工學(xué)計算機原理詳解之運算器與控制器課件

計算機原理詳解之運算器與控制器本課件將深入探討計算機的核心組件：運算器和控制器，帶您領(lǐng)略計算機內(nèi)部運作的奧秘。計算機系統(tǒng)的基本組成運算器負責(zé)執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運算，是計算機的核心部件之一?？刂破髫撠?zé)控制計算機各個部件的協(xié)同工作，是計算機的指揮中心。存儲器用于存儲數(shù)據(jù)和程序，分為主存儲器和輔助存儲器。輸入輸出設(shè)備負責(zé)與外界進行信息交換，包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等。CPU的基本結(jié)構(gòu)CPU，即中央處理器，是計算機的核心部件，負責(zé)執(zhí)行程序并控制整個計算機系統(tǒng)的運行。CPU通常由運算器、控制器、寄存器組和高速緩存組成，每個組件都扮演著重要的角色。運算器的結(jié)構(gòu)和工作過程1算術(shù)邏輯單元(ALU)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算2寄存器組存儲數(shù)據(jù)和中間結(jié)果3數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)在運算器內(nèi)部的傳輸路徑ALU算術(shù)邏輯單元的功能算術(shù)運算ALU可以執(zhí)行加、減、乘、除等基本算術(shù)運算。邏輯運算ALU支持邏輯運算，例如AND、OR、XOR和NOT。移位操作ALU能夠執(zhí)行左移、右移等操作，用于位操作和數(shù)據(jù)處理。寄存器文件的結(jié)構(gòu)和作用寄存器文件是一個由多個寄存器組成的集合，每個寄存器都有唯一的地址。它用來存儲CPU中的數(shù)據(jù)，并提供快速訪問數(shù)據(jù)的途徑。寄存器文件的結(jié)構(gòu)通常采用陣列結(jié)構(gòu)，每個寄存器都有自己的存儲單元。CPU可以通過地址訪問寄存器文件中的數(shù)據(jù)。寄存器文件在CPU中起著重要的作用，它可以：快速訪問數(shù)據(jù)，提高CPU的運行速度存儲運算結(jié)果和中間結(jié)果，方便后續(xù)操作存放程序中的數(shù)據(jù)，減少內(nèi)存訪問次數(shù)指令寄存器和程序計數(shù)器的作用指令寄存器(IR)存儲當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。程序計數(shù)器(PC)保存下一條要執(zhí)行指令的地址。控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理指令譯碼器將指令的操作碼轉(zhuǎn)換為控制信號，控制其他部件執(zhí)行指令。時序控制電路產(chǎn)生各種控制信號的時序，協(xié)調(diào)各個部件的運行。微程序控制器將指令的執(zhí)行過程分解為一系列微指令，并控制微指令的執(zhí)行?？刂破鞯闹噶钭g碼過程指令獲取控制器首先從指令寄存器中獲取當(dāng)前指令。指令分解將指令分解為操作碼和操作數(shù)，識別指令類型和操作對象。生成控制信號根據(jù)指令的類型和操作數(shù)生成相應(yīng)的控制信號，控制運算器和存儲器等部件完成操作。指令周期和機器周期指令周期CPU執(zhí)行一條指令所需的全部時間。機器周期CPU完成一個基本操作所需的全部時間。取指令和執(zhí)行指令的過程1取指令CPU從內(nèi)存中讀取指令。2譯碼CPU將指令翻譯成機器可以理解的指令。3執(zhí)行CPU執(zhí)行指令，并更新寄存器和內(nèi)存。流水線技術(shù)概述流水線技術(shù)是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中提高性能的重要技術(shù)，通過將指令執(zhí)行過程分解成多個階段，并使用多個功能單元同時執(zhí)行不同階段的指令，從而提高計算機的處理速度。1并行處理流水線技術(shù)通過并行處理多個指令的不同階段，實現(xiàn)提高計算機系統(tǒng)整體效率。2吞吐量提升在一定時間內(nèi)，流水線能夠處理更多指令，有效提升計算機系統(tǒng)的吞吐量。3性能提升流水線技術(shù)能夠顯著提高計算機系統(tǒng)的性能，尤其是對于那些需要大量計算的應(yīng)用程序。流水線的基本原理將指令執(zhí)行過程分解成多個階段不同階段的指令同時執(zhí)行提高指令執(zhí)行效率流水線的性能評估指標(biāo)指標(biāo)定義吞吐率單位時間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)量加速比流水線執(zhí)行時間與非流水線執(zhí)行時間的比值效率流水線利用率，即流水線中各級被充分利用的程度流水線設(shè)計的關(guān)鍵問題1數(shù)據(jù)相關(guān)性數(shù)據(jù)相關(guān)性指的是一條指令需要使用前面指令的結(jié)果,導(dǎo)致流水線需要暫停等待.2控制相關(guān)性控制相關(guān)性指的是一條指令的執(zhí)行結(jié)果會影響后續(xù)指令的執(zhí)行路徑,例如分支指令.3資源沖突資源沖突指的是多條指令同時需要訪問同一個硬件資源,例如內(nèi)存或運算器,導(dǎo)致流水線需要等待.流水線暫停和數(shù)據(jù)相關(guān)性1數(shù)據(jù)相關(guān)性當(dāng)一條指令的結(jié)果被下一條指令使用時，會造成數(shù)據(jù)相關(guān)性。2流水線暫停為了解決數(shù)據(jù)相關(guān)性，需要暫停流水線，等待相關(guān)數(shù)據(jù)計算完成。