《计算机组成原理》课件2

计算机组成原理深入了解计算机系统内部组成与工作原理课程目标和学习要点理解基本概念掌握计算机组成核心原理分析系统架构能够分析不同层次计算机系统结构硬件设计基础学习计算机硬件设计基本方法性能评估计算机系统的基本概念1物理设备硬件组件和电子线路2系统软件操作系统和驱动程序3应用软件面向用户的程序和服务冯·诺依曼体系结构存储程序原理指令数据存储在同一存储器中五大部件运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备顺序执行指令按地址顺序逐条执行二进制编码采用二进制表示和处理信息现代计算机系统的组成中央处理器(CPU)运算控制核心存储系统多级存储层次结构总线系统内部通信通道输入/输出系统与外部世界交互接口计算机的性能指标时钟频率CPU工作速度的基本指标CPI和MIPS每指令周期数和每秒百万指令数吞吐量单位时间处理的任务数量响应时间完成单个任务所需时间数据的表示：进制转换二进制计算机内部表示1十进制人类使用习惯2八进制每3位二进制一组3十六进制每4位二进制一组4数据的表示：定点数和浮点数定点数小数点位置固定表示范围有限运算简单快速适合整数运算浮点数小数点位置可变表示范围广精度可控符合IEEE标准数据的表示：字符和图形ASCII码7位编码，表示128个字符Unicode国际通用字符集，多语言支持位图图形像素点阵表示，分辨率固定矢量图形数学公式描述，可无损缩放计算机的运算方法：定点加减法数据准备对齐位数，准备操作数原码/补码转换负数转为补码表示按位运算从低位到高位逐位相加/减溢出检测判断结果是否超出表示范围计算机的运算方法：定点乘除法乘法原理部分积累加，移位相加Booth算法减少加法次数的乘法优化除法原理试商、部分余数、移位操作恢复余数法传统二进制除法实现计算机的运算方法：浮点数运算结果舍入精度控制和误差处理尾数运算按定点算法处理尾数部分阶码调整对齐操作数小数点分解操作数分离符号、阶码和尾数算术逻辑单元（ALU）的基本结构算术运算电路执行加减乘除等数值计算逻辑运算电路执行与或非异或等逻辑操作移位电路执行左移右移循环移位操作状态标志电路记录运算结果的特征状态指令系统的基本概念指令的概念计算机执行的最基本操作指令集架构(ISA)硬件与软件之间的接口指令分类数据传送、运算、控制、特权指令指令周期取指、译码、执行、回写指令格式和寻址方式指令格式操作码、地址码、长度立即寻址操作数直接在指令中直接寻址指令包含操作数地址间接寻址指令包含指向操作数的指针变址寻址基址加偏移量计算地址CISC和RISC指令集CISC复杂指令集计算机指令数量多指令长度不固定微程序控制代表：x86架构RISC精简指令集计算机指令数量少指令长度固定硬布线控制代表：ARM架构存储系统概述存储功能保存程序、数据、中间结果和最终结果存储介质半导体、磁存储、光存储存储分类按速度、容量、成本和功能分层存储管理地址映射、分配回收、缓存一致性存储器的层次结构1寄存器最快、容量最小高速缓存解决CPU与内存速度不匹配主存程序执行的工作区4外存容量最大、速度最慢主存储器：RAM和ROMRAM(随机存取存储器)易失性存储器SRAM：静态RAM，速度快DRAM：动态RAM，容量大掉电后内容丢失ROM(只读存储器)非易失性存储器PROM：一次性可编程EPROM：可擦除可编程EEPROM：电可擦除可编程高速缓存（Cache）的工作原理查找检查请求数据是否在缓存中命中缓存中找到所需数据缺失从下一级存储加载数据替换按替换算法更新缓存内容虚拟存储器技术虚拟地址空间为程序提供连续地址空间假象分页管理固定大小页面作为管理单位地址转换页表实现虚拟地址到物理地址映射缺页处理按需将页面调入主存外部存储器：硬盘和固态硬盘机械硬盘(HDD)磁介质存储大容量低成本机械部件限制速度寻道时间长固态硬盘(SSD)闪存颗粒存储无机械部件随机访问速度快功耗低但成本高总线系统概述总线定义计算机组件间共享的通信线路总线功能传输地址、数据和控制信号总线结构单总线、多总线架构总线性能传输速率、带宽和时序要求总线的分类和特性内部总线芯片内部连接通道系统总线CPU与主存之间的连接2外部总线连接外设的标准接口扩展总线提供外设扩展能力总线仲裁和通信协议请求控制权多设备争用总线仲裁决策确定优先级最高的设备授权使用允许设备使用总线释放总线完成传输后让出控制权中央处理器（CPU）的基本组成运算器(ALU)执行算术逻辑运算控制器(CU)指令译码和控制信号发生寄存器组临时存储数据和状态内部总线连接各部件的通信路径CPU的功能和工作原理取指从内存读取