[工学]计算机原理详解之运算器与控制器课件.pptVIP

*******************计算机原理详解之运算器与控制器本课件将深入探讨计算机的核心组件：运算器和控制器，带您领略计算机内部运作的奥秘。计算机系统的基本组成运算器负责执行各种算术和逻辑运算，是计算机的核心部件之一。控制器负责控制计算机各个部件的协同工作，是计算机的指挥中心。存储器用于存储数据和程序，分为主存储器和辅助存储器。输入输出设备负责与外界进行信息交换，包括键盘、鼠标、显示器等。CPU的基本结构CPU，即中央处理器，是计算机的核心部件，负责执行程序并控制整个计算机系统的运行。CPU通常由运算器、控制器、寄存器组和高速缓存组成，每个组件都扮演着重要的角色。运算器的结构和工作过程1算术逻辑单元(ALU)执行算术和逻辑运算2寄存器组存储数据和中间结果3数据通路数据在运算器内部的传输路径ALU算术逻辑单元的功能算术运算ALU可以执行加、减、乘、除等基本算术运算。逻辑运算ALU支持逻辑运算，例如AND、OR、XOR和NOT。移位操作ALU能够执行左移、右移等操作，用于位操作和数据处理。寄存器文件的结构和作用寄存器文件是一个由多个寄存器组成的集合，每个寄存器都有唯一的地址。它用来存储CPU中的数据，并提供快速访问数据的途径。寄存器文件的结构通常采用阵列结构，每个寄存器都有自己的存储单元。CPU可以通过地址访问寄存器文件中的数据。寄存器文件在CPU中起着重要的作用，它可以：快速访问数据，提高CPU的运行速度存储运算结果和中间结果，方便后续操作存放程序中的数据，减少内存访问次数指令寄存器和程序计数器的作用指令寄存器(IR)存储当前正在执行的指令。程序计数器(PC)保存下一条要执行指令的地址。控制器的结构和工作原理指令译码器将指令的操作码转换为控制信号，控制其他部件执行指令。时序控制电路产生各种控制信号的时序，协调各个部件的运行。微程序控制器将指令的执行过程分解为一系列微指令，并控制微指令的执行。控制器的指令译码过程指令获取控制器首先从指令寄存器中获取当前指令。指令分解将指令分解为操作码和操作数，识别指令类型和操作对象。生成控制信号根据指令的类型和操作数生成相应的控制信号，控制运算器和存储器等部件完成操作。指令周期和机器周期指令周期CPU执行一条指令所需的全部时间。机器周期CPU完成一个基本操作所需的全部时间。取指令和执行指令的过程1取指令CPU从内存中读取指令。2译码CPU将指令翻译成机器可以理解的指令。3执行CPU执行指令，并更新寄存器和内存。流水线技术概述流水线技术是现代计算机系统中提高性能的重要技术，通过将指令执行过程分解成多个阶段，并使用多个功能单元同时执行不同阶段的指令，从而提高计算机的处理速度。1并行处理流水线技术通过并行处理多个指令的不同阶段，实现提高计算机系统整体效率。2吞吐量提升在一定时间内，流水线能够处理更多指令，有效提升计算机系统的吞吐量。3性能提升流水线技术能够显著提高计算机系统的性能，尤其是对于那些需要大量计算的应用程序。流水线的基本原理将指令执行过程分解成多个阶段不同阶段的指令同时执行提高指令执行效率流水线的性能评估指标指标定义吞吐率单位时间内完成的任务数量加速比流水线执行时间与非流水线执行时间的比值效率流水线利用率，即流水线中各级被充分利用的程度流水线设计的关键问题1数据相关性数据相关性指的是一条指令需要使用前面指令的结果,导致流水线需要暂停等待.2控制相关性控制相关性指的是一条指令的执行结果会影响后续指令的执行路径,例如分支指令.3资源冲突资源冲突指的是多条指令同时需要访问同一个硬件资源,例如内存或运算器,导致流水线需要等待.流水线暂停和数据相关性1数据相关性当一条指令的结果被下一条指令使用时，会造成数据相关性。2流水线暂停为了解决数据相关性，需要暂停流水线，等待相关数据计算完成。3处理方法可以通过数据转发或延迟执行等方法来减少暂停时间。控制相关性及其处理方法控制相关性控制相关性是指当前指令的执行结果会影响下一条指令的执行地址，例如分支指令。处理方法为了解决控制相关性，可以采用分支预测技术，预测下一条指令的地址，提前取指令，减少流水线的停顿。RISC和CISC的对比RISC指令集精简，指令数量少，执行速度快，更适合编译器优化。CISC指令集复杂，指令数量多，执行速度慢，更适合程序员使用。超标量处理器结构超标量处理器通过并行执行多条指令来提高性能。它使用多个执行单元，例如算术逻辑单元(ALU)