【大學(xué)課件】計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Computer Architectu

計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本課程將介紹計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識，包括指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）、CPU設(shè)計、存儲系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)等。計算機(jī)系統(tǒng)概述硬件計算機(jī)系統(tǒng)中實際的物理設(shè)備，包括處理器、內(nèi)存、存儲設(shè)備、輸入/輸出設(shè)備等。軟件運(yùn)行在計算機(jī)系統(tǒng)中的程序，包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、驅(qū)動程序等，負(fù)責(zé)控制硬件并完成特定任務(wù)。計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1用戶層應(yīng)用程序與用戶交互2系統(tǒng)層管理硬件資源3硬件層執(zhí)行指令，存儲數(shù)據(jù)指令集架構(gòu)指令集CPU可執(zhí)行的指令集合架構(gòu)CPU與軟件的接口計算機(jī)系統(tǒng)指令集是CPU和軟件的橋梁中央處理器CPUCPU是計算機(jī)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令并處理數(shù)據(jù)。它包括運(yùn)算器、控制器和寄存器等部件。運(yùn)算器執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，控制器控制CPU的工作流程，寄存器存儲中間結(jié)果和數(shù)據(jù)。性能指標(biāo)與度量指標(biāo)描述吞吐量單位時間內(nèi)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量延遲系統(tǒng)完成一項任務(wù)所需的時間功耗系統(tǒng)運(yùn)行所需的能量消耗成本系統(tǒng)開發(fā)、制造和維護(hù)的費(fèi)用指令流水線1取指令從內(nèi)存中讀取下一條指令。2譯碼將指令分解成操作碼和操作數(shù)。3執(zhí)行執(zhí)行指令操作，例如算術(shù)運(yùn)算或數(shù)據(jù)傳送。4訪存訪問內(nèi)存，讀入或?qū)懭霐?shù)據(jù)。5寫回將運(yùn)算結(jié)果寫入寄存器或內(nèi)存。處理器分類通用處理器適用于多種應(yīng)用程序，具有較高的通用性，如PC，服務(wù)器和移動設(shè)備。專用處理器針對特定應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計，如信號處理，圖像處理和加密。嵌入式處理器嵌入式系統(tǒng)中使用，如智能手機(jī)，汽車，家電等，通常具有低功耗，高性能的特點。多核處理器多核處理器是現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中常見的技術(shù)，它在一個芯片上集成了多個處理核心，顯著提高了計算能力。每個核心可以獨立執(zhí)行指令，實現(xiàn)真正的并行處理。多核處理器通常采用共享內(nèi)存架構(gòu)，多個核心可以訪問相同的內(nèi)存空間，方便數(shù)據(jù)共享和協(xié)同工作。多核處理器也支持線程級并行，可以將一個任務(wù)分解成多個線程，在不同的核心上同時執(zhí)行，進(jìn)一步提升效率。存儲器層次結(jié)構(gòu)1寄存器速度最快，容量最小2高速緩存速度快，容量中等3主存儲器速度較慢，容量最大主存儲器1主要功能存儲當(dāng)前運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)。2特點速度快、容量大、價格相對便宜。3類型靜態(tài)RAM（SRAM）和動態(tài)RAM（DRAM）。高速緩存Cache高速緩存(Cache)是位于CPU和主存儲器之間的存儲器層次結(jié)構(gòu)中的一級存儲器。它是一個小的、快速的存儲器，用于存儲最近使用過的指令和數(shù)據(jù)，以便更快地訪問。當(dāng)CPU需要訪問數(shù)據(jù)時，它首先檢查高速緩存。如果數(shù)據(jù)在高速緩存中，則稱為緩存命中(CacheHit)，CPU可以快速訪問數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)不在高速緩存中，則稱為緩存未命中(CacheMiss)，CPU需要從主存儲器中獲取數(shù)據(jù)，這會花費(fèi)更長的時間。存儲管理地址空間管理為每個進(jìn)程分配獨立的邏輯地址空間，防止進(jìn)程之間相互干擾。內(nèi)存分配與回收動態(tài)分配和回收內(nèi)存，滿足進(jìn)程對內(nèi)存空間的需求。虛擬內(nèi)存管理利用硬盤空間擴(kuò)展內(nèi)存容量，提高程序運(yùn)行效率。輸入輸出系統(tǒng)輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等，將外部信息轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可識別的信號。輸出設(shè)備顯示器、打印機(jī)、音響等，將計算機(jī)處理后的結(jié)果輸出給用戶。I/O控制器控制輸入輸出設(shè)備的工作，并與CPU交互數(shù)據(jù)。I/O通道管理I/O設(shè)備和CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸，提高I/O效率?？偩€接口1數(shù)據(jù)傳輸總線是計算機(jī)系統(tǒng)中不同部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?類型總線可分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。3速度總線的速度對系統(tǒng)性能有直接影響，速度越高，數(shù)據(jù)傳輸越快。4帶寬總線的帶寬是指單位時間內(nèi)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。