【大学课件】计算机体系结构

计算机体系结构本课程将探讨计算机系统内部的工作原理，包括硬件和软件如何协同工作计算机体系结构概述硬件和软件的桥梁程序执行的蓝图性能和成本的平衡计算机体系结构定义了计算机系统的组织和它描述了计算机如何执行指令、存储数据以计算机体系结构的设计需要在性能、成本、工作原理，是硬件和软件之间的桥梁及管理资源，为程序执行提供蓝图功耗等方面进行权衡，以满足不同的应用需求计算机的基本组成中央处理器主存储器输入输出设备存储器CPU RAM/I/O SecondaryStorage计算机的大脑，负责执行指令用于存储正在运行的程序和数用于将信息输入计算机，并将和处理数据据结果输出到外部设备用于存储长期保存的数据和程序计算机硬件系统的层次结构系统级1用户视角包括操作系统应用软件数据文件等,,,.体系结构级2逻辑结构包括指令集数据类型寻址方式中断处理等,,,,.微体系结构级3硬件结构包括内存外设等,CPU,,.电路级4逻辑门触发器等电路实现,.存储系统硬盘固态硬盘闪存主要存储设备，提供持久性存储，容量大、速度更快，成本更高，容量略小于硬盘，寿可移动存储设备，容量较小，速度快，价格价格低，速度慢命更长较低存储器的分类和特点主存储器辅助存储器12也称为内存或，是直也称为外存，例如硬盘、光盘RAM CPU接访问的存储器，速度快，容等，容量大，速度慢，存储的量相对较小，存储的数据会随数据在断电后不会丢失着断电而丢失高速缓存3也称为缓存，是介于和主存储器之间的一种高速存储器，用于存放CPU经常访问的数据，以提高访问速度主存储器的工作原理地址映射通过地址总线访问主存储器，每个存储单元都有唯一的地址CPU地址映射是指生成的逻辑地址到物理地址的转换过程CPU读写操作通过数据总线读写数据，读操作是将数据从主存储器传送到CPU，写操作是将数据从写入到主存储器CPU CPU存储器控制器存储器控制器负责协调和主存储器之间的读写操作，包括地CPU址译码、数据缓冲、错误检测等功能缓存存储器的工作原理高速缓存1速度最快，容量最小主存2速度中等，容量中等辅助存储器3速度最慢，容量最大虚拟存储器扩展地址空间提高内存利用率虚拟存储器允许程序使用比物理通过将程序和数据部分地加载到内存更大的地址空间，从而允许内存中，可以运行多个程序，即运行更大的程序使它们的总大小超过了物理内存容量简化内存管理虚拟存储器简化了程序员的内存管理，因为他们可以使用连续的地址空间，而无需考虑物理内存的碎片化存储管理技术页面置换算法内存碎片整理内存分配策略选择一个页面从内存中替换出来，为新页面内存碎片会导致内存空间浪费，需要进行整决定如何分配和管理内存空间，常见的策略腾出空间常用的算法包括、和理以提高内存利用率包括连续分配和分页分配FIFO LRUOPT输入输出系统/设备接口控制器I/O I/O I/O键盘、鼠标、显示器、打印机等用于连接设备和的桥梁，负责数管理设备，负责数据传输的控制I/O CPUI/O与外部世界交互的设备据传输和控制和协调设备与接口I/O I/O设备接口I/O I/O设备是指连接到计算机系统并接口是连接设备和计算机I/O I/O I/O与其进行数据交换的外部设备系统的桥梁，负责协调数据传输和控制信号控制I/O控制负责管理设备和接口的运作，确保数据的正确传输和设备的正I/O I/O常工作程序设计技术I/O中断驱动I/O1中断驱动是一种常用的方式，它使用中断机制来处理I/O I/O I/O事件，提高了系统效率方式DMA2方式直接内存访问，通过专用控制器将数据直接传输到内DMA存，减轻了的负担CPU通道技术3通道技术是一种更高级的控制方式，通过专用通道控制器来I/O管理操作，使可以专注于其他任务I/O CPU中央处理器定义功能重要性中央处理器是计算机系统的核心，通过执行指令来完成各种任务，例如的性能直接影响计算机的运算速度、CPU