计算机组成原理课件设计：理解硬件与软件的交互基础

计算机组成原理硬件与软件交互基础欢计组课这领为础课迎参加算机成原理程，是信息科学域极重要的基程在课们将计软本程中，我深入探索算机系统的核心构成要素，理解硬件与件如协现何同工作，从而构建起代信息世界的基石论计专还对计层爱无您是算机科学业的学生，是算机底原理感兴趣的好者，课将为计内本程都您揭示算机令人着迷的部运作机制，帮助您建立系统化的计识算机知体系课程概述课程目标学习重点考核方式课计课冯诺课评本程旨在帮助学生理解算机系统程重点包括·依曼架构、指令本程采用多元化估方式，包括平组结计组储层时验报的基本原理和成构，掌握硬件与系统设、CPU成与功能、存作业（20%）、实告（30%）软过结内们将试试件交互的核心机制通系统化学次构、I/O系统等核心容我、期中考（20%）和期末考（习将计结论践现计内论识，学生能够分析算机系统性能合理与实，深入理解代算30%）考核容覆盖理知与实计践养综问，理解不同架构的优缺点，并具备解机系统的运行机制和设思想能力，注重培学生的合解决问题题决实际的能力的能力计算机系统概述硬件的定义与组成软件的定义与类型计算机系统层次结构计计软计关计为层层算机硬件是指算机系统中可以看见件是指控制算机运行的程序及相算机系统通常分多个次，从底数计层应这层和触摸的物理部件，包括中央处理器、据，是算机系统中看不见摸不着的的物理电路到高的用程序种储这组逻辑软为软计杂存器、输入输出设备等些物理部分件可分系统件（如操次化设使得复系统变得可管理，每过连计编译应软层关现过标件通精密的电路接，形成完整的作系统、器）和用件（如文字一只需注自己的功能实，通负责数储传戏层算机系统，据的处理、存和处理、游）两大类准接口与相邻交互输软过调资层层层件通用硬件源完成各种任务，典型的次包括硬件、微程序、指现计术计现关键软层层应层这代算机硬件技日新月异，从晶体是算机实具体功能的件的令系统、操作系统和用种单计赖术进时层结计管到集成电路，从核到多核，算能发展依于硬件技的步，同也推分构是算机科学中抽象与封装思数级为软创现力呈指增长，件的发展提供了动着硬件的新想的典型体坚础实基冯诺依曼架构·基本组成部分1冯诺称储计约冯诺现计·依曼架构，又存程序算机，由翰··依曼于1945年提出，是代算机的础储基架构它主要包括五个基本部分运算器、控制器、存器、输入设备和输出设备负责数负责释执顺储数其中运算器据处理，控制器指令解和行序控制，存器用于存放程序和据则负责环换这计，输入输出设备与外部境交信息五部分共同构成了完整的算系统存储程序概念2冯诺储数储储·依曼架构最重要的特点是存程序概念，即程序和据都存在同一个存器中，使编码这计过线用同一种形式打破了早期算机程序需要通物理接方式改变的局限储计执储内结存程序使得算机可以灵活行不同任务，只需要更改存器中的容，而无需改变硬件这现计础计构一概念奠定了代算机发展的基，极大提高了算机的通用性和灵活性工作原理3冯诺计过储顺过码·依曼算机的工作程是控制器从存器序取出指令，经解后发出各种微操作挥应规这过进控制信号，指相的部件完成指令定的操作个程是自动行的，形成一个指令周期执储结阶这环执指令周期通常包括取指令、分析指令、行指令和存果四个基本段种循行的机计连续杂计现计制使算机能够完成复的算任务，展出强大的算能力现代计算机系统架构分布式系统计过络连组计分布式系统由多台算机通网接成，每台算机独储这计协具有立的处理能力和存空间些算机同工作，规计现为来共同完成大模算任务，表用户看是一个统一的系统多核处理器计数应云算、大据处理平台都是典型的分布式系统用它2现计组单们过将计现传多核处理器是代算机系统的核心件，在个芯通算任务分散到多台机器上并行处理，实了独执单计片上集成多个处理核心，每个核心都能立行指令统机系统无法达到的算能力和可靠性这计显计序列种设著提高了处理器的并行算能力，1异构计算时热问题同有效控制了功耗和散当计单前主