《计算机组成原理基础》课件

计算机组成原理基础欢迎参加《计算机组成原理基础》课程，这是为计算机专业本科生精心设计的专业核心课程在接下来的讲中，我们将系统地探索计算机硬件系统的工50作原理、组成结构以及设计思想什么是计算机组成原理？学科定位研究核心应用价值计算机组成原理是研究计算机硬件系统本学科核心研究计算机各个功能部件的构成及其工作原理的学科，它处于计算设计原理和实现方法，包括指令系统设机科学的核心位置与计算机体系结构计、结构、存储层次、系统等CPU I/O相比，组成原理更侧重于硬件实现层通过优化这些部件的设计，可以提高计面，研究如何构建处理器、存储器和算机系统的性能、可靠性和效率I/O系统等核心组件计算机发展历史第一代计算机11946-1958以真空管为核心元件，体积庞大，能耗高，运算能力有限代表作重达ENIAC30吨，包含个真空管，每秒可执行次加法运算18,0005,000第二代计算机21959-1964晶体管取代真空管，体积和能耗大幅降低，可靠性提高等机型出现，IBM7090开始采用高级程序设计语言第三代计算机31965-1971集成电路时代，小型化和性能显著提升操作系统开始成熟，分时系统出现，IBM系列实现了软件兼容System/360第四代计算机至今41972计算机系统组成控制单元计算机的指挥中心运算单元执行算术和逻辑操作存储单元存放程序和数据输入单元接收外部信息输出单元向外部输出结果计算机系统由硬件和软件两大部分协同工作硬件提供物理计算能力，而软件则控制硬件完成特定任务这五大核心单元共同构成了冯诺依曼架构的基础，它们通过总线·互连，形成一个完整的计算系统架构详细剖析Von Neumann单一存储器程序指令和数据存储在同一个存储空间中，使用相同的寻址机制进行访问这种设计简化了系统架构，但也导致了存储器访问冲突中央处理单元包含算术逻辑单元和控制单元，负责执行指令和数据处理按ALU CPU照存储在内存中的指令序列顺序执行操作总线结构连接和存储器的通道，用于传输指令和数据由于指令和数据共享同CPU一总线，形成了经典的冯诺依曼瓶颈·存储程序概念程序指令被预先存储在存储器中，可以像处理数据一样被修改这使得计算机可编程，能够执行各种不同的任务计算机层次结构应用层用户直接交互的高级程序和应用软件高级语言层、等可移植的编程语言C Java操作系统层管理硬件资源的系统软件指令集架构层硬件与软件的接口规范微架构层实现指令集的具体硬件设计计算机系统是一个多层次的复杂结构，通过抽象分层简化了设计和使用底层的物理硬件通过逐级抽象，最终提供给用户易于理解和操作的界面每一层都为上层提供服务，同时隐藏了下层的复杂细节，这种分层设计使得系统开发、维护和升级变得更加灵活和高效数据表示方法二进制表示补码表示计算机内部使用二进制（和负数在计算机中通常使用补码表0）表示所有数据一个二进制示一个位二进制数的补码是1n位（）是最小的数据单位，减去该数的绝对值这种表bit82^n个组成一个字节（）示方法使得加减运算统一，简化bit byte现代计算机通常以字或双字为基了硬件设计例如，在位系统8本处理单位，分别是个或个中，的补码表示为24-43字节10010101字符编码是最早的标准字符编码，使用位二进制表示个字符为支持ASCII7128多语言，编码扩展了字符集，常用的是一种变长编码方Unicode UTF-8式，可兼容并支持全球几乎所有文字系统ASCII布尔代数基础与门AND只有当所有输入都为时，输出才为数学表示11C=A·B应用实现数字电路中的且逻辑，如检测多个条件是否同时满足或门OR只要有一个输入为，输出就为数学表示11C=A+B应用实现数字电路中的或逻辑，如检测多个条件是否至少一个满足非门NOT输入信号的逻辑取反数学表示B=¬A应用实现信号的反相，是构建其他复杂逻辑门的基础元件组合逻辑电路半加器与全加器多路复用器译码器半加器能计算两个一位二进制数的和，多路复用器（）能根据选择信号从译码器将位输入转换为个输出线，MUX