[工学]计算机原理详解之运算器与控制器课件

计算机原理详解之运算器与控制器本课件将深入探讨计算机的核心组件运算器和控制器，带您领略计算机内部运作的奥秘计算机系统的基本组成运算器控制器负责执行各种算术和逻辑运算，负责控制计算机各个部件的协同是计算机的核心部件之一工作，是计算机的指挥中心存储器输入输出设备用于存储数据和程序，分为主存负责与外界进行信息交换，包括储器和辅助存储器键盘、鼠标、显示器等的基本结构CPU，即中央处理器，是计算机的核心部件，负责执行程序并控制整个计算机CPU系统的运行通常由运算器、控制器、寄存器组和高速缓存组成，每个组件都扮演着重CPU要的角色运算器的结构和工作过程算术逻辑单元ALU1执行算术和逻辑运算寄存器组2存储数据和中间结果数据通路3数据在运算器内部的传输路径算术逻辑单元的功能ALU算术运算逻辑运算移位操作可以执行加、减、乘、除等基本算术支持逻辑运算，例如、、能够执行左移、右移等操作，用于位ALU ALUAND ORALU运算和操作和数据处理XOR NOT寄存器文件的结构和作用寄存器文件是一个由多个寄存器组成的集合，每个寄存器都有唯一的地址它用来存储CPU中的数据，并提供快速访问数据的途径寄存器文件的结构通常采用阵列结构，每个寄存器都有自己的存储单元CPU可以通过地址访问寄存器文件中的数据寄存器文件在CPU中起着重要的作用，它可以•快速访问数据，提高CPU的运行速度•存储运算结果和中间结果，方便后续操作•存放程序中的数据，减少内存访问次数指令寄存器和程序计数器的作用指令寄存器程序计数器IR PC存储当前正在执行的指令保存下一条要执行指令的地址控制器的结构和工作原理指令译码器将指令的操作码转换为控制信号，控制其他部件执行指令时序控制电路产生各种控制信号的时序，协调各个部件的运行微程序控制器将指令的执行过程分解为一系列微指令，并控制微指令的执行控制器的指令译码过程指令获取指令分解控制器首先从指令寄存器中获取将指令分解为操作码和操作数，当前指令识别指令类型和操作对象生成控制信号根据指令的类型和操作数生成相应的控制信号，控制运算器和存储器等部件完成操作指令周期和机器周期指令周期机器周期执行一条指令所需的全部时间完成一个基本操作所需的全部时间CPU CPU取指令和执行指令的过程取指令1从内存中读取指令CPU译码2将指令翻译成机器可以理解的指令CPU执行3执行指令，并更新寄存器和内存CPU流水线技术概述流水线技术是现代计算机系统中提高性能的重要技术，通过将指令执行过程分解成多个阶段，并使用多个功能单元同时执行不同阶段的指令，从而提高计算机的处理速度并行处理吞吐量提升12流水线技术通过并行处理多个在一定时间内，流水线能够处指令的不同阶段，实现提高计理更多指令，有效提升计算机算机系统整体效率系统的吞吐量性能提升3流水线技术能够显著提高计算机系统的性能，尤其是对于那些需要大量计算的应用程序流水线的基本原理将指令执行过程分解成多个阶段不同阶段的指令同时执行提高指令执行效率流水线的性能评估指标指标定义吞吐率单位时间内完成的任务数量加速比流水线执行时间与非流水线执行时间的比值效率流水线利用率，即流水线中各级被充分利用的程度流水线设计的关键问题数据相关性控制相关性12数据相关性指的是一条指令需控制相关性指的是一条指令的要使用前面指令的结果导致执行结果会影响后续指令的执,流水线需要暂停等待行路径例如分支指令.,.资源冲突3资源冲突指的是多条指令同时需要访问同一个硬件资源例如内存或运算,器导致流水线需要等待,.