计算机组成与体系结构 课件

计算机组成与体系结构是计算机科学中的核心课程，它主要探讨计算机硬件系统的基本构成、工作原理以及它们如何协同处理数据和指令。武汉大学的这门软件工程课程提供的课件，为学习者提供了深入理解这一领域的宝贵资源，无论是对于准备考研还是自我提升都非常有价值。 1. **计算机系统的层次结构** 计算机系统通常被分为硬件和软件两个层次。硬件部分包括处理器（CPU）、内存、输入输出设备等；软件则包括操作系统、编译器和应用程序。这两者之间通过接口进行交互，使得软件能够控制硬件执行任务。 2. **CPU组成** - **运算器**：负责执行算术和逻辑运算，如加法、减法、位操作等。 - **控制器**：解读和执行指令，管理整个计算过程的时序。 - **寄存器**：高速存储单元，用于暂存数据和指令。 3. **指令系统** 指令集是CPU能理解和执行的基本命令集合，包括数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移等指令。理解指令系统对于理解计算机的工作流程至关重要。 4. **存储层次结构** - **寄存器**：最快但容量最小。 - **高速缓存（Cache）**：位于CPU和主存之间，减少访问主存的延迟。 - **主存**：相对于Cache较慢，但容量较大。 - **外存**：如硬盘，容量大但速度慢。数据在需要时被调入主存。 5. **数据表示** - **二进制、八进制、十六进制表示**：计算机内部数据以二进制形式存储，人们常使用八进制和十六进制方便表示。 - **浮点数表示**：科学计数法，包括阶码和尾数两部分，用于表示大范围和精度的数值。 - **字符编码**：ASCII码、Unicode（UTF-8）等，用于表示各种字符。 6. **输入输出（I/O）系统** I/O设备与CPU之间的通信通常通过中断机制或DMA（直接内存访问）实现。理解I/O接口和设备驱动程序的角色很重要。 7. **总线** 计算机系统中的数据、地址和控制信息通过总线在不同组件间传输。总线的带宽、时序和仲裁策略都会影响系统性能。 8. **体系结构优化** - **超标量技术**：通过多条指令流水线并行执行，提高CPU效率。 - **乱序执行**：允许指令在不影响结果的情况下改变其执行顺序。 - **分支预测**：减少因分支指令导致的性能损失。 9. **虚拟化技术** 虚拟化允许在一个物理系统上运行多个独立的虚拟环境，提高资源利用率和安全性。 10. **计算机性能评估** 使用指标如MFLOPS（每秒百万次浮点运算）、IPC（每周期指令数）等来衡量计算机性能，并通过指令级并行、多核技术等方式提升性能。 这些只是计算机组成与体系结构课程中涵盖的一些基本概念，实际的课件可能会包含更深入的讨论，如计算机设计的最新趋势、并行计算、嵌入式系统等。通过学习这个领域的知识，可以更好地理解计算机系统是如何高效地执行程序和处理数据的，这对于软件工程师来说是非常重要的基础。