流的多核处理器已经从双核发展到16核甚至更异构算是指在同一系统中集成不同类型的处理元，如线术时数单针对计3多，配合多程技，能够同处理十个任务，大CPU、GPU、FPGA等，每种处理元特定类型的应进这计大提升了系统的响速度和吞吐量算任务行优化种架构能够更高效地处理多样化的算需求现计计代移动设备和高性能算系统广泛采用异构算架构，络例如智能手机中集成的CPU、GPU和神经网处理器，能时计图够同高效处理通用算、形渲染和人工智能任务数据表示与存储二进制系统数据编码方式数据单位计内进为计计数储单算机部使用二制（0了表示多样化的信息，算机中据存的基本这编码组和1）表示所有信息，是算机采用不同的方式位是位（bit），8个位成为现数码码码节因电子电路最容易实两字使用原、反或补一个字（Byte）在此稳状态断础节种定通

（1）和表示；文本使用ASCII、基上形成了KB（千字进简编码图节

（0）二制系统化了Unicode等字符；像）、MB（兆字）、GB（计节节硬件设，提高了系统可靠采用RGB、CMYK等色彩模吉字）、TB（太字）为现计础则过单单性，成代算机的基型；声音通采样率和位等更大的位，每个位是进数深度行字化前一个的1024倍虽习惯进这编码将内还然人类使用十制，些方式定义了如何处理器部有字（Word计内数现转换为但算机部的所有据处实世界的各种信息）的概念，表示一次能处理进进计进进数现理都是基于二制行的算机可处理的二制形式的二制位，代64位当们计为我看到屏幕上的文字、，是人类与算机交流的桥处理器的字长64位（8字图时这计节像或听到声音，些都梁，也是不同算机系统之），决定了其一次能处理层进数转换换数础数寻是由底的二制据间交据的基的据量和址空间的大小来而定点数和浮点数定点数表示法浮点数表示法数数数数计数将数为定点是指小点位置固定的值表示方式浮点采用科学法原理，值分数数计数数标，常用于表示整或小在算机中，定符号位、指部分和尾部分国际准数码储为单点通常采用补形式存，最高位符号IEEE754定义了32位精度和64位双精度数负数数规计数位（0表示正，1表示），其余位表示浮点格式，范了算机中浮点的表示数值大小和运算数简单观数为定点表示直，运算速度快，但表示浮点格式N=-1^s×M×2^E，其中围数为为数规为范有限例如，32位定点整能表示的范s符号位，M尾（格化

1.xxx形式围为约为为数这扩-2^31到2^31-1，-21亿到+21亿），E指种表示方法大大展了可当数这围时错误数围牺值超出个范，会发生溢出表示的值范，但牲了部分精度精度和范围数数数单数数约为进浮点的精度取决于尾部分的位，IEEE754精度浮点（32位）有效字7位十制数约为进数围单约为约为，双精度（64位）15-17位十制表示范方面，精度±10^38，双精度±10^308产误为进数进浮点运算可能生舍入差，因有些十制小（如

0.1）在二制中无法精确表示此外，数还负穷数浮点有特殊值如正无大、NaN（非值）等，用于表示异常情况数字逻辑电路基础数逻辑计础进逻辑状态过逻辑现逻辑字电路是算机硬件的基，它采用二制信号（高电平和低电平）表示，通门实信息处理功能基本门包括与门（AND）、或门（OR）、非门（NOT）、与非门（NAND）、或非门（NOR）、异或门（XOR）等组逻辑逻辑组仅赖当状态记忆组逻辑编码译码这合电路由多个门合而成，输出依于前输入，不存在功能典型的合电路有加法器、器、器和多路复用器等些电路是杂计们计计关键构建复算机系统的基本模块，理解它的工作原理是掌握算机硬件设的时序逻辑电路触发器基础时逻辑储单储进仅当触发器是序电路的基本存元，能够存一位二制信息其输出不取决于前输还状态关记忆入，与之前的有，因此具有功能最基本的触发器类型有SR触发器、D触发器、JK触发器和T触发器稳状态过时状态转换时状触发器通常具有两个定（0和1），可以通钟信号控制的机，确保电路态为计时础变化的同步性和可控性，算机系统提供