计算机结构与逻辑设计

计算机结构与逻辑设计演讲人：日期:CATALOGUE目录02硬件组成模块01计算机系统概述03逻辑设计基础04指令集架构05存储系统设计06性能优化方向01PART计算机系统概述定义了硬件和软件之间的接口，使得软件能够正确地指挥硬件进行操作。将复杂的软件系统划分为多个层次，每个层次都具有特定的功能和接口，以提高软件的可维护性和可扩展性。在硬件和软件设计过程中进行协同仿真和验证，以确保二者之间的正确性和兼容性。将软件嵌入到硬件中，形成一个紧密耦合的系统，以提高系统的可靠性和性能。硬件与软件协同架构指令集架构软件分层设计软硬件协同验证嵌入式系统冯·诺依曼体系核心原理存储程序原理01程序存储在计算机的内存中，计算机按照程序的指令逐条执行。指令和数据都存储在同一个存储器中02简化了计算机的结构，降低了成本，但指令和数据之间的区别需要由计算机硬件来识别。采用二进制表示03二进制只有0和1两种状态，易于物理实现，且运算规则简单。五大部件04输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器。微程序层也称为微指令层，是计算机最底层的控制程序，由微指令组成，用于解释和执行机器指令。机器语言层也称为机器指令层，是计算机的硬件能够直接识别和执行的指令集合。操作系统层管理计算机的硬件资源和软件资源，为用户提供友好、统一的界面和服务。应用软件层为解决用户的具体问题而设计的各种软件，如办公软件、图形处理软件等。用户层是计算机系统的最高层，直接与用户进行交互，通过应用程序和软件来使用计算机系统的功能和资源。现代计算机层级划分010203040502PART硬件组成模块执行算术和逻辑运算，如加法、减法、逻辑与运算等。运算器暂存数据或指令，以便CPU能够快速访问。寄存器01020304解析并识别指令，控制各个功能单元的操作。指令译码器负责整个CPU的协调和控制，包括指令的获取、译码和执行。控制器中央处理器功能单元高速缓存（Cache）位于CPU和主存之间，存储速度接近CPU，用于存放当前正在使用的数据和指令。主存储器（RAM）可读可写，存储速度较慢，但容量大于高速缓存，用于存放程序和数据。辅助存储器（硬盘、SSD）容量大，速度慢，用于长期存储数据和程序。存储器层次结构通过不同速度和容量的存储器组合，实现存储系统的性价比最优化。存储器层次化设计输入输出系统接口端口和连接器提供与外部设备连接的物理接口，如USB、HDMI、网线接口等。数据传输方式和协议定义数据传输的速率、格式和方式，如USB协议、HDMI协议等。输入设备接口接收用户输入的数据，如键盘、鼠标、扫描仪等。输出设备接口将处理后的数据发送给输出设备，如显示器、打印机、音响等。03PART逻辑设计基础布尔代数与逻辑门实现布尔代数基本概念布尔代数是一种用于描述逻辑关系的数学工具，包括变量、常量、布尔运算等基本内容。逻辑门电路布尔代数在逻辑门电路中的应用逻辑门电路是实现布尔代数的基本单元，包括与门、或门、非门等基本逻辑门，以及它们的组合形式如与非门、或非门等。通过布尔代数可以描述逻辑门电路的输入和输出关系，进而实现复杂的逻辑功能。123组合电路设计方法组合电路是由多个逻辑门电路组合而成的，其输出状态仅与当前输入状态有关，与之前的输入状态无关。组合电路的基本概念根据实际需求，确定输入和输出变量；列出真值表，描述所有可能的输入和输出组合；通过逻辑门电路实现真值表所描述的逻辑关系。组合电路设计步骤在保证逻辑功能正确的前提下，通过简化逻辑表达式、减少逻辑门数量等方法优化组合电路的设计。组合电路的优化时序电路控制原理时序电路的基本概念01时序电路是一种输出状态不仅与当前输入状态有关，还与之前输入状态有关的电路。时序电路具有记忆功能，能够存储信息。