工學(xué)計(jì)算機(jī)原理詳解之運(yùn)算器與控制器課件

計(jì)算機(jī)原理詳解之運(yùn)算器與控制器本課件將深入探討計(jì)算機(jī)的核心組件：運(yùn)算器和控制器，帶您領(lǐng)略計(jì)算機(jī)內(nèi)部運(yùn)作的奧秘。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成運(yùn)算器負(fù)責(zé)執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算，是計(jì)算機(jī)的核心部件之一?？刂破髫?fù)責(zé)控制計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的協(xié)同工作，是計(jì)算機(jī)的指揮中心。存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序，分為主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器。輸入輸出設(shè)備負(fù)責(zé)與外界進(jìn)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(jì)算機(jī)的核心部件，負(fù)責(zé)執(zhí)行程序并控制整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行。CPU通常由運(yùn)算器、控制器、寄存器組和高速緩存組成，每個(gè)組件都扮演著重要的角色。運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程1算術(shù)邏輯單元(ALU)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算2寄存器組存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和中間結(jié)果3數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)在運(yùn)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(yùn)算ALU可以執(zhí)行加、減、乘、除等基本算術(shù)運(yùn)算。邏輯運(yùn)算ALU支持邏輯運(yùn)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(gè)由多個(gè)寄存器組成的集合，每個(gè)寄存器都有唯一的地址。它用來(lái)存儲(chǔ)CPU中的數(shù)據(jù)，并提供快速訪問(wèn)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(gè)寄存器都有自己的存儲(chǔ)單元。CPU可以通過(guò)地址訪問(wèn)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(wèn)數(shù)據(jù)，提高CPU的運(yùn)行速度存儲(chǔ)運(yùn)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(wèn)次數(shù)指令寄存器和程序計(jì)數(shù)器的作用指令寄存器(IR)存儲(chǔ)當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。程序計(jì)數(shù)器(PC)保存下一條要執(zhí)行指令的地址?？刂破鞯慕Y(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(hào)，控制其他部件執(zhí)行指令。時(shí)序控制電路產(chǎn)生各種控制信號(hào)的時(shí)序，協(xié)調(diào)各個(gè)部件的運(yùn)行。微程序控制器將指令的執(zhí)行過(guò)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(guò)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(shí)別指令類型和操作對(duì)象。生成控制信號(hào)根據(jù)指令的類型和操作數(shù)生成相應(yīng)的控制信號(hào)，控制運(yùn)算器和存儲(chǔ)器等部件完成操作。指令周期和機(jī)器周期指令周期CPU執(zhí)行一條指令所需的全部時(shí)間。機(jī)器周期CPU完成一個(gè)基本操作所需的全部時(shí)間。取指令和執(zhí)行指令的過(guò)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(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中提高性能的重要技術(shù)，通過(guò)將指令執(zhí)行過(guò)程分解成多個(gè)階段，并使用多個(gè)功能單元同時(shí)執(zhí)行不同階段的指令，從而提高計(jì)算機(jī)的處理速度。1并行處理流水線技術(shù)通過(guò)并行處理多個(gè)指令的不同階段，實(shí)現(xiàn)提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體效率。2吞吐量提升在一定時(shí)間內(nèi)，流水線能夠處理更多指令，有效提升計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能，尤其是對(duì)于那些需要大量計(jì)算的應(yīng)用程序。流水線的基本原理將指令執(zhí)行過(guò)程分解成多個(gè)階段不同階段的指令同時(shí)執(zhí)行提高指令執(zhí)行效率流水線的性能評(píng)估指標(biāo)指標(biāo)定義吞吐率單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)量加速比流水線執(zhí)行時(shí)間與非流水線執(zhí)行時(shí)間的比值效率流水線利用率，即流水線中各級(jí)被充分利用的程度流水線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)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(huì)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(shí)需要訪問(wèn)同一個(gè)硬件資源,例如內(nèi)存或運(yùn)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(shí)，會(huì)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(jì)算完成。3處理方法可以通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)或延遲執(zhí)行等方法來(lái)減少暫停時(shí)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(huì)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(cè)技術(shù)，預(yù)測(cè)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(duì)比RISC指令集精簡(jiǎn)，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(guò)并行執(zhí)行多條指令來(lái)提高性能。它使用多個(gè)執(zhí)行單元，例如算術(shù)邏輯單元(ALU)、浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)和內(nèi)存訪問(wèn)單元，來(lái)同時(shí)處理多個(gè)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(shí)現(xiàn)超標(biāo)量處理，處理器需要使用指令發(fā)射機(jī)制，將多個(gè)指令同時(shí)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(wèn)題。分支預(yù)測(cè)技術(shù)可以預(yù)測(cè)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(duì)列中取出，并將其送入執(zhí)行單元的過(guò)程。并發(fā)發(fā)射超標(biāo)量處理器能夠同時(shí)發(fā)射多條指令，以提高指令執(zhí)行效率。資源競(jìng)爭(zhēng)指令發(fā)射需要考慮資源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)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(jìn)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(guò)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(gè)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(guò)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(cè)技術(shù)預(yù)測(cè)未來(lái)分支跳轉(zhuǎn)方向。提高程序執(zhí)行速度。預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率影響性能。內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常采用多級(jí)存儲(chǔ)器系統(tǒng)，即內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由多個(gè)級(jí)別的存儲(chǔ)器組成，每個(gè)級(jí)別存儲(chǔ)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(jì)效益。最快的存儲(chǔ)器通常是最小的，成本也最高，例如CPU寄存器，而最慢的存儲(chǔ)器通常是最大的，成本也最低，例如磁盤。Cache存儲(chǔ)器的基本工作原理1高速緩存速度快，容量小，存儲(chǔ)訪問(wèn)頻率高的數(shù)據(jù)2主存速度慢，容量大，存儲(chǔ)所有程序和數(shù)據(jù)3輔助存儲(chǔ)器速度最慢，容量最大，長(zhǎng)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(wèn)主存的次數(shù)。1平均訪問(wèn)時(shí)間平均訪問(wèn)時(shí)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(shí)才寫入主存。寫直達(dá)協(xié)議修改數(shù)據(jù)同時(shí)寫入Cache和主存，確保主存數(shù)據(jù)與Cache一致。寫通過(guò)協(xié)議寫操作同時(shí)寫入Cache和主存，并更新其他Cache中的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)?？偩€技術(shù)概述總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不同功能部件之間進(jìn)行信息傳輸?shù)墓餐?。它可以連接CPU、內(nèi)存、外設(shè)等多個(gè)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(hào)，例如讀寫控制、時(shí)鐘信號(hào)等?？偩€的仲裁和讀寫過(guò)程1仲裁多個(gè)設(shè)備共享總線時(shí)，需要仲裁機(jī)制來(lái)決定哪個(gè)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(qǐng)求，通過(guò)總線傳輸?shù)刂泛涂刂菩盘?hào)，讀取數(shù)據(jù)。3寫操作CPU向內(nèi)存或外設(shè)發(fā)出寫請(qǐng)求，通過(guò)總線傳輸?shù)刂贰?shù)據(jù)和控制信號(hào)，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(jī)和移動(dòng)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(jì)算機(jī)和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實(shí)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