計算機技術(shù)介紹演講人：日期：目錄計算機技術(shù)概述計算機技術(shù)概述計算機系統(tǒng)技術(shù)計算機器件和部件技術(shù)運算方法和指令系統(tǒng)流水線原理在CPU設(shè)計中的應(yīng)用存儲體系和總線技術(shù)01計算機技術(shù)概述第一代電子管計算機研制(1958-1964年)1957年中科院計算所開始研制通用數(shù)字電子計算機。1958年8月1日我國第一臺電子數(shù)字計算機誕生，命名為103型計算機(即DJS-1型)。1958年5月我國開始了第一臺大型通用電子數(shù)字計算機(104機)的研制工作。同期在研制104機的同時，夏培肅等人開展了晶體管計算機的研制工作。后續(xù)發(fā)展及重要成果1960年代我國成功研制出多臺晶體管計算機和小型集成電路計算機。020403011980年代我國計算機產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展時期，微機、工作站、服務(wù)器等產(chǎn)品相繼問世。1970年代我國開始研制集成電路計算機，并在集成電路制造技術(shù)上取得重要突破。21世紀我國計算機技術(shù)已與世界先進水平接軌，在超級計算機、量子計算、人工智能等領(lǐng)域取得重要成果。02計算機系統(tǒng)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)計算機系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起，實現(xiàn)資源共享和信息傳遞。硬件包括中央處理器、存儲器、輸入輸出設(shè)備等。軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，系統(tǒng)軟件如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等，應(yīng)用軟件則根據(jù)具體需求進行設(shè)計和開發(fā)。計算機系統(tǒng)組成要素處理器管理主要任務(wù)是分配和控制處理器資源，提高資源利用率。存儲管理負責存儲器的分配、保護和共享，提高存儲空間的利用率。文件管理負責文件的存儲、檢索、共享和保護，為用戶提供便捷的文件操作接口。設(shè)備管理負責計算機硬件設(shè)備的管理和調(diào)度，包括設(shè)備驅(qū)動程序、設(shè)備分配和故障處理等。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)除了具備上述基本功能外，還具有網(wǎng)絡(luò)通信、資源共享、安全管理和遠程管理等功能。操作系統(tǒng)功能與分類0102030405用戶界面友好，兼容性強，支持多種硬件設(shè)備和軟件應(yīng)用，但安全性相對較低。穩(wěn)定性高，安全性強，支持多用戶、多任務(wù)操作，適用于服務(wù)器和嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域。界面美觀，性能穩(wěn)定，易用性高，支持多種軟件應(yīng)用，但只能在蘋果電腦上使用。主要用于移動設(shè)備，具有開放性、豐富的應(yīng)用程序和用戶群體，但安全性相對較低，且系統(tǒng)碎片化問題嚴重。常見操作系統(tǒng)介紹及特點分析WindowsUnix/LinuxMacOSAndroid03計算機器件和部件技術(shù)運算器進行算術(shù)和邏輯運算，由ALU（ArithmeticandLogicUnit）實現(xiàn)?？刂破髫撠熤噶畹慕忉尯蛨?zhí)行，由CU（ControlUnit）實現(xiàn)。寄存器用于暫存數(shù)據(jù)，包括通用寄存器、累加器、程序計數(shù)器等。CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)通路、控制單元、運算單元等部分。CPU結(jié)構(gòu)與工作原理簡述內(nèi)存儲器包括RAM（隨機存儲器）和ROM（只讀存儲器），RAM速度快、可讀寫，但易失；ROM速度快、只讀，不易失。存儲器類型及其特點對比01外存儲器如硬盤、光盤、U盤等，存儲容量大、可長期保存信息，但速度較慢。02緩存（Cache）位于CPU和內(nèi)存之間，速度快，用于存放當前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。03各類存儲器比較內(nèi)存儲器速度快、容量小、價格高；外存儲器容量大、價格低、速度慢；緩存介于二者之間。04輸入輸出設(shè)備介紹輸入設(shè)備將外部信息轉(zhuǎn)化為計算機能識別的形式，如鍵盤、鼠標、掃描儀等。輸出設(shè)備將計算機處理后的信息轉(zhuǎn)化為人類可接受的形式，如顯示器、打印機等。輸入輸出控制器管理輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的工作，包括設(shè)備選擇、數(shù)據(jù)交換等。輸入輸出設(shè)備發(fā)展趨勢高分辨率、高速度、多功能、智能化等方向發(fā)展。04運算方法和指令系統(tǒng)基本運算方法簡述01基本運算是指執(zhí)行運算最基礎(chǔ)的算法，在關(guān)系代數(shù)運算中，有5種基本運算，它們是并（U）、差（—）、投影、選擇、笛卡爾積（X）?；具\算是計算機進行復(fù)雜運算的基礎(chǔ)，通過組合基本運算可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的運算?；具\算廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)庫操作、算法設(shè)計、計算機圖形學等領(lǐng)域。