《微处理器内部结构》课件

微处理器内部结构什么是微处理器？大脑核心微处理器就像计算机的大脑，负责处理所有指令和数据从台式机到智能手机，微处理器是各种电子设备的核心组件微处理器的基本结构微处理器是计算机系统的核心部件，负责执行指令和处理数据它由多个功能模块组成，共同完成各种运算和控制任务微处理器通常包含以下基本结构:•中央处理器CPU•内存管理单元MMU•总线系统•存储系统•输入输出系统I/O中央处理器CPU计算机的大脑运算速度CPU是计算机的核心部件，负责执行CPU的性能取决于其运行速度和处理指令和处理数据能力复杂的集成电路CPU包含数百万个晶体管，构成复杂的集成电路的主要组成部分CPU算术逻辑单元ALU控制单元CU执行算术运算和逻辑运算，如加控制CPU的整体运行，负责从内减乘除、比较、逻辑运算等存中读取指令、译码、执行指令，以及控制数据在各个部件之间的传输寄存器组用于临时存储数据和指令，提高CPU的运算速度，常用的寄存器包括通用寄存器、程序计数器、状态寄存器等算术逻辑单元ALU核心计算单元数据处理12ALU是微处理器中执行算术和ALU负责对数据进行加、减、逻辑运算的核心单元乘、除等算术运算，以及逻辑运算、比较、移位等操作运算结果3ALU将运算结果输出到寄存器或内存，供其他部件使用控制单元CU指挥官指令解码控制信号控制单元就像微处理器的“指挥官”，负它读取并解释从内存中获取的指令，并根据指令的指示，控制单元向其他部件责协调整个微处理器的运作将其分解成一系列简单的操作发送控制信号，以执行相应的操作寄存器组通用寄存器专用寄存器用于存储CPU正在处理的数据，例如运算结果、中间值等用于保存程序执行过程中所需的特殊信息，例如程序计数器PC、状态寄存器PSW等总线系统数据总线地址总线控制总线用于传输数据，例如指令、数据和地用于指定内存或外设的地址用于控制数据的传输方向和时序址内存管理单元MMU虚拟地址转换内存保护12MMU负责将程序使用的虚拟MMU提供内存保护机制，防地址转换为物理地址，以便访止程序访问其他程序的内存区问主内存域页面管理3MMU管理内存的页面分配和替换，提高内存利用率指令集架构指令集数据类型寻址模式微处理器理解的机器语言，包含一系列操微处理器支持的数据类型，如整数、浮点微处理器访问内存的方式，如直接寻址、作指令，如加减乘除等数、字符等间接寻址等指令执行流程取指1从内存中获取指令译码2将指令转换为CPU可执行的格式执行3执行指令，并更新寄存器和内存写回4将执行结果写入相应的寄存器或内存流水线技术提高效率并行处理流水线技术通过将指令执行过程分解为多个阶段，使多个指令能流水线技术允许处理器在同一时间处理多个指令的不同阶段，实够同时执行，提高了处理器执行指令的效率现并行处理，提高了处理速度缓存存储系统高速缓存缓存命中率12一种小型、快速存储器，用于衡量缓存效率的关键指标，指存储频繁访问的数据和指令，访问的数据或指令在缓存中找以减少访问主内存的时间到的比例缓存失效3当访问的数据或指令不在缓存中时，称为缓存失效，需要从主内存中读取一级缓存速度最快容量最小一级缓存是CPU直接访问的存储器，速度最快，容量最小通常由于一级缓存容量很小，因此只有最常用的数据才能被存储在其用于存储最常访问的指令和数据中二级缓存二级缓存速度比一级缓存稍慢，但比容量通常比一级缓存大，可以存储更主内存快得多多数据二级缓存通常由静态随机存取存储器SRAM组成，速度比动态随机存取存储器DRAM快得多多级缓存结构L1缓存L2缓存最靠近CPU的缓存，速度最比L1缓存容量更大，速度稍快，容量最小慢，用于存储更常用的数据L3缓存容量最大，速度最慢，作为L1和L2缓存的备份，存储更不常用的数据高速缓存的作用提高访问速度减轻内存压力提升系统性能类似于快餐店窗口，缓存将经常使用的数缓存就像高速公路上的收费站，它过滤了缓存就像游戏中的“预加载”，提前将常用据放在处理器附近，以便快速访问，就像大量不必要的内存访问，使主内存的流量数据加载到缓存中，使应用程序运行更drive-thru一样方便快捷更顺畅，就像减少高速公路拥堵一样快，就像游戏更流畅一样高速缓存的特点速度快，比主存储器速度快得多容量小，比主存储器容量小得多存储结构特殊，通常采用高速静态存储器提高缓存命中率的技术局部性原理缓存替换算法程序访问内存时，往往集中在一选择合适的缓存替换算法，例如个较小的区域，利用这个原理可LRU LeastRecently Used以提高缓存命中率算法，可以减少缓存失效的概率多级缓存结构使用多级缓存可以扩大缓存容量，并通过合理的缓存分配策略提高命中率存储系统主存储器辅助存储器主存储器是计算机系统中直接与CPU交换数据的存储器，用于存辅助存储器也称为外存储器，容量大，速度慢，主要用于长期保放程序和数据，容量较小但速度快存数据和程序，如硬盘、光盘等主存储器高速存储器临时存储数据12直接与CPU交互，速度快，容用于存放正在运行的程序和数量小，价格昂贵据，断电数据丢失主要类型3动态随机存取存储器DRAM和静态随机存取存储器SRAM辅助存储器硬盘固态硬盘SSD U盘硬盘是用于存储数据和程序的主要存储SSD采用闪存芯片，它具有更快的读取和U盘是一种便携式存储设备，可以用于存器它能够保存数据即使在计算机关闭后写入速度，以及更小的体积和更低的功储和传输数据仍然保持不变耗输入输出系统输入设备输出设备键盘、鼠标、扫描仪等设备将外部数据输入到计算机显示器、打印机、音箱等设备将计算机处理后的数据输出到外部接口I/O定义功能I/O接口是连接微处理器和外部设备的桥梁，允许处理器与外部它负责接收外部设备发来的数据，并将处理器的数据发送到外部世界交互设备，实现数据传输中断机制硬件信号程序暂停12外部设备向CPU发送信号，CPU暂停当前执行的程序，通知CPU需要处理事件转而执行中断服务程序事件处理3中断服务程序处理完事件后，CPU返回到被中断的程序继续执行中断处理流程中断发生1硬件或软件异常情况触发中断保存现场2CPU保存当前程序状态中断处理3执行中断服务程序处理异常恢复现场4恢复中断前的程序状态返回程序5继续执行中断前的程序现代处理器发展趋势多核处理器性能提升节能技术多核处理器并行计算线程处理多个处理器核心同时执行任务，每个核心可以执行多个线程，进提高处理速度和效率一步提升并行能力性能提升多核处理器可以显著提升系统性能，尤其在处理大型数据集和多任务场景中并行计算技术任务分解资源共享12将大型任务分解成多个较小的多个处理器或核心共同处理数子任务，这些子任务可以并行据，提高计算效率执行加速处理3通过并行执行，可以显著缩短任务完成时间能耗优化技术降低功耗是现代处理器设计的关键目动态电压和频率调节技术可以根据工标之一作负载动态调整处理器电压和频率休眠模式和电源管理策略可以减少处理器在空闲状态下的功耗小结微处理器内部结构是现代计算机的核心，负责执行包含CPU、内存、I/O系统等，指令和处理数据共同完成数据处理和信息交换发展趋势多核化、并行计算、能耗优化，不断提升性能和效率。