现代计算机组成原理教学课件

现代计算机组成原理欢迎来到现代计算机组成原理课程！本课程旨在深入探讨计算机系统的核心构成与运作机制通过本课程的学习，您将掌握计算机硬件的各项关键技术，理解计算机如何高效地执行指令并处理数据我们还将追踪最新的计算机体系结构发展趋势，包括量子计算和人工智能对计算机设计的影响准备好探索计算机世界的奥秘了吗？让我们一起开始这段精彩的学习之旅！课程简介与目标课程内容概览课程目标12本课程涵盖计算机系统的核心通过本课程的学习，学生应能组成部分，包括处理器、存储够理解计算机系统的基本原理器、输入输出系统和总线结和组成结构，掌握计算机硬件/构我们将深入研究数据表示、设计的关键技术，具备分析和指令系统、中央处理器设计以评估计算机系统性能的能力，及存储系统的各个方面，同时并了解计算机体系结构的最新探讨并行处理和计算机安全等发展趋势高级主题适用人群3本课程适用于计算机科学、电子工程以及相关专业的本科生和研究生对于对计算机硬件和体系结构感兴趣的从业人员，本课程也具有很高的参考价值计算机系统概述硬件与软件系统层次结构性能评估计算机系统由硬件和软件两大部分组成计算机系统是一个复杂的层次结构，从计算机系统的性能评估是衡量系统效率硬件是计算机系统的物理实体，包括中最底层的硬件到最高层的应用程序，每和效能的重要手段常见的性能指标包央处理器、存储器和输入输出设备等一层都依赖于下一层提供的服务这种括时钟频率、存储器带宽和输入输/CPU/软件则是运行在硬件之上的指令和数据层次结构简化了系统的设计和维护，并出吞吐量等通过对这些指标的分析，集合，包括操作系统、应用程序和驱动提高了系统的可移植性和可扩展性可以优化系统设计并提高系统性能程序等计算机的基本组成部件中央处理器存储器输入输出设备CPU/I/O是计算机系统的核心部件，负责存储器用于存储指令和数据，是计算设备用于实现计算机系统与外部世CPU I/O执行指令和处理数据它由运算器、机系统的重要组成部分存储器分为界的交互，包括键盘、鼠标、显示器、控制器和寄存器等组成，通过指令周主存储器和辅助存储器，主存储器用打印机和网络接口等设备通过I/O期不断地从存储器中取出指令并执行，于高速存储正在访问的指令和数接口与计算机系统连接，实现数据CPU I/O从而实现各种计算和控制功能据，辅助存储器用于长期存储海量数的输入和输出据冯诺依曼体系结构·存储程序原理1冯诺依曼体系结构的核心思想是存储程序原理，即将指令和数据存储在·同一存储器中，并按照地址顺序执行指令这种结构简化了计算机系统的设计和实现，并提高了系统的灵活性和通用性五大组成部分2冯诺依曼体系结构由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五·大组成部分构成这些部件通过总线相互连接，协同工作，完成各种计算和控制任务局限性3冯诺依曼体系结构也存在一些局限性，例如冯诺依曼瓶颈，即与·“·”CPU存储器之间的数据传输速度远低于的运算速度，限制了系统的整体CPU性能此外，冯诺依曼体系结构难以实现并行处理和非数值计算·计算机的层次结构应用层1应用程序操作系统层2系统调用接口指令集体系结构层3指令集微体系结构层4数据通路、控制器硬件层5电子器件计算机系统是一个多层次的抽象结构，每一层都建立在下一层的基础之上，并向上层提供服务这种层次结构简化了系统的设计和维护，并提高了系统的可移植性和可扩展性从硬件到应用软件，每一层都有其特定的功能和接口计算机性能指标时钟频率存储器带宽吞吐量I/O的时钟频率是衡量存储器带宽是衡量存储吞吐量是衡量CPU I/O I/O运算速度的重要指器数据传输速度的重要系统数据传输速度的重CPU标，通常以赫兹为指标，通常以字节秒要指标，通常以字节Hz//单位时钟频率越高，为单位存储器秒为单位吞B/s B/s I/O的运算速度越快带宽越高，从存储吐量越高，计算机系统CPU