論64位體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展課件

論64位體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

一、歷史回顧二十世紀(jì)最后兩個(gè)十年，人們看到RISC體系結(jié)構(gòu)的興起，并且從32位發(fā)展到64位。Alpha開(kāi)創(chuàng)了64位RISC計(jì)算的新時(shí)代。64位技術(shù)揭開(kāi)了信息時(shí)代的新篇章，支持全球性Internet和電子商務(wù)的大型7×24網(wǎng)站、破譯人類基因密碼、數(shù)字技術(shù)的廣泛應(yīng)用、全球性的天氣和災(zāi)害分析預(yù)告、人類對(duì)外層空間的探測(cè)都離不開(kāi)各種基于64位微處理器的電腦系統(tǒng)。64位技術(shù)的廣泛應(yīng)用促使數(shù)據(jù)量爆炸性地增加，推動(dòng)信息技術(shù)應(yīng)用發(fā)生新革命、進(jìn)入以存儲(chǔ)為中央的新時(shí)代。1.1.RISC體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展RISC體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思想是80年代初出現(xiàn)的，它的基本思路是：抓住CISC指令系統(tǒng)指令種類太多、指令格式不規(guī)范、尋址方式太多的缺點(diǎn)，通過(guò)減少指令種類、規(guī)范指令格式和簡(jiǎn)化尋址方式，大量利用寄存器間操作，大大簡(jiǎn)化處理器的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化VLSI器件使用效率，從而大幅度地提高處理器性能、并行處理能力和性價(jià)比。到80年代后期，RISC技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為支持高端服務(wù)器系統(tǒng)的主流技術(shù)，紛紛推出了32位RISC微處理器。如IBM的PowerPC和Power2，Sun的SPARC，HP的PA-RISC7000和MIPS的R系列等。1.2Alpha開(kāi)創(chuàng)64位RISC計(jì)算新時(shí)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的另一重大發(fā)展是20世紀(jì)Array0年代實(shí)現(xiàn)的高端系統(tǒng)和應(yīng)用從32位向64位過(guò)渡。這一過(guò)渡首先是從RISC微處理器開(kāi)始的。最早問(wèn)世的64位RISC微處理器是Alpha21064和MIPSR4000。Alpha率先全面完成了從32位過(guò)渡到64位技術(shù)各項(xiàng)任務(wù)，包括64位微處理器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)、從部門(mén)級(jí)、企業(yè)級(jí)到超級(jí)計(jì)算機(jī)的64位系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)、64位操作系統(tǒng)、中間件和應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)、64位系統(tǒng)集成、服務(wù)和支持，在此基礎(chǔ)上建立了成熟的64位技術(shù)，創(chuàng)造了大量成功的應(yīng)用實(shí)例、豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用成果，開(kāi)創(chuàng)了64位技術(shù)應(yīng)用時(shí)代。

1.3.Intel推出第一代IPF系列產(chǎn)品Itanium1

1994年6月，Intel和HP公司簽署合作協(xié)議，為服務(wù)器和工作站市場(chǎng)一起研發(fā)全新的64位架構(gòu)。1997年11月，Intel和HP公司宣布推出基于EPIC(顯性并行指令計(jì)算)的Itanium體系結(jié)構(gòu)，并就推出產(chǎn)品代號(hào)為“Merced”的IA-64處理器系列(IPF系列)的計(jì)劃。2001年5月IA-64體系結(jié)構(gòu)IPF系列的第一代產(chǎn)品Itanium正式上市。結(jié)構(gòu)如圖所示：1.3.2.顯性并行指令計(jì)算(EPIC)

人們主要通過(guò)提高IPC(每個(gè)周期執(zhí)行的指令數(shù))和主頻來(lái)提高芯片的性能。為了提高IPC，必須提高處理器指令級(jí)并行(ILP)的能力。所謂ILP是指處理器同時(shí)執(zhí)行多條指令的能力，即處理器在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)送和執(zhí)行盡可能多條指令的能力。為此需要處理器：(1)能夠找到和標(biāo)識(shí)程式中能夠并行執(zhí)行的指令段；(2)具備充分的資源在最短時(shí)間內(nèi)發(fā)送和同時(shí)執(zhí)行可并行執(zhí)行的指令段。這就需要處理器具備足夠的智能和資源來(lái)完成這兩項(xiàng)任理。1.3.3.IA-64指令集體系結(jié)構(gòu)(ISA)IA-64體系結(jié)構(gòu)引入64位尋址和新的指令集，他還包含一個(gè)IA-32模式的指令集，任何IA-64處理器都能夠執(zhí)行IA-32程式。IA-64體系結(jié)構(gòu)充分吸收了RISC體系結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)處：只有顯性裝入和存儲(chǔ)指令才能夠訪問(wèn)內(nèi)存，任何其他指令都在寄存器上操作。指令被組合在一系列3指令集束中。1.3.4.IA-64的指令類型A整數(shù)(ALU)I-unitorM-unitI整數(shù)(非-ALU)I-unitM內(nèi)存M-unitF浮點(diǎn)數(shù)F-unitB轉(zhuǎn)移B-unitLX擴(kuò)展I-unit2.2.Itanium2正式上市

