《处理器与内存》课件

《处理器与内存》本课件将深入探讨现代计算机系统中处理器与内存的原理、结构、工作机制以及性能优化策略，带您深入了解这些核心组件如何协同工作，以实现高效的计算课程简介课程背景课程内容处理器与内存是现代计算机系统的核心组件，它们共同决定了计本课程将涵盖处理器的架构和功能、内存的结构和工作机制、存算机系统的性能和功能本课程将深入探讨处理器的基本原理、储器层次化设计、处理器与内存的匹配、内存墙问题、性能优化指令集体系结构、执行流程、流水线技术以及并行技术同时，策略、发展趋势等内容通过学习本课程，您将能够掌握处理器我们将重点介绍内存的层次结构、缓存技术、虚拟内存技术、内的基本原理、内存的层次结构以及内存管理的知识，并能够进行存访问机制以及存储器层次化设计基本的性能优化课程目标了解处理器与内存的结构和功能1掌握处理器与内存的基本概念，了解它们的组成部分、工作原理以及相互之间的关系掌握缓存技术、虚拟内存技术等关键技术2深入理解缓存技术、虚拟内存技术以及存储器层次化设计的原理，并了解它们如何影响系统性能能够分析处理器与内存的性能瓶颈3了解内存墙问题，能够分析处理器与内存之间存在的性能瓶颈，并学习如何进行性能优化掌握处理器与内存的性能优化策略4学习处理器与内存的性能优化策略，并能够将这些策略应用到实际项目中，以提高系统性能处理器的基本原理定义处理器（）是计算机系统的核心控制单元，负责执行指令和处理数据CPU主要功能指令获取与解码从内存中获取指令，并将其解码为处理器能够理解的操作

1.主要功能数据处理执行指令，对数据进行运算、逻辑操作、比较等

2.主要功能数据存储将处理结果存储到内存或其他存储设备中

3.指令集体系结构定义类型类型指令集体系结构（）是处理器能够理复杂指令集计算机（）指令集精简指令集计算机（）指令集ISA

1.CISC

2.RISC解和执行的指令集合它定义了处理器复杂，每个指令可以执行多个操作简单，每个指令执行一个操作，但执行可以执行的操作以及操作数的格式速度更快处理器的执行流程指令获取1从内存中获取下一条指令指令解码2将指令分解为处理器能够理解的操作操作数获取3从内存或寄存器中获取操作数执行操作4执行指令指定的运算或逻辑操作结果存储5将运算结果存储到寄存器或内存中处理器的流水线技术指令获取第一阶段获取下一条指令指令解码第二阶段解码指令操作数获取第三阶段获取操作数执行操作第四阶段执行指令结果存储第五阶段将结果存储处理器的并行技术超线程2通过虚拟化技术，在一个处理器上模拟多个虚拟处理器，实现并行执行多线程1将多个线程分配给单个处理器，并通过时间片轮转机制实现并行执行多核处理器在一个芯片上集成多个处理器核心，实3现真正的并行执行缓存技术速度成本容量缓存比主存快得多，能缓存比主存贵，但由于缓存的容量比主存小得够加速数据访问其速度优势，整体性能多，但能够有效地提高提升数据访问速度缓存的基本原理局部性原理程序访问的数据通常具有空间局部性和时间局部性1缓存命中2当处理器需要访问数据时，如果数据已经在缓存中，则称为缓存命中缓存未命中3如果数据不在缓存中，则需要从主存中加载，称为缓存未命中缓存的工作机制指令获取缓存命中缓存未命中处理器首先尝试从缓存中获取指令如果指令在缓存中，则直接从缓存中读如果指令不在缓存中，则从主存中读取取，并将其加载到缓存中缓存命中率与性能90%命中率缓存命中率是指访问数据时，从缓存中命中的次数占总访问次数的比例10%未命中率缓存未命中率是指访问数据时，从缓存中未命中的次数占总访问次数的比例缓存一致性问题缓存一致性1多个处理器可能同时访问同一个数据，导致不同处理器中的缓存副本不一致解决方法2缓存一致性协议确保不同处理器中的缓存副本一致

1.解决方法

32.缓存锁定在访问共享数据时，阻止其他处理器访问该数据内存层次结构主存储器技术动态随机存取存储器（）静态随机存取存储器（）闪存DRAM SRAM是最常用的主存储器技术，具有较高的速度比快，但价格更高，容量也一种非易失性存储器，速度介于DRAM DRAM速度和容量，但价格相对较高更小，通常用作缓存和硬盘之间，常用于固态硬盘（）SSD主存容量与性能容量性能主存的容量越大，能够存储的数据越多，但成本也越高主存的速度越快，数据访问速度越快，但价格也越高虚拟内存技术概念优势虚拟内存技术通过使用硬盘空间来扩展主存容量，使程序能够允许多个程序同时运行

1.使用比物理内存更大的地址空间优势优势提高程序的安全性，防止程序相互干扰降低内存管理的复杂度

2.