CPU但时钟频率并不是衡量器中读取和写入数据的与外部设备之间的数据性能的唯一指标，速度越快存储器带宽传输速度越快吞CPU I/O还需要考虑指令集效率受到存储器类型、时钟吐量受到接口类型、I/O和微体系结构等因素频率和总线宽度的影响设备速度和总线带宽的影响数据表示与运算数据类型运算类型数据表示方法计算机中常用的数据类型包括整数、浮计算机中常用的运算类型包括算术运算、计算机中使用不同的数据表示方法来表点数、字符和布尔值等不同的数据类逻辑运算、位运算和移位运算等不同示数字、字符和其他类型的数据常见型在存储器中占据不同的空间，并采用的运算类型对应不同的硬件电路和指令的数据表示方法包括二进制、十进制、不同的编码方式选择合适的数据类型理解各种运算类型的原理和实现方式，十六进制和码等理解各种数据表ASCII可以有效地利用存储空间并提高运算效可以更好地优化程序设计并提高运算效示方法的原理和转换方式，可以更好地率率理解计算机内部的数据处理过程数制与编码二进制十进制二进制是计算机中最基本也是最十进制是人类最常用的数制，它重要的数制，它只包含和两包含到共个数字十进制010910个数字计算机内部的所有数据易于理解和使用，但在计算机内和指令都以二进制形式存储和处部需要转换为二进制才能进行处理二进制具有简单、易于实现理十进制与二进制之间的转换的优点，但也存在表示复杂数据是计算机科学中的一个重要课题时需要占用更多位数的缺点十六进制十六进制是一种常用的计算机数制，它包含到以及到共个数字09A F16十六进制可以方便地表示二进制数据，并简化了数据的输入和输出十六进制常用于表示存储器地址、颜色代码和网络协议等定点数的表示原码原码是一种简单的定点数表示方法，它将符号位和数值位分开表示原码的优点是易于理解和实现，但缺点是存在正零和负零两种表示方法，且进行加减运算时较为复杂反码反码是一种用于表示负数的定点数表示方法正数的反码与其原码相同，负数的反码则是其原码的符号位不变，数值位按位取反反码可以简化减法运算，但仍然存在正零和负零两种表示方法补码补码是一种广泛使用的定点数表示方法正数的补码与其原码相同，负数的补码则是其反码加补码解决了正零和负零的问题，并简化了加1减运算现代计算机系统普遍采用补码来表示定点数浮点数的表示指数偏移值为了表示正负指数，标准采IEEE754用指数偏移值的方法即将实际指数加上一个固定的偏移值，得到存储在指数IEEE754标准2位中的值例如，单精度浮点数的指数偏移值为，双精度浮点数的指数偏标准是目前广泛使用的浮点127IEEE754移值为数表示标准它定义了单精度浮点数10231位和双精度浮点数位的格式，3264规格化包括符号位、指数位和尾数位IEEE标准保证了浮点数运算的可移植754为了提高浮点数的表示精度，IEEE性和一致性标准采用规格化的方法即将尾数7543表示为的形式，其中是尾

1.xxxxx xxxxx数的小数部分规格化可以保证浮点数的最高有效位始终为，从而提高表示1精度算术逻辑单元ALU算术运算1可以执行各种算术运算，包括加法、减法、乘法和除法等算术运算的实现方式多种多样，例如加法ALU器可以使用半加器和全加器构建，乘法器可以使用移位和加法操作实现逻辑运算可以执行各种逻辑运算，包括与、或、非、异或等逻辑运算的实现方式相对简ALU2单，通常使用逻辑门电路实现逻辑运算在计算机系统中有着广泛的应用，例如用于控制程序的执行流程和进行数据加密等移位运算可以执行各种移位运算，包括左移、右移、循环左移和循ALU3环右移等移位运算可以用于实现乘法和除法运算，也可以用于进行数据处理和位操作加法器设计半加器全加器行波进位加法器半加器是一种简单的加法器，它可以计全加器是一种可以计算三个一位二进制行波进位加法器是一种将多个全加器串算两个一位二进制数的和，并输出和数的和的加法器，其中第三个输入是来联起来构成的加法器它的优点是结构和进位两个结果半加器自低位的进位全加器由两个半加器和简单，易于实现，但缺点是进位信号需Sum