外設(shè)接口連接類型常見的連接類型包括USB、串行、并行、PS/2等，用于連接鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)、掃描儀等外設(shè)。通信協(xié)議每個外設(shè)接口都有相應(yīng)的通信協(xié)議，例如USB協(xié)議、串行通信協(xié)議等，用于規(guī)范數(shù)據(jù)傳輸方式和信號控制。驅(qū)動程序驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)與外設(shè)之間溝通的橋梁，用于識別外設(shè)并管理其工作方式。中斷機(jī)制中斷信號中斷信號是外設(shè)向CPU發(fā)出的請求，通知CPU處理某個事件。中斷處理程序中斷處理程序是專門的代碼，用于處理特定中斷事件，例如鍵盤輸入或磁盤讀寫完成。中斷向量表中斷向量表包含每個中斷事件對應(yīng)的中斷處理程序地址，以便CPU快速找到相應(yīng)的處理程序。并行處理系統(tǒng)提高性能通過將任務(wù)分解并分配給多個處理器，并行處理系統(tǒng)可以顯著提高計算速度和效率。解決復(fù)雜問題并行處理使處理大型數(shù)據(jù)集和解決高度復(fù)雜的問題成為可能，例如科學(xué)模擬和人工智能。應(yīng)用廣泛從超級計算機(jī)到個人電腦，并行處理在各個領(lǐng)域都有應(yīng)用，包括高性能計算、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析。多處理器系統(tǒng)定義多處理器系統(tǒng)是指在一個系統(tǒng)中擁有多個獨立的CPU，共同執(zhí)行任務(wù)。優(yōu)勢多處理器系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的吞吐量和性能，以及增強(qiáng)可靠性。類型常見的類型包括對稱多處理器(SMP)和非對稱多處理器(AMP)。單指令多數(shù)據(jù)SIMD單個指令單個指令執(zhí)行同一個操作。多個數(shù)據(jù)對多個數(shù)據(jù)同時執(zhí)行操作。提高效率提高數(shù)據(jù)處理速度，提升性能。多指令多數(shù)據(jù)MIMD并行執(zhí)行多個處理器同時執(zhí)行不同的指令，每個處理器都有自己的指令流和數(shù)據(jù)流。高吞吐量MIMD系統(tǒng)能夠同時處理多個任務(wù)，提高了系統(tǒng)整體的處理能力。復(fù)雜性MIMD系統(tǒng)的編程和調(diào)試更加復(fù)雜，需要考慮任務(wù)分配、數(shù)據(jù)同步等問題。并行算法與編程并行算法設(shè)計將問題分解為可并行執(zhí)行的任務(wù)，利用多處理器或多核處理器提高效率。并行編程模型提供抽象機(jī)制，方便程序員編寫并行程序，例如線程、消息傳遞和數(shù)據(jù)并行。并行編程語言支持并行編程模型，提供并行計算的語法和語義，例如OpenMP和MPI。數(shù)據(jù)相關(guān)性數(shù)據(jù)相關(guān)性是指指令執(zhí)行的順序受數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的影響。例如，指令1需要使用指令2的結(jié)果，則指令1必須在指令2執(zhí)行完成后才能執(zhí)行。數(shù)據(jù)相關(guān)性會影響指令的執(zhí)行順序，進(jìn)而影響程序的執(zhí)行效率。控制相關(guān)性指令流水線當(dāng)一條指令的執(zhí)行結(jié)果影響到下一條指令的執(zhí)行時，就會發(fā)生控制相關(guān)性。分支預(yù)測分支預(yù)測技術(shù)可以減少控制相關(guān)性的影響，提高程序執(zhí)行效率。數(shù)據(jù)一致性1一致性問題多處理器系統(tǒng)中，多個處理器同時訪問共享內(nèi)存時，數(shù)據(jù)一致性問題變得尤為重要。2數(shù)據(jù)更新沖突如果多個處理器同時修改同一內(nèi)存位置，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。例如，處理器A讀取內(nèi)存位置X的值，并將該值增加1，同時處理器B也讀取內(nèi)存位置X的值，并將該值減少1。3緩存一致性為了解決數(shù)據(jù)一致性問題，需要采用緩存一致性協(xié)議，確保所有處理器看到內(nèi)存數(shù)據(jù)的一致視圖。存儲一致性協(xié)議緩存一致性確保多個處理器對共享內(nèi)存的訪問保持一致，即使數(shù)據(jù)被緩存在不同的處理器中。順序一致性保證所有處理器對共享內(nèi)存的訪問按照程序的順序進(jìn)行，避免數(shù)據(jù)訪問的混亂。弱一致性放松了嚴(yán)格的一致性要求，允許處理器在一定范圍內(nèi)延遲更新共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)。存儲子系統(tǒng)性能優(yōu)化高速緩存使用高速緩存可以減少內(nèi)存訪問延遲，提高性能。存儲管理采用合適的存儲管理策略，例如分頁和分段，可以優(yōu)化內(nèi)存使用效率。并行訪問利用多個存儲控制器或存儲設(shè)備可以提高數(shù)據(jù)訪問速度。數(shù)據(jù)壓縮壓縮存儲的數(shù)據(jù)可以減少存儲空間占用，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。指令級并行ILP1指令流水線在單個處理器上執(zhí)行多條指令。2超標(biāo)量在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行多條指令。3動態(tài)調(diào)度根據(jù)數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，動態(tài)調(diào)整指令執(zhí)行順序。4猜測執(zhí)行在指令依賴關(guān)系尚未確定之前，提前執(zhí)行指令。線程級并行TLP線程是輕量級的執(zhí)行單元，可以共享相同的地址空間。多個線程同時執(zhí)行，提高程序的整體速度。操作系統(tǒng)管理線程，實現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。數(shù)據(jù)級并行DLP向量處理器向量處理器是一種專門為數(shù)據(jù)級并行設(shè)計的處理器，通過一次操作處理多個數(shù)據(jù)。單指令多數(shù)據(jù)SIMDSIMD指令允許處理器在單個指令周期內(nèi)對多個數(shù)據(jù)進(jìn)行相同操作。圖形處理器GPUGPU是一種高度并行的處理器，擅長處理大量數(shù)據(jù)，