《标量处理机eng》课件

标量处理机课程介绍计算机体系结构介绍计算机系统基本概念，包括冯·诺依曼体系结构、指令集、数据通路等标量处理机深入探讨标量处理机的工作原理，包括指令系统、数据通路、控制单元等程序设计学习汇编语言编程，了解程序如何被编译和执行标量处理机基本概念单指令流单数据流标量处理机一次只能处理一个数据。顺序执行指令指令按顺序执行，一次只能执行一条指令。基本结构包括运算器、控制器、存储器、输入输出设备。标量处理机的数据通路结构标量处理机的数据通路是指数据在处理机各个部件之间传输的路径。数据通路通常由寄存器、运算器、存储器和控制单元等组成，通过连接这些部件的连接线，数据可以在它们之间进行传递和处理。数据通路的设计是处理器设计的重要组成部分，它直接影响着处理器的性能，比如处理速度、功耗等。标量处理机的指令系统指令格式定义指令的结构，包括操作码、操作数地址、数据类型等。指令类型包括数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移等，用于实现各种操作。寻址方式决定如何确定操作数的地址，常见的寻址方式包括立即寻址、寄存器寻址、直接寻址等。指令流水线1提高CPU效率流水线技术通过将指令执行过程分解成多个阶段，并使多个指令同时处于不同阶段，提高CPU利用率。2提升性能通过并行执行指令，流水线技术可以有效缩短指令执行时间，提升CPU性能。3增强吞吐量流水线技术可以提高CPU的吞吐量，即单位时间内处理的指令数量。指令流水线的基本概念1流水线将一个任务分解成多个子任务,每个子任务由不同的功能部件并行执行.2指令流水线将指令执行过程分解成多个阶段,每个阶段由不同的功能部件执行.3流水线性能通过流水线,可以提高指令执行速度,但会增加指令执行的周期数.指令流水线的设计原理流水线结构指令流水线将指令执行过程分解成多个阶段，每个阶段独立执行，并行处理，以提高执行效率。如取指、译码、执行、访存、写回等阶段。流水线调度流水线调度负责将指令按照顺序分配到各个阶段，并保证指令之间的依赖关系，避免数据冲突和指令乱序执行。流水线冲突在流水线执行过程中，可能会出现数据冲突、控制冲突等问题，需要采取相应的措施来解决，以保证指令执行的正确性。指令流水线的形式和分类单功能流水线每个流水线级只完成一项功能，例如取指、译码、执行等。多功能流水线每个流水线级可以完成多项功能，例如取指、译码、执行等。RISC和CISC处理机比较1指令集RISC指令集简单，CISC指令集复杂。2指令长度RISC指令长度固定，CISC指令长度可变。3寻址方式RISC寻址方式简单，CISC寻址方式复杂。4执行速度RISC执行速度快，CISC执行速度慢。寄存器文件寄存器文件是CPU内部的一个重要组成部分，用于存储程序执行过程中需要频繁访问的数据。寄存器文件通常由多个寄存器组成，每个寄存器可以存储一个数据值。寄存器文件的速度非常快，因为它们位于CPU的内部，可以直接访问。寄存器文件的实现1静态存储器通常采用静态随机存取存储器（SRAM）实现寄存器文件。2地址译码器将寄存器地址转换为SRAM中的物理地址。3读写控制根据指令操作码控制读或写操作。算术逻辑单元ALU算术运算执行加、减、乘、除等算术运算。逻辑运算执行与、或、异或、非等逻辑运算。移位运算执行左移、右移等移位运算。比较运算比较两个操作数的大小，并设置标志位。ALU的功能与结构功能算术逻辑单元(ALU)是CPU的核心部件，负责执行各种算术和逻辑运算。它可以执行加、减、乘、除、与、或、异或等操作。这些操作是计算机执行各种任务的基础。结构ALU通常由多个功能模块组成，包括加法器、减法器、乘法器、除法器、逻辑运算器等。它还包括寄存器、控制逻辑和数据通路。移位单元1数据位移移位单元是计算机系统中用于执行位移操作的专门硬件电路，例如左移、右移和循环移位。2算术操作移位单元还可以用于执行算术操作，例如乘法和除法，因为这些操作可以通过移位操作来实现。