Carry由一个异或门和一个与门组成一个或门组成要逐级传递，导致运算速度较慢乘法器设计移位相加乘法器阵列乘法器12移位相加乘法器是一种基于移阵列乘法器是一种采用阵列结位和加法操作的乘法器它将构实现的乘法器它由多个全乘数逐位移位，并根据移位后加器和与门组成，可以并行地的值选择性地将部分积与被乘计算多个部分积，从而提高运数相加，最终得到乘积算速度乘法器3Booth乘法器是一种优化的乘法器，它可以减少移位相加乘法器中加Booth法运算的次数，从而提高运算速度乘法器的核心思想是将被Booth乘数转换为编码，然后根据编码进行移位和加法操作Booth Booth除法器设计恢复余数除法器1恢复余数除法器是一种基于减法和移位操作的除法器它将被除数减去除数，如果余数为正，则将余数左移一位，并继续减去除数；如果余数为负，则恢复余数，并将余数左移一位，并加上除数不恢复余数除法器2不恢复余数除法器是一种优化的除法器，它可以避免恢复余数的操作，从而提高运算速度不恢复余数除法器的核心思想是根据余数的符号选择性地进行减法或加法操作除法器SRT3除法器是一种高速除法器，它采用查表法来选择商的数值，从SRT而减少迭代次数，提高运算速度除法器常用于高性能计算机SRT系统中指令系统指令集体系结构复杂指令集计算机ISA CISC指令集体系结构是计算机复杂指令集计算机是一种ISA CISC硬件和软件之间的接口，它定义采用复杂指令集的计算机CISC了计算机可以执行的指令集合，的指令数量多，指令功能强，但包括指令格式、指令类型、寻址指令格式不统一，指令执行效率方式和数据类型等不同的计算较低架构是一种典型的x86机系统采用不同的，例如架构ISA CISC、和等x86ARM MIPS精简指令集计算机RISC精简指令集计算机是一种采用精简指令集的计算机的指令RISC RISC数量少，指令功能简单，但指令格式统一，指令执行效率较高和ARM架构是典型的架构MIPS RISC指令格式操作码指令的操作码用于指定指令的功能，例如加法、减法、乘法和除法等操作码是指令中最重要1的部分，它决定了指令的执行行为操作数2指令的操作数用于指定指令的操作对象，例如参与运算的数据和存储器地址等操作数可以是立即数、寄存器地址或存储器地址寻址方式3指令的寻址方式用于指定如何获取操作数的值常见的寻址方式包括立即寻址、寄存器寻址、直接寻址、间接寻址和偏移寻址等指令格式定义了指令的组成结构，包括操作码、操作数和寻址方式等不同的采用不同的指令格式理解指令格式对于理解计算机的指令执行过ISA程至关重要指令类型算术指令逻辑指令数据传输指令算术指令用于执行各种算术运算，包括加逻辑指令用于执行各种逻辑运算，包括与、数据传输指令用于在寄存器和存储器之间法、减法、乘法和除法等算术指令是计或、非、异或等逻辑指令常用于控制程传输数据数据传输指令是计算机中最常算机中最基本的指令类型之一序的执行流程和进行数据加密等用的指令类型之一寻址方式立即寻址寄存器寻址直接寻址立即寻址是指操作数直接包含在指令中寄存器寻址是指操作数存储在寄存器中直接寻址是指指令中直接包含操作数的立即寻址的优点是获取操作数的速度快，寄存器寻址的优点是获取操作数的速度存储器地址直接寻址的优点是获取操但缺点是操作数的范围受到指令长度的快，且操作数的范围不受指令长度的限作数的速度较快，但缺点是操作数的范限制制，但缺点是寄存器的数量有限围受到指令长度的限制指令执行过程取指令从存储器中取出指令，并将其存储到指令寄存器中取指CPU令的过程包括计算指令地址、读取指令和更新程序计数器等步骤译码对指令进行译码，分析指令的操作码和操作数，并确定指CPU令的功能和执行方式译码的过程包括识别操作码、识别操作数和确定寻址方式等步骤执行执行指令，根据指令的操作码和操作数进行相应的操作CPU执行的过程包括读取操作数、进行运算和存储结果等步骤中央处理器CPU运算器1运算器是的核心部件，负责执行各种算术和逻辑运算运算器由算术逻辑单元和寄存器等组成CPU