n2^n输出和与进位全加器在半加器基础上多个输入中选择一个输出它类似于一每次仅激活一个输出它主要用于地址增加了进位输入，可以级联实现多位加个受控制的多位置开关，广泛应用于数解码、指令解码和显示驱动等场景，是法这是计算机算术单元的基础电路据选择和路由电路中内存寻址的关键组件时序逻辑电路时序逻辑电路的输出不仅依赖于当前输入，还依赖于先前的状态，因此具有记忆功能锁存器是最基础的存储单元，能在控制信号有效时保持一位数据触发器则是时钟控制的锁存器，可以在时钟信号的特定边沿（上升沿或下降沿）改变状态计数器由多个触发器组成，能按照预定序列改变状态，在定时和控制电路中广泛应用寄存器则由多个触发器并行组成，用于存储多位二进制数据，是中存储和处理数据的关键组件CPU中央处理器（）概述CPU算术逻辑单元控制单元ALU执行加减乘除和逻辑运算解释指令并控制执行流程性能直接影响计算速度协调各功能部件工作数据通路寄存器组连接各功能部件的内部总线高速临时存储单元3传输数据和控制信号包括数据、地址和状态寄存器指令集架构（）ISA数据传输指令算术逻辑指令负责在寄存器、内存和设执行各种计算操作，包括加减I/O备之间移动数据包括乘除、比较、位操作等这些LOAD（加载）和（存储）指令是程序执行计算任务的核STORE等基本指令，是最基础的指令心部分类型控制指令改变程序执行流程，包括条件分支、无条件跳转、子程序调用和返回等它们实现了程序的非线性执行能力算术逻辑单元（）ALU整数加法整数减法使用全加器级联实现，是最基本的算术通过补码表示转换为加法实现操作整数除法整数乘法基于重复减法和移位操作使用移位和加法组合实现是的核心计算组件，它通过组合逻辑电路实现各种算术和逻辑运算现代设计中，进位链优化是提高性能的关键因素，ALU CPUALU常用技术包括超前进位（）、选择进位和曼彻斯特进位链等这些技术通过并行处理进位信号，大幅减少了加法操作的延迟CLA控制单元设计硬布线控制器微程序控制器直接使用组合和时序逻辑电路实现控制功能这种设计执行速度将每条机器指令解释为一系列更简单的微操作序列，存储在控制快，硬件结构相对简单，适合指令集较小的处理器但缺点是灵存储器中这种设计具有很高的灵活性，易于修改和扩展指令活性差，难以修改和扩展，一旦设计完成就难以改变指令集集，适合复杂指令集处理器缺点是执行速度相对较慢，硬件设计相对复杂控制单元的核心功能是解释指令并产生相应的控制信号，协调各部件完成指令执行状态转换表是设计控制器的重要工具，它描CPU述了系统在不同状态下接收不同输入时的状态转移和输出动作一个高效的控制单元设计需要精确控制微操作的时序关系，确保数据在正确的时间到达正确的位置流水线技术CPU取指IF从内存获取指令译码ID解析指令并读取寄存器执行EX执行操作ALU访存MEM访问数据内存写回WB将结果写入寄存器流水线技术是提高性能的重要方法，它将指令执行分解为多个阶段，使不同指令的不同阶段可以并行执行理想情况下，级流水线可以提高处理器吞吐率至倍，但实际性能增益受CPU nn到流水线阻塞和冲突的限制流水线设计中的三大冲突包括结构冲突（硬件资源不足）、数据冲突（指令间数据依赖）和控制冲突（分支指令改变执行流）解决这些冲突是流水线优化的核心内容流水线结构案例高级优化技术控制冒险处理现代处理器采用更复杂的技术如乱序执行、推数据冒险处理分支指令会产生控制冒险，导致流水线需要清测执行和寄存器重命名等，进一步提高流水线MIPS五级流水线中，数据冒险可通过转发技术空和重新填充为减少这种损失，常用技术包效率这些技术允许处理器在保证正确性的前（forwarding）解决，它允许计算结果直接从括分支预测（静态或动态）、延迟槽（将有提下，突破严格顺序执行的限制，挖掘更多指一个流水级传递到另一个流水级，而不必等待用指令放入分支延迟槽）以及分支目标缓冲器令级并行性写回寄存器当转发无法解决时，需要插入停（，缓存分支目标地址）BTB顿周期（）pipeline stall存储系统概述寄存器最快、容量最小、直接集成在内CPU缓存Cache2快速静态，多级设计RAM主存Main