《標(biāo)量處理機(jī)eng》課件

標(biāo)量處理機(jī)課程介紹計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本概念，包括馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)、指令集、數(shù)據(jù)通路等標(biāo)量處理機(jī)深入探討標(biāo)量處理機(jī)的工作原理，包括指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通路、控制單元等程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)匯編語言編程，了解程序如何被編譯和執(zhí)行標(biāo)量處理機(jī)基本概念單指令流單數(shù)據(jù)流標(biāo)量處理機(jī)一次只能處理一個數(shù)據(jù)。順序執(zhí)行指令指令按順序執(zhí)行，一次只能執(zhí)行一條指令。基本結(jié)構(gòu)包括運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入輸出設(shè)備。標(biāo)量處理機(jī)的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)標(biāo)量處理機(jī)的數(shù)據(jù)通路是指數(shù)據(jù)在處理機(jī)各個部件之間傳輸?shù)穆窂?。?shù)據(jù)通路通常由寄存器、運(yùn)算器、存儲器和控制單元等組成，通過連接這些部件的連接線，數(shù)據(jù)可以在它們之間進(jìn)行傳遞和處理。數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)是處理器設(shè)計(jì)的重要組成部分，它直接影響著處理器的性能，比如處理速度、功耗等。標(biāo)量處理機(jī)的指令系統(tǒng)指令格式定義指令的結(jié)構(gòu)，包括操作碼、操作數(shù)地址、數(shù)據(jù)類型等。指令類型包括數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、控制轉(zhuǎn)移等，用于實(shí)現(xiàn)各種操作。尋址方式?jīng)Q定如何確定操作數(shù)的地址，常見的尋址方式包括立即尋址、寄存器尋址、直接尋址等。指令流水線1提高CPU效率流水線技術(shù)通過將指令執(zhí)行過程分解成多個階段，并使多個指令同時處于不同階段，提高CPU利用率。2提升性能通過并行執(zhí)行指令，流水線技術(shù)可以有效縮短指令執(zhí)行時間，提升CPU性能。3增強(qiáng)吞吐量流水線技術(shù)可以提高CPU的吞吐量，即單位時間內(nèi)處理的指令數(shù)量。指令流水線的基本概念1流水線將一個任務(wù)分解成多個子任務(wù),每個子任務(wù)由不同的功能部件并行執(zhí)行.2指令流水線將指令執(zhí)行過程分解成多個階段,每個階段由不同的功能部件執(zhí)行.3流水線性能通過流水線,可以提高指令執(zhí)行速度,但會增加指令執(zhí)行的周期數(shù).指令流水線的設(shè)計(jì)原理流水線結(jié)構(gòu)指令流水線將指令執(zhí)行過程分解成多個階段，每個階段獨(dú)立執(zhí)行，并行處理，以提高執(zhí)行效率。如取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、寫回等階段。流水線調(diào)度流水線調(diào)度負(fù)責(zé)將指令按照順序分配到各個階段，并保證指令之間的依賴關(guān)系，避免數(shù)據(jù)沖突和指令亂序執(zhí)行。流水線沖突在流水線執(zhí)行過程中，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突、控制沖突等問題，需要采取相應(yīng)的措施來解決，以保證指令執(zhí)行的正確性。指令流水線的形式和分類單功能流水線每個流水線級只完成一項(xiàng)功能，例如取指、譯碼、執(zhí)行等。多功能流水線每個流水線級可以完成多項(xiàng)功能，例如取指、譯碼、執(zhí)行等。RISC和CISC處理機(jī)比較1指令集RISC指令集簡單，CISC指令集復(fù)雜。2指令長度RISC指令長度固定，CISC指令長度可變。3尋址方式RISC尋址方式簡單，CISC尋址方式復(fù)雜。4執(zhí)行速度RISC執(zhí)行速度快，CISC執(zhí)行速度慢。寄存器文件寄存器文件是CPU內(nèi)部的一個重要組成部分，用于存儲程序執(zhí)行過程中需要頻繁訪問的數(shù)據(jù)。寄存器文件通常由多個寄存器組成，每個寄存器可以存儲一個數(shù)據(jù)值。