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

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)歡迎來(lái)到《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程。本課程將深入探討計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心組成部分、工作原理和最新發(fā)展趨勢(shì)。我們將從基礎(chǔ)概念開(kāi)始，逐步深入到復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本組成處理器中央處理單元，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)處理。存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備。輸入/輸出設(shè)備用于與外部環(huán)境交互的硬件設(shè)備。硬件結(jié)構(gòu)處理器單元包括控制單元和算術(shù)邏輯單元，負(fù)責(zé)指令解碼和執(zhí)行。存儲(chǔ)單元包括內(nèi)存和緩存，用于存儲(chǔ)和快速訪問(wèn)數(shù)據(jù)?？偩€系統(tǒng)連接各個(gè)硬件組件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信。指令系統(tǒng)指令格式包括操作碼和操作數(shù)，定義了指令的基本結(jié)構(gòu)。指令類(lèi)型包括數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)邏輯、控制和特殊指令等。尋址方式直接尋址、間接尋址、寄存器尋址等多種方式。存儲(chǔ)系統(tǒng)1寄存器速度最快，容量最小2高速緩存速度快，容量小3主存儲(chǔ)器速度中等，容量大4外部存儲(chǔ)器速度慢，容量最大總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)信息地址總線傳輸?shù)刂沸畔⒖刂瓶偩€傳輸控制信號(hào)中央處理單元控制單元負(fù)責(zé)指令的解碼和執(zhí)行控制。算術(shù)邏輯單元執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算。寄存器組用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和地址。緩存提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度。指令流水線結(jié)構(gòu)1取指令從內(nèi)存中獲取指令。2指令譯碼解析指令的操作碼和操作數(shù)。3執(zhí)行執(zhí)行指令指定的操作。4訪存如需要，訪問(wèn)內(nèi)存。5寫(xiě)回將結(jié)果寫(xiě)回寄存器。控制單元1指令寄存器存儲(chǔ)當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。2指令譯碼器解析指令，生成控制信號(hào)。3控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生各種控制信號(hào)，協(xié)調(diào)CPU各部件工作。算術(shù)邏輯單元算術(shù)運(yùn)算加、減、乘、除等基本運(yùn)算。邏輯運(yùn)算與、或、非等邏輯操作。移位操作左移、右移等位操作。存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1寄存器容量最小，速度最快2高速緩存容量小，速度快3主存儲(chǔ)器容量大，速度中等4外部存儲(chǔ)器容量最大，速度慢主存儲(chǔ)器RAM隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器，可讀寫(xiě)，斷電數(shù)據(jù)丟失。ROM只讀存儲(chǔ)器，只能讀取，斷電數(shù)據(jù)保持。高速緩存L1緩存容量最小，速度最快，直接與CPU核心交互。L2緩存容量較大，速度次之，通常集成在CPU芯片上。L3緩存容量更大，速度較慢，多核處理器共享。外部存儲(chǔ)器硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器大容量，非易失性存儲(chǔ)設(shè)備。固態(tài)硬盤(pán)基于閃存技術(shù)，速度快，無(wú)機(jī)械部件。光盤(pán)可移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)，容量較小。輸入/輸出系統(tǒng)輸入設(shè)備鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀等，將外部信息輸入計(jì)算機(jī)。輸出設(shè)備顯示器、打印機(jī)等，將計(jì)算機(jī)信息輸出到外部。I/O控制器管理和協(xié)調(diào)輸入輸出操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。中斷機(jī)制中斷請(qǐng)求外設(shè)或程序發(fā)出中斷信號(hào)。中斷響應(yīng)CPU暫停當(dāng)前任務(wù)，保存現(xiàn)場(chǎng)。中斷處理執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。