了序控制的基计数器设计计数组时计数产计数器是由多个触发器成的序电路，用于或生特定序列的脉冲信号根据方向为计数计数计数为进计数进计数可分上升器和下降器；根据模式可分二制器、十制器等计数应计时频场计数器广泛用于算机定器、分器、地址生成器等景例如，程序器PC是CPU专计数储执顺执中的用器，用于存下一条要行指令的地址，控制程序的序行寄存器结构组储临时储进数数寄存器是由多个触发器成的存电路，用于存多位二制据根据据输入输出方为载式，寄存器可分并行加寄存器、移位寄存器等多种类型计关键内储数结状态寄存器在算机中扮演着角色，CPU部的各种寄存器用于存操作、中间果、访问计储层结级信息和控制信息等寄存器速度极快，是算机存次构中速度最快的一中央处理器（）概述CPUCPU的核心功能计脑负责释执数中央处理器（CPU）是算机系统的大，解行指令和处理据CPU的核心功能包括获译码执数执术逻辑取指令、指令、行指令、存取据和控制系统运行它能够行各种算运算和运算数，并根据程序指令控制据流向现杂结计预测乱执级术代CPU通常采用复的微体系构设，包括分支、序行、指令并行等技，以提高计指令处理效率CPU的性能直接决定了整个算机系统的运算能力CPU的主要组成部分组单术逻辑单组单负CPU主要由三大部分成控制元（CU）、算元（ALU）和寄存器控制元责译码术逻辑单执数逻辑组则储指令和操作控制；算元行各种据运算和操作；寄存器用于存操作数结和中间果现还缓预测线单则单此外，代CPU包含高速存、分支器、总接口等功能元多核CPU在个芯片上单单独执集成多个处理核心，每个核心都具备完整的控制元和运算元，能够立行指令流CPU的工作过程过译码执写阶CPU的基本工作程遵循指令周期，包括取指令、指令、行和回等段在取指令阶内读译码阶执执阶段，CPU从存中取程序指令；段确定需要行的操作；行段完成实际运算将结写标；最后果回到目位置现线术将为阶执代CPU通常采用流水技，指令处理分解多个段并行行，使得多条指令可以同时阶处于不同的处理段，大大提高了指令吞吐量和处理器利用率指令集架构（）ISA架构架构常见指令集举例CISC RISC杂计简计调开当复指令集算机（CISC）采用丰富多精指令集算机（RISC）强指令的x86指令集由Intel发，是今PC市单杂简单标场样的指令系统，条指令可以完成复化和准化，采用固定长度的指令的主流架构，特点是指令丰富，兼容数结杂的操作CISC指令通常长度可变，支持格式，指令类型少，大多指令在一个性好，但构复最新的x86-64架构寻执时时内扩寻多种址方式，指令行间也各不相钟周期完成代表性RISC架构有展了64位支持，大大增加了址空间开同典型的CISC架构包括Intel x86系列ARM、MIPS和近年兴起的源RISC-V计简计应RISC架构的优点是硬件设洁，更容ARM指令集最初设用于低功耗用势码编译现频时级线现为标CISC的优在于代密度高，便于易实高钟和多流水，能耗效，已成移动设备的准架构ARM紧码来简计器生成凑的程序代；缺点是硬件实率高；缺点是可能需要更多的指令完采用精指令设理念，但也融合了一现杂线独复，不利于指令流水优化，功耗成同样的任务RISC架构在移动设备和些CISC特性，形成了特的混合架构较尽历应来开高管如此，由于史兼容性原因嵌入式系统中用广泛，近年也始最新的ARMv9架构增强了安全性和机器计领进计领习，CISC架构仍在个人算机域占据主入服务器和高性能算域学性能导地位指令执行周期译码取指令单码数计数内读2控制元分析指令的操作和操作，确定要执资CPU从程序器PC指定的存地址取指1将为这阶行的操作类型和所需的源令，并PC更新下一条指令的地址个内访问迟执行段可能受存延影响单执ALU或其他功能元行指令指定的操作，如3术逻辑数传算运算、运算或据送回写5访存将结写内操作果回到指定的寄存器或存位置，执4读写内这阶内完成指令行如果指令需要存，在个段完成存访问操作执现过线术执阶进指令行周期是CPU处理指令的基本流程，代处理器通流水技使多条指令的不同行段可以并行行，大幅提高了处理器的吞吐量例当执阶时时译码阶则阶如，一条指令在行段，下一条指令可以同处于段，而再下一条指令处于取指段线术临数关关战过暂预测现远阶然而，流水技也面据相性、控制相性等挑，需要通前递、停和分支等机制解决代CPU的指令处理比基本的五段模杂线阶乱执术进型复，可能包含十几个甚至更多的流水段，并采用多发射、序行等技一步提高性能控制单元硬布线控制微程序控制现代控制单元线过逻辑现将储专储现硬布控制是一种通固定电路实的控制方微程序控制是一种控制信号序列存在用存代处理器通常采用混合控制方式，常用指令采用组逻辑时逻辑码储对应线现杂则式，使用合和序电路直接解指令并器（控制存器）中的方法，每条机器指令一硬布实以提高速度，复或不常用指令采用这应释执现单还生成控制信号种方式响速度快，硬件利用率段微程序，由微程序控制器解行微程序控制微程序实以保持灵活性控制元集成了分支别简单对质软现预测级高，特适合指令系统且相固定的处理器本上是用件方法实硬件控制功能、指令重排序等高功能结计单计执微程序控制的优点是构清晰，设方法系统化，处理器控制元的设直接影响指令行效率和功线为现单预测执硬布控制的主要缺点是灵活性差，一旦指令系统修改指令系统只需更新微程序而无需改变硬件它耗提高性能，代控制元广泛采用了须计别杂执对级线乱执术需要修改，就必重新设硬件电路此外，随着特适合复指令集处理器缺点是行速度相行、多流水、序行等技，大大提高了指杂为杂较为执现标单时指令系统复度增加，控制电路也变得极复，慢，因每条机器指令需要行多个微操作令吞吐量超量处理器的控制元能够同发射难计维简单这执以设和护早期的处理器多采用种控代处理器中，CISC架构多采用微程序控制方式和管理多条指令的行制方式算术逻辑单元（）ALU复杂运算实现1乘法、除法、浮点运算等基本逻辑运算2AND、OR、NOT、XOR等基本算术运算3加法、减法、移位运算术逻辑单组负责执数执简单术逻辑算元（ALU）是CPU的核心件，行各种据处理操作最基本的ALU行的算运算（加法、减法）和运算（与、础级进现或、非、异或等）加法器是ALU的基部件，通常使用全加器联或超前位加法器实对杂过组现专现专于复操作，如乘法和除法，可通多次加减法和移位运算合实，也可使用用电路代处理器通常包含门的乘法器和除法器，有还单数单组数应些配备浮点运算元（FPU）处理浮点运算高性能处理器中，向量运算元可并行处理多据，大幅提升特定用（如多媒体处理、计科学算）的性能寄存器通用寄存器特殊寄存器寄存器层次结构内员访问专计数现级计通用寄存器是CPU可由程序直接的寄存特殊寄存器具有门用途，包括程序器（代处理器往往采用分寄存器设，包括架构临时储数结储对员器，用于存操作和中间果根据处理PC，存下一条指令地址）、指令寄存器（IR寄存器（程序可见）和物理寄存器（实际硬数储当状态储标现过术器架构不同，通用寄存器的量和大小各异，如，存前指令）、寄存器（SR，存件实）通寄存器重命名技，少量的架构进栈针x86-64架构提供16个64位通用寄存器，ARM志位如位、零、溢出等）和堆指（SP，寄存器可以映射到更多的物理寄存器上，有效消栈顶赖关Cortex-A系列提供31个32位通用寄存器指向位置）除了指令间的假依系储数数这内逻辑许还专通用寄存器的使用灵活多变，可以存整据类寄存器通常由CPU部控制直接管理，除此之外，多处理器包含门的向量寄存器内为环计数访问员、存地址或作循器由于寄存器程序无法直接修改或只能有限度地操作特殊用于SIMD指令，控制寄存器用于管理CPU运行远内显执断数调状态领速度快于存，合理利用通用寄存器可以著寄存器在程序行流程控制、条件判和函，以及特定域寄存器如FPU寄存器、执这编译挥关键计提高程序行效率，也是器优化的重要方用等方面发着作用，是CPU正常运行的基MMX寄存器等寄存器设直接影响处理器的础编向之一性能、功耗和程模型存储器层次结构寄存器1内容量最小，速度最快，位于CPU部高速缓存2级分多，容量中等，速度很快主存（RAM）3数容量大，速度适中，掉电丢失据辅存（硬盘/SSD）4较储容量极大，速度慢，可持久存储层结计储组这层计执过存器次构是算机系统中不同速度、容量和成本的存设备的织方式，旨在平衡性能、成本和容量的需求种次化设基于程序局部性原理程序在行程访问区数中往往反复某些局部域的指令和据储层为缓为级储辅储盘态盘从CPU向外，存次依次寄存器、高速存（通常分L