ALU控制器2控制器负责控制指令的执行过程，包括取指令、译码和执行等步骤控制器由指令寄存器、程序计数器和时序系统等组成寄存器3寄存器用于存储指令和数据，是中最重要的存储部件寄CPU存器的访问速度快，但数量有限的功能与结构CPU指令控制运算操作中断处理负责从存储器中取出指令，并按照负责执行各种算术和逻辑运算，包负责响应和处理各种中断请求，包CPU CPU CPU指令的顺序执行程序指令控制是括加法、减法、乘法、除法、与、或、括外部中断、内部中断和软件中断等CPU最基本的功能之一非和异或等运算操作是的核心功中断处理可以提高计算机系统的响应速CPU能度和实时性指令周期取指令周期译码周期12取指令周期是指从存储译码周期是指对指令进CPU CPU器中取出指令所需要的时间行译码所需要的时间译码周取指令周期的长度受到存储器期的长度受到指令格式和译码访问速度和总线带宽的限制电路复杂度的影响执行周期3执行周期是指执行指令所需要的时间执行周期的长度受到指令CPU类型和运算电路复杂度的影响时序系统时钟信号1时钟信号是的时序基准，它控制着的各个部件的同步CPU CPU运行时钟信号的频率越高，的运算速度越快CPU控制信号2控制信号用于控制的各个部件的操作，例如读取存储器、CPU写入存储器和执行运算等控制信号的产生和控制需要精确的时序控制同步与异步3计算机系统中的各个部件可以采用同步或异步的方式进行通信同步通信需要使用统一的时钟信号，而异步通信则不需要流水线技术流水线冲突流水线冲突是指在流水线执行过程中，由于资源竞争或数据依赖等原因，导致2指令流水线流水线暂停或停顿的现象常见的流水线冲突包括结构冲突、数据冲突和控制指令流水线是一种将指令执行过程分解1冲突等为多个阶段，并使多个指令同时在不同阶段执行的技术指令流水线可以提高流水线优化的吞吐率，从而提高系统的整体CPU性能流水线优化是指采用各种技术来减少流水线冲突，提高流水线的效率常见的3流水线优化技术包括采用旁路技术、分支预测技术和指令调度技术等存储系统高速缓存Cache1高速缓存是一种位于和主存储器之间的存储器，用于存储经常访问的数据高速缓存的访问速度CPUCPU快，可以有效地提高的访问速度CPU主存储器2主存储器用于存储正在访问的指令和数据主存储器的容量大，但访问速度相CPU对较慢辅助存储器3辅助存储器用于长期存储海量数据辅助存储器的容量大，但访问速度慢存储器的分类随机访问存储器只读存储器闪存RAM ROMFlash Memory随机访问存储器是一种可以随机只读存储器是一种只能读取不能闪存是一种可以擦除和RAM ROMFlash Memory访问的存储器的访问速度快，但写入的存储器的数据不会因为断重新编程的存储器闪存的访问速度介RAM ROM断电后数据会丢失常用于主存储电而丢失常用于存储等启于和之间，且断电后数据不RAM ROM BIOS RAM ROM器动程序会丢失闪存常用于固态硬盘和SSD U盘等半导体存储器静态动态1RAMSRAM2RAMDRAM静态是一种使动态是一种使RAMSRAM RAMDRAM用触发器存储数据的用电容存储数据的RAM RAM的访问速度快，但集成的集成度高，成本较SRAM DRAM度较低，成本较高常低，但需要定期刷新，访问速SRAM用于高速缓存度相对较慢常用于DRAM主存储器只读存储器3ROM只读存储器是一种只能读取不能写入的存储器的数据ROM ROM不会因为断电而丢失常用于存储等启动程序ROMBIOS高速缓存CacheCache的工作原理1的工作原理是基于程序的局部性原理，即程序在执行过程中，Cache访问的存储器地址往往集中在一定的范围内将经常访Cache