寄存器文件的速度非?？欤?yàn)樗鼈兾挥贑PU的內(nèi)部，可以直接訪問。寄存器文件的實(shí)現(xiàn)1靜態(tài)存儲器通常采用靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）實(shí)現(xiàn)寄存器文件。2地址譯碼器將寄存器地址轉(zhuǎn)換為SRAM中的物理地址。3讀寫控制根據(jù)指令操作碼控制讀或?qū)懖僮?。算術(shù)邏輯單元ALU算術(shù)運(yùn)算執(zhí)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算。邏輯運(yùn)算執(zhí)行與、或、異或、非等邏輯運(yùn)算。移位運(yùn)算執(zhí)行左移、右移等移位運(yùn)算。比較運(yùn)算比較兩個操作數(shù)的大小，并設(shè)置標(biāo)志位。ALU的功能與結(jié)構(gòu)功能算術(shù)邏輯單元(ALU)是CPU的核心部件，負(fù)責(zé)執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算。它可以執(zhí)行加、減、乘、除、與、或、異或等操作。這些操作是計(jì)算機(jī)執(zhí)行各種任務(wù)的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)ALU通常由多個功能模塊組成，包括加法器、減法器、乘法器、除法器、邏輯運(yùn)算器等。它還包括寄存器、控制邏輯和數(shù)據(jù)通路。移位單元1數(shù)據(jù)位移移位單元是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于執(zhí)行位移操作的專門硬件電路，例如左移、右移和循環(huán)移位。2算術(shù)操作移位單元還可以用于執(zhí)行算術(shù)操作，例如乘法和除法，因?yàn)檫@些操作可以通過移位操作來實(shí)現(xiàn)。3邏輯操作移位單元還可以用于執(zhí)行邏輯操作，例如位串的拼接和拆分。移位單元的組成和功能組成移位單元通常由一系列寄存器和邏輯電路組成，用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行位移操作。功能移位單元可以實(shí)現(xiàn)左移、右移、循環(huán)移位等操作，用于實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算，如乘除法、地址計(jì)算等。數(shù)據(jù)通路控制單元功能數(shù)據(jù)通路控制單元接收指令譯碼后的控制信號，根據(jù)指令的類型和操作數(shù)，控制數(shù)據(jù)通路中各部件的工作狀態(tài)?？刂菩盘柨刂菩盘枦Q定了數(shù)據(jù)通路中各個部件的工作狀態(tài)，例如：選擇哪個寄存器讀寫，哪些部件被使能，以及哪些運(yùn)算被執(zhí)行。數(shù)據(jù)通路控制單元的功能控制數(shù)據(jù)流控制數(shù)據(jù)通路中各個部件之間的連接關(guān)系，決定數(shù)據(jù)的流向和操作順序。選擇操作根據(jù)指令的控制信息，選擇執(zhí)行相應(yīng)的操作，例如加法、減法、乘法、除法等?？刂茣r序控制各個部件的操作時間，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸和處理?？刂茊卧膶?shí)現(xiàn)硬件實(shí)現(xiàn)可以使用可編程邏輯器件(PLD)或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)來實(shí)現(xiàn)控制單元。軟件實(shí)現(xiàn)可以通過軟件編程來模擬控制單元的功能，使用微處理器或微控制器實(shí)現(xiàn)。標(biāo)量處理機(jī)性能分析指標(biāo)1指標(biāo)2指標(biāo)3性能評價指標(biāo)1吞吐率單位時間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)量2延遲處理單個數(shù)據(jù)或任務(wù)所需的時間3能耗處理數(shù)據(jù)或任務(wù)所需的能量消耗提高標(biāo)量處理機(jī)性能的方法流水線技術(shù)流水線技術(shù)可以提高指令執(zhí)行效率，縮短指令執(zhí)行時間。超標(biāo)量技術(shù)超標(biāo)量技術(shù)可以同時執(zhí)行多條指令，提高處理速度。緩存技術(shù)緩存技術(shù)可以減少內(nèi)存訪問時間，提高數(shù)據(jù)訪問效率。浮點(diǎn)運(yùn)算單元指數(shù)部分表示浮點(diǎn)數(shù)的范圍。尾數(shù)部分表示浮點(diǎn)數(shù)的精度。