1、L

2、L3三）、主存器（RAM）和助存器（硬、固硬等）速度从最快到最慢，容量从最小级缓级内过这计数时储时储到最大，每一都存下一的部分容通种设，系统能够在大多间提供接近最快存设备的性能，同拥有接近最大存设备的容量高速缓存（）Cache

0.5-1585-95%访问延迟（纳秒）命中率缓访问缓缓现高速存的速度非常快，L1存通常只需

0.5-1典型的高速存系统可以实85-95%的命中率，意纳缓则纳远数内访问请缓获满秒，而L3存需10-15秒，快于主存的50-味着大多存求都能直接从存得足纳应时100秒响间3缓存级别现级缓结级别代处理器通常采用三存构，越低容量越缓为缓数缓小但速度越快，L1存通常分指令存和据存，以提高并行性缓储缓频访问数当访问高速存是位于CPU和主存之间的小容量、高速度存器，用于存繁的据和指令CPU需要内时缓数缓则缓读则存，首先查找存，如果所需据已在存中（命中），直接从存取；否（缺失），从主存中加载数缓给据到存再返回CPU缓缓对应关缓存映射方式决定了主存块与存行的系，常见的有直接映射（每个主存块只能映射到固定存行）、缓组缓环关键问题当全相联映射（可映射到任意存行）和相联映射（折中方案）存一致性是多核境的，多个数缓时过协议证数核心拥有同一据的存副本，需要通（如MESI、MOESI）保据一致性主存储器技术技术存储器管理DRAM SRAM态访问储现计静态访问储动随机存器（DRAM）是代随机存器（SRAM）使用六个主存管理是操作系统的核心功能之一，现术储单内算机主存的主要实技，其特点是使晶体管构成一个存元，无需刷新操涉及存分配、回收、保护和共享等机单储数访问传储连续用个晶体管和电容器存一位信息作即可保持据SRAM速度快（通制统的存管理采用分配方式时纳区现由于电容会随间漏电，DRAM需要定期常小于10秒），功耗低，但密度低、，如分分配和分页分配；代系统普数缓虚内术将内辅刷新（通常每几毫秒一次）以保持据成本高，主要用于CPU高速存和小容遍采用拟存技，物理存和缓区储结不丢失量高速冲助存器合使用访问对稳储单负DRAM密度高、成本低，但速度相与DRAM相比，SRAM具有更高的定性存器管理元（MMU）是处理器中较约纳现访问迟贵责转换虚慢（50-100秒）代DRAM发和更低的延，但价格昂且集成地址的硬件，支持拟地址到物内展出多种变体，如DDR

3、DDR

4、度低，因此不适合用作大容量主存在理地址的映射，并提供存保护功能来带宽应场络过现DDR5等，提供了越越高的最新需要极高性能的特殊用景，如网通页表机制，操作系统可以实按需内传计时写时级内术的DDR5存可达到6400MT/s的输速设备和高性能算中，有会使用SRAM分页、复制等高存管理技，数为内率，大幅提升了据处理能力作主存优化存使用效率虚拟存储器1分页机制2分段机制虚储现将虚虚储现分页是拟存的基本实方式，拟地分段是另一种拟存实方式，基于程序内为逻辑结将为址空间和物理存都划分固定大小的页（的构地址空间划分不同长度的段为虚过码数栈通常4KB）拟页通页表映射到物理，如代段、据段、堆段等每个段有帧频访问暂时过进页，未被繁的页可以存放在磁起始地址和长度，通段表行映射管理盘时调内上，需要再入存势简内码逻辑分页管理的优在于化了存分配（只需分段便于代共享和保护，符合程序的内结导内现分配固定大小的页），减少了存碎片，并构，但可能致存碎片代系统通常连