计算机系统概述：处理器、指令执行与多核结构

"该资源是计算机科学系操作系统课程的一部分，由李才伟和凌应标在2012年2月制作。主要内容涵盖了计算机系统的基本构成，包括处理器、指令执行、中断、存储器层次结构、高速缓存、DMA、多处理器与多核结构等核心概念。此外，还介绍了计算机系统的软件层次，如应用软件、软件支撑软件和系统软件，以及硬件组成部分，如处理器、存储器、总线、接口和I/O设备。" 本文将详细阐述计算机系统概述的相关知识点： 1. **计算机系统构成** 计算机系统由多个层次组成，从上至下依次是应用软件、软件支撑软件和系统软件，再到硬件部分。系统软件包括基本输入输出系统(BIOS)、操作系统、编译器和工具软件。硬件系统主要包括处理器、内存、桥、硬件总线、接口和各种I/O设备。 2. **处理器** - **微处理器**：是计算机的核心部件，负责执行指令和控制整个系统运行。 - **多核处理器**：随着技术进步，处理器发展为多核结构，能同时处理多个计算任务，提高系统性能。 - **GPU**：图形处理单元，专为图形渲染和计算密集型任务设计，如今也常用于通用计算。 - **处理器寄存器**：包括编程可见寄存器，如数据寄存器、地址寄存器、控制和状态寄存器。这些寄存器提高了数据处理速度，因为它们比内存更快。 3. **指令执行** - **程序**：是一系列存储在内存中的指令。 - **指令周期**：取指阶段是从内存中取出指令，执行阶段则是执行取出的指令。这两个阶段构成了处理器的基本工作循环。 4. **存储器层次结构** 存储器分为多个层次，从快速但昂贵的高速缓存到较慢但容量大的主内存，再到外部存储设备。高速缓存通过缓存最近使用的数据，减少访问主内存的次数，提高系统性能。 5. **中断** 中断是处理器响应外部事件或软件请求的方式，中断处理程序会暂停当前执行的任务，转而处理中断请求。 6. **DMA（直接内存存取）** DMA允许外部设备直接与内存交换数据，不通过CPU，从而提高数据传输效率。 7. **多处理器与多核结构** 多处理器系统包括多个CPU，可以并行处理任务，增强系统处理能力。多核处理器则在一个物理芯片上集成多个处理核心，同样实现了并行处理。 8. **总线和接口** 硬件总线如内存总线、局部总线和扩展总线，以及接口如PCI、IDE、SATA、USB、以太网等，负责不同硬件组件之间的通信。 这些知识点构成了计算机系统的基础框架，对于理解操作系统的工作原理和计算机系统的整体运作至关重要。深入学习这些内容，有助于提升在计算机科学领域的专业素养。