《執行單元》課程概覽課程目標了解執行單元理解執行單元的概念、結構和功能，為后續學習打下基礎。掌握執行單元的類型深入學習各種執行單元類型，包括單指令流、多指令流、流水線和超標量執行單元。掌握性能評估和優化方法了解如何評估執行單元的性能，并掌握常用的性能優化技術。什么是執行單元執行單元是計算機系統中的核心部件，負責執行指令并完成各種計算任務。它就像一個精密的工廠，根據指令的指示，對數據進行加工處理，最終產生結果。執行單元是CPU的重要組成部分，是計算機系統中的關鍵組件，負責解釋和執行指令，并對數據進行運算和處理，最終實現各種應用程序的功能。執行單元的構成要素1運算器執行算術運算和邏輯運算。2控制器控制指令的執行順序和操作。3寄存器組存儲中間結果和操作數。4存儲器接口與主存儲器進行數據交互。執行單元的功能指令獲取從內存中讀取指令，并將指令加載到指令寄存器。指令譯碼將指令轉換成機器可理解的格式，并分析指令的操作碼和操作數。指令執行根據指令的操作碼執行相應的操作，例如算術運算、邏輯運算、數據傳輸等。結果寫回將執行結果寫入相應的寄存器或內存。執行單元的類型單指令流執行單元每次只執行一條指令，適用于簡單的指令集架構，執行速度較慢。多指令流執行單元可以同時執行多條指令，適用于復雜的指令集架構，執行速度較快。單指令流執行單元單指令流執行單元（SISD）是一種最簡單的執行單元，它一次只能執行一條指令。它只有一個處理單元，一個控制單元和一個存儲器。在任何時間點，它只能從存儲器中讀取一條指令并執行它，然后才能讀取下一條指令。由于單指令流執行單元在任何時候只能執行一條指令，因此它的執行速度相對較慢。然而，它結構簡單，成本低廉，在一些簡單的應用程序中仍然被使用。多指令流執行單元多指令流執行單元（MultipleInstructionStream）是指能夠同時執行多條指令的處理器，例如多核處理器。多指令流執行單元可以顯著提高處理器的性能，因為它們可以并行執行多個任務。流水線執行單元將指令拆分成多個步驟流水線將指令執行過程分解成多個階段，每個階段執行指令的一部分，例如取指令、解碼、執行、訪存、寫回等。提高指令執行效率多個指令可以重疊執行，提高指令執行效率，降低平均指令執行時間。超標量執行單元超標量執行單元能夠在每個時鐘周期內執行多條指令。它們通常采用流水線架構，并配備多個執行單元來并行執行不同的指令。通過并行執行指令，超標量執行單元能夠顯著提高處理器的性能。指令調度機制指令排序處理器根據指令依賴關系和資源可用性，對指令進行排序，以優化執行順序。資源分配將指令分配給可用的執行單元，例如算術邏輯單元(ALU)或浮點單元(FPU)，以最大限度地利用硬件資源。沖突處理當多個指令需要訪問相同的資源時，調度器會進行沖突處理，以確保指令按照正確的順序執行。靜態調度與動態調度1靜態調度編譯時完成2動態調度運行時完成靜態調度是在編譯時完成的，而動態調度是在運行時完成的。靜態調度通常效率更高，但靈活性較差。動態調度效率較低，但靈活性更高。基于優先級的調度靜態優先級在程序執行前就設定好的優先級，例如根據程序類型或重要性。動態優先級在程序運行過程中根據各種因素動態調整優先級，例如CPU使用率、內存占用等。優先級隊列將指令按照優先級存放在隊列中，優先級高的指令先執行。亂序執行概念亂序執行是一種優化技術，它允許處理器以不同的順序執行指令，只要結果保持一致。例如，如果一個指令依賴于另一個指令的結果，則處理器可以先執行另一個指令，然后再執行依賴的指令，只要結果一致。亂序執行可以提高處理器性能，因為它可以使處理器更有效地利用其資源，例如指令緩存和執行單元。優勢亂序執行可以提高處理器性能，因為它可以減少指令間的依賴關系，從而提高指令的執行效率。亂序執行還可以減少分支預測錯誤，因為處理器可以執行分支預測錯誤路徑中的指令，然后丟棄結果。挑戰亂序執行的實現具有挑戰性，因為處理器必須確保指令以正確的順序執行，以確保結果一致。這需要一個復雜的硬件和軟件體系結構，以跟蹤指令的依賴關系并確保指令以正確的順序完成。