唐朔飞 计算机组成原理课件

计算机组成原理欢迎来到计算机组成原理课程计算机系统结构中央处理单元主存储器输入输出系统CPU负责执行程序指令,运算和控制系统其用于存储正在执行的程序和数据,可以用于与外部设备交互,例如键盘,鼠标,他部分.被CPU快速访问.显示器和硬盘.处理器的工作原理指令译码1将指令转换为机器可执行的格式数据运算2执行算术、逻辑运算和数据处理数据存储3将结果存储到寄存器或内存中指令获取4从内存中读取下一条指令主存储器主存储器是计算机系统中用来存放程序和数据的核心部件它是一种高速、易失性的存储器，可以被CPU直接访问主存储器通常由DRAM芯片构成，具有读写速度快、容量大、价格相对便宜等优点主存储器是计算机系统中的一个关键组成部分，它负责存储程序和数据，以便CPU可以快速访问它们主存储器通常由DRAM芯片构成，具有读写速度快、容量大、价格相对便宜等优点输入输出系统数据交互设备控制数据格式转换输入输出系统是计算机与外部世界输入输出系统负责控制和管理连接输入输出系统有时需要对数据进行进行数据交互的桥梁，负责将数据到计算机的各种外部设备，包括键格式转换，以适应不同设备之间的从外部设备传送到内存，或将内存盘、鼠标、显示器、打印机等等差异，确保数据能够正确地传输中的数据传送到外部设备存储设备存储设备是计算机系统中用于保存数据的部件存储设备的种类繁多，根据其存储介质、访问速度、容量和成本等因素可以分为不同的类型常用的存储设备包括硬盘、固态硬盘、光盘、磁带等总线结构数据总线地址总线控制总线用于传输数据，包括指令、数据和地用于指定内存地址或外设地址用于传输控制信号，例如读写信号、址时钟信号和中断信号存储器层次结构缓存1速度快，容量小，价格贵主存2速度中等，容量中等，价格中等辅存3速度慢，容量大，价格便宜存储器层次结构是现代计算机系统中提高系统性能的关键技术缓存是速度最快的存储器，用于存放经常访问的数据和指令，以提高访问速度主存是计算机系统中容量最大的存储器，用于存放程序和数据辅存是容量最大的存储器，用于存放不经常访问的数据，例如备份文件和存档文件指令系统指令集是CPU理解的语言，定义不同CPU拥有不同的指令集，例了CPU可以执行的操作如x

86、ARM等指令集设计影响着CPU的性能、功耗和成本指令执行过程1234取指令译码执行写回从内存中读取指令到指令将指令分解成操作码和操根据操作码执行指令，包将运算结果写入到内存或寄存器作数括算术运算、逻辑运算、寄存器数据传送等数据通路设计数据通路是计算机系统中实现指令执行的硬件结构，它定义了数据在处理器内部各个部件之间的流动路径数据通路的设计包括确定各个部件的连接方式以及数据传输的控制机制数据通路通常包括寄存器组、算术逻辑单元ALU、存储器接口、总线以及控制单元等部件数据通路的设计需要考虑指令集、操作数类型、数据宽度、时钟频率等因素控制单元设计控制信号生成指令译码12控制单元负责根据指令的控制单元需要对指令进行类型生成各种控制信号，译码，识别指令的类型和控制数据通路的操作操作码，以便生成相应的控制信号时序控制3控制单元还需要控制指令执行的时序，确保每个步骤按顺序执行，并协调各个部件之间的同步操作总线仲裁机制集中式仲裁一个中央仲裁器控制多个设备访问总线分布式仲裁每个设备都拥有优先级，按优先级顺序访问总线链式仲裁设备按顺序连接，每个设备可以阻止下一个设备访问总线令牌传递一个令牌在设备之间传递，持有令牌的设备可以访问总线中断机制中断请求中断处理当外部设备需要CPU处理时，CPU收到中断请求后，会保会发送中断请求信号存当前执行状态，并跳转到中断处理程序中断向量中断返回中断向量表保存了不同类型中断处理程序完成后，会恢中断的处理程序地址复CPU执行状态并返回到中断发生时的位置流水线技术指令流水线将指令执行过程分解为多个阶段，每个阶段执行不同的操作，多个指令同时处于不同的执行阶段，提高指令执行效率数据流水线将数据处理过程分解为多个阶段，每个阶段执行不同