《计算机组成原理》课件2

计算机组成原理深入了解计算机系统内部组成与工作原理课程目标和学习要点理解基本概念掌握计算机组成核心原理分析系统架构能够分析不同层次计算机系统结构硬件设计基础学习计算机硬件设计基本方法性能评估计算机系统的基本概念物理设备1硬件组件和电子线路系统软件2操作系统和驱动程序应用软件3面向用户的程序和服务冯诺依曼体系结构·存储程序原理五大部件指令数据存储在同一存储器中运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备顺序执行二进制编码指令按地址顺序逐条执行采用二进制表示和处理信息现代计算机系统的组成中央处理器CPU运算控制核心存储系统多级存储层次结构总线系统内部通信通道输入输出系统/与外部世界交互接口计算机的性能指标时钟频率和吞吐量CPI MIPSCPU工作速度的基本指每指令周期数和每秒百单位时间处理的任务数标万指令数量响应时间完成单个任务所需时间数据的表示进制转换二进制十进制12计算机内部表示人类使用习惯十六进制八进制43每4位二进制一组每3位二进制一组数据的表示定点数和浮点数定点数浮点数小数点位置固定小数点位置可变•表示范围有限•表示范围广•运算简单快速•精度可控•适合整数运算•符合IEEE标准数据的表示字符和图形ASCII码7位编码，表示128个字符国际通用字符集，多语言支持Unicode位图图形像素点阵表示，分辨率固定矢量图形数学公式描述，可无损缩放计算机的运算方法定点加减法数据准备对齐位数，准备操作数原码补码转换/负数转为补码表示按位运算从低位到高位逐位相加/减溢出检测判断结果是否超出表示范围计算机的运算方法定点乘除法乘法原理部分积累加，移位相加Booth算法减少加法次数的乘法优化除法原理试商、部分余数、移位操作恢复余数法传统二进制除法实现计算机的运算方法浮点数运算结果舍入精度控制和误差处理尾数运算按定点算法处理尾数部分阶码调整对齐操作数小数点分解操作数分离符号、阶码和尾数算术逻辑单元（）的基本ALU结构算术运算电路执行加减乘除等数值计算逻辑运算电路执行与或非异或等逻辑操作移位电路执行左移右移循环移位操作状态标志电路记录运算结果的特征状态指令系统的基本概念指令的概念指令集架构ISA计算机执行的最基本操作硬件与软件之间的接口指令分类指令周期数据传送、运算、控制、特权指令取指、译码、执行、回写指令格式和寻址方式直接寻址间接寻址立即寻址指令包含操作数地址指令包含指向操作数的操作数直接在指令中指针指令格式变址寻址操作码、地址码、长度基址加偏移量计算地址和指令集CISC RISCCISCRISC复杂指令集计算机精简指令集计算机•指令数量多•指令数量少•指令长度不固定•指令长度固定•微程序控制•硬布线控制•代表x86架构•代表ARM架构存储系统概述存储功能存储介质存储分类保存程序、数据、半导体、磁存储、按速度、容量、成中间结果和最终结光存储本和功能分层果存储管理地址映射、分配回收、缓存一致性存储器的层次结构寄存器1最快、容量最小高速缓存解决CPU与内存速度不匹配主存程序执行的工作区外存4容量最大、速度最慢主存储器和RAM ROM随机存取存储器只读存储器RAMROM易失性存储器非易失性存储器•SRAM静态RAM，速度快•PROM一次性可编程•DRAM动态RAM，容量大•EPROM可擦除可编程•掉电后内容丢失•EEPROM电可擦除可编程高速缓存（）的工作原Cache理查找检查请求数据是否在缓存中命中缓存中找到所需数据缺失从下一级存储加载数据替换按替换算法更新缓存内容虚拟存储器技术虚拟地址空间为程序提供连续地址空间假象分页管理固定大小页面作为管理单位地址转换页表实现虚拟地址到物理地址映射缺页处理按需将页面调入主存外部存储器硬盘和固态硬盘机械硬盘固态硬盘HDD SSD磁介质存储闪存颗粒存储•大容量低成本•无机械部件•机械部件限制速度•随机访问速度快•寻道时间长•功耗低但成本高总线系统概述总线定义计算机组件间共享的通信线路总线功能传输地址、数据和控制信号总线结构单总线、多总线架构总线性能传输速率、带宽和时序要求总线的分类和特性内部总线系统总线2芯片内部连接通道CPU与主存之间的连接扩展总线外部总线提供外设扩展能力连接外设的标准接口总线仲裁和通信协议释放总线授权使用完成传输后让出控制权仲裁决策允许设备使用总线请求控制权确定优先级最高的设备多设备争用总线中央处理器（）的基本组成CPU运算器控制器ALU