Memory动态，直接与交互RAM CPU辅助存储器硬盘、、光盘等，容量大但速度慢SSD计算机系统采用分级存储结构，利用各种存储技术的特点构建高效存储系统这种层次化设计基于程序的局部性原理，即程序在执行过程中往往集中访问少量数据和指令通过在快速但昂贵的高层存储中保存经常访问的数据，同时使用容量大但速度慢的低层存储保存大量不常用数据，可以在成本和性能之间取得良好平衡主存结构特性SRAM DRAM存储原理触发器电路电容充放电访问速度快中等1-10ns50-100ns集成度低高成本高低刷新需求不需要需要周期性刷新主要用途缓存存储器主存储器主存储器是能直接访问的工作存储空间，通常由芯片组成存储器芯片的基本操作包括读、写和刷新（对于）为了构建大容量存储器，需要将多个存储芯片组织成矩阵，通CPU DRAMDRAM过行地址和列地址进行选择存储器扩展主要有两种方式位扩展（增加字长）和字扩展（增加字数）通过合理组合这两种方式，可以构建满足系统需求的存储系统缓存存储器多级缓存结构缓存映射方式缓存一致性现代处理器通常采用多级缓存结构，缓缓存与主存之间的映射有三种主要方式在多处理器系统中，当多个处理器拥有同L1存分为指令缓存和数据缓存，容量小但速直接映射（简单但冲突多）、全相联映射一数据的缓存副本时，如何保持数据一致度最快；缓存容量更大但速度略慢；（灵活但硬件复杂）和组相联映射（两者性是关键问题常用的缓存一致性协议包L2缓存更大，通常在多核处理器中由所有折中方案）现代处理器多采用路组相括监听（）协议和目录L3N Snooping核心共享这种多级结构能有效平衡访问联映射，如路或路组相联，在性能和复（）协议，前者适用于共享总48Directory速度和容量需求杂度间取得平衡线系统，后者适用于分布式系统虚拟存储器虚拟存储原理分页机制加速TLB虚拟存储器技术允许程序使用比物理内分页是最常用的虚拟存储实现方式，它为提高地址转换速度，现代处理器使用存更大的地址空间，通过在需要时自动将虚拟地址空间和物理内存空间划分为快表（Translation LookasideBuffer,将程序的部分内容在主存和辅存之间交固定大小的页程序使用虚拟地址，通）缓存最近的虚拟页到物理页的映TLB换来实现这一技术基于程序的局部性过页表转换为物理地址当访问不在物射是一个小型的相联存储器，能TLB原理，只有实际需要的程序部分才被加理内存中的页时，会触发页错误，操作显著减少页表访问次数，加速地址转换载到物理内存中系统将缺失的页从磁盘加载到内存过程输入输出系统概述/接口功能性能指标I/O I/O接口是与外部设备通系统性能通常用带宽（单I/O CPUI/O信的桥梁，负责解决设备与处位时间内传输的数据量）和延理器之间的速度不匹配、数据迟（从发出请求到接收响应的格式转换和控制时序等问题时间）来衡量操作的开I/O一个完整的接口包含数据销包括处理器时间、内存访问I/O寄存器、控制寄存器和状态寄和设备操作时间，优化这些环存器节是提高性能的关键I/O控制方式I/O常用的控制方式包括程序控制（轮询设备状态）、中断驱I/O I/O CPU动（设备就绪时通知）和直接内存访问（，设备直接与I/O CPUDMA内存交换数据，无需干预）不同方式适用于不同性能需求的场CPU景外围设备控制磁盘存储器是计算机最重要的辅助存储设备之一，其工作原理基于磁性材料记录数据硬盘由多个盘片组成，每个盘片有多个磁道，每个磁道又分为多个扇区数据访问时间包括寻道时间、旋转延迟和数据传输时间，其中寻道时间通常是主要瓶颈键盘通过扫描矩阵检测按键状态，将物理按键转换为扫描码传送给计算机显示器则通过控制像素的颜色和亮度显示图像，现代显示器多采用或技术网络接口卡（）是计算机与网络连接的桥梁，负责数据的发送和接收，同时实现物理层和数据链路LCD