《计算机体系结构》课件

《计算机体系结构》ppt课件•引言CONTENTS目录•计算机体系结构概述•指令系统•存储系统•输入输出系统•并行处理与多核处理器•流水线技术•计算机体系结构优化技术CHAPTER01引言课程简介计算机体系结构是计算机科学的一门核心课程，主要研究计算机系统的基本组成、组织结构、工作原理及其设计方法本课程将介绍计算机体系结构的基本概念、指令集体系结构、处理器设计、存储系统、输入输出系统等通过本课程的学习，学生将掌握计算机体系结构的基本原理和设计方法，为后续的专业课程学习和实际应用奠定基础课程目标培养学生对计算机体系结掌握计算机体系结构的基构的分析、设计和优化能本概念、原理和方法力A BC D理解指令集体系结构、处培养学生对计算机体系结理器设计、存储系统、输构领域的兴趣和热情，为入输出系统的基本原理和未来的学习和工作打下坚设计方法实的基础CHAPTER02计算机体系结构概述计算机体系结构定义计算机体系结构是指计算机系统的整体设计和组织结构，包括其硬件和软件的交互方式它定义了计算机的基本功能、指令集、数据类型、寄存器、内存、I/O接口等，以及它们之间的相互关系和操作方式计算机体系结构分类根据不同的分类标准，可以将根据数据存储方式可以分为计算机体系结构分为多种类型冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构根据指令集体系结构（ISA）可根据并行处理方式可以分为单以分为复杂指令集计算机处理器体系结构和多处理器体（CISC）和精简指令集计算机系结构（RISC）计算机体系结构的发展历程计算机体系结构的发展经历了多个阶段，从早期的真空管计算机到晶体管计算机，再到集成电路计算机，以及现代的大规模集成电路计算机在这个过程中，计算机体系结构不断优化，以适应更高的性能、更低的功耗和更小的体积等需求未来计算机体系结构的发展将更加注重可扩展性、灵活性和可重构性，以适应不断变化的应用需求和技术环境CHAPTER03指令系统指令系统概述指令系统定义指令系统的发展历指令系统的分类程指令系统是计算机硬件与软件之从早期的简单指令系统到现代的根据指令长度、寻址方式、操作间的接口，是计算机体系结构中复杂指令系统，指令系统的功能类型等不同特征，可以将指令系最重要的概念之一和性能不断提升统分为多种类型指令格式指令格式概述操作码地址码修饰位指令格式是指令系统中规定操作码是用来表示指令操作地址码用来表示操作数或操修饰位用来表示指令的一些指令长度的信息格式，包括的码位，例如加法、减法、作数的地址，包括直接寻址、特殊属性，例如是否为特权操作码、地址码、修饰位等乘法等间接寻址、基址寻址等多种指令、是否为条件执行指令部分方式等寻址方式寻址方式概述寻址方式是指计算机在执行指令时寻找操作数或操作数地址的方式立即寻址立即寻址是指操作数直接包含在指令中，计算机直接取出操作数进行操作直接寻址直接寻址是指操作数的有效地址包含在内存单元中，计算机通过内存单元取出操作数进行操作间接寻址间接寻址是指操作数的有效地址通过寄存器间接给出，计算机先取出寄存器中的地址，再通过该地址取出操作数进行操作CHAPTER04存储系统存储系统概述存储系统是计算机体系结构中存储系统通常由多个层次的存存储器的性能和容量对计算机的重要组成部分，负责存储和储器组成，包括主存储器、外的性能和效率有着重要影响检索数据和指令存储器和高速缓存等主存储器主存储器是计算机中直接与处理器交互的存储器，通常由RAM（随机存取存储器）组成主存储器的主要特点是存取主存储器中存储的数据在断电速度快，但容量较小，价格后会丢失，因此不适合长期保较高存数据外存储器外存储器是计算机中用于长期保外存储器的特点是容量大、价格外存储器中的数据在断电后仍然存数据的存储器，通常包括硬盘、相对较低，但存取速度较慢可以保留，因此常用于保存操作固态硬盘（SSD）等系统、应用程序等重要数据高速缓存高速缓存是一种特殊的存储器，用于提高处理器访问数据的速度高速缓存由高速的SRAM（静态随机存取存储器）组成，容量较小，但访问速度非常快高速缓存通过将常用的数据和指令存储在处理器附近，减少了处理器访问主存储器的次数，从而提高了计算机的性能CHAPTER05输入