计算机体系结构李学干第二章课件

计算机体系结构李学干第二章课件•计算机体系结构概述•指令系统目录•存储系统•输入输出系统•流水线技术01计算机体系结构概述计算机体系结构定义计算机体系结构是计算机系统各部件之间的互操作和协同工作的方式，包括指令集、数据表示、存储系统、输入输出结构等计算机体系结构关注的是计算机系统的整体设计和实现，而不仅仅是单个部件的性能和功能计算机体系结构分类根据指令集的不同，计算机体系结构可以分为复01杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）根据存储系统的不同，计算机体系结构可以分为02冯·诺依曼体系和非冯·诺依曼体系根据并行处理的方式不同，计算机体系结构可以03分为单处理器和多处理器系统计算机体系结构的发展历程第三代计算机采用集成电第一代计算机采用真空管路作为基本元件，出现了作为基本元件，采用二进高级语言编程和数据库管制编码表示数据和指令理系统第五代计算机采用超大规模集成电路和人工智能技术，实现了智能化的计算和感知第二代计算机采用晶体管作为基本元件，采用汇编第四代计算机采用大规模语言编程，并出现了操作集成电路作为基本元件，系统出现了分布式计算和多媒体技术02指令系统指令集架构01指令集定义指令集架构（ISA）是计算机体系结构中指令系统的集合，包括机器指令的操作码和地址码以及相关的寄存器和标志位等02指令集分类根据指令集的特性，可以将指令集分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）03指令集优化为了提高计算机性能，可以对指令集进行优化，如采用指令并行、流水线等技术指令系统分类按指令长度分类按指令数据类型分类根据指令长度可以分为单根据指令数据类型可以分字指令、双字指令和多字为整数指令和浮点数指令指令等按指令执行方式分类根据指令执行方式可以分为串行执行和并行执行指令系统设计原则操作码设计01操作码是用来表示指令操作的，设计时应尽量减少操作码位数，同时保证足够的操作码数量数据格式设计02数据格式设计应考虑数据的表示范围和精度，以及数据的存储和传输效率寻址方式设计03寻址方式应考虑指令的执行效率和易用性，同时应尽量减少寻址方式的种类指令系统优化010203指令并行指令调度指令融合通过多条指令并行执行来通过调整指令顺序来提高将多条指令融合成一条指提高计算机性能，如流水计算机性能，如分支预测令来提高计算机性能，如线技术技术SIMD技术03存储系统存储器层次结构存储器层次结构概寄存器高速缓存主存储器辅助存储器述存储器层次结构是计算寄存器是CPU中的高速高速缓存是位于CPU和主存储器是计算机的主辅助存储器是计算机中机体系结构中的重要概存储部件，用于暂存指主存储器之间的存储器，要存储介质，用于存储容量最大、价格最便宜念，它按照访问速度和令、数据和地址，具有用于缓存常用数据和指程序和数据它具有较的存储介质，用于长期容量对存储器进行分类，高速访问的特点令，提高访问速度大的容量和较慢的访问保存大量数据和程序从上到下依次为寄存器、速度常见的辅助存储器有硬高速缓存、主存储器和盘、光盘和磁带等辅助存储器主存储器主存储器的分类主存储器主要分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）两类RAM具有读写功能，但数据易丢失；ROM中的数据只能读出，不能写入，且数据不易丢失主存储器的组成主存储器由存储单元、地址寄存器和数据寄存器组成每个存储单元可以存储一个字节的数据，地址寄存器用于标识存储单元的地址，数据寄存器用于暂存读/写操作的数据主存储器的访问方式主存储器的访问方式主要有按字节访问、按字访问和按段访问三种方式按字节访问是最基本的访问方式，按字访问可以提高访问速度，按段访问则可以实现对连续数据的快速访问高速缓存高速缓存的作用01高速缓存是一种特殊的存储器，用于缓存CPU经常访问的数据和指令，以提高数据和指令的访问速度高速缓存的原理02高速缓存采用数据局部性原理，即频繁访问的数据往往在空间上相邻或时间上集中通过将频繁访问的数据存放在高速缓存中，可以减少对主存储器的访问次数，从而提高计算机的性能高速缓存的组织方式03高速缓存的组织方式主要有直接映射、全相联映射和组相联映射三种方式直接映射方式简单但灵活性差，全相联映射方式灵活但实现复杂，组相联映射则介于两者之间辅助存储器辅助存储器的特点硬盘的特点及应用光盘的特点及应用辅助存储器具有容量大、价格硬盘具有容量大、读写速度快、光盘是一种可读写的辅助存储可靠性高等特点，是计算机的便宜、可长期保存数据等特点器，具有容量大、价格便宜、主要辅助存储器之一它广泛常见的辅助存储器有硬盘、光易于携带等特点常见的光盘应用于操作系统、应用程序和盘和磁带等有CD、DVD和蓝光光盘等数据的存储它们广泛应用于数据备份、软件分发和多媒体娱乐等领域04输入输出系统输入输出设备键盘鼠标0103用于输入字符、数字和命用于选择、拖动、点击等令等操作02显示器打印机04用于显示文本、图像和视用于输出文本、图像和报频等信息表等输入输出接口USB接口HDMI接口用于连接各种外设，如鼠标、键盘、打印用于连接显示器和电视等显示设备机等SATA接口PCIe接口用于连接硬盘驱动器等存储设备用于连接显卡、声卡等高速设备输入输出控制方式中断方式直接内存访问方式当外设需要输入或输出数据时，通过外设直接与内存进行数据交换，无需中断控制器向CPU发送中断请求，CPU的干预CPU响应后进行相应的处理缓冲方式程序查询方式在外设和CPU之间设置缓冲区，外设CPU通过查询外设的状态寄存器，检先将数据存入缓冲区，再由CPU读取查外设是否准备好数据，如果准备好缓冲区中的数据进行处理则读取数据并处理总线PCI总线USB总线SATA总线PCIe总线一种通用的总线标准，一种串行总线标准，一种串行总线标准，一种高速串行总线标用于连接主板上的各用于连接各种外设，用于连接硬盘驱动器准，用于连接高速设种设备，如显卡、声如鼠标、键盘、打印等存储设备备，如显卡、声卡等卡等机等05流水线技术流水线技术概述流水线技术是一种将指令执行过程划分为多个独01立阶段，并让这些阶段以流水线方式协同工作的技术通过流水线技术，计算机可以并行处理多个指令，02从而提高指令执行效率02流水线技术可以显著缩短指令执行时间，提高计算机的吞吐量流水线分类根据指令执行过程的特点，流水线可以分为单功能流水线和多功能流水线单功能流水线只包含完成单多功能流水线可以进一步提高一功能的流水线级，而多功指令的并行处理能力，但设计能流水线则包含完成多种功更为复杂能的流水线级流水线调度与控制流水线调度是根据指令的顺序和特点，合理分配到流水线的各01个阶段，以保证指令正确执行的过程流水线控制则是确保流水线的各个阶段按照正确的顺序和时间02进行工作的过程流水线调度和控制是实现高效流水线技术的关键03流水线的优缺点流水线的优点包括提高指令执行效率、缩短指令执行时间、提高计算机吞吐量等然而，流水线技术也存在一些缺点，如设计复杂度高、对异常处理和分支预测的要求高、功耗较大等THANKS感谢观看。