OLEDNIC层的网络协议总线系统数据总线地址总线1双向传输路径，用于在设备间传送数据单向传输路径，指定数据源或目的地址位宽决定了数据传输效率位宽决定了可寻址空间大小时钟总线控制总线提供同步信号，协调各部件工作传输控制信号和状态信息频率影响总线传输速度包括读写、中断和总线请求等信号/总线是计算机系统中连接各功能部件的公共通信通道现代计算机通常采用分层总线结构，例如高速前端总线连接和北桥芯片，CPU总线连接高速外设，和总线连接低速外设总线仲裁机制确保在多个设备请求使用总线时能够有序访问，常见的仲裁PCI USB SATA方式包括集中式仲裁和分布式仲裁指令周期与微操作取指周期译码周期从内存读取指令并存入指令寄存器分析指令并确定操作类型回写周期执行周期将结果存回寄存器或内存进行算术逻辑运算或数据传送指令周期是处理器执行一条指令所需的全部步骤，包括一系列微操作每个微操作是处理器在一个时钟周期内完成的最基本操作，如将数据从一个寄存器传送到另一个寄存器、执行一次运算等ALU时钟频率是决定处理器性能的关键因素之一，它代表每秒钟执行的周期数提高时钟频率可以加快指令执行速度，但同时也会增加功耗和热量现代处理器设计更注重提高单个时钟周期内的工作效率，而不仅仅是提高时钟频率并行计算基础共享内存模型分布式内存模型在共享内存并行计算模型中，所有在分布式内存模型中，每个处理器处理器共享一个全局内存空间处拥有自己的私有内存，处理器间通理器通过读写共享变量进行通信，过消息传递进行通信这种模型可编程相对简单但随着处理器数量扩展性好，适合大规模并行系统，增加，内存访问冲突和一致性维护但编程复杂度较高典型代表是计成为性能瓶颈典型代表是多核算机集群和大型超级计算机和对称多处理器系统CPU SMP计算模型GPU采用单指令多线程架构，非常适合数据并行任务它包含成百上GPU SIMT千个简单核心，能同时执行大量相同操作但作用于不同数据的线程和CUDA等编程模型使得通用计算变得可行，广泛应用于科学计算和人工OpenCL GPU智能领域常见存储优化技术缓存预取替换策略优化缓存预取技术通过预测程序将要当缓存空间不足需要替换数据访问的数据，提前将其从主存调时，替换策略决定了哪些数据应入缓存，减少缓存缺失带来的延被保留除了传统的（最近LRU迟预取策略可以基于程序顺序最少使用）和（先进先出）FIFO访问模式（顺序预取）、跨步访策略外，现代处理器还采用更复问模式（跨步预取）或复杂的程杂的算法如（最不经常使LFU序行为分析（自适应预取）用）和伪等，以在不同访问LRU模式下获得更好性能存储保护机制存储保护机制确保程序只能访问授权的内存区域，防止恶意或错误操作破坏系统常见技术包括页级保护、段级保护和隔离执行环境现代处理器支持多级特权模式和虚拟化技术，提供更细粒度的访问控制和保护异常与中断处理中断检测在执行完当前指令后，检查是否有待处理的中断请求中断源可以是外部设备（硬CPU件中断）、指令执行过程中出现的错误（异常）或软件显式请求（软中断陷阱）每/种中断源都有相应的优先级，高优先级中断会先被处理状态保存检测到中断后，需保存当前执行环境，包括程序计数器、处理器状态寄存器和CPU其他关键寄存器这些信息通常被保存在系统栈中，以便中断处理完成后能恢复原来的执行状态中断服务程序执行通过中断向量表获取对应中断类型的处理程序地址，然后跳转执行这个处理CPU程序中断服务程序完成特定任务，如读取设备数据、处理异常情况或执行系统调用等状态恢复中断处理完成后，从栈中恢复之前保存的执行环境，继续执行被中断的CPU程序这个过程通常由特殊的返回指令（如）完成，它会同时恢复程序IRET计数器和处理器状态性能分析CPU数据通信和网络接口传输方式并行传输串行传输数据位传输同时发送多位一次发送一位传输速率理论上更快可达更高频率线路需求多条数据线少量数据线时钟同步同步困难相对简单传输距离较短较长应用实例旧式打印机接口、、USBSATAPCIe数据通信协议定义了设备间数据交换的规则和格式物理层协议关注信号表示和传输方式，如电压电平、编码方式等；数据链路层协议则负责数据帧的组织和错误检测，如以太网协议中的层MAC网络适配器是计算机连接网络的关键设备，它实现了计算机内部总线和外部网络之间的接口转换现代网络适配器通常集成了物理层