《大話處理器v》課件

《大話處理器v》歡迎來到《大話處理器v》課程！課程目標(biāo)深入淺出地講解處理器架構(gòu)，讓您對(duì)處理器的內(nèi)部工作原理有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。學(xué)習(xí)處理器指令集、寄存器、基本運(yùn)算等核心概念，為后續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。課程大綱1處理器架構(gòu)2指令集3寄存器與基本運(yùn)算4控制單元與流水線5緩存與性能優(yōu)化6處理器發(fā)展趨勢(shì)7總結(jié)與展望處理器的架構(gòu)處理器包含控制單元、運(yùn)算單元、存儲(chǔ)單元、輸入輸出單元等部分?？刂茊卧?fù)責(zé)執(zhí)行指令，運(yùn)算單元負(fù)責(zé)完成算術(shù)邏輯運(yùn)算，存儲(chǔ)單元存放數(shù)據(jù)和指令，輸入輸出單元負(fù)責(zé)與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。指令集指令集架構(gòu)(ISA)定義處理器可執(zhí)行的指令格式和操作。指令類型包括數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)邏輯運(yùn)算、控制轉(zhuǎn)移、輸入輸出等。指令集大小決定處理器執(zhí)行指令的能力和效率。寄存器高速緩存用于存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)，速度快，容量小。程序計(jì)數(shù)器(PC)保存下一條要執(zhí)行的指令地址。通用寄存器(GPR)存放程序運(yùn)行時(shí)使用的通用數(shù)據(jù)?；具\(yùn)算1加法兩個(gè)數(shù)相加，例如2+3=5。2減法兩個(gè)數(shù)相減，例如5-2=3。3乘法兩個(gè)數(shù)相乘，例如2*3=6。4除法兩個(gè)數(shù)相除，例如6/2=3。5邏輯運(yùn)算包括與、或、非、異或等運(yùn)算。控制單元指令解碼將指令翻譯成處理器可執(zhí)行的指令。指令調(diào)度確定指令執(zhí)行的順序。指令執(zhí)行控制處理器執(zhí)行指令。流水線1指令提取2指令解碼3指令執(zhí)行4數(shù)據(jù)寫入緩存1L1緩存速度最快，容量最小，用于存放最常訪問的數(shù)據(jù)。2L2緩存速度較快，容量較大，用于存放L1緩存無法容納的數(shù)據(jù)。3L3緩存速度較慢，容量最大，用于存放L2緩存無法容納的數(shù)據(jù)。預(yù)測(cè)執(zhí)行1分支預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)程序執(zhí)行路徑，提前獲取指令。2數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)值，提前進(jìn)行運(yùn)算。超標(biāo)量處理多發(fā)射同時(shí)執(zhí)行多條指令。多執(zhí)行擁有多個(gè)執(zhí)行單元，同時(shí)執(zhí)行不同類型的指令。亂序執(zhí)行處理器根據(jù)指令之間的依賴關(guān)系，調(diào)整指令執(zhí)行順序。提高指令執(zhí)行效率，減少等待時(shí)間。內(nèi)存管理1虛擬內(nèi)存將磁盤空間作為內(nèi)存使用。2內(nèi)存分配將內(nèi)存空間分配給不同的程序。3內(nèi)存保護(hù)防止程序訪問其他程序的內(nèi)存空間。虛擬內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。頁面調(diào)度管理虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存之間的映射關(guān)系。頁面置換將不常用的頁面從物理內(nèi)存中移出，騰出空間給新的頁面?？偩€系統(tǒng)地址總線用于傳輸?shù)刂沸畔?。?shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)信息?？刂瓶偩€用于傳輸控制信號(hào)。外設(shè)接口中斷機(jī)制中斷是指處理器在執(zhí)行程序時(shí)，遇到特殊事件時(shí)，暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而去處理該事件。中斷機(jī)制可以提高處理器的效率，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。處理器的性能評(píng)價(jià)1時(shí)鐘頻率衡量處理器執(zhí)行指令的速度。2指令執(zhí)行速度衡量處理器執(zhí)行指令的效率。3吞吐量衡量處理器在單位時(shí)間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)量。性能優(yōu)化方法1流水線技術(shù)提高指令執(zhí)行效率。2緩存技術(shù)減少內(nèi)存訪問時(shí)間。3預(yù)測(cè)執(zhí)行技術(shù)提前執(zhí)行指令，減少等待時(shí)間。4超標(biāo)量處理技術(shù)同時(shí)執(zhí)行多條指令。5亂序執(zhí)行技術(shù)優(yōu)化指令執(zhí)行順序。處理器發(fā)展趨勢(shì)1摩爾定律集成電路上的晶體管數(shù)量每18個(gè)月翻一番。2多核處理器將多個(gè)處理器核心集成到一個(gè)芯片中，提高處理能力。3GPU和協(xié)處理器利用專門的硬件加速圖形處理和特定任務(wù)。Moore定律集成電路上的晶體管數(shù)量每18個(gè)月翻一番。驅(qū)動(dòng)處理器性能提升和價(jià)格下降。多核處理器并行計(jì)算利用多個(gè)核心同時(shí)執(zhí)行任務(wù)，提高處理效率。多線程允許多個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。GPU和協(xié)處理器GPU擅長(zhǎng)圖形處理，也用于加速科學(xué)計(jì)算和人工智能等領(lǐng)域。協(xié)處理器專門負(fù)責(zé)特定任務(wù)，例如音頻處理、視頻編解碼等。能耗優(yōu)化降低電壓減少功耗。動(dòng)態(tài)頻率縮放根據(jù)負(fù)載調(diào)整頻率，降低功耗。電源管理優(yōu)化電源管理策略，降低功耗。功耗管理熱設(shè)計(jì)功耗(TDP)處理器在滿載狀態(tài)下的最大功耗。功耗墻處理器功耗的限制，超過此限制會(huì)導(dǎo)致性能下降。制程工藝指芯片制造過程中使用的工藝尺寸。工藝尺寸越小，集成度越高，性能越強(qiáng)，功耗越低。3D集成1堆疊將多個(gè)芯片垂直堆疊在一起。2封裝將多個(gè)芯片集成到一個(gè)封裝中。3互連通過高密度互連技術(shù)連接不同芯片。量子計(jì)算機(jī)1量子比特利用量子力學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的計(jì)算能力。2量子算法專門針對(duì)量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的算法。3量子編