续内现结支持非物理存分配代操作系统普采用段页式管理，合两种方法的优点先级结内将逻辑结将为遍采用多页表构，以减少页表所需的程序按构分段，再每段划分固进存空间定大小的页行管理3地址转换虚转换为内单虚拟地址物理地址是由处理器中的存管理元（MMU）完成的在分页系统中，拟地为内过获对应内结址被分页号和页偏移两部分，MMU通查询页表取的物理页号，与页偏移合形成物理地址为转换转换缓缓项提高效率，处理器通常设有后援冲器（TLB），存最近使用的页表TLB命中可显转换开销当访问内时断负责将以著减少地址程序的页不在存中，会触发缺页中，操作系统所盘调内需页面从磁入存总线系统数据总线地址总线控制总线数线内线数传线传据总用于在CPU、存和地址总用于指定据输的控制总输各种控制信号，传数标单传读写断请线请各种设备之间输据，是双源地址或目地址，是向如/、中求、总传线数线宽线储绪协调向输路据总的度输路（从CPU发出）地址求、存器就等，用于线宽寻线（如32位、64位）决定了一总的度决定了可址空间系统各部件的工作控制总传数线组单线数次能输的据量，直接影响的大小，如32位地址总可是一向或双向信号，较宽数寻内杂系统的吞吐量的据总址4GB存空间，64位可量随系统复度增加而增加线数传寻约能够提高据输效率址16EB（1800万TB）线时计对稳控制总的序设系统现计数线线扩计关须组代算机系统中，据总地址总展是算机发展的定性至重要，必确保各计时当通常采用差分信号设，提高重要里程碑，从早期的16位件能在正确间接收到适的传稳频时现寻现计输定性，并使用高钟（64KB）到在的64位，控制信号代算机中，控现传术数线协议标实快速输随着技发展址能力提高了十亿倍地址制总遵循特定的准，数线渐线计线，并行据总逐被串行总总的设需平衡物理路复如AMBA、PCI等，使不同厂线杂寻现组替代，如PCI Express，提度和址需求，代系统中商的件能够兼容工作带宽扩术线供了更高的和可展性也采用了复用技减少物理数路量系统概述I/O输入设备输出设备I/O接口将传给计将计结连计线输入设备用于信息从外部世界递算机，常输出设备算机处理果以人类可感知的形式呈I/O接口是接外部设备和算机系统总的硬件键盘标扫现来显扬这负责转换时数缓见的包括、鼠、触摸屏、描仪、麦克风和出，主要包括示器、打印机、声器等电路，处理信号、序控制和据冲等传这将键数转换为应数各种感器等些设备物理信号（如按、移些设备接收字信号，相的物理形式（如功能接口电路解决了设备与系统在电气特性、转换为数过传给图获传问题动、声音）字信号，通特定接口输像、文字、声音）供用户取信息据格式和输速率上的不匹配计显阴线现计标算机处理示器是最常用的输出设备，从早期的极射管代算机支持多种I/O接口准，如USB（通用转换键盘显线级术不同输入设备采用不同的信号机制，例如（CRT）发展到液晶示器（LCD）、发光二极管串行总）、SATA（串行高技附件）、PCIe键阵检测键状态标传显显组连这标使用按矩按，鼠使用光电感器示器（LED）和有机发光二极管示器（OLED（外设件互快车）等些接口准定义了物检测将转换为现现显术连协议驱移动，麦克风声波电信号代输入）等代示技追求高分辨率、高刷新率、广理接器、电气信号特性、通信和动程序模蓝标计连觉验缝连设备多采用USB、牙等准接口与算机接，色域和低功耗，以提供更好的视体型，使不同厂商的设备能够无接和工作协议遵循特定的通信中断系统中断请求当时键盘键数传错误断请断外部设备需要CPU服务（如按、据输完成、硬件），会向CPU发送中求信号中控制器接这请级断收并管理些求，根据优先决定哪个中先被处理，然后通知CPU断请为断产软断断为断中求可分硬件中（由外部设备生）和件中（由程序指令触发）硬件中又可分可屏蔽中（可被暂时断须严错误内验错误CPU忽略）和不可屏蔽中（必立即处理，通常用于重如存奇偶校）中断响应执当检测断请断许当状态计数状CPU在行前指令完成后，是否有中求如果有且中