辅导材料芯片体系结构的发展课件

《计算机应用基础》第2章辅导材料：芯片体系结构的发展20032023/2/61硬件的层次结构1.芯片级（chiplevel）2.板卡级（boardandcardlevel）3.设备级（equipmentlevel）4.网络级（networklevel）2023/2/62芯片的种类繁多1.处理器芯片（processorchip）2.存储器芯片（memorychip）3.主板芯片组（chipset）4.BIOS芯片（rom

bios）5.输入输出芯片（I/Ochip）6.控制器芯片（controllerchip）7.特殊芯片（networkchipset,3-Dchip,videochip…）2023/2/63芯片技术突飞猛进800819720.35万10微米808019740.60万6微米808619782.9万3微米80286198213.4万3微米80386198527.5万1微米804861989120万0.8微米PentiumI1993310万0.35微米PentiumII1997750万0.35微米PentiumIII19992900万0.25微米PentiumIV20004200万0.13微米2023/2/65奔腾的位数内部寄存器的宽度为32位，这决定了奔腾仍是32位的微处理器，即IA-32体系结构。数据输入输出总线的宽度为64位。存储器地址总线的宽度：8088，808620位1MB286，386SX24位16MB386DX,486,奔腾I32位4GB奔腾II,奔腾III,奔腾IV36位64GB2023/2/66奔腾芯片的体系结构1.超标量技术（Superscalar）双ALU2.超流水技术（Superpipeline）八级3.哈佛结构：指令Cache和数据Cache4.分支动态预测5.固化常用指令6.数据总线的拓宽及突发模式7.采用PCI局部总线8.错误检测及校验技术9.电源效率技术10.支持多重处理2023/2/67超流水线技术通过细化流水、提高主频，使得在一个时间周期内能完成多个操作，称为超流水线技术。例如每条整数流水线都分为4级（指令预取、译码、执行、写回结果）浮点流水线则分为8级（指令预取、译码、执行、写回结果、两级浮点操作、一级4舍5入并写回结果、一级出错报告）2023/2/69MMX技术MMX技术指MultiMediaExtension即多媒体扩展技术。在体系结构上的改进：1.内部L1高速缓存更大，改善软件运行的特性。2.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（SIMD）的，能加快对视频、音频、图形和动画的循环处理。2023/2/610SSE技术在奔腾III中首先出现。