的操作，多个数据同时处于不同的执行阶段，提高数据处理效率流水线技术优势提高指令执行速度，降低硬件成本，增强系统吞吐量流水线技术挑战数据相关性、控制相关性、资源冲突等问题超标量处理器提高吞吐率流水线技术通过并行执行多个指令，提升处超标量处理器基于流水线技术，理器性能实现指令的并行执行复杂的设计超标量处理器结构复杂，设计和实现成本较高并行处理器提高性能解决复杂问题应用领域通过将任务分配给多个处理器来提高处理大型数据集、模拟复杂系统和解高性能计算、大数据分析、人工智能计算机的处理能力决科学难题等领域存储器层次结构优化缓存一致性1确保不同缓存之间数据一致缓存替换策略2选择合适的缓存块替换策略缓存大小优化3平衡缓存大小与性能虚拟存储器技术扩充主存容量提升内存管理效率12通过利用磁盘空间作为主通过将程序和数据分割成存的扩展，虚拟存储器技多个页面，并进行页面调术可以显著地提高系统可入和调出操作，虚拟存储用内存容量，并减少对物器技术可以提高内存利用理内存的限制率，减少内存碎片支持多任务处理3虚拟存储器技术可以为多个进程提供独立的地址空间，并通过页面调入和调出机制，实现多任务的并发执行磁盘阵列技术磁盘阵列技术是一种将多个独立的磁盘驱动器组合在一起，形成一个逻辑存储设备的技术，可以提高存储系统的性能、可靠性和容量磁盘阵列技术主要分为两种类型RAID0和RAID1RAID0是一种数据条带化技术，将数据分成多个块，分别存储到不同的磁盘上，可以提高数据传输速度RAID1是一种数据镜像技术，将数据复制到多个磁盘上，可以提高数据可靠性输入输出系统优化数据传输速度优化数据传输错误率优化设备管理优化I/O通过使用高速接口，如PCIe和SATA，使用纠错码ECC和数据校验机制，通过使用智能I/O设备管理策略，可以可以提高数据传输速度使用缓存和可以降低数据传输的错误率，从而确优化设备的分配、调度和资源管理，缓冲技术可以减少I/O操作的延迟保数据的完整性和可靠性提高系统的整体性能设备驱动程序桥梁接口抽象设备驱动程序是操作系统和硬件设备它提供了一个标准的接口，允许操作它将硬件设备的复杂细节抽象化，使之间的桥梁，负责协调两者之间的通系统以统一的方式访问不同的硬件设操作系统能够以更简单的方式使用这信备些设备中断处理程序中断向量表1用于存储各个中断源对应的中断处理程序地址中断服务程序2针对特定中断源的代码，用于处理中断事件中断处理流程3保存现场，执行中断服务程序，恢复现场，返回总线协议标准PCI ExpressUSB SATA一种高速串行总线标准，用于连接高一种通用串行总线标准，用于连接各一种串行ATA标准，用于连接硬盘驱性能设备，如显卡和存储控制器种外设，如键盘、鼠标和打印机动器和固态硬盘等存储设备性能指标CPUCPU性能指标主要包括主频、缓存大小、核心数量、线程数量、指令集等等.性能优化CPU指令流水线分支预测12通过将指令分解成多个阶预测程序执行路径，减少段，并行执行不同阶段的分支跳转带来的性能损失，指令，提高指令执行效率提高指令执行效率缓存优化3使用多级缓存，减少内存访问时间，提高数据访问速度功耗和散热管理计算机系统功耗的控制对延长设散热管理旨在确保系统在安全温备寿命和提高系统性能至关重要度范围内运行，避免过热造成的损害现代计算机系统设计中，越来越注重低功耗和高能效计算机系统性能评估性能指标1衡量计算机系统速度、效率和响应能力基准测试2使用标准测试程序评估系统性能性能分析3识别性能瓶颈并优化系统未来计算机发展趋势量子计算人工智能量子计算机利用量子力学原人工智能将进一步发展，使理，以指数级速度解决经典计算机能够更深入地理解和计算机难以处理的复杂问题模拟人类的思维和行为，并在各种领域发挥重要作用边缘计算边缘计算将数据处理转移到更靠近数据源的设备，提高响应速度和效率，并降低网络延迟本课程总结本课程深入探讨了计算机组成原理，从处理器工作原理到存储器层次结构，从指令执行过程到系统性能评估，涵盖了现代计算机系统的核心知识。