、数据链路层的功能，并支持卸载、虚拟化TCP/IP等高级特性，极大减轻了主处理器的负担存储保护和安全机制特权级保护地址空间隔离访问控制机制现代处理器通常支持多级特权模式（如虚拟内存技术为每个进程提供独立的地现代处理器在页表项中加入访问权限的），限制低特权级代码址空间，进程只能访问自己的地址空位，控制页面的读、写和执行权限例x86Ring0-3访问高特权级资源操作系统内核运行间，无法直接访问其他进程或操作系统如，数据页可以标记为不可执行，代码在最高特权级（），而用户应用的内存这种隔离由内存管理单页可以标记为只读，防止恶意代码注入Ring0MMU程序运行在较低特权级（如），元硬件强制执行，是操作系统安全的基和缓冲区溢出攻击英特尔的位和Ring3NX需要通过系统调用间接访问受保护资石的位就是这类保护机制的实AMD XD源现现代多核CPU多核架构设计核间通信功耗管理现代多核通常在单一硅片上集成多个多核处理器中，核心间需要高效通信以维随着核心数量增加，功耗和散热成为多核CPU独立处理核心，每个核心都有自己的和持数据一致性常用的技术包括缓存一致设计的关键挑战现代处理器采用动L1CPU缓存，而缓存则由所有核心共享性协议（如、）、片上网络态频率调节、核心关闭和高级功耗状态等L2L3MESI MOESI这种设计使得单个能同时处理多个线（）和共享内存总线等这些机制确技术管理功耗热设计功耗（）是衡CPU NoCTDP程，显著提高了系统的并行处理能力，特保各核心对共享数据的修改能被其他核心量处理器散热需求的重要指标，直接影响别适合多任务环境和并行程序正确感知，维持程序执行的正确性散热解决方案的设计超标量与超线程技术4+发射宽度现代超标量处理器每周期可发射多条指令100+指令窗口乱序执行处理器可跟踪的在飞指令数量2x超线程提升理想情况下的吞吐量提升30%实际性能增益超线程技术在实际应用中的平均性能提升超标量处理器能够在单个时钟周期内发射和执行多条指令，充分利用处理器中的多个功能单元指令级并行性（）是这种技术的核心，它通过挖掘指令ILP间的独立性，实现并行执行然而，数据依赖、控制依赖和结构冲突限制了可获得的并行度超线程技术（称为）允许单个物理核心同时执行两个线程，通过在一个线程等待内存或其他资源时执行另一个线程的指令，提高处Intel Hyper-Threading理器资源利用率这种技术需要处理器复制部分架构状态（如寄存器），但共享执行资源、缓存和内存系统指令优化技术分支预测指令调度预测条件分支指令的执行方向，减少流水线重排指令执行顺序，充分利用执行单元停顿推测执行寄存器重命名基于预测提前执行指令，提高并行度消除寄存器竞争导致的假依赖关系延迟槽是一种编译器优化技术，在分支指令后放置一条无论分支结果如何都会执行的有用指令这种技术在早期处理器中常用，可减轻分支指RISC令对流水线的影响现代处理器多采用动态分支预测，基于分支历史记录预测未来分支行为循环展开是一种将循环体复制多次以减少循环控制开销的优化技术，通常由编译器自动完成标量化则将向量或操作转换为标量操作，便于处SIMD理不规则数据结构静态优化在编译时完成，而动态优化在程序运行时进行，二者结合能获得最佳性能专用处理器概述数字信号处理器图形处理器DSP GPU专为数字信号处理设计，具包含成百上千个简单计算核DSP GPU有特殊的乘累加（）单元，心，适合高度并行的计算任务MAC支持单指令周期内完成乘法和加它采用（单指令多线程）SIMT法操作通常采用哈佛架架构，能同时对大量数据执行相DSP构，分离指令和数据存储，允许同操作现代具有专门的图GPU同时访问指令和数据常用于音形渲染单元和通用计算单元，广频处理、图像处理和通信系统等泛应用于游戏、科学计算和人工领域智能领域专用集成电路ASIC是为特定应用定制的集成电路，能提供最高的性能和能效比与通用ASIC处理器不同，只能执行设计时确定的功能，缺乏灵活性但性能卓越ASIC常见例子包括比特币挖矿芯片、视频编解码器和网络交换芯片等存储系统性能案例系统设计案例I/O技术与对比RAID