CPUCPU负责执行指令、处理数据和控制整个系统运算、逻辑判断、数据传输和控制设备等效率和整体性能的运行中央处理器的基本结构算术逻辑单元寄存器ALU执行算术和逻辑运算，例如加减乘除用于存储数据和指令，包括通用寄存、比较大小等器、专用寄存器等控制单元负责控制的各个部件协同工作，CPU执行指令指令集结构指令集是计算机体系结构的核心，定指令集决定了的编程模型，影响CPU义了可以执行的指令和操作着软件的开发和运行效率CPU指令集的种类繁多，常见的包括CISC、等，各有优劣，需要根据不同RISC的应用场景选择的性能指标CPUCPU的性能指标有很多,包括主频,指令周期,CPI,MIPS,MFLOPS等.这些指标可以用来衡量CPU的性能.流水线技术提高效率通过将指令执行过程分解成多个子任务，并行处理这些子任务，从而提高的执行效率CPU减少等待时间流水线技术可以减少指令执行的等待时间，因为在一条指令正在执行时，下一条指令已经开始准备执行增加吞吐量流水线技术可以提高的吞吐量，因为在相同时间内可以执行CPU更多的指令计算机体系结构的分类串行计算机体系结构并行计算机体系结构12传统计算机，指令顺序执行多个处理器协同工作，提高计算速度串行计算机体系结构单处理器顺序执行简单结构只有一个中央处理单元，一次只能指令按顺序执行，每个指令完成之后才能执相对容易设计和实现，成本较低CPU执行一个指令行下一个指令并行计算机体系结构共享内存分布式内存多个处理器共享同一个内存空间它们可以直接访问彼此的数据每个处理器都有自己的私有内存通过网络通信来交换数据,.,.并行处理的分类指令级并行数据级并行任务级并行利用流水线技术，在同一时间执行多条通过对数据进行分解，将多个数据同时将一个大的任务分解成多个子任务，由指令的不同阶段，以提高指令执行效率处理，以提高数据处理速度多个处理器同时执行，以提高任务执行效率并行计算机的结构组织共享存储器系统1所有处理器共享一个全局地址空间分布式存储器系统2每个处理器拥有自己的局部存储器混合型系统3结合了两种系统的优点向量处理机高性能计算专用指令集向量处理机非常适合处理大量数它们具有专门的指令集来高效地据，例如科学计算和图像处理执行向量运算并行处理向量处理机通过并行处理多个数据元素来提高效率阵列处理机并行处理数据并行结构特点阵列处理机利用多个处理单元来同时适用于对大量数据进行相同的操作，多个处理单元以矩阵形式排列，每个执行同一操作，显著提升计算效率例如图像处理和科学计算单元处理数据的一个部分，协同完成计算多处理器系统多核处理器集群系统分布式系统在一个芯片上集成多个处理核心，共享缓存多个独立的计算机通过网络连接，协同工作将任务分解到多个计算机节点上执行，通过和内存，提高并行处理能力，实现高性能计算和容错网络通信进行协调，提高可扩展性和可靠性系统总线技术数据传输性能指标连接计算机系统中各个部件，传输数带宽、传输速率、数据传输周期等影据、地址和控制信号响系统性能标准化总线标准的制定和遵循，确保不同部件之间相互兼容总线的分类和特点按结构分类按传输方式分类按同步方式分类总线可以分为单总线、多总线和层次总线总线可以分为串行总线和并行总线总线可以分为同步总线和异步总线总线仲裁技术集中式仲裁分布式仲裁12由一个专门的仲裁器负责分配总线使用权多个设备共同参与仲裁过程通常采用优先级机制或轮询机.,制.链式仲裁独立请求仲裁34多个设备通过链式连接按照优先级顺序依次请求总线使用每个设备都有独立的总线请求线路可以直接向仲裁器发出,,权请求..计算机体系结构的发展趋势高性能计算移动计算云计算随着科学研究和工程应用对计算能力的需移动设备的普及推动了低功耗、高效率的云计算的兴起促进了分布式计算和虚拟化求不断增长，高性能计算将继续成为计算体系结构设计，例如架构在移动设备技术的应用，并对计算机体系结构提出了ARM机体系结构发展的重要方向中的应用新的挑战。