計算機組成原理深入了解計算機系統內部組成與工作原理課程目標和學習要點理解基本概念掌握計算機組成核心原理分析系統架構能夠分析不同層次計算機系統結構硬件設計基礎學習計算機硬件設計基本方法性能評估計算機系統的基本概念1物理設備硬件組件和電子線路2系統軟件操作系統和驅動程序3應用軟件面向用戶的程序和服務馮·諾依曼體系結構存儲程序原理指令數據存儲在同一存儲器中五大部件運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備順序執行指令按地址順序逐條執行二進制編碼采用二進制表示和處理信息現代計算機系統的組成中央處理器(CPU)運算控制核心存儲系統多級存儲層次結構總線系統內部通信通道輸入/輸出系統與外部世界交互接口計算機的性能指標時鐘頻率CPU工作速度的基本指標CPI和MIPS每指令周期數和每秒百萬指令數吞吐量單位時間處理的任務數量響應時間完成單個任務所需時間數據的表示：進制轉換二進制計算機內部表示1十進制人類使用習慣2八進制每3位二進制一組3十六進制每4位二進制一組4數據的表示：定點數和浮點數定點數小數點位置固定表示范圍有限運算簡單快速適合整數運算浮點數小數點位置可變表示范圍廣精度可控符合IEEE標準數據的表示：字符和圖形ASCII碼7位編碼，表示128個字符Unicode國際通用字符集，多語言支持位圖圖形像素點陣表示，分辨率固定矢量圖形數學公式描述，可無損縮放計算機的運算方法：定點加減法數據準備對齊位數，準備操作數原碼/補碼轉換負數轉為補碼表示按位運算從低位到高位逐位相加/減溢出檢測判斷結果是否超出表示范圍計算機的運算方法：定點乘除法乘法原理部分積累加，移位相加Booth算法減少加法次數的乘法優化除法原理試商、部分余數、移位操作恢復余數法傳統二進制除法實現計算機的運算方法：浮點數運算結果舍入精度控制和誤差處理尾數運算按定點算法處理尾數部分階碼調整對齊操作數小數點分解操作數分離符號、階碼和尾數算術邏輯單元（ALU）的基本結構算術運算電路執行加減乘除等數值計算邏輯運算電路執行與或非異或等邏輯操作移位電路執行左移右移循環移位操作狀態標志電路記錄運算結果的特征狀態指令系統的基本概念指令的概念計算機執行的最基本操作指令集架構(ISA)硬件與軟件之間的接口指令分類數據傳送、運算、控制、特權指令指令周期取指、譯碼、執行、回寫指令格式和尋址方式指令格式操作碼、地址碼、長度立即尋址操作數直接在指令中直接尋址指令包含操作數地址間接尋址指令包含指向操作數的指針變址尋址基址加偏移量計算地址CISC和RISC指令集CISC復雜指令集計算機指令數量多指令長度不固定微程序控制代表：x86架構RISC精簡指令集計算機指令數量少指令長度固定硬布線控制代表：ARM架構存儲系統概述存儲功能保存程序、數據、中間結果和最終結果存儲介質半導體、磁存儲、光存儲存儲分類按速度、容量、成本和功能分層存儲管理地址映射、分配回收、緩存一致性存儲器的層次結構1寄存器最快、容量最小高速緩存解決CPU與內存速度不匹配主存程序執行的工作區4外存容量最大、速度最慢主存儲器：RAM和ROMRAM(隨機存取存儲器)易失性存儲器SRAM：靜態RAM，速度快DRAM：動態RAM，容量大掉電后內容丟失ROM(只讀存儲器)非易失性存儲器PROM：一次性可編程EPROM：可擦除可編程EEPROM：電可擦除可編程高速緩存（Cache）的工作原理查找檢查請求數據是否在緩存中命中緩存中找到所需數據缺失從下一級存儲加載數據替換按替換算法更新緩存內容虛擬存儲器技術虛擬地址空間為程序提供連續地址空間假象分頁管理固定大小頁面作為管理單位地址轉換頁表實現虛擬地址到物理地址映射缺頁處理按需將頁面調入主存外部存儲器：硬盤和固態硬盤機械硬盤(HDD)磁介質存儲大容量低成本機械部件限制速度尋道時間長固態硬盤(SSD)閃存顆粒存儲無機械部件隨機訪問速度快功耗低但成本高總線系統概述總線定義計算機組件間共享的通信線路總線功能傳輸地址、數據和控制信號總線結構單總線、多總線架構總線性能傳輸速率、帶寬和時序要求總線的分類和特性內部總線芯片內部連接通道系統總線CPU與主存之間的連接2外部總線連接外設的標準接口擴展總線提供外設擴展能力總線仲裁和通信協議請求控制權多設備爭用總線仲裁決策確定優先級最高的設備授權使用允許設備使用總線釋放總線完成傳輸后讓出控制權中央處理器（CPU）的基本組成運算器(ALU)執行算術邏輯運算控制器(CU)指令譯碼和控制信號發生寄存器組臨時存儲數據和狀態內部總線連接各部件的通信路徑CPU的功能和工作原理取指從內存讀取指令譯碼解析指