寄存器重命名1消除WAR和WAW沖突通過給不同指令分配不同的虛擬寄存器，即使它們使用相同的物理寄存器，也不會發生沖突。2提高指令級并行度寄存器重命名可以使更多指令同時執行，從而提高CPU的性能。3實現亂序執行寄存器重命名是實現亂序執行的關鍵技術之一。分支預測預測指令流執行路徑，減少分支預測帶來的性能損失。根據歷史執行結果，預測未來分支走向。提高指令流水線效率，實現更高性能。緩存系統提高性能緩存系統通過存儲常用的數據，減少對主內存的訪問次數，從而提升系統性能。減少延遲緩存系統可以快速訪問數據，避免了主內存的訪問延遲，降低了程序執行時間。降低帶寬壓力緩存系統可以減少對主內存的訪問，降低了總線帶寬的壓力，提高了系統整體效率。虛擬內存虛擬內存虛擬內存是一種技術，允許計算機使用比物理內存更多的內存。通過使用硬盤空間作為擴展內存，即使物理內存有限，也可以運行大型程序或同時運行多個應用程序。頁面文件虛擬內存使用一個稱為“頁面文件”的硬盤空間部分來存儲不活躍的內存頁面。當需要使用這些頁面時，系統會將它們從頁面文件交換到物理內存中。內存管理虛擬內存由操作系統管理，它跟蹤物理內存和頁面文件的分配，以確保應用程序和數據能夠按需訪問。頁式虛擬內存將虛擬地址空間劃分為固定大小的頁，物理地址空間也劃分為相同大小的頁框。頁表記錄了虛擬頁到物理頁框的映射關系。當訪問一個虛擬地址時，CPU需要通過頁表查找對應的物理地址。快表和頁表頁表頁表是一個數據結構，它存儲了虛擬地址到物理地址的映射關系。每個進程都有一個獨立的頁表，用于管理其虛擬地址空間。快表快表是一個高速緩存，用于存儲最近訪問的頁表條目。當CPU需要訪問一個虛擬地址時，它會先檢查快表。如果快表命中，則可以直接獲取物理地址，否則需要訪問頁表。頁面置換算法1FIFO最早進入內存的頁面最先被淘汰。2LRU最久未被使用的頁面最先被淘汰。3OPT最優頁面置換算法，始終淘汰未來最長時間不會被訪問的頁面。內存層次結構緩存存儲器速度快，容量小，靠近CPU，用于存放訪問頻率高的數據。主存速度較慢，容量大，是CPU直接訪問的內存區域。輔助存儲器速度最慢，容量最大，用于長期保存數據。總線系統數據總線用于在系統組件之間傳輸數據。地址總線用于指定內存或外設的地址。控制總線用于傳遞控制信號，協調數據傳輸。總線仲裁協議集中式仲裁中央仲裁器負責協調多個設備對總線的訪問。鏈式仲裁設備按順序連接，優先級由連接順序決定。分布式仲裁每個設備都有一個仲裁器，通過協商來決定總線訪問權。DMA傳輸直接內存訪問DMA傳輸是允許外設直接訪問內存，無需CPU介入的一種技術。外設可以通過DMA控制器直接讀寫內存，減少了CPU的負擔，提高了數據傳輸效率。傳輸過程DMA控制器從CPU接收傳輸指令，并將指令和地址信息發送給外設。外設根據指令將數據直接寫入或讀取內存。應用場景DMA傳輸廣泛應用于硬盤、網卡、顯卡等外設與內存之間的大數據傳輸。例如，硬盤讀取數據寫入內存，網卡接收數據包寫入內存，顯卡渲染數據寫入內存等。輸入輸出設備鍵盤鍵盤是計算機的主要輸入設備之一，用于輸入字符、數字和特殊符號。鼠標鼠標是用于控制光標和選擇對象的指針設備，提供了直觀的操作界面。顯示器顯示器是計算機的主要輸出設備，用于顯示文本、圖形和視頻。打印機打印機是將電子文檔打印成紙質副本的輸出設備，用于生成硬拷貝。中斷處理機制中斷源中斷源指的是引起中斷的事件，例如鍵盤輸入、磁盤讀寫完成等。中斷向量中斷向量是一個表格，它存儲了各個中斷處理程序的入口地址。中斷處理程序中斷處理程序是一段代碼，負責處理特定中斷事件。中斷優先級中斷優先級用于決定多個中斷事件同時發生時，哪個中斷事件優先被處理。設備驅動程序1軟件橋梁連接操作系統和硬件設備，提供統一的接口。2管理硬件控制硬件資源，例如內存、I/O端口和中斷。3提供抽象層隱藏硬件細節，方便應用程序調用。性能評估指標1吞吐量單位時間內完成的任務數量2延遲完成一項任務所花費的時間3響應時間系統對請求做出響應的時間4利