触发器及时序电路的基本单元02触发器是一种具有记忆功能的逻辑电路，是时序电路的基本单元。常见的触发器包括RS触发器、D触发器、JK触发器等。时序电路的设计方法03根据实际需求，确定输入和输出变量；设计状态转换图，描述状态之间的转换关系；选择合适的触发器和逻辑门电路实现状态转换图所描述的逻辑关系。时序电路的分析方法04根据给定的时序电路，分析电路的输入和输出关系，确定电路的功能和特性。时序电路的分析包括状态转换表的建立、时序图的绘制等步骤。04PART指令集架构指令格式立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、基址寻址、相对寻址、堆栈寻址等多种方式，用于确定操作数的有效地址。寻址模式指令长度固定长度指令和可变长度指令，影响指令的编码效率和灵活性。操作码+寄存器地址/立即数/存储器地址，指示计算机执行的操作和所需数据的位置。指令格式与寻址模式流水线执行机制流水线的基本概念将指令的执行过程分解为多个独立的阶段，并行执行，以提高指令的执行速度。流水线的分类单功能流水线、多功能流水线、线性流水线、非线性流水线等。流水线的性能评估吞吐量、效率、加速比、流水线深度等指标，用于衡量流水线的性能。流水线的相关与冲突数据相关、控制相关、结构相关，以及解决冲突的方法，如转发、阻塞、旁路等。异常与中断的概念中断系统异常的分类与处理异常与中断的异同异常是指计算机在执行指令时发生的非预期事件，中断是指计算机暂时停止当前程序的执行，转而执行另一段程序以处理异常事件。中断请求、中断响应、中断处理、中断返回等过程，以及中断向量表、中断优先级等概念。内部异常（如除零错误、越界错误）和外部异常（如I/O设备中断），以及相应的处理方法。异常处理通常由软件实现，中断处理由硬件和软件协同完成；异常处理主要用于处理程序错误，中断处理主要用于响应外部事件。异常处理与中断系统05PART存储系统设计主存与辅存协同策略主存高速、容量小、成本高，用于存放当前运行的程序和数据。辅存低速、容量大、成本低，用于长期保存程序和数据。数据调动策略将辅存中的数据块按需调入主存，提高数据访问效率。淘汰策略当主存空间不足时，根据一定算法将不常用的数据块淘汰回辅存。虚拟内存管理技术虚拟内存01通过软件将辅存部分空间模拟成主存空间，扩大程序可访问的内存范围。虚拟内存地址与物理内存地址的映射02通过操作系统建立虚拟内存地址与物理内存地址的对应关系，实现程序的正常访问。缺页中断处理03当程序访问的页面不在主存时，触发缺页中断，操作系统将所需页面从辅存调入主存。页面淘汰策略04当主存空间不足时，根据算法选择不常用的页面淘汰回辅存，腾出空间给新的页面使用。位于CPU与主存之间的快速存储器，用于存放当前访问的热门数据。在多处理器系统中，确保各处理器的高速缓存中的数据与主存中的数据保持一致。当某个处理器对缓存中的数据进行修改时，通知其他处理器将该数据标记为无效，避免数据不一致。当某个处理器对缓存中的数据进行修改时，将该数据写回主存，并通知其他处理器更新其缓存中的副本。高速缓存一致性协议高速缓存缓存一致性协议写无效协议写更新协议06PART性能优化方向SIMD（单指令多数据）技术通过同时处理多个数据元素来提高性能。MIMD（多指令多数据）技术允许不同处理器同时执行不同指令，实现更高效的并行处理。多核与超线程技术通过增加处理器核心数和线程数来提高性能。GPU（图形处理器）加速利用GPU进行大规模并行计算，提高计算性能。并行计算架构演进如PCIe、USB3.0等，提高数据传输速率。采用高速总线技术通过多个通道同时传输数据，提高总线带宽。多通道数据传输01020304通过增加总线的物理宽度，提高数据传输速度。增加总线宽度减少数据传输量