SSDHDD（独立磁盘冗余阵列）技术通过组合多个磁盘来提高性（固态硬盘）相比（机械硬盘）具有显著的性能优RAID SSDHDD能、可靠性或两者兼顾常见的级别包括（条势随机访问延迟更低（微秒级毫秒级），抗震能力更强，能RAID RAID0vs带化，提高性能），（镜像，提高可靠性），耗更低，噪音更小然而，每成本更高，写入寿命有RAID1RAID5SSD GB（分布式奇偶校验，平衡性能和可靠性）和（镜像条限现代系统常采用混合存储方案，利用存储频繁访问的热RAID10+SSD带化，兼顾两方面）选择合适的级别需考虑性能需求、数据，而将冷数据存储在容量更大的上，平衡性能和成RAID HDD数据重要性和成本因素本网络文件系统（）允许客户端通过网络访问远程计算机上的文件，就像访问本地文件一样采用客户端服务器模型，客户NFS NFS-端发送请求，服务器处理请求并返回响应为提高性能，采用缓存机制，但这也带来了一致性挑战现代实现（如）NFS NFSNFSv4加入了更强的一致性保证和安全特性架构RISC VSCISC特性架构架构RISC CISC指令集简单、数量少复杂、功能丰富指令长度固定长度可变长度寻址模式少量简单模式多种复杂模式指令执行大多单周期完成多周期微操作寄存器数量较多（个）较少（个）16-328-16指令内存访问只有指令多种指令可访存load/store流水线优化设计初期考虑后期增加复杂度典型代表、、、ARM MIPSRISC-V x86x86-64现代计算机架构发展趋势云计算与分布式系统异构计算量子计算云计算将计算资源作为服务提供，通过虚异构计算整合不同类型的处理器共同完成量子计算利用量子力学原理如叠加态和纠拟化技术将物理硬件池化，实现资源的弹计算任务，如处理通用计算和串行代缠进行计算，有潜力解决传统计算机难以CPU性调度和高效利用分布式系统架构允许码，处理高度并行的任务，处处理的特定问题虽然目前仍处于早期阶GPU FPGA大规模水平扩展，但也带来一致性、可用理特定算法加速，专注深度学习运段，面临退相干和错误率高等挑战，但已TPU性和分区容忍性之间的平衡挑战，这就是算这种架构能够为每种计算任务匹配最在密码学、材料科学和药物发现等领域展著名的定理所描述的限制适合的硬件，显著提高性能和能效比现出巨大潜力CAP指令集扩展与优化指令集SIMD单指令多数据（）指令允许一条指令同时对多个数据元素执行相同操作，SIMD显著提高数据并行处理能力常见的指令集包括的和系列，SIMD IntelSSE AVX的等这类指令主要应用于多媒体处理、科学计算和人工智能等ARM NEON计算密集型场景浮点运算扩展现代处理器不断增强浮点计算能力，从早期的浮点协处理器到后来集成的x87浮点单元，再到专门的指令集标准定义了浮点数表示AVX-512IEEE754和运算规则，保证跨平台计算的一致性和精度半精度（）和混合精度FP16计算在加速器中越来越受欢迎AI安全扩展为应对不断增长的安全威胁，处理器厂商引入了多种安全相关指令集扩展的提供可信执行环境，加速加密操作，的Intel SGXAES-NI ARMTrustZone隔离安全和非安全世界这些扩展显著提高了安全功能的性能，减轻了安全措施带来的性能损失性能分析与调优工具指令级分析工具系统级性能分析技术Profiling这类工具通过模拟或直接监测执行情系统级工具监控整个计算机系统的性能状是通过采样或插桩方式收集程序CPU Profiling况，提供指令执行的详细信息态，包括利用率、内存使用、活动执行信息的技术采样分析（如）周Intel CPUIO gprof和等能显示指和网络流量等系统中的、期性记录程序计数器位置，统计热点函数；VTune AMDCodeAnalyst Linuxperf sar令吞吐量、延迟、依赖关系和流水线阻塞和，中的插桩分析（如）在程序关键点插top WindowsPerformance