0203基本運算定義基本運算重要性基本運算應(yīng)用場景01指令系統(tǒng)定義指令系統(tǒng)是計算機硬件的語言系統(tǒng)，也叫機器語言，指機器所具有的全部指令的集合。指令系統(tǒng)概述及分類02指令系統(tǒng)分類根據(jù)指令的功能，指令系統(tǒng)可以劃分為數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)邏輯指令、移位指令、控制指令等類型。03指令系統(tǒng)特點指令系統(tǒng)具有完備性、正交性、規(guī)整性、高效性等特點。指令執(zhí)行過程一般包括取指令、分析指令、執(zhí)行指令、存儲結(jié)果等步驟。指令執(zhí)行步驟計算機中指令的執(zhí)行方式有順序執(zhí)行、并行執(zhí)行、流水線處理等方式。指令執(zhí)行方式指令執(zhí)行效率受到指令系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣、計算機硬件性能等因素的影響。指令執(zhí)行效率指令執(zhí)行過程剖析01020305流水線原理在CPU設(shè)計中的應(yīng)用流水線技術(shù)的分類整數(shù)流水線和浮點流水線，其中經(jīng)典奔騰的整數(shù)流水線分為四級流水，即取指令、譯碼、執(zhí)行、寫回結(jié)果；浮點流水則分為八級流水。流水線技術(shù)的定義在程序執(zhí)行時多條指令重疊進行操作的一種準并行處理實現(xiàn)技術(shù)。流水線技術(shù)的原理將一條指令分成多個步驟，在不同的電路單元中并行執(zhí)行，以實現(xiàn)在一個CPU時鐘周期內(nèi)完成一條指令，提高CPU的運算速度。流水線技術(shù)基本原理介紹奔騰系列處理器現(xiàn)代處理器中的流水線技術(shù)更加復(fù)雜，包括更深的指令流水線、多級緩存、分支預(yù)測等優(yōu)化技術(shù)，以提高處理器的性能?，F(xiàn)代處理器其他芯片設(shè)計流水線技術(shù)不僅應(yīng)用于CPU設(shè)計，還廣泛應(yīng)用于其他芯片設(shè)計，如GPU、DSP等，以實現(xiàn)高效的并行處理。經(jīng)典奔騰每條整數(shù)流水線都分為四級流水，即取指令、譯碼、執(zhí)行、寫回結(jié)果，實現(xiàn)了高效的指令執(zhí)行。CPU設(shè)計中的流水線應(yīng)用實例流水線沖突解決方法探討流水線冒險流水線沖突會導(dǎo)致流水線冒險，包括數(shù)據(jù)冒險、結(jié)構(gòu)冒險和控制冒險。數(shù)據(jù)冒險是指下一條指令依賴上一條指令的結(jié)果，導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突；結(jié)構(gòu)冒險是指多條指令同時爭用同一資源，導(dǎo)致資源沖突；控制冒險是指分支指令導(dǎo)致流水線停頓，影響性能。解決方法通過數(shù)據(jù)前推、寄存器重命名、指令重排序等技術(shù)解決數(shù)據(jù)冒險；通過增加資源、使用多級緩存等方式解決結(jié)構(gòu)冒險；通過分支預(yù)測、延遲分支等技術(shù)解決控制冒險。流水線沖突的影響流水線沖突會影響流水線的效率，降低處理器的性能。因此，在CPU設(shè)計中需要采取多種方法來減少流水線沖突，提高處理器的性能。06存儲體系和總線技術(shù)網(wǎng)絡(luò)存儲體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)存儲體系結(jié)構(gòu)采用SAN、NAS等先進技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的集中存儲、管理和備份，提高了數(shù)據(jù)的可靠性和可用性。存儲體系定義指計算機中存儲數(shù)據(jù)的硬件和軟件的綜合，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。存儲體系層次結(jié)構(gòu)包括寄存器、高速緩存、主存儲器和外存儲器等多個層次，分別用于存儲不同類型和速度的數(shù)據(jù)。存儲中心化趨勢隨著存儲技術(shù)的不斷發(fā)展，存儲體系逐漸從以服務(wù)器為中心轉(zhuǎn)向以存儲為中心，以提高數(shù)據(jù)存儲的效率和安全性。存儲體系概述及層次結(jié)構(gòu)總線技術(shù)簡介與工作原理總線技術(shù)定義將計算機各部件連接到處理器的一種技術(shù)，是計算機內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕ǖ??？偩€類型與功能包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等，分別負責數(shù)據(jù)傳輸、地址定位和控制信號的傳輸?？偩€工作原理通過總線上的信號傳輸，實現(xiàn)計算機各部件之間的通信和數(shù)據(jù)交換，保證計算機系統(tǒng)的正常運行?？偩€性能指標包括總線寬度、總線時鐘頻率和總線傳輸速率等，直接影響計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度和效率?？偩€技術(shù)發(fā)展趨勢向高速、高帶寬、低延遲和智能化方向發(fā)展，以適應(yīng)現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的需求。新興技術(shù)如固態(tài)硬盤（SSD）、光纖通道（FibreChann