【大学课件】计算机系统结构Computer Architectu

计算机系统结构欢迎来到《计算机系统结构》课程。本课程将深入探讨计算机系统的核心组成部分、工作原理和最新发展趋势。我们将从基础概念开始，逐步深入到复杂的系统设计。计算机系统基本组成处理器中央处理单元，负责执行指令和数据处理。存储器用于存储程序和数据的硬件设备。输入/输出设备用于与外部环境交互的硬件设备。硬件结构处理器单元包括控制单元和算术逻辑单元，负责指令解码和执行。存储单元包括内存和缓存，用于存储和快速访问数据。总线系统连接各个硬件组件，实现数据传输和通信。指令系统指令格式包括操作码和操作数，定义了指令的基本结构。指令类型包括数据传送、算术逻辑、控制和特殊指令等。寻址方式直接寻址、间接寻址、寄存器寻址等多种方式。存储系统1寄存器速度最快，容量最小2高速缓存速度快，容量小3主存储器速度中等，容量大4外部存储器速度慢，容量最大总线系统数据总线传输数据信息地址总线传输地址信息控制总线传输控制信号中央处理单元控制单元负责指令的解码和执行控制。算术逻辑单元执行算术和逻辑运算。寄存器组用于临时存储数据和地址。缓存提高数据访问速度。指令流水线结构1取指令从内存中获取指令。2指令译码解析指令的操作码和操作数。3执行执行指令指定的操作。4访存如需要，访问内存。5写回将结果写回寄存器。控制单元1指令寄存器存储当前正在执行的指令。2指令译码器解析指令，生成控制信号。3控制信号发生器产生各种控制信号，协调CPU各部件工作。算术逻辑单元算术运算加、减、乘、除等基本运算。逻辑运算与、或、非等逻辑操作。移位操作左移、右移等位操作。存储系统层次结构1寄存器容量最小，速度最快2高速缓存容量小，速度快3主存储器容量大，速度中等4外部存储器容量最大，速度慢主存储器RAM随机访问存储器，可读写，断电数据丢失。ROM只读存储器，只能读取，断电数据保持。高速缓存L1缓存容量最小，速度最快，直接与CPU核心交互。L2缓存容量较大，速度次之，通常集成在CPU芯片上。L3缓存容量更大，速度较慢，多核处理器共享。外部存储器硬盘驱动器大容量，非易失性存储设备。固态硬盘基于闪存技术，速度快，无机械部件。光盘可移动存储介质，容量较小。输入/输出系统输入设备键盘、鼠标、扫描仪等，将外部信息输入计算机。输出设备显示器、打印机等，将计算机信息输出到外部。I/O控制器管理和协调输入输出操作，实现数据传输。中断机制中断请求外设或程序发出中断信号。中断响应CPU暂停当前任务，保存现场。中断处理执行相应的中断服务程序。中断返回恢复现场，继续执行原任务。直接存储器访问高速数据传输外设与内存之间直接传输数据，无需CPU干预。减轻CPU负担CPU可以同时执行其他任务，提高系统效率。应用场景适用于大量数据传输，如磁盘读写、网络通信等。微程序控制技术1取微指令从控制存储器中取出微指令。2译码解析微指令，生成控制信号。3执行执行微操作，完成一个机器指令的部分功能。4下一微指令地址生成确定下一条微指令的地址。并行处理技术指令级并行同时执行多条独立指令。数据级并行同时处理多个数据元素。任务级并行同时执行多个独立任务。线程级并行同时执行多个线程。多核处理器结构多个处理核心单芯片集成多个独立的处理单元。共享缓存核心间共享的高速缓存，提高数据访问效率。互连网络连接各核心和共享资源的高速通信网络。编程模型共享内存模型所有处理器共享同一地址空间，通过共享变量通信。消息传递模型处理器之间通过发送和接收消息进行通信。数据并行模型对大量数据执行相同操作，适合向量处理器。指令级并行技术1流水线技术将指令执行过程分为多个阶段，实现重叠执行。2超标量技术同时发射和执行多条独立指令。3乱序执行允许指令按非程序顺序执行，提高资源利用率。处理器性能评价指标1GHz时钟频率每秒钟CPU执行的时钟周期数。1B每周期指令数每个时钟周期内平均执行的指令数。100W功耗CPU运行时消耗的电能。CPU性能提升方法提高时钟频率增加单位时间内的指令执行次数。优化指令集设计更高效的指令，减少执行时间。增加缓存减少内存访问延迟，提高数据访问速度。并行处理同时执行多个指令或任务。存储系统性能提升方法多级缓存设计层次化的缓存结构，平衡速度和容量。预取技术预先将可能需要的数据加载到缓存中。缓存一致性协议确保多核系统中各缓存数据的一致性。非易失性内存技术结合存储速度和非易失特性的新型存储器。输入输出系统性能提升方法高速接口技术采用USB3.0、Thunderbolt等高速接口，提高数据传输速率。智能I/O控制器使用专用处理器处理I/O任务，减轻CPU负担。并行I/O技术同时进行多个I/O操作，提高系统吞吐量。并行系统性能提升方法1负载均衡合理分配任务，充分利用资源2通信优化减少处理器间通信开销3同步机制优化降低同步开销，提高并行效率4并行算法优化设计高效并行算法，提高并行度性能测试与优化基准测试使用标准化的程序测试系统性能，如SPECCPU等。性能分析工具使用专业工具分析系统瓶颈，如Vtune、Perf等。优化技术根据分析结果，采用编译优化、算法改进等方法提升性能。最新发展趋势人工智能芯片专门设计用于AI算法的处理器，提高AI应用性能。量子计算利用量子力学原理，解决特定类型的复杂问题。类脑计算模仿人脑结构和工