CU执行算术逻辑运算指令译码和控制信号发生寄存器组内部总线临时存储数据和状态连接各部件的通信路径的功能和工作原理CPU取指译码从内存读取指令解析指令内容回写执行保存执行结果完成指令规定操作控制器的结构和功能指令寄存器IR存放当前指令指令译码器解释指令含义时序产生器生成操作时序信号控制信号发生器输出各种控制信号微程序控制器控制存储器存储微指令微指令寄存器保存当前微指令下址生成器确定下一条微指令地址控制信号形成产生具体操作控制信号硬布线控制器组合逻辑电路高速响应固定功能电路复杂直接由硬件生成控制无微程序访问开销功能确定后难以修改设计难度大信号指令周期和指令执行过程取指周期PC→MAR→内存→MDR→IR间址周期2解析有效地址执行周期根据指令操作码执行操作中断周期处理中断请求流水线技术概述流水线定义指令执行各阶段重叠进行流水线原理分解任务为多个顺序阶段流水线优势提高指令吞吐率流水线挑战处理相关和冒险流水线的基本概念和性能分析5n1/τ典型阶段流水长度吞吐率IF-ID-EX-MEM-WB指令流水段流水线的阶段数τ为时钟周期，每周期启动一条指令流水线中的相关和冒险数据相关控制相关12指令间的数据依赖关系分支指令导致的不确定性解决方法结构相关转发、停顿、预测硬件资源争用超标量和超流水技术超标量技术超流水技术并行执行多条指令细分流水线阶段•多个功能部件•增加流水线深度•动态指令调度•提高时钟频率•乱序执行•增加复杂度输入输出系统概述/输入设备输出设备接口I/O将外部信息转换为将计算机数据转换连接设备与系统总计算机可处理数据为人可理解形式线控制方式I/O程序查询、中断、DMA接口的功能和类型I/O数据缓冲匹配设备与CPU速度差异信号转换电平匹配和格式转换状态控制设备就绪状态管理接口类型并行接口和串行接口程序查询方式发出命令I/OCPU向设备发送操作请求循环检查状态CPU反复读取设备状态寄存器判断是否完成根据状态位确定操作是否完成数据传送完成后进行数据交换中断方式发出命令I/OCPU启动I/O设备继续执行CPU转去执行其他程序设备完成操作向CPU发送中断请求中断处理CPU执行中断服务程序直接存储器存取（）方式DMA初始化1CPU设置DMA控制器参数请求2DMADMA控制器请求总线控制权数据传输3DMA直接控制内存与设备间数据传送完成通知传输完成后通知CPU外部设备键盘和鼠标键盘鼠标文本输入设备图形位置输入设备•矩阵扫描方式•光电转换原理•按键编码转换•运动检测方式•键盘缓冲区•坐标定位外部设备显示器和打印机显示器打印机视觉输出设备纸质输出设备•LCD液晶显示•激光打印原理•LED背光技术•喷墨打印技术•分辨率和色彩深度•热敏打印方式并行技术并行处理概述并行计算定义同时使用多个计算资源解决问题并行层次位级、指令级、数据级、任务级并行度同时处理的任务数量加速比串行执行时间与并行执行时间之比分类法FlynnSISD单指令流单数据流，传统冯诺依曼架构SIMD单指令流多数据流，如矢量处理器MISD3多指令流单数据流，如流水线MIMD4多指令流多数据流，如多核处理器多处理器系统共享内存消息传递处理器通过共享内存通信处理器通过显式消息通信非对称多处理对称多处理主从架构所有处理器地位平等多核处理器核心概念共享资源单芯片集成多个处理核心缓存、总线、内存控制器线程级并行功耗挑战同时执行多个线程热量管理和能效控制向量处理器向量载入将数据从内存加载到向量寄存器向量运算对整个向量执行同一操作流水化执行连续处理向量元素向量存储将结果写回内存阵列处理器互连网络互连拓扑总线、星形、环形、网格、超立方体路由算法确定数据包传输路径交换技术电路交换、分组交换、虚拟通道性能指标带宽、延迟、吞吐量高性能计算机系统可靠性和容错技术容错系统部分故障下仍能正常工作冗余设计硬件、信息、时间冗余错误检测校验码和监控电路故障恢复备份切换和回滚机制计算机系统的可靠性评估MTBF MTTR

99.999%平均故障间隔时间平均修复时间高可用性衡量系统可靠性衡量系统可维护性五个九可用性标准容错设计技术模块冗余检查点恢复纠错码关键组件多副本并行工定期保存系统状态数据存储和传输错误校作正多数表决多结果比较取多数一致计算机的发展历程第一代11946-1959电子管计算机第二代21959-1965晶体管计算机第三代31965-1971集成电路计算机第四代至今41971-大规模集成电路计算机当代计算机技术的发展趋势高集成度高性能1芯片工艺不断微缩超标量、多核、异构高连接低功耗云计算和边缘计算绿色计算和能效设计量子计算机简介量子比特基于量子叠加态的信息单位量子纠缠量子比特间的非局部关联量子算法Shor算法和Grover算法物理实现超导、离子阱、光量子神经网络计算机简介神经网络模型模拟生物神经元连接结构专用架构张量处理单元和神经处理器深度学习加速卷积神经网络硬件优化应用领域图像识别、自然语言处理人工智能处理器计算机组成原理的未来展望类脑计算计算DNA模拟人脑神经网络的计算模型利用生物分子存储处理信息光子计算新型材料利用光信号代替电信号石墨烯和碳纳米管应用课程总结和复习要点计算机系统基础体系结构、组成原理、性能指标处理器与存储CPU结构、指令系统、存储层次系统互连与I/O总线技术、接口设计、I/O控制高级技术流水线、并行计算、前沿架构。