3逻辑操作移位单元还可以用于执行逻辑操作，例如位串的拼接和拆分。移位单元的组成和功能组成移位单元通常由一系列寄存器和逻辑电路组成，用于对数据进行位移操作。功能移位单元可以实现左移、右移、循环移位等操作，用于实现各种运算，如乘除法、地址计算等。数据通路控制单元功能数据通路控制单元接收指令译码后的控制信号，根据指令的类型和操作数，控制数据通路中各部件的工作状态。控制信号控制信号决定了数据通路中各个部件的工作状态，例如：选择哪个寄存器读写，哪些部件被使能，以及哪些运算被执行。数据通路控制单元的功能控制数据流控制数据通路中各个部件之间的连接关系，决定数据的流向和操作顺序。选择操作根据指令的控制信息，选择执行相应的操作，例如加法、减法、乘法、除法等。控制时序控制各个部件的操作时间，确保数据的正确传输和处理。控制单元的实现硬件实现可以使用可编程逻辑器件(PLD)或专用集成电路(ASIC)来实现控制单元。软件实现可以通过软件编程来模拟控制单元的功能，使用微处理器或微控制器实现。标量处理机性能分析指标1指标2指标3性能评价指标1吞吐率单位时间内处理的数据量2延迟处理单个数据或任务所需的时间3能耗处理数据或任务所需的能量消耗提高标量处理机性能的方法流水线技术流水线技术可以提高指令执行效率，缩短指令执行时间。超标量技术超标量技术可以同时执行多条指令，提高处理速度。缓存技术缓存技术可以减少内存访问时间，提高数据访问效率。浮点运算单元指数部分表示浮点数的范围。尾数部分表示浮点数的精度。符号位表示浮点数的正负。浮点运算单元的结构浮点运算单元（FPU）是处理浮点数据的专用硬件电路。它通常包含以下主要部分：浮点寄存器组：用于存储浮点数据。浮点加法器：用于执行浮点加减运算。浮点乘法器：用于执行浮点乘除运算。浮点比较器：用于比较两个浮点数据的相对大小。浮点转换器：用于将浮点数据与整数数据之间进行转换。浮点运算的处理过程对阶将两个浮点数的指数部分对齐，使它们的阶码相同。尾数运算根据运算符对两个浮点数的尾数部分进行加减乘除运算。规格化对运算结果进行规格化，确保结果的尾数部分在规定的范围内。舍入由于浮点数的精度有限，需要对运算结果进行舍入，以保证结果的精度。存储器层次结构速度与成本的权衡存储器层次结构是一种将不同速度和成本的存储器组合在一起的方式，以满足计算机系统对速度和成本的需求。层次化组织它通常由多个级别组成，每个级别都有不同的访问速度和存储容量。较快的存储器级别更昂贵，但容量较小。缓存和主存例如，高速缓存（Cache）是速度最快但容量最小的存储器级别，主存储器（MainMemory）速度较慢但容量更大。缓存存储器CPU缓存位于CPU内部，速度最快，容量最小主存缓存位于主存和CPU之间，速度中等，容量中等磁盘缓存位于磁盘和主存之间，速度最慢，容量最大总线结构数据总线用于传输数据，包括指令和数据。地址总线用于指定数据传输的地址，即访问存储器或外设的地址。控制总线用于传递控制信号，控制数据传输的时序和方向。总线工作原理1共享传输介质总线是一种共享的传输介质，多个设备可以同时使用总线进行数据传输。2时序控制总线的工作需要严格的时序控制，以确保各个设备之间的数据传输同步进行。3总线仲裁当多个设备同时请求使用总线时，需要通过仲裁机制来决定哪个设备优先使用总线。总线仲裁策略集中式仲裁由一个专门的仲裁器负责管理总线的使用权限，它根据一定的优先级规则分配给多个设备使用。分布式仲裁每个设备都包含一个仲裁逻辑，它们共同负责总线访问权限的分配，通常采用轮询或投票的方式进行。链式仲裁设备通过串联的方式连接到总线上，优先级由连接位置决定，越靠近总线控制器的设备优先级越高。中断处理机制中断是计算机系统中的一种重要的机制，它允许系统及时响应来自外部或内部的事件。中断处理程序是专门用来处理中断事件的代码，它会根据中断类型执行相应的操作。中断处理过程包含保存当