芯片体系结构的发展.pptx
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1、2024/8/9 2024/8/9 周五周五1 1硬件的层次结构硬件的层次结构1.芯片级(芯片级(chip level)2.板卡级(板卡级(board and card level)3.设备级(设备级(equipment level)4.网络级(网络级(network level)2024/8/9 2024/8/9 周五周五2 2芯片的种类繁多芯片的种类繁多1.处理器芯片(处理器芯片(processor chip)2.存储器芯片(存储器芯片(memory chip)3.主板芯片组(主板芯片组(chip set)4.BIOS芯片(芯片(rom bios)5.输入输出芯片(输入输出芯片(I/O c
2、hip)6.控制器芯片(控制器芯片(controller chip)7.特殊芯片(特殊芯片(network chipset,3-D chip,video chip)2024/8/9 2024/8/9 周五周五3 3微处理器体系结构微处理器体系结构体系结构是建筑学术语。计算机体系结构体系结构是建筑学术语。计算机体系结构指概念性的结构和功能特性。指概念性的结构和功能特性。过去,大型主机体系结构(过去,大型主机体系结构(Mainframe Architecture)例如)例如1964年年IBM 360,24位。位。1983年年IBM 370-XA,32位。位。现在,微处理器体系结构现在,微处理器体系
3、结构(Microprocessor Architecture)。例如)。例如1978年年Intel 8086,16位。位。1985年年Intel 80386,32位。位。微体系结构比传统体系结构更丰富。微体系结构比传统体系结构更丰富。2024/8/9 2024/8/9 周五周五4 4芯片技术突飞猛进芯片技术突飞猛进800819720.35万万 10微米微米808019740.60万万 6微米微米808619782.9万万 3微米微米80286198213.4万万 3微米微米80386198527.5万万 1微米微米804861989120万万 0.8微米微米Pentium I1993310万万
4、0.35微米微米Pentium II1997750万万0.35微米微米Pentium III 19992900万万0.25微米微米Pentium IV 20004200万万0.13微米微米2024/8/9 2024/8/9 周五周五5 5奔腾的位数奔腾的位数内部寄存器的宽度为内部寄存器的宽度为32位,这决定了奔腾位,这决定了奔腾仍是仍是32位的微处理器,即位的微处理器,即IA-32体系结构。体系结构。数据输入输出总线的宽度为数据输入输出总线的宽度为64位。位。存储器地址总线的宽度:存储器地址总线的宽度:8088,808620位位1MB286,386SX24位位16MB386DX,486,奔腾奔
5、腾I32位位4GB奔腾奔腾II,奔腾奔腾III,奔腾奔腾IV36位位64GB2024/8/9 2024/8/9 周五周五6 6奔腾芯片的体系结构奔腾芯片的体系结构1.1.超标量技术(超标量技术(SuperscalarSuperscalar)双双ALUALU2.2.超流水技术(超流水技术(SuperpipelineSuperpipeline)八级八级3.3.哈佛结构:指令哈佛结构:指令CacheCache和数据和数据CacheCache4.4.分支动态预测分支动态预测 5.5.固化常用指令固化常用指令6.6.数据总线的拓宽及突发模式数据总线的拓宽及突发模式7.7.采用采用PCIPCI局部总线局部
6、总线8.8.错误检测及校验技术错误检测及校验技术9.9.电源效率技术电源效率技术 10.10.支持多重处理支持多重处理2024/8/9 2024/8/9 周五周五7 7超标量技术超标量技术486及以前的芯片,一个时间只能执行及以前的芯片,一个时间只能执行一条指令。奔腾芯片始,同时能执行一条指令。奔腾芯片始,同时能执行多于一条指令,这称为超标量技术。多于一条指令,这称为超标量技术。例如经典奔腾有两条整数指令流水线例如经典奔腾有两条整数指令流水线 U指令流水线:指令流水线:CISC和和RISC都执行都执行 V指令流水线:只执行指令流水线:只执行RISC指令指令还有一条浮点指令流水线(加、乘、还有一
7、条浮点指令流水线(加、乘、除),因此能同时执行多个处理,以除),因此能同时执行多个处理,以空间换取了时间。空间换取了时间。2024/8/9 2024/8/9 周五周五8 8超流水线技术超流水线技术通过细化流水、提高主频,使得在一个时通过细化流水、提高主频,使得在一个时间周期内能完成多个操作,称为超流水线间周期内能完成多个操作,称为超流水线技术。技术。例如每条整数流水线都分为例如每条整数流水线都分为4级(指令预取、级(指令预取、译码、执行、写回结果)译码、执行、写回结果)浮点流水线则分为浮点流水线则分为8级(指令预取、译码、级(指令预取、译码、执行、写回结果、两级浮点操作、一级执行、写回结果、两