SSE是StreamingSIMDExtension的缩写，即流式单指令多数据扩展。在MMX的基础上，又增加了70条新指令，用于图形和声音处理。对高级图像处理、3D、流式音频和视频DVD回放、语音识别特别有用。2023/2/611奔腾IV的特殊要求奔腾IV有特殊的系统要求，例如支持NetBurst体系结构的芯片组、固位装置和适当的BIOS支持。奔腾IV要用特殊的主板，即基于Intel850AGP芯片组的主板。主板必须符合奔腾IV的电流和电压要求。奔腾IV的封装技术采用423针栅格阵列，即采用OrganicLandGridArray（OLGA）技术。因此要用PGA423插座。插座上安装了集成的热量延展器（IHS），提供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。2023/2/613进程与线程60年代就提出“进程”（process）的概念。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，也是系统调度的单位。80年代又提出“线程”（thread）的概念。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。WindowsNT、OS/2、Unix都是多线程的程序。数据库管理系统和其他应用软件也引入线程而改善性能。2023/2/614超线程技术的新徽标Hyper超Threading线程HTTechnology超线程技术2023/2/615Intel的超线程技术超线程技术，通俗地说就是“一芯二用”。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，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。2023/2/617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的性能。通过扩大高峰负载的性能，为用户带来增值的优势。为IT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，而不会影响用户的正常使用或工作效率。2023/2/618支持超线程技术的操作系统针对超线程技术优化过的台式机操作系统包括：MicrosoftWindowsXP家用版和专业版、基于2.4.18或更高内核版本的Linux操作系统。尽管基于Linux操作系统的PC机可能会满足上述平台要求，能够实现超线程技术，但在近期这些系统将不会具备带有超线程徽标的全新奔腾IV处理器。购买基于Linux操作系统的PC机时，请注意与PC供应商确认所购PC机是否满足上述平台要求，能否实现超线程技术。2023/2/619主板的分类1.按CPU芯片分类如486主板、奔腾主板、奔腾IV主板2.按存储器大小分类如8M主板、16M/32M主板、64M主板3.按主机板规格分类如AT主板、Baby-AT主板、ATX主板4.按芯片组分类如TX主板、LX主板、BX主板5.按是否支持PnP分类如PnP主板、非PnP主板（遗留主板）2023/2/621主板的分类（续）6.按CPU插座分类如Socket7主板、Slot1主板7.按系统总线的带宽分类如66MHz主板、100MHz主板8.按数据端口分类如SCSI主板、EDO主板、AGP主板9.按扩展槽分类如ISA/EISA/MCA/PCI/VL/USB等主板10.按生产厂家分类如微星主板、青云主板、联想主板等2023/2/622芯片组的由来在最初IBMPC的主板上，除微处理器8088、协处理器8087外，还有时钟发生器8284、总线控制器8288、系统定时器8253、中断控制器8259、DMA控制器8237、键盘控制器8255等芯片。1986年ChipandTechnologies公司推出革命性的82C206芯片，用它代替多个芯片，开创了芯片组的市场。2023/2/623INTEL芯片组概况Intel芯片组通常有两块：北桥和南桥430LX430NX430FX430MX430HX430VX430TX93.394.395.195.1096.296.297.2P66P75P75P75P75P75P75SIOSIOPIIXMPIIXPIIX3PIIX3PIIX42023/2/625系统总线的结构PC总线以其快慢分为不同等级：（1）处理器外部总线：64位宽，66MHz、100MHz，并与存储器及北桥连接（2）AGP（图形加速端口）总线：32位宽，66MHz，与高速显卡及南桥连接（3）PCI（外部设备互连）总线：32位宽，33MHz，并与I/O超级芯片连接（4）ISA（工业标准体系结构）总线：16位宽，8MHz2023/2/626主板的规格Baby-AT（1983-1996）Full-SizeAT（1984，尺寸太大）LPX（1987由WesternDigital设计，半专用）ATX（1995.7由Intel正式颁布，很流行）Micro-ATX（1997.12由Intel颁布）Flex-ATX（1999.3由Intel颁布）NLX（1996.11由Intel颁布）WTX（1998.9，用于中高档服务器）其他2023/2/627安腾：IA-64的体系结构1999年10月4日Intel发布了64位的品牌安腾。安腾的核心技术是显性并行指令计算，EPIC即ExplicitlyParallelInstructionComputing。超越了CISC与RISC的设计理念，它基于预测、推理、简明并行性等创新特性，实现了更高的指令级并行性。其实，EPIC技术建立在丰满的流水线、寄存器的基础上。安腾有10条流水线、128个整数寄存器、128个浮点寄存器、8个分支寄存器、64个分支预测寄存器。通过优化编译，提前安排装入指令，从而最大限度地减少分支损耗。安腾处理器能同时完成20个操作或交易，从而实现了高端企业级用户所需服务器的一流性能。2023/2/629安腾的结构采用一体化的三级高速缓存。靠近CPU的一级高速缓存为32K，分别给数据16K、指令16K。其映射方式是4路成组相联（4-waysetassociative）。二级高速缓存96K，6路成组相联结构。三级高速缓存为2M或4M，也用4路成组相联结构。成组相联映射既有直接映射（directmapped）的简单快速，又有全相联映射（fullyassociative）的冲突概率低、空间利用率高等优点。因此，能使高度并行的流水线全速运行。一体化是指用同样的集成工艺实现，安腾的CPU有2500万个晶体管，而高速缓存用了3亿个。2023/2/630安腾的纠错与兼容安腾具有完善的“机器检验体系结构”（MCA）。对于系统总线、高速缓存进行传输的数据都有先进的错误检测、纠正和处理能力。对于机器的运行也有全面的错误记录。纠正错误后，提供通知，使操作平台保留这些数据，以便将来采取保护措施和制定系统维护决策。为了保护投资利益，在硬件上建立了与IA-32指令的二进制兼容性。许多厂商为企业服务器、工作站及技术解决方案开发了优化的软件。这些软件与未来的安腾体系结构也是完全兼容的。2023/2/631安腾的形象当年发布奔腾芯片时，英特尔总裁强调：奔腾是因特网芯片（Internetchip），它将改善您对因特网的感受，使互动多媒体更加逼真、更加栩栩如生。但是，现在对安腾的宣传则是：安腾是因特网经济内部的引擎（ItaniumistheEngineinsidetheInternetEconomy）2023/2/632安腾已经进入GFLOPS在超级计算领域，常用FLOPS表示运算的速度，即每秒运算的浮点指令数。当然，它的前面常要冠以K、M、G、T等前缀，成为KFLOPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS。事实上，早期克雷巨型机（Cray-1）的运算速度只有160MFLOPS，而今天的安腾已经达到6.4G