3處理方法可以通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)或延遲執(zhí)行等方法來減少暫停時間?？刂葡嚓P(guān)性及其處理方法控制相關(guān)性控制相關(guān)性是指當(dāng)前指令的執(zhí)行結(jié)果會影響下一條指令的執(zhí)行地址，例如分支指令。處理方法為了解決控制相關(guān)性，可以采用分支預(yù)測技術(shù)，預(yù)測下一條指令的地址，提前取指令，減少流水線的停頓。RISC和CISC的對比RISC指令集精簡，指令數(shù)量少，執(zhí)行速度快，更適合編譯器優(yōu)化。CISC指令集復(fù)雜，指令數(shù)量多，執(zhí)行速度慢，更適合程序員使用。超標(biāo)量處理器結(jié)構(gòu)超標(biāo)量處理器通過并行執(zhí)行多條指令來提高性能。它使用多個執(zhí)行單元，例如算術(shù)邏輯單元(ALU)、浮點運算單元(FPU)和內(nèi)存訪問單元，來同時處理多個指令。超標(biāo)量處理器還采用指令流水線技術(shù)，以提高指令執(zhí)行效率。為了實現(xiàn)超標(biāo)量處理，處理器需要使用指令發(fā)射機制，將多個指令同時發(fā)送到執(zhí)行單元。它還需要使用寄存器重命名技術(shù)，以避免數(shù)據(jù)相關(guān)性問題。分支預(yù)測技術(shù)可以預(yù)測指令流，并提前獲取指令，減少流水線停頓。超標(biāo)量處理器的指令發(fā)射指令發(fā)射指令發(fā)射是指將指令從指令隊列中取出，并將其送入執(zhí)行單元的過程。并發(fā)發(fā)射超標(biāo)量處理器能夠同時發(fā)射多條指令，以提高指令執(zhí)行效率。資源競爭指令發(fā)射需要考慮資源競爭問題，例如執(zhí)行單元、寄存器等。指令調(diào)度指令調(diào)度算法用于選擇合適的指令進行發(fā)射，以最大限度地提高指令執(zhí)行效率。寄存器重命名技術(shù)消除數(shù)據(jù)相關(guān)性通過將不同指令的源操作數(shù)分配給不同的物理寄存器，即使邏輯上它們指向同一個寄存器，也可以消除數(shù)據(jù)相關(guān)性，從而允許指令并行執(zhí)行。提高流水線效率通過消除數(shù)據(jù)相關(guān)性，寄存器重命名技術(shù)可以使流水線更加高效地執(zhí)行指令，提高程序的整體性能。分支預(yù)測技術(shù)預(yù)測未來分支跳轉(zhuǎn)方向。提高程序執(zhí)行速度。預(yù)測準(zhǔn)確率影響性能。內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)為了提高計算機系統(tǒng)的性能，現(xiàn)代計算機系統(tǒng)通常采用多級存儲器系統(tǒng)，即內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由多個級別的存儲器組成，每個級別存儲器都有不同的速度、容量和成本，它們協(xié)同工作以提供高性能和經(jīng)濟效益。最快的存儲器通常是最小的，成本也最高，例如CPU寄存器，而最慢的存儲器通常是最大的，成本也最低，例如磁盤。Cache存儲器的基本工作原理1高速緩存速度快，容量小，存儲訪問頻率高的數(shù)據(jù)2主存速度慢，容量大，存儲所有程序和數(shù)據(jù)3輔助存儲器速度最慢，容量最大，長期保存數(shù)據(jù)Cache的性能分析90命中率Cache命中率是衡量Cache性能的關(guān)鍵指標(biāo)。10缺失率Cache缺失率反映了訪問主存的次數(shù)。1平均訪問時間平均訪問時間是衡量系統(tǒng)整體性能的重要指標(biāo)。Cache一致性協(xié)議寫回協(xié)議修改的數(shù)據(jù)只寫入Cache，只有當(dāng)該數(shù)據(jù)被替換時才寫入主存。寫直達協(xié)議修改數(shù)據(jù)同時寫入Cache和主存，確保主存數(shù)據(jù)與Cache一致。寫通過協(xié)議寫操作同時寫入Cache和主存，并更新其他Cache中的對應(yīng)數(shù)據(jù)?？偩€技術(shù)概述總線是計算機系統(tǒng)中不同功能部件之間進行信息傳輸?shù)墓餐?。它可以連接CPU、內(nèi)存、外設(shè)等多個組件。1數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)信息。2地址總線傳輸數(shù)據(jù)地址信息。3控制總線傳輸控制信號，例如讀寫控制、時鐘信號等?？偩€的仲裁和讀寫過程1仲裁多個設(shè)備共享總線時，需要仲裁機制來決定哪個設(shè)備優(yōu)先使用總線。2讀操作CPU向內(nèi)存或外設(shè)發(fā)出讀請求，通過總線傳輸?shù)刂泛涂刂菩盘?，讀取數(shù)據(jù)。3寫操作CPU向內(nèi)存或外設(shè)發(fā)出寫請求，通過總線傳輸?shù)刂贰?shù)據(jù)和控制信號，寫入數(shù)據(jù)。外設(shè)接口技術(shù)USB通用串行總線(USB)是一種廣泛應(yīng)用的接口標(biāo)準(zhǔn)，支持各種外設(shè)，如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機和移動設(shè)備。HDMI高清晰度多媒體接口(HDMI)是一種數(shù)字音頻/視頻接口，用于連接顯示器和音頻設(shè)備，提供高質(zhì)量的圖像和聲音。以太網(wǎng)以太網(wǎng)是一種廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，用于連接計算機和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。PCIe外設(shè)組件互連高速(PCIe)是一種高速接口標(biāo)準(zhǔn)，用于連接高性能