CPUCache的组织方式问的数据存储在高速缓存中，从而提高的访问速度2CPU的组织方式包括直接映射、全相联映射和组相联映射等不Cache同的组织方式具有不同的性能和成本Cache的替换算法3的替换算法用于决定当已满时，应该替换哪个数据Cache Cache常见的替换算法包括最近最少使用算法、先进先出算LRU FIFO法和随机替换算法等虚拟存储器物理地址物理地址是存储器芯片的实际地址物2理地址空间的大小受到存储器芯片容量虚拟地址的限制虚拟地址是程序使用的地址，它与物理1地址之间存在映射关系虚拟地址空间的大小可以大于物理地址空间的大小地址映射地址映射是指将虚拟地址转换为物理地址的过程地址映射可以采用硬件实现，3也可以采用软件实现输入输出系统/I/O接口I/O1接口是计算机系统与外部设备之间的接口接口负责数据的传输和控制信号的传递I/O I/O控制方式I/O2控制方式包括程序查询方式、中断方式和直接存储器访问方式等不同的I/O DMA控制方式具有不同的性能和效率设备I/O3设备是计算机系统与外部世界进行交互的设备，包括键盘、I/O鼠标、显示器、打印机和网络接口等接口I/O并行接口串行接口通用串行总线USB并行接口是指数据以并行的方式进行传串行接口是指数据以串行的方式进行传通用串行总线是一种广泛使用的USB输的接口并行接口的传输速度快，但输的接口串行接口需要的信号线少，串行接口具有传输速度快、易于USB需要的信号线多，成本较高成本较低，但传输速度相对较慢使用和即插即用等优点控制方式I/O程序查询方式中断方式12程序查询方式是指通过中断方式是指设备在准备CPU I/O轮询的方式查询设备是否好进行数据传输时，向I/O CPU准备好进行数据传输程序查发出中断请求响应中CPU询方式效率低，占用资断请求后，进行数据传输中CPU源多断方式效率高，占用资CPU源少直接存储器访问方式3DMA直接存储器访问方式是指设备可以直接访问存储器，而不DMA I/O需要的干预方式传输速度快，效率高CPU DMA中断技术中断请求1中断请求是指设备或其他部件向发出的中断信号I/O CPU中断请求表示需要进行处理的事件CPU中断响应2中断响应是指接收到中断请求后，暂停当前程序的执行，CPU并跳转到中断处理程序中断响应的过程包括保存现场、跳转到中断向量表和执行中断处理程序等步骤中断处理3中断处理是指执行中断处理程序，完成中断事件的处理CPU中断处理程序完成后，恢复执行被中断的程序CPU直接存储器访问DMA传输过程DMA传输过程包括初始化控DMA CPUDMA2制器、设备发送请求、DMA控制器I/O DMA DMA控制器控制数据传输和传输完成等DMA控制器是一种专门用于控制DMA步骤1传输的部件控制器可以DMADMA自动地将数据从设备传输到存储器，I/O或从存储器传输到设备，而不需要I/O DMA优点的干预CPU可以提高数据传输速度和效率，减DMA3少的负担，提高系统的整体性能CPU总线系统数据总线1数据总线用于传输数据数据总线的宽度决定了每次可以传输的数据量地址总线2地址总线用于传输存储器地址或设备地址地址总线的宽度决定了可以访问的存I/O储器空间的大小控制总线3控制总线用于传输控制信号，例如读信号、写信号和中断信号等总线的概念与结构总线的定义总线的结构总线的特点总线是计算机系统中连接各个部件的公总线的结构包括单总线结构、双总线结总线具有共享性、通用性和模块化等特共通道，用于传输数据、地址和控制信构和三总线结构等不同的总线结构具点总线可以连接多个部件，实现部件号有不同的性能和成本之间的互联互通总线类型前端总线外围设备互连总线1FSB2PCI前端总线是连接和FSB CPU北桥芯片的总线的传输外围设备互连总线是一FSB