3.页式虚拟内存页面1将程序代码和数据划分为固定大小的页面页表2记录每个页面在物理内存中的地址地址转换3将虚拟地址转换为物理地址页面置换算法LRU最近最少使用，将最长时间没有被访问的页2面置换FIFO先进先出，将最先进入内存的页面置1换OPT3最优页面置换算法，将未来最长时间不会被访问的页面置换，但无法在实际中实现内存管理单元内存分配内存保护内存管理将物理内存分配给不同防止程序访问其他程序管理内存的使用，包括的程序的内存区域分配、回收、保护等内存访问机制请求处理器发出内存访问请求地址转换内存管理单元将虚拟地址转换为物理地址数据传输通过内存总线将数据传输到处理器或从处理器传输到内存内存总线技术定义类型类型类型内存总线是处理器和内存之地址总线用于传输内存数据总线用于传输数控制总线用于控制内存

1.

2.

3.间传输数据的通道地址据操作记忆体访问延迟10ns20ns缓存缓存L1L2访问L1缓存的延迟通常在10纳秒左右访问L2缓存的延迟通常在20纳秒左右100ns10ms主存硬盘访问主存的延迟通常在100纳秒左右访问硬盘的延迟通常在10毫秒左右内存带宽与性能带宽性能内存带宽是指内存每秒能够传输的数据量内存带宽越大，数据传输速度越快，系统性能越好存储器层次化设计目标通过多级缓存来提高数据访问速度，降低成本1原理2将速度快、容量小的缓存放置在处理器附近，而将速度慢、容量大的存储器放置在更远的位置策略3缓存一致性协议确保不同缓存副本的一致性

1.策略4缓存替换算法决定哪些数据应该被替换出缓存

2.高性能处理器结构超标量处理器能够同时执行多条指令，提高处理器性能乱序执行技术通过分析指令之间的依赖关系，将指令按照最优顺序执行，以提高指令执行效率动态分支预测根据程序的执行历史，预测下一个要执行的指令，以减少分支预测错误带来的性能损失投机执行技术在分支预测结果未确定之前，就先执行指令，以提高指令执行效率超标量处理器并行执行流水线多个执行单元同时执行不同的指令多发射多条指令同时在不同的流水线阶段执行在一个时钟周期内，能够发射多条指令乱序执行技术概念方法方法通过分析指令之间的依赖关系，将指令指令调度重新排列指令执行顺序数据预测预测数据结果，提前执行

1.

2.按照最优顺序执行，以提高指令执行效指令率动态分支预测预测历史记录准确率根据程序的执行历史，记录分支指令的执行结预测准确率越高，性能预测下一个要执行的指果，以预测未来的执行提升越明显令结果投机执行技术分支预测1处理器根据程序执行历史预测下一个要执行的指令投机执行2在分支预测结果未确定之前，就先执行指令验证结果3如果分支预测正确，则继续执行回滚4如果分支预测错误，则回滚执行结果多核处理器架构处理器与内存的匹配内存带宽缓存性能内存带宽要足够大，才能满足处缓存的性能要足够好，才能减少理器的需求数据访问延迟虚拟内存技术虚拟内存技术能够有效地扩展主存容量，提高程序的运行效率内存墙问题定义影响处理器的速度远超内存的速度，导致处12降低系统性能，限制程序运行速度理器经常处于等待内存数据的状态内存墙的解决方案提高内存带宽使用更快的内存技术，例如DDR5优化缓存性能使用更大的缓存，并采用更有效的缓存替换算法使用虚拟内存通过虚拟内存技术来扩展主存容量内存系统的性能优化缓存优化内存分配数据预取调整缓存大小和替换算合理分配内存，避免内提前将数据加载到缓存法，提高缓存命中率存碎片化中，减少数据访问延迟处理器性能提升策略流水线技术将指令执行过程分解为多个阶段，提高指令执行效率超标量技术在一个时钟周期内执行多条指令，提高处理器性能分支预测技术预测下一个要执行的指令，减少分支预测错误带来的性能损失多核技术在一个芯片上集成多个处理器核心，实现真正的并行执行存储器层次优化设计多级缓存使用多级缓存，将速度快、容量小的缓存放置在处理器附近，而将速度慢、容量大的1存储器放置在更远的位置缓存一致性协议2确保不同缓存副本的一致性，避免数据不一致问题缓存替换算法3决定哪些数据应该被替换出缓存，以提高缓存命中率处理器与内存发展趋势处理器处理器处理器内存核心数量不断增加频率提升受到限制，转向功耗优化，提高能源效容量不断增加，价格不断

1.

2.

3.

1.多核架构率下降综合研讨与总结处理器与内存的相互关性能瓶颈系内存墙问题是处理器与内存之处理器和内存是相互依赖的，间存在的性能瓶颈，需要通过处理器的性能受限于内存的速优化内存系统和处理器架构来度，而内存的利用率也取决于解决处理器的需求发展趋势处理器和内存技术不断发展，未来将朝着更高的性能、更低的功耗和更大的容量方向发展学习建议深入学习动手实践阅读相关书籍和文献，深入了解尝试编写程序，测试不同的内存处理器与内存的原理和技术优化策略，感受性能提升的效果积极提问遇到问题不要犹豫，积极向老师或同学请教。