Valgrind原因，帮助开发者识别微架构层面的性能等工具帮助管理员和开发者了解入监测代码，提供更详细的执行信息，但Monitor瓶颈这些工具对编写高性能汇编代码或系统运行状况，定位性能瓶颈，优化资源开销较大现代工具常结合两种方法，权优化编译器生成代码特别有价值分配衡精度和性能影响多核心调度与管理任务分类根据计算特性和并行度分类任务分解将大任务分解为可并行的子任务负载分配根据处理器特性分配适合的任务动态平衡运行时调整以优化资源利用多核处理器的有效利用需要合理的线程和任务调度策略静态负载均衡在任务开始前预先分配工作，适合负载可预测的情况；动态负载均衡则在运行时根据实际情况调整，适应变化的工作负载，但带来额外开销工作窃取（）是一种高效的动态调度算法，允许空闲处理器窃取其他处理器队列中Work Stealing的任务并发编程中的临界区问题是多核编程的核心挑战之一锁机制（如互斥锁、读写锁、自旋锁）能够保护共享资源，但不当使用可能导致死锁、活锁或性能下降无锁编程技术和事务内存等高级方法能减少锁带来的性能开销，但增加了编程复杂度可靠性与容错设计10^-12每位错误率现代内存芯片的典型位错误率8+1单比特ECC常见内存使用个数据位搭配个校验位ECC81位72服务器内存位宽带的服务器内存典型数据通道宽度ECC

99.999%高可用系统五个可用性，年停机时间不超过分钟95纠错码（）是提高系统可靠性的重要技术，通过添加冗余位检测和纠正数据错误简单的奇偶校验只能检测单比特错误，而不能纠正；ECC码可以纠正单比特错误并检测双比特错误；更复杂的码能纠正多位突发错误，广泛应用于存储和通信系统Hamming Reed-Solomon除了数据保护，现代系统还采用多种冗余技术提高可靠性，如双重甚至三重模块冗余（容许单点故障）、备份电源和冷热备份等容错设计通常会增加系统成本和复杂度，也可能影响性能，需要根据应用场景和可靠性需求进行权衡嵌入式系统与组成原理实时性要求能耗限制集成度要求嵌入式系统通常需要在许多嵌入式设备依赖电现代嵌入式系统多采用严格的时间约束内响应池供电，要求处理器在片上系统（）设SoC外部事件，这要求处理满足性能需求的同时保计，将处理器核心、内器具有可预测的执行时持低功耗处理存控制器、外设接口和ARM间和低中断延迟硬实器凭借其高能效比在嵌专用硬件加速器集成在时系统（如飞行控制）入式领域占据主导地单一芯片上这种高度必须保证最坏情况下的位，其架构集成降低了系统尺寸、big.LITTLE响应时间，而软实时系通过结合高性能和高能功耗和成本，但增加了统（如多媒体设备）允效核心，进一步优化功设计复杂度和散热挑许偶尔的延迟耗特性战虚拟化与仿真技术硬件虚拟化服务器虚拟化利用处理器特殊指令集实现高效虚拟机在单一物理服务器上运行多个虚拟服务器网络虚拟化操作系统虚拟化创建独立的虚拟网络隔离不同业务流量共享主机内核但隔离用户空间（容器技术）虚拟机模拟完整的计算机系统，包括处理器、内存和外设，允许一个操作系统在另一个操作系统中运行（虚拟机监视器）是实现虚拟化的关键组Hypervisor件，分为（直接运行在硬件上，如）和（运行在宿主操作系统上，如）两种处理器虚拟化扩展（如Type-1VMware ESXiType-2VirtualBox IntelVT-x和）大幅提高了虚拟化性能AMD-V容器技术（如）与传统虚拟机相比，共享主机操作系统内核，启动更快、资源开销更小，但隔离性相对较弱容器编排平台（如）进一步Docker Kubernetes简化了容器的部署、扩展和管理，成为云原生应用的重要基础设施新型存储技术非易失性内存接口存内计算NVMe非易失性内存（）结合了的（非易失性内存快速接口）是专存内计算（NVM DRAMNVMe Computing-in-Memory,高速和闪存的持久性，代表技术包括为设计的高性能接口协议，直接连）是一种突破冯诺依曼架构限制的SSD CIM·（相变存储器）、（阻变接到的总线，绕过传统新范式，直接在存储单元内进行计算，PCM ReRAMCPU PCIeSATA存储器）和（磁性存储器）等接口的瓶颈支持高度并行的命避免了频繁的数据搬运这种方法特别MRAM