2002年6月Intel推出Itanium2，其性能在不經(jīng)過(guò)任何調(diào)試和優(yōu)化的條件下比Itanium1提高50%到100%，把基于IA-64體系結(jié)構(gòu)的IPF系列推向新的高度，進(jìn)一步顯示了IPF作為高端計(jì)算機(jī)應(yīng)用主流平臺(tái)的發(fā)展前景。從Intel最近進(jìn)一步公開(kāi)的技術(shù)細(xì)節(jié)來(lái)看，Itanium2的新飛躍絕非偶然，而是由于設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝的改進(jìn)，賦予Itanium2許多先進(jìn)的特性，性能也得到全面和大幅度的提高。

2.2.1.Itanium2增強(qiáng)的體系結(jié)構(gòu)

◆更大更快的芯片上高速緩存；◆每時(shí)鐘周期執(zhí)行更多指令；◆帶寬和吞吐量提高：

◆IA-64架構(gòu)特點(diǎn)IA-64則采用了顯性并行指令計(jì)算(EPIC)技術(shù)，具有以下特點(diǎn)。1.IA-64體系結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的性能限制，并提供了最大的發(fā)展空間。支持64位內(nèi)存尋址，這是比IA-32架構(gòu)的一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)。64位尋址空間能夠容納近180億GB的物理內(nèi)存，而32位是4GB。這種巨大的物理內(nèi)存空間對(duì)于服務(wù)器應(yīng)用是非常重要的。IA-64的Itanium處理器具有128個(gè)整數(shù)寄存器，128個(gè)浮點(diǎn)寄存器和64個(gè)預(yù)測(cè)寄存器以及大量的用于特殊目的的寄存器，而IA-32只有7個(gè)寄存器，從而IA-64提供了32位所不能提供的許多強(qiáng)大功能，適應(yīng)了數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、電子商務(wù)和其他高性能服務(wù)器和工作站應(yīng)用的要求。-2．改革性的64位體系結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)大的注冊(cè)文件、注冊(cè)棧和分支體系來(lái)提高并行機(jī)制的能力。EPIC有顯式并行、推測(cè)(Speculation)和判定(Predication)等功能，這些都為編譯時(shí)并行化提供方便。IA-64架構(gòu)利用“判定”技術(shù)來(lái)更加三．64位體系結(jié)構(gòu)3.164位體系結(jié)構(gòu)20世紀(jì)90年代中期到未期開(kāi)始出現(xiàn)向64位體系結(jié)構(gòu)和64位軟件發(fā)展的趨勢(shì)。其原因之一是在每個(gè)進(jìn)程內(nèi)部可以由此使用更長(zhǎng)的編址長(zhǎng)度（即64位指針），從而可以尋址很大的內(nèi)存空間（超過(guò)232字節(jié)）?，F(xiàn)有32位Unix系統(tǒng)上共同的編程模型稱為ILP32模型，表示整數(shù)（I）、長(zhǎng)整數(shù)（L）和指針（P）都占用32位。64位Unix系統(tǒng)上變得最為流行的模型稱為L(zhǎng)P64模型，表示只有長(zhǎng)整數(shù)（L）和指針（P）占用64位。下圖是對(duì)這兩種模型進(jìn)行了比較。X86-64的擴(kuò)展AMD64處理器內(nèi)存控制器工作原理

圖中可以看到，處理器內(nèi)封裝了內(nèi)存控制器(MCT)和DRAM控制器(DCT)。MCT是處理器核心和DCT之間的連接界面，它不因?yàn)橥獠績(jī)?nèi)存的類型而改變。相反DCT則是專門(mén)針對(duì)DRAM的