令內容執行完成指令規定操作回寫保存執行結果控制器的結構和功能指令寄存器IR存放當前指令指令譯碼器解釋指令含義時序產生器生成操作時序信號控制信號發生器輸出各種控制信號微程序控制器控制存儲器存儲微指令微指令寄存器保存當前微指令下址生成器確定下一條微指令地址控制信號形成產生具體操作控制信號硬布線控制器組合邏輯電路直接由硬件生成控制信號高速響應無微程序訪問開銷固定功能功能確定后難以修改電路復雜設計難度大指令周期和指令執行過程取指周期PC→MAR→內存→MDR→IR2間址周期解析有效地址執行周期根據指令操作碼執行操作中斷周期處理中斷請求流水線技術概述流水線定義指令執行各階段重疊進行流水線原理分解任務為多個順序階段流水線優勢提高指令吞吐率流水線挑戰處理相關和冒險流水線的基本概念和性能分析5典型階段IF-ID-EX-MEM-WB指令流水段n流水長度流水線的階段數1/τ吞吐率τ為時鐘周期，每周期啟動一條指令流水線中的相關和冒險數據相關指令間的數據依賴關系1控制相關分支指令導致的不確定性2結構相關硬件資源爭用解決方法轉發、停頓、預測超標量和超流水技術超標量技術并行執行多條指令多個功能部件動態指令調度亂序執行超流水技術細分流水線階段增加流水線深度提高時鐘頻率增加復雜度輸入/輸出系統概述輸入設備將外部信息轉換為計算機可處理數據輸出設備將計算機數據轉換為人可理解形式I/O接口連接設備與系統總線I/O控制方式程序查詢、中斷、DMAI/O接口的功能和類型數據緩沖匹配設備與CPU速度差異信號轉換電平匹配和格式轉換狀態控制設備就緒狀態管理接口類型并行接口和串行接口程序查詢方式發出I/O命令CPU向設備發送操作請求循環檢查狀態CPU反復讀取設備狀態寄存器判斷是否完成根據狀態位確定操作是否完成數據傳送完成后進行數據交換中斷方式發出I/O命令CPU啟動I/O設備CPU繼續執行轉去執行其他程序設備完成操作向CPU發送中斷請求中斷處理CPU執行中斷服務程序直接存儲器存取（DMA）方式1CPU初始化設置DMA控制器參數2DMA請求DMA控制器請求總線控制權3數據傳輸DMA直接控制內存與設備間數據傳送完成通知傳輸完成后通知CPU外部設備：鍵盤和鼠標鍵盤文本輸入設備矩陣掃描方式按鍵編碼轉換鍵盤緩沖區鼠標圖形位置輸入設備光電轉換原理運動檢測方式坐標定位外部設備：顯示器和打印機顯示器視覺輸出設備LCD液晶顯示LED背光技術分辨率和色彩深度打印機紙質輸出設備激光打印原理噴墨打印技術熱敏打印方式并行技術：并行處理概述并行計算定義同時使用多個計算資源解決問題并行層次位級、指令級、數據級、任務級并行度同時處理的任務數量加速比串行執行時間與并行執行時間之比Flynn分類法SISD單指令流單數據流，傳統馮諾依曼架構SIMD單指令流多數據流，如矢量處理器3MISD多指令流單數據流，如流水線4MIMD多指令流多數據流，如多核處理器多處理器系統共享內存處理器通過共享內存通信消息傳遞處理器通過顯式消息通信對稱多處理所有處理器地位平等非對稱多處理主從架構多核處理器核心概念單芯片集成多個處理核心共享資源緩存、總線、內存控制器線程級并行同時執行多個線程功耗挑戰熱量管理和能效控制向量處理器向量載入將數據從內存加載到向量寄存器向量運算對整個向量執行同一操作流水化執行連續處理向量元素向量存儲將結果寫回內存陣列處理器互連網絡互連拓撲總線、星形、環形、網格、超立方體路由算法確定數據包傳輸路徑交換技術電路交換、分組交換、虛擬通道性能指標帶寬、延遲、吞吐量高性能計算機系統可靠性和容錯技術容錯系統部分故障下仍能正常工作冗余設計硬件、信息、時間冗余錯誤檢測校驗碼和監控電路故障恢復備份切換和回滾機制計算機系統的可靠性評估MTBF平均故障間隔時間衡量系統可靠性MTTR平均修復時間衡量系統可維護性99.999%高可用性五個九可用性標準容錯設計技術模塊冗余關鍵組件多副本并行工作檢查點恢復定期保存系統狀態糾錯碼數據存儲和傳輸錯誤校正多數表決多結果比較取多數一致計算機的發展歷程1第一代(1946-1959)電子管計算機2第二代(1959-1965)晶體管計算機3第三代(1965-1971)集成電路計算機4第四代(1971-至今)大規模集成電路計算機當代計算機技術的發展趨勢高集成度芯片工藝不斷微縮1高性能超標量、多核、異構低功耗綠色計算和能效設計高連接云計算和邊緣計算量子計算機簡介量子比特基于量子疊加態的信息單位量子糾纏量子比特間的非局部關聯量子算法Shor算法和Grover算法物理實現超導、離子阱、光量子神經網絡計算機簡介神經網絡模型模擬生物神經元連接結構專用架構張量處理單元和神經處理