输出系统输入输出系统概述输入输出系统是计算机中负责与外部世界进行信息交互的部分，包括从外部设备接收输入数据、向外部设备发送输出数据等功能输入输出系统的性能和效率对整个计算机系统的性能和效率产生重要影响输入输出系统的设计需要考虑到各种外部设备的特性和需求，以便能够实现高效、可靠的数据传输和处理输入输出设备输入输出设备是指与计算机进行不同的输入输出设备具有不同的输入输出设备的选择和使用需要信息交互的外部设备，包括键盘、特性和性能，能够满足不同的应考虑到计算机系统的整体性能和鼠标、显示器、打印机、扫描仪用需求用户的需求，以便能够实现高效、等舒适的信息交互输入输出控制方式输入输出控制方式是指计算机对输入输出设备的控制方式，包括程序查询方式、中断方式、直接内存访问（DMA）方式等不同的输入输出控制方式具有不同的特性和性能，能够满足不同的应用需求输入输出控制方式的选择和使用需要考虑到计算机系统的整体性能和输入输出设备的特性，以便能够实现高效、可靠的数据传输和控制CHAPTER06并行处理与多核处理器并行处理概述并行处理的分类时间并行、空间并行、数据并行和并行处理流水并行指在同一时刻或同一时间间隔内完成两个或两个以上工作的能力并行处理的优势提高计算速度、增强计算能力、提高资源利用率多核处理器多核处理器指在一个处理器上集成多个核心，每个核心可以1独立执行一条指令多核处理器的优势提高处理器性能、增强多任务处理能力、降低功2耗多核处理器的应用场景高性能计算、云计算、大数据处理、游戏等3并行处理的应用场景科学计算人工智能利用并行处理技术进行大规模利用并行处理技术进行机器学数值计算，如天气预报、地震习和深度学习，如语音识别、模拟等图像识别等图像处理游戏开发利用并行处理技术进行图像处利用并行处理技术进行游戏渲理和视频编辑，如图像增强、染和物理模拟，如3D游戏、VR视频压缩等游戏等CHAPTER07流水线技术流水线技术概述流水线技术定义01流水线技术是一种将多条指令分割成多个独立阶段，并同时进行处理的并行处理技术流水线技术的目的02提高计算机系统的吞吐量，减少指令执行时间，提高处理器的执行效率流水线技术的原理03通过将一条指令的执行过程划分为多个独立的阶段，每个阶段执行一个子任务，每个子任务完成后将结果传递给下一个阶段，从而实现并行处理流水线的分类与设计简单流水线复杂流水线将一条指令的执行过程划分为取指、将一条指令的执行过程划分为更多的译码、执行、访存和写回等几个阶段，阶段，如取指、译码、执行、访存、每个阶段顺序执行写回等，每个阶段并行执行多级流水线并行流水线将一条指令的执行过程划分为多个阶将多条指令的执行过程划分为多个阶段，并将这些阶段分配给多个处理器，段，并将这些阶段分配给多个处理器，实现多级并行处理实现并行处理流水线的性能分析吞吐量效率单位时间内流水线处理的指令数量流水线中每个阶段的利用率和完成率延迟冲突流水线中每个阶段的延迟时间由于资源共享或数据依赖导致的流水线冲突CHAPTER08计算机体系结构优化技术指令级并行技术指令级并行技术是指通过同时执行多个指令来提高计算机性能的技术指令级并行技术包括指令调度、分支预测、指令预取等技术，通过这些技术可以减少CPU等待时间，提高指令执行速度指令级并行技术的实现需要硬件的支持，如多流水线处理器、超标量处理器等指令级并行技术是计算机体系结构优化技术中的一种重要技术，可以提高计算机的性能和效率数据级并行技术01数据级并行技术是指通过同时处理多个数据来提高计算机性能的技术数据级并行技术包括数组处理、矩阵运算、向量运算等技术，通过这02些技术可以同时处理大量数据，提高数据处理速度03数据级并行技术的实现需要硬件的支持，如SIMD处理器、GPU等数据级并行技术是计算机体系结构优化技术中的一种重要技术，可以04提高计算机的性能和效率线程级并行技术01线程级并行技术是指通过同时执行多个线程来提高计算机性能的技术02线程级并行技术包括多线程编程、线程同步、线程池等技术，通过这些技术可以同时执行多个线程，提高程序执行速度03线程级并行技术的实现需要操作系统的支持，如线程调度、内存管理等04线程级并行技术是计算机体系结构优化技术中的一种重要技术，可以提高计算机的性能和效率THANKS感谢观看。