NVMe英特尔是商用的代表产令队列（最多个队列，每队列适合数据密集型应用，如机器学习和图Optane NVM64K64K品，可作为高速存储设备或内存扩展使个命令），大幅降低了堆栈延迟，提计算存内计算架构可基于模拟或数字I/O用，填补了内存和存储之间的性能鸿供近乎存储介质本身的性能计算单元，前者提供更高能效，后者则沟兼容现有软件生态能效优化与绿色计算计算机体系结构中的加速AI专用芯片神经网络加速设计软件栈优化AI为适应深度学习算法的特殊计算模式，各大高效的神经网络加速器需平衡计算强度和内框架（如、）通过AI TensorFlowPyTorch厂商开发了专用加速芯片谷歌的针存带宽关键设计包括大量乘加单元阵列多层软件栈与硬件适配编译优化层将高级AI TPU对张量运算优化，采用脉动阵列架构；英伟处理矩阵运算；片上缓存层级减少内存访问；模型转换为特定硬件指令；自动调优工具探达的添加了专门加速矩数据重用策略最大化计算效率；低精度计算索最佳执行策略；运行时系统管理内存和任GPU TensorCore阵乘法；华为、寒武纪等公司也推出了自己（如、）平衡精度和性能不务调度软硬件协同设计使开发者无需了解INT8FP16的设计这些专用芯片通常比通用同神经网络模型（、、底层硬件细节，同时充分发挥加速器性能NPU CNNRNN在工作负载上快倍）需要不同的硬件优化策略CPU AI10-100Transformer存储与计算集成趋势异构集成多种功能芯片整合为单一系统1近内存计算在内存附近放置计算单元存内计算3直接在存储单元内执行计算新型计算模型突破冯诺依曼架构限制·存算一体化技术旨在克服内存墙问题，通过将计算能力直接集成到存储层次中，减少数据移动近内存计算（）将处理单元放Near-Memory Computing置在内存芯片附近；而存内计算（）则直接利用存储单元的物理特性执行逻辑和算术运算，例如利用忆阻器阵列实现矩阵乘法In-Memory Computing一体化芯片设计面临着诸多挑战，包括异构集成工艺复杂性、热管理问题、编程模型不成熟以及测试验证困难等尽管如此，随着传统架构扩展性受限，业界正积极探索这一方向存算一体的（）架构在大规模图计算、数据库和神经网络推理等应用中展现出显著潜力PIM Processing-In-Memory学术前沿与行业趋势开源架构神经形态计算RISC-V是一种开放标准指令集架神经形态计算模拟人脑神经系统工RISC-V构，不受单一公司控制，允许任何作方式，采用脉冲神经网络和类突人设计、制造和销售芯片触结构与传统架构不同，它强调RISC-V和软件它模块化设计支持从嵌入事件驱动、并行处理和低功耗特性式到高性能计算多种场景，基础指英特尔和等Loihi IBMTrueNorth令集简洁，扩展机制灵活开源性芯片已展示出在模式识别和自适应质促进了广泛创新，全球多家公司学习任务中的潜力，特别是在低功和研究机构正积极参与生态建设耗场景下的优势量子与分子计算量子计算利用量子叠加和纠缠实现特定问题的指数级加速，目前处于早期研究阶段但进展迅速分子和计算则探索利用生物分子进行信息处理，具有超DNA高并行性和能效这些新兴计算范式可能在未来十年内对特定领域如密码学、材料科学和药物研发产生革命性影响课程总结与展望基础知识掌握理解计算机硬件系统基本原理实践能力培养具备系统分析与设计初步能力专业素养建立形成计算机硬件系统思维未来学习方向为高级专业课程奠定基础通过本课程的学习，我们系统地探讨了从基本逻辑门到复杂处理器架构，从单一运算单元到完整计算系统的各个方面这些知识构成了理解现代计算机系统的基础，也是深入学习高级计算机体系结构、操作系统、编译原理等后续课程的前提推荐继续学习的资源包括和的《计算机组成与设计》和《计算机体系结构量化研究方法》；参与开源项目如实现或开源设计；关注Patterson HennessyRISC-V CPU学术会议如、和的研究进展希望同学们能将所学知识应用到实践中，跟随技术发展不断更新知识体系感谢大家的参与！ISCA MICROASPLOS。