允，CPU会保存前程序（程序器、态关闭断断级别转应断寄存器等），中或降低中，然后跳到相的中服务程序断应时暂执转紧这中响机制使CPU能在特定事件发生停正常程序行，而处理更急的任务种机制大大提高了系统的实时应现计组响能力和I/O处理效率，是代算机系统不可或缺的成部分中断服务断专断码储内过断执中服务程序（ISR）是门处理特定中的代，存在固定存位置或通中向量表定位ISR行设备所需的读键盘传数应错误操作，如取输入、处理输完成的据或响条件计应尽简时对时良好设的ISR可能短高效，避免长间占用CPU于需要长间处理的任务，通常采用上半部和下半断应续闲时较级时执详细部机制中处理程序快速响并安排后工作，留待系统空或低优先行处理中断返回断执断状态计数状态中服务程序完成后，行中返回指令，恢复之前保存的程序，包括程序器和处理器CPU恢复之前断级别继续执断过断的中，行被中的程序，就像从未发生中一样断断阶断执状态现专断中返回是中处理的最后段，确保系统能够正确回到中前的行代处理器通常提供门的中返回指状态权换杂令（如x86的IRET指令），自动完成恢复和限切等复操作（直接存储器访问）DMA1DMA基本概念储访问许访问内术预时直接存器（DMA）是一种允外部设备直接系统存的技，无需CPU干使用DMA，CPU只需发出初始命令，指定数标传继续执数传过据源地址、目地址和输长度，然后行其他任务，而据输程由DMA控制器完成别数传场盘读写络数传传DMA大大提高了I/O操作效率，特适用于大块据输景，如磁、网据输等统的程序控制I/O方式需要CPU参与数传单传数每个据字的输，而DMA可以在次设置后自动输整块据2DMA控制器现内访问专储传数标传计数产DMA控制器是实直接存的用硬件，它包含若干寄存器存输参（源地址、目地址、输等），并能够生必要内现组的控制信号和存地址代系统中，DMA控制器通常集成在外设控制器或芯片中时暂时获线权这过称为线请线当线DMA控制器工作需要取系统总控制，一程总仲裁通常，DMA控制器向CPU求总，CPU完成前总操释线权传归还权作后放总控制，DMA完成输后再控制3DMA传输模式传单节传传数获线权连续传数则DMA输有多种工作模式字输模式每次输一个据字；突发模式在得总控制后输一块据；透明模式利用线时进传对CPU不使用总的间片段行输，CPU影响最小还数传标此外，有飞越模式（Fly-By）和搬运模式（Fetch-and-Deposit）飞越模式中，据直接从源输到目，DMA控制器只生成控则数传转标较制信号和地址；搬运模式需要据先输到DMA控制器，再发到目，效率低但灵活性更高4现代DMA技术现计术现连续内区线线代算机系统中的DMA技已经高度发展，出了分散-聚集DMA（支持非存域）、总主控DMA（设备直接控制总）级时独传等高特性多通道DMA控制器能够同管理多个立输，大大提高了系统吞吐量计数领远内访问术许络访问远计内预在高性能算和据中心域，程直接存（RDMA）技允网设备直接程算机的存，无需操作系统干，极络迟大减少了网通信延，提高了分布式系统性能并行处理任务并行数据并行1将时给单执将应数阵不同任务同分配多个处理元行，适同一操作用于据集的不同部分，如矩2环用于多道程序境，提高系统吞吐量运算，适合SIMD架构内存并行指令并行4内时访问错储时执关过线标3使用多个存模块同，如交存器，同行多条非相指令，通流水、超内带宽访问术现单线增加存，减少冲突量等技实，提高程性能计为术过时执来执时单颈计为并行处理是算机系统提高性能而采用的基本技，通同行多个操作减少总行间随着核性能提升遇到瓶，并行算成主流计负载关键问题发展方向并行系统的设需要解决同步、通信、均衡等现计为内访问内内内多处理器系统是实并行算的主要平台，可分共享存系统（所有处理器同一存空间）和分布式存系统（每个处理器有私有存，通过传现计节内内节内结消息递通信）代高性能算系统通常采用混合架构，既有点的共享存，又有点间的分布式存，合两种模型的优点。