PCI速度快，是与主存储器种用于连接外围设备的总线CPU之间进行数据传输的主要通道总线的传输速度快，可以PCI连接显卡、声卡和网卡等高性能设备通用串行总线3USB通用串行总线是一种广泛使用的串行总线具有传输速度USB USB快、易于使用和即插即用等优点可以连接键盘、鼠标、打印机USB和盘等设备U总线仲裁集中式仲裁1集中式仲裁是指由一个中央仲裁器来控制总线的使用权集中式仲裁的优点是结构简单，易于实现，但缺点是可靠性低，容易出现单点故障分布式仲裁2分布式仲裁是指由多个仲裁器共同控制总线的使用权分布式仲裁的优点是可靠性高，但结构复杂，实现难度大仲裁算法3常见的仲裁算法包括优先级仲裁算法、轮询仲裁算法和随机仲裁算法等不同的仲裁算法具有不同的公平性和效率并行处理并行体系结构常见的并行体系结构包括多核处理器、2集群系统和大规模并行处理器等MPP并行计算不同的并行体系结构具有不同的性能和成本并行计算是指将一个计算任务分解为多1个子任务，并使多个子任务同时在多个处理器上执行的技术并行计算可以提并行编程高计算速度和效率并行编程是指使用并行编程语言和技术3编写并行程序并行编程需要考虑任务分解、数据分配和同步等问题并行计算的概念任务分解1任务分解是指将一个计算任务分解为多个子任务任务分解的目的是使每个子任务可以独立地在不同的处理器上执行数据分配2数据分配是指将数据分配给不同的处理器数据分配的目的是使每个处理器可以访问到它所需要的数据同步3同步是指协调多个处理器之间的执行顺序同步的目的是保证程序的正确性多核处理器多核处理器的结构多核处理器的优点多核编程多核处理器是指在一个芯片上集成多个多核处理器具有功耗低、集成度高和成多核编程是指使用多线程技术编写可以处理器核心多核处理器可以同时执行本低等优点多核处理器已经成为主流在多核处理器上并行执行的程序多核多个线程，从而提高计算速度和效率的处理器架构编程需要考虑线程同步和线程通信等问题集群系统集群系统的结构集群系统的类型12集群系统是指由多台计算机通集群系统的类型包括高可用性过网络连接起来组成的系统集群、负载均衡集群和高性能集群系统可以提供高可用性、计算集群等不同的集群类型高可扩展性和高性能等特点具有不同的应用场景集群系统的应用3集群系统广泛应用于服务器、数据库服务器和科学计算等领域Web计算机安全安全威胁1常见的计算机安全威胁包括计算机病毒、恶意软件、网络攻击和数据泄露等安全措施2常见的计算机安全措施包括安装杀毒软件、使用防火墙、进行数据加密和定期备份数据等安全意识3提高安全意识是保护计算机安全的重要措施用户应该避免访问不安全的网站、下载未知来源的文件和泄露个人信息等计算机病毒与防护病毒的传播计算机病毒的传播方式包括通过邮件、2网络和盘等用户应该避免打开未知U病毒的类型来源的邮件和文件，以及使用来历不明的盘计算机病毒的类型包括文件型病毒、引1U导型病毒和宏病毒等不同的病毒类型具有不同的传播方式和危害程度病毒的防护常见的计算机病毒防护措施包括安装杀3毒软件、及时更新病毒库和定期进行病毒扫描等防火墙技术防火墙的作用1防火墙是一种用于保护计算机网络安全的设备防火墙可以阻止未经授权的访问，防止网络攻击和数据泄露防火墙的类型2防火墙的类型包括硬件防火墙和软件防火墙硬件防火墙具有性能高、安全性好等优点，软件防火墙具有灵活性高、易于配置等优点防火墙的配置防火墙的配置需要根据实际的网络安全需求进行设置常见的3防火墙配置包括设置访问控制列表和配置入侵检测系统ACL等IDS数据加密技术对称加密非对称加密哈希算法对称加密是指加密和解密使用相同的密非对称加密是指加密和解密使用不同的哈希算法是一种将任意长度的数据转换钥对称加密的优点是加密速度快，但密钥非对称加密的优点是密钥管理方为固定长度的哈希值的算法哈希算法缺点是密钥管理困难便，但缺点是加密速度慢常用于数据完整性校验和密码存储等领域计算机发展趋势人工智能量子计算12人工智能将成为计算机发展的量子计算是一种基于量子力