流水线暂停和数据相关性数据相关性1当一条指令的结果被下一条指令使用时，会造成数据相关性流水线暂停2为了解决数据相关性，需要暂停流水线，等待相关数据计算完成处理方法3可以通过数据转发或延迟执行等方法来减少暂停时间控制相关性及其处理方法控制相关性处理方法控制相关性是指当前指令的执行结果会影响下一条指令的执行地为了解决控制相关性，可以采用分支预测技术，预测下一条指令址，例如分支指令的地址，提前取指令，减少流水线的停顿和的对比RISC CISCRISCCISC指令集精简，指令数量少，执行速度快，更适合编译器优化指令集复杂，指令数量多，执行速度慢，更适合程序员使用超标量处理器结构超标量处理器通过并行执行多条指令来提高性能它使用多个执行单元，例如算术逻辑单元、浮点运算单元和内存ALU FPU访问单元，来同时处理多个指令超标量处理器还采用指令流水线技术，以提高指令执行效率为了实现超标量处理，处理器需要使用指令发射机制，将多个指令同时发送到执行单元它还需要使用寄存器重命名技术，以避免数据相关性问题分支预测技术可以预测指令流，并提前获取指令，减少流水线停顿超标量处理器的指令发射指令发射指令发射是指将指令从指令队列中取出，并将其送入执行单元的过程并发发射超标量处理器能够同时发射多条指令，以提高指令执行效率资源竞争指令发射需要考虑资源竞争问题，例如执行单元、寄存器等指令调度指令调度算法用于选择合适的指令进行发射，以最大限度地提高指令执行效率寄存器重命名技术消除数据相关性提高流水线效率通过将不同指令的源操作数分配给不同的物理寄存器，即使逻辑上通过消除数据相关性，寄存器重命名技术可以使流水线更加高效地它们指向同一个寄存器，也可以消除数据相关性，从而允许指令并执行指令，提高程序的整体性能行执行分支预测技术预测未来分支跳转方向提高程序执行速度预测准确率影响性能内存层次结构为了提高计算机系统的性能，现代计算机系统通常采用多级存储器系统，即内存层次结构这种结构由多个级别的存储器组成，每个级别存储器都有不同的速度、容量和成本，它们协同工作以提供高性能和经济效益最快的存储器通常是最小的，成本也最高，例如寄存器，而最慢的存储器CPU通常是最大的，成本也最低，例如磁盘存储器的基本工作原理Cache高速缓存1速度快，容量小，存储访问频率高的数据主存2速度慢，容量大，存储所有程序和数据辅助存储器3速度最慢，容量最大，长期保存数据的性能分析Cache9010命中率缺失率命中率是衡量性能的关缺失率反映了访问主存的次Cache Cache Cache键指标数1平均访问时间平均访问时间是衡量系统整体性能的重要指标一致性协议Cache写回协议写直达协议修改的数据只写入，只有修改数据同时写入和主Cache Cache当该数据被替换时才写入主存存，确保主存数据与一Cache致写通过协议写操作同时写入和主存，并更新其他中的对应数据CacheCache总线技术概述总线是计算机系统中不同功能部件之间进行信息传输的公共通路它可以连接、内存、外设等多个组件CPU数据总线地址总线12传输数据信息传输数据地址信息控制总线3传输控制信号，例如读写控制、时钟信号等总线的仲裁和读写过程仲裁1多个设备共享总线时，需要仲裁机制来决定哪个设备优先使用总线读操作2向内存或外设发出读请求，通过总线传输地址和控制信CPU号，读取数据写操作3向内存或外设发出写请求，通过总线传输地址、数据和控CPU制信号，写入数据外设接口技术以太网USB HDMIPCIe通用串行总线是一种广高清晰度多媒体接口是以太网是一种广泛使用的网络外设组件互连高速是一USB HDMIPCIe泛应用的接口标准，支持各种一种数字音频视频接口，用于标准，用于连接计算机和其他种高速接口标准，用于连接高/外设，如键盘、鼠标、打印机连接显示器和音频设备，提供网络设备，实现数据传输性能外设，如显卡、网络卡和和移动设备高质量的图像和声音存储设备课程总结和思考计算机原理是计算机科学的基础，它介绍了计算机系统各个组成部分的工作原理，以及它们如何协同工作，理解这些原理对于学习更高级的计算机技术至关重要在课程学习中，我们深入探讨了运算器和控制器的结构、功能以及工作过程，包括指令周期、流水线技术等重要概念这为我们理解现代计算机系统架构和工作机制打下了坚实基础。