符號位表示浮點(diǎn)數(shù)的正負(fù)。浮點(diǎn)運(yùn)算單元的結(jié)構(gòu)浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU）是處理浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的專用硬件電路。它通常包含以下主要部分：浮點(diǎn)寄存器組：用于存儲浮點(diǎn)數(shù)據(jù)。浮點(diǎn)加法器：用于執(zhí)行浮點(diǎn)加減運(yùn)算。浮點(diǎn)乘法器：用于執(zhí)行浮點(diǎn)乘除運(yùn)算。浮點(diǎn)比較器：用于比較兩個浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的相對大小。浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換器：用于將浮點(diǎn)數(shù)據(jù)與整數(shù)數(shù)據(jù)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。浮點(diǎn)運(yùn)算的處理過程對階將兩個浮點(diǎn)數(shù)的指數(shù)部分對齊，使它們的階碼相同。尾數(shù)運(yùn)算根據(jù)運(yùn)算符對兩個浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)部分進(jìn)行加減乘除運(yùn)算。規(guī)格化對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行規(guī)格化，確保結(jié)果的尾數(shù)部分在規(guī)定的范圍內(nèi)。舍入由于浮點(diǎn)數(shù)的精度有限，需要對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行舍入，以保證結(jié)果的精度。存儲器層次結(jié)構(gòu)速度與成本的權(quán)衡存儲器層次結(jié)構(gòu)是一種將不同速度和成本的存儲器組合在一起的方式，以滿足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對速度和成本的需求。層次化組織它通常由多個級別組成，每個級別都有不同的訪問速度和存儲容量。較快的存儲器級別更昂貴，但容量較小。緩存和主存例如，高速緩存（Cache）是速度最快但容量最小的存儲器級別，主存儲器（MainMemory）速度較慢但容量更大。緩存存儲器CPU緩存位于CPU內(nèi)部，速度最快，容量最小主存緩存位于主存和CPU之間，速度中等，容量中等磁盤緩存位于磁盤和主存之間，速度最慢，容量最大總線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)，包括指令和數(shù)據(jù)。地址總線用于指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂?，即訪問存儲器或外設(shè)的地址?？刂瓶偩€用于傳遞控制信號，控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序和方向?？偩€工作原理1共享傳輸介質(zhì)總線是一種共享的傳輸介質(zhì)，多個設(shè)備可以同時使用總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。2時序控制總線的工作需要嚴(yán)格的時序控制，以確保各個設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸同步進(jìn)行。3總線仲裁當(dāng)多個設(shè)備同時請求使用總線時，需要通過仲裁機(jī)制來決定哪個設(shè)備優(yōu)先使用總線。總線仲裁策略集中式仲裁由一個專門的仲裁器負(fù)責(zé)管理總線的使用權(quán)限，它根據(jù)一定的優(yōu)先級規(guī)則分配給多個設(shè)備使用。分布式仲裁每個設(shè)備都包含一個仲裁邏輯，它們共同負(fù)責(zé)總線訪問權(quán)限的分配，通常采用輪詢或投票的方式進(jìn)行。鏈?zhǔn)街俨迷O(shè)備通過串聯(lián)的方式連接到總線上，優(yōu)先級由連接位置決定，越靠近總線控制器的設(shè)備優(yōu)先級越高。中斷處理機(jī)制中斷是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一種重要的機(jī)制，它允許系統(tǒng)及時響應(yīng)來自外部或內(nèi)部的事件。中斷處理程序是專門用來處理中斷事件的代碼，它會根據(jù)中斷類型執(zhí)行相應(yīng)的操作。中斷處理過程包含保存當(dāng)