学重要趋势人工智能将推动计原理的计算方法量子计算具算机在图像识别、语音识别和有强大的计算能力，可以解决自然语言处理等领域取得更大传统计算机难以解决的问题的进展云计算3云计算是一种将计算资源和服务通过网络提供给用户的模式云计算可以降低用户的成本，提高资源利用率IT新型计算架构神经形态计算1神经形态计算是一种模仿人脑神经系统结构的计算架构神经形态计算具有功耗低、并行性高等优点，适用于处理图像识别和语音识别等任务忆阻器2忆阻器是一种新型的存储器件，具有存储和计算一体化的特点忆阻器可以用于构建新型的计算架构，提高计算效率类脑计算3类脑计算是一种模仿人脑工作方式的计算方法类脑计算旨在实现更智能、更高效的计算量子计算量子算法量子算法是基于量子力学原理设计的算2法量子算法可以解决传统计算机难以解决的问题，例如大数分解和搜索等量子比特1量子比特是量子计算的基本单位量子比特可以同时表示和两种状态，具量子计算机01有叠加性和纠缠性等特点量子计算机是基于量子比特和量子算法的计算机量子计算机具有强大的计算3能力，可以应用于密码破解、药物研发和材料设计等领域人工智能与计算机体系结构芯片AI1芯片是一种专门用于加速人工智能计算的芯片芯片具有并行计算能力强、功耗低等优点AI AIGPU2图形处理器是一种专门用于处理图形图像的处理器具有并行计算能力GPUGPU强、适合进行大规模矩阵运算等特点，被广泛应用于人工智能计算TPU张量处理器是谷歌公司专门为人工智能计算设计的芯片TPU3具有高性能、低功耗等优点，可以加速神经网络的训练和TPU推理课程实验介绍实验目的实验内容实验要求通过实验，学生可以加深对计算机组成实验内容包括的使用、基本逻辑学生需要认真完成实验报告，并按时提Logisim原理的理解，掌握计算机硬件设计的相电路的设计、简单的设计和存储系交实验报告需要包括实验原理、实验CPU关技术，提高动手能力和解决问题的能统的设计等步骤、实验结果和实验分析等内容力实验环境搭建软件安装实验工具准备1Logisim2是一款开源的数字电学生需要准备好实验所需的工Logisim路仿真软件学生需要在自己具，例如面包板、导线和电子的电脑上安装软件，元件等Logisim以便进行实验实验环境配置3学生需要配置好实验环境，确保实验可以顺利进行实验内容讲解基本逻辑电路设计1学生需要使用软件设计基本的逻辑电路，例如与门、Logisim或门和非门等简单设计CPU2学生需要使用软件设计一个简单的，包括运算Logisim CPU器、控制器和寄存器等部件存储系统设计3学生需要使用软件设计一个简单的存储系统，包括Logisim、和等部件RAMROMCache实验报告撰写规范实验原理2实验报告需要详细地阐述实验的原理实验题目1实验报告需要明确地写出实验题目实验步骤实验报告需要详细地描述实验的步骤3课程作业与考核平时作业1平时作业包括课后练习、实验报告和小组讨论等平时作业成绩占总成绩的30%期末考试2期末考试采用闭卷考试的形式，考试内容包括课程的所有知识点期末考试成绩占总成绩的70%成绩评定3课程成绩根据平时作业成绩和期末考试成绩综合评定平时作业要求认真完成独立思考积极参与学生需要认真完成每次的课后练习，并学生需要独立思考，完成实验报告学生需要积极参与小组讨论，共同解决按时提交问题期末考试形式闭卷考试考试内容12期末考试采用闭卷考试的形式，考试内容包括课程的所有知识考试时间为个小时点，重点考察学生对基本概念、2基本原理和基本方法的掌握程度考试题型3考试题型包括选择题、填空题、简答题和综合题等成绩评定标准优秀1成绩在分以上者评为优秀90良好2成绩在分之间者评为良好80-89中等3成绩在分之间者评为中等70-79课程资源与参考参考书2《计算机组成与设计硬件软件接口》/David A.Patterson教材1《计算机组成原理》唐朔飞在线资源3平台、站视频MOOC B。