中斷返回恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，繼續(xù)執(zhí)行原任務(wù)。直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)高速數(shù)據(jù)傳輸外設(shè)與內(nèi)存之間直接傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)需CPU干預(yù)。減輕CPU負(fù)擔(dān)CPU可以同時(shí)執(zhí)行其他任務(wù)，提高系統(tǒng)效率。應(yīng)用場(chǎng)景適用于大量數(shù)據(jù)傳輸，如磁盤(pán)讀寫(xiě)、網(wǎng)絡(luò)通信等。微程序控制技術(shù)1取微指令從控制存儲(chǔ)器中取出微指令。2譯碼解析微指令，生成控制信號(hào)。3執(zhí)行執(zhí)行微操作，完成一個(gè)機(jī)器指令的部分功能。4下一微指令地址生成確定下一條微指令的地址。并行處理技術(shù)指令級(jí)并行同時(shí)執(zhí)行多條獨(dú)立指令。數(shù)據(jù)級(jí)并行同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)元素。任務(wù)級(jí)并行同時(shí)執(zhí)行多個(gè)獨(dú)立任務(wù)。線程級(jí)并行同時(shí)執(zhí)行多個(gè)線程。多核處理器結(jié)構(gòu)多個(gè)處理核心單芯片集成多個(gè)獨(dú)立的處理單元。共享緩存核心間共享的高速緩存，提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率?；ミB網(wǎng)絡(luò)連接各核心和共享資源的高速通信網(wǎng)絡(luò)。編程模型共享內(nèi)存模型所有處理器共享同一地址空間，通過(guò)共享變量通信。消息傳遞模型處理器之間通過(guò)發(fā)送和接收消息進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)并行模型對(duì)大量數(shù)據(jù)執(zhí)行相同操作，適合向量處理器。指令級(jí)并行技術(shù)1流水線技術(shù)將指令執(zhí)行過(guò)程分為多個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)重疊執(zhí)行。2超標(biāo)量技術(shù)同時(shí)發(fā)射和執(zhí)行多條獨(dú)立指令。3亂序執(zhí)行允許指令按非程序順序執(zhí)行，提高資源利用率。處理器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)1GHz時(shí)鐘頻率每秒鐘CPU執(zhí)行的時(shí)鐘周期數(shù)。1B每周期指令數(shù)每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)平均執(zhí)行的指令數(shù)。100W功耗CPU運(yùn)行時(shí)消耗的電能。CPU性能提升方法提高時(shí)鐘頻率增加單位時(shí)間內(nèi)的指令執(zhí)行次數(shù)。優(yōu)化指令集設(shè)計(jì)更高效的指令，減少執(zhí)行時(shí)間。增加緩存減少內(nèi)存訪問(wèn)延遲，提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度。并行處理同時(shí)執(zhí)行多個(gè)指令或任務(wù)。存儲(chǔ)系統(tǒng)性能提升方法多級(jí)緩存設(shè)計(jì)層次化的緩存結(jié)構(gòu)，平衡速度和容量。預(yù)取技術(shù)預(yù)先將可能需要的數(shù)據(jù)加載到緩存中。緩存一致性協(xié)議確保多核系統(tǒng)中各緩存數(shù)據(jù)的一致性。非易失性?xún)?nèi)存技術(shù)結(jié)合存儲(chǔ)速度和非易失特性的新型存儲(chǔ)器。輸入輸出系統(tǒng)性能提升方法高速接口技術(shù)采用USB3.0、Thunderbolt等高速接口，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。智能I/O控制器使用專(zhuān)用處理器處理I/O任務(wù)，減輕CPU負(fù)擔(dān)。并行I/O技術(shù)同時(shí)進(jìn)行多個(gè)I/O操作，提高系統(tǒng)吞吐量。并行系統(tǒng)性能提升方法1負(fù)載均衡合理分配任務(wù)，充分利用資源2通信優(yōu)化減少處理器間通信開(kāi)銷(xiāo)3同步機(jī)制優(yōu)化降低同步開(kāi)銷(xiāo)，提高并行效率4并行算法優(yōu)化設(shè)計(jì)高效并行算法，提高并行度性能測(cè)試與優(yōu)化基準(zhǔn)測(cè)試使用標(biāo)準(zhǔn)化的程序測(cè)試系統(tǒng)性能，如SPECCPU等。性能分析工具使用專(zhuān)業(yè)工具分析系統(tǒng)瓶頸，如Vtune、Perf等。優(yōu)化技術(shù)根據(jù)分析結(jié)果，采用編譯優(yōu)化、算法改進(jìn)等方法提升性能。最新發(fā)展趨勢(shì)人工智能芯片專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于AI算法的處理器，提高AI應(yīng)用性能。量子計(jì)算利用量子力學(xué)原理，解決特定類(lèi)型的復(fù)雜問(wèn)題。類(lèi)腦計(jì)算模仿人腦結(jié)構(gòu)和工