內(nèi)核，提高性能。7.2并行處理技術(shù)指令級(jí)并行指令級(jí)并行利用流水線技術(shù)，將指令的執(zhí)行過程分解為多個(gè)階段，同時(shí)執(zhí)行多個(gè)指令的不同階段，提高指令執(zhí)行效率。例如，在流水線中，取指、譯碼、執(zhí)行、寫回等操作可以同時(shí)進(jìn)行，從而提高CPU的處理速度。數(shù)據(jù)級(jí)并行數(shù)據(jù)級(jí)并行利用多條執(zhí)行單元或多個(gè)功能部件，同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作，提高數(shù)據(jù)處理效率。例如，使用多個(gè)ALU或FPU，可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)算術(shù)運(yùn)算或浮點(diǎn)運(yùn)算，從而提高CPU的計(jì)算能力。線程級(jí)并行線程級(jí)并行利用多線程技術(shù)，將一個(gè)程序分解為多個(gè)線程，同時(shí)執(zhí)行多個(gè)線程，提高程序的執(zhí)行效率。例如，使用多線程可以同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，例如，在一個(gè)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器中，可以使用一個(gè)線程下載網(wǎng)頁(yè)，另一個(gè)線程渲染網(wǎng)頁(yè)，從而提高瀏覽速度。進(jìn)程級(jí)并行進(jìn)程級(jí)并行利用多進(jìn)程技術(shù)，將多