8、级浮点操作、一级4舍舍5入并写回结果、一级出错报告)入并写回结果、一级出错报告)2024/8/9 2024/8/9 周五周五9 9MMX技术技术MMX技术指技术指Multi Media Extension即即多媒体扩展技术。多媒体扩展技术。在体系结构上的改进:在体系结构上的改进:1.内部内部L1高速缓存更大,改善软件运高速缓存更大,改善软件运行的特性。行的特性。2.在处理器的指令系统中,扩展了在处理器的指令系统中,扩展了57条指令,它们是单指令流多数据流条指令,它们是单指令流多数据流(SIMD)的,能加快对视频、音频、)的,能加快对视频、音频、图形和动画的循环处理。图形和动画的循环处理。202
9、4/8/9 2024/8/9 周五周五1010SSE技术技术在奔腾在奔腾III中首先出现。中首先出现。SSE是是Streaming SIMD Extension的的缩写,即流式单指令多数据扩展。缩写,即流式单指令多数据扩展。在在MMX的基础上,又增加了的基础上,又增加了70条新指条新指令,用于图形和声音处理。令,用于图形和声音处理。对高级图像处理、对高级图像处理、3D、流式音频和视、流式音频和视频频DVD回放、语音识别特别有用。回放、语音识别特别有用。2024/8/9 2024/8/9 周五周五1111NetBurst技术技术这是奔腾IV体系结构的核心。20级超流水线技术、增强双精度浮点运算、
10、快速执行引擎和400 MHz系统总线。具有高级传输高速缓存(芯片上的高级缓存,而不是过去的分立的,延时更短)、执行跟踪高速缓存。多媒体单元又有144条新指令增强了性能、SSE-2即流式SIMD扩展2技术和先进的动态执行(同时执行100多条指令)技术。瞬时数据传输速率高达3.2Gbps。2024/8/9 2024/8/9 周五周五1212奔腾奔腾IV的特殊要求的特殊要求奔腾奔腾IV有特殊的系统要求,例如支持有特殊的系统要求,例如支持NetBurst 体体系结构的芯片组、固位装置和适当的系结构的芯片组、固位装置和适当的 BIOS支持。支持。奔腾奔腾IV要用特殊的主板,即基于要用特殊的主板,即基于I
11、ntel 850 AGP芯芯片组的主板。主板必须符合奔腾片组的主板。主板必须符合奔腾IV的电流和电压的电流和电压要求。要求。奔腾奔腾IV的封装技术采用的封装技术采用 423 针栅格阵列,即采用针栅格阵列,即采用 Organic Land Grid Array(OLGA)技术。因)技术。因此要用此要用PGA423 插座。插座。插座上安装了集成的热量延展器(插座上安装了集成的热量延展器(IHS),提供),提供了将热量传导到散热片的途径,以便在处理器工了将热量传导到散热片的途径,以便在处理器工作期间进行散热。作期间进行散热。2024/8/9 2024/8/9 周五周五1313进程与线程进程与线程60
12、年代就提出年代就提出“进程进程”(process)的概念。)的概念。操作系统调度进程、分配资源、响应用户操作系统调度进程、分配资源、响应用户的请求。因此,进程既是拥有资源的单位,的请求。因此,进程既是拥有资源的单位,也是系统调度的单位。也是系统调度的单位。80年代又提出年代又提出“线程线程”(thread)的概念。)的概念。它是比进程更小的独立运行单位,一个进它是比进程更小的独立运行单位,一个进程由多个线程组成,让进程仍是拥有资源程由多个线程组成,让进程仍是拥有资源的单位,但调度单位却是线程。的单位,但调度单位却是线程。线程的创建与终止都容易而开销也小。线程的创建与终止都容易而开销也小。Win
13、dows NT、OS/2、Unix都是多线程的都是多线程的程序。数据库管理系统和其他应用软件也程序。数据库管理系统和其他应用软件也引入线程而改善性能。引入线程而改善性能。2024/8/9 2024/8/9 周五周五1414超线程技术的新徽标超线程技术的新徽标Hyper 超超Threading 线程线程HT Technology超线程技术超线程技术2024/8/9 2024/8/9 周五周五1515新徽标的含义新徽标的含义一、支持超线程技术、主频一、支持超线程技术、主频 3.06 GHz 或以上的或以上的Intel 奔腾奔腾IV 处理器处理器 二、支持超线程技术的二、支持超线程技术的Intel
14、芯片芯片组组 三、支持并实现超线程技术的系统三、支持并实现超线程技术的系统 BIOS 四、针对超线程技术优化过的操作四、针对超线程技术优化过的操作系统系统2024/8/9 2024/8/9 周五周五1616Intel的超线程技术超线程技术,通俗地说就是超线程技术,通俗地说就是“一芯一芯二用二用”。在线程级的层次上实现并行处理。在线程级的层次上实现并行处理。它能最大限度地利用处理器资源,它能最大限度地利用处理器资源,使一个处理器同时运行两个独立的使一个处理器同时运行两个独立的软件线程,使电脑能更高效地工作。软件线程,使电脑能更高效地工作。2024/8/9 2024/8/9 周五周五1717超线程
15、系统的优势超线程系统的优势提高多任务环境下的系统响应能力,使用户能提高多任务环境下的系统响应能力,使用户能够在更少的时间内完成更多的工作。够在更少的时间内完成更多的工作。提高当前或未来采用超线程技术的多线程应用提高当前或未来采用超线程技术的多线程应用的性能。的性能。通过扩大高峰负载的性能,为用户带来增值的通过扩大高峰负载的性能,为用户带来增值的优势。优势。为为IT部门提供灵活性,能在更安全、更可靠和部门提供灵活性,能在更安全、更可靠和可管理的计算基础设施上运行重要的后台应用,可管理的计算基础设施上运行重要的后台应用,而不会影响用户的正常使用或工作效率。而不会影响用户的正常使用或工作效率。202
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