指令译码解析指令内容执行完成指令规定操作回写保存执行结果控制器的结构和功能指令寄存器IR存放当前指令指令译码器解释指令含义时序产生器生成操作时序信号控制信号发生器输出各种控制信号微程序控制器控制存储器存储微指令微指令寄存器保存当前微指令下址生成器确定下一条微指令地址控制信号形成产生具体操作控制信号硬布线控制器组合逻辑电路直接由硬件生成控制信号高速响应无微程序访问开销固定功能功能确定后难以修改电路复杂设计难度大指令周期和指令执行过程取指周期PC→MAR→内存→MDR→IR2间址周期解析有效地址执行周期根据指令操作码执行操作中断周期处理中断请求流水线技术概述流水线定义指令执行各阶段重叠进行流水线原理分解任务为多个顺序阶段流水线优势提高指令吞吐率流水线挑战处理相关和冒险流水线的基本概念和性能分析5典型阶段IF-ID-EX-MEM-WB指令流水段n流水长度流水线的阶段数1/τ吞吐率τ为时钟周期，每周期启动一条指令流水线中的相关和冒险数据相关指令间的数据依赖关系1控制相关分支指令导致的不确定性2结构相关硬件资源争用解决方法转发、停顿、预测超标量和超流水技术超标量技术并行执行多条指令多个功能部件动态指令调度乱序执行超流水技术细分流水线阶段增加流水线深度提高时钟频率增加复杂度输入/输出系统概述输入设备将外部信息转换为计算机可处理数据输出设备将计算机数据转换为人可理解形式I/O接口连接设备与系统总线I/O控制方式程序查询、中断、DMAI/O接口的功能和类型数据缓冲匹配设备与CPU速度差异信号转换电平匹配和格式转换状态控制设备就绪状态管理接口类型并行接口和串行接口程序查询方式发出I/O命令CPU向设备发送操作请求循环检查状态CPU反复读取设备状态寄存器判断是否完成根据状态位确定操作是否完成数据传送完成后进行数据交换中断方式发出I/O命令CPU启动I/O设备CPU继续执行转去执行其他程序设备完成操作向CPU发送中断请求中断处理CPU执行中断服务程序直接存储器存取（DMA）方式1CPU初始化设置DMA控制器参数2DMA请求DMA控制器请求总线控制权3数据传输DMA直接控制内存与设备间数据传送完成通知传输完成后通知CPU外部设备：键盘和鼠标键盘文本输入设备矩阵扫描方式按键编码转换键盘缓冲区鼠标图形位置输入设备光电转换原理运动检测方式坐标定位外部设备：显示器和打印机显示器视觉输出设备LCD液晶显示LED背光技术分辨率和色彩深度打印机纸质输出设备激光打印原理喷墨打印技术热敏打印方式并行技术：并行处理概述并行计算定义同时使用多个计算资源解决问题并行层次位级、指令级、数据级、任务级并行度同时处理的任务数量加速比串行执行时间与并行执行时间之比Flynn分类法SISD单指令流单数据流，传统冯诺依曼架构SIMD单指令流多数据流，如矢量处理器3MISD多指令流单数据流，如流水线4MIMD多指令流多数据流，如多核处理器多处理器系统共享内存处理器通过共享内存通信消息传递处理器通过显式消息通信对称多处理所有处理器地位平等非对称多处理主从架构多核处理器核心概念单芯片集成多个处理核心共享资源缓存、总线、内存控制器线程级并行同时执行多个线程功耗挑战热量管理和能效控制向量处理器向量载入将数据从内存加载到向量寄存器向量运算对整个向量执行同一操作流水化执行连续处理向量元素向量存储将结果写回内存阵列处理器互连网络互连拓扑总线、星形、环形、网格、超立方体路由算法确定数据包传输路径交换技术电路交换、分组交换、虚拟通道性能指标带宽、延迟、吞吐量高性能计算机系统可靠性和容错技术容错系统部分故障下仍能正常工作冗余设计硬件、信息、时间冗余错误检测校验码和监控电路故障恢复备份切换和回滚机制计算机系统的可靠性评估MTBF平均故障间隔时间衡量系统可靠性MTTR平均修复时间衡量系统可维护性99.999%高可用性五个九可用性标准容错设计技术模块冗余关键组件多副本并行工作检查点恢复定期保存系统状态纠错码数据存储和传输错误校正多数表决多结果比较取多数一致计算机的发展历程1第一代(1946-1959)电子管计算机2第二代(1959-1965)晶体管计算机3第三代(1965-1971)集成电路计算机4第四代(1971-至今)大规模集成电路计算机当代计算机技术的发展趋势高集成度芯片工艺不断微缩1高性能超标量、多核、异构低功耗绿色计算和能效设计高连接云计算和边缘计算量子计算机简介量子比特基于量子叠加态的信息单位量子纠缠量子比特间的非局部关联量子算法Shor算法和Grover算法物理实现超导、离子阱、光量子神经网络计算机简介神经网络模型模拟生物神经元连接结构专用架构张量处理单元和神经处理