輔導(dǎo)材料芯片體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展課件

《計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)》第2章輔導(dǎo)材料：芯片體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展20032023/2/61硬件的層次結(jié)構(gòu)1.芯片級（chiplevel）2.板卡級（boardandcardlevel）3.設(shè)備級（equipmentlevel）4.網(wǎng)絡(luò)級（networklevel）2023/2/62芯片的種類繁多1.處理器芯片（processorchip）2.存儲器芯片（memorychip）3.主板芯片組（chipset）4.BIOS芯片（rom

bios）5.輸入輸出芯片（I/Ochip）6.控制器芯片（controllerchip）7.特殊芯片（networkchipset,3-Dchip,videochip…）2023/2/63芯片技術(shù)突飛猛進(jìn)800819720.35萬10微米808019740.60萬6微米808619782.9萬3微米80286198213.4萬3微米80386198527.5萬1微米804861989120萬0.8微米PentiumI1993310萬0.35微米PentiumII1997750萬0.35微米PentiumIII19992900萬0.25微米PentiumIV20004200萬0.13微米2023/2/65奔騰的位數(shù)內(nèi)部寄存器的寬度為32位，這決定了奔騰仍是32位的微處理器，即IA-32體系結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)輸入輸出總線的寬度為64位。存儲器地址總線的寬度：8088，808620位1MB286，386SX24位16MB386DX,486,奔騰I32位4GB奔騰II,奔騰III,奔騰IV36位64GB2023/2/66奔騰芯片的體系結(jié)構(gòu)1.超標(biāo)量技術(shù)（Superscalar）雙ALU2.超流水技術(shù)（Superpipeline）八級3.哈佛結(jié)構(gòu)：指令Cache和數(shù)據(jù)Cache4.分支動態(tài)預(yù)測5.固化常用指令6.數(shù)據(jù)總線的拓寬及突發(fā)模式7.采用PCI局部總線8.錯(cuò)誤檢測及校驗(yàn)技術(shù)9.電源效率技術(shù)10.支持多重處理2023/2/67超流水線技術(shù)通過細(xì)化流水、提高主頻，使得在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)能完成多個(gè)操作，稱為超流水線技術(shù)。例如每條整數(shù)流水線都分為4級（指令預(yù)取、譯碼、執(zhí)行、寫回結(jié)果）浮點(diǎn)流水線則分為8級（指令預(yù)取、譯碼、執(zhí)行、寫回結(jié)果、兩級浮點(diǎn)操作、一級4舍5入并寫回結(jié)果、一級出錯(cuò)報(bào)告）2023/2/69MMX技術(shù)MMX技術(shù)指MultiMediaExtension即多媒體擴(kuò)展技術(shù)。在體系結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)：1.內(nèi)部L1高速緩存更大，改善軟件運(yùn)行的特性。2.在處理器的指令系統(tǒng)中，擴(kuò)展了57條指令，它們是單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）的，能加快對視頻、音頻、圖形和動畫的循環(huán)處理。2023/2/610SSE技術(shù)在奔騰III中首先出現(xiàn)。

SSE是StreamingSIMDExtension的縮寫，即流式單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展。在MMX的基礎(chǔ)上，又增加了70條新指令，用于圖形和聲音處理。對高級圖像處理、3D、流式音頻和視頻DVD回放、語音識別特別有用。2023/2/611奔騰IV的特殊要求奔騰IV有特殊的系統(tǒng)要求，例如支持NetBurst體系結(jié)構(gòu)的芯片組、固位裝置和適當(dāng)?shù)腂IOS支持。奔騰IV要用特殊的主板，即基于Intel850AGP芯片組的主板。主板必須符合奔騰IV的電流和電壓要求。奔騰IV的封裝技術(shù)采用423針柵格陣列，即采用OrganicLandGridArray（OLGA）技術(shù)。因此要用PGA423插座。插座上安裝了集成的熱量延展器（IHS），提供了將熱量傳導(dǎo)到散熱片的途徑，以便在處理器工作期間進(jìn)行散熱。2023/2/613進(jìn)程與線程60年代就提出“進(jìn)程”（process）的概念。操作系統(tǒng)調(diào)度進(jìn)程、分配資源、響應(yīng)用戶的請求。因此，進(jìn)程既是擁有資源的單位，也是系統(tǒng)調(diào)度的單位。80年代又提出“線程”（thread）的概念。它是比進(jìn)程更小的獨(dú)立運(yùn)行單位，一個(gè)進(jìn)程由多個(gè)線程組成，讓進(jìn)程仍是擁有資源的單位，但調(diào)度單位卻是線程。線程的創(chuàng)建與終止都容易而開銷也小。WindowsNT、OS/2、Unix都是多線程的程序。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和其他應(yīng)用軟件也引入線程而改善性能。2023/2/614超線程技術(shù)的新徽標(biāo)Hyper超Threading線程HTTechnology超線程技術(shù)2023/2/615Intel的超線程技術(shù)超線程技術(shù)，通俗地說就是“一芯二用”。在線程級的層次上實(shí)現(xiàn)并行處理。它能最大限度地利用處理器資源，使一個(gè)處理器同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)獨(dú)立的軟件線程，使電腦能更高效地工作。2023/2/617超線程系統(tǒng)的優(yōu)勢提高多任務(wù)環(huán)境下的系統(tǒng)響應(yīng)能力，使用戶能夠在更少的時(shí)間內(nèi)完成更多的工作。提高當(dāng)前或未來采用超線程技術(shù)的多線程應(yīng)用的性能。通過擴(kuò)大高峰負(fù)載的性能，為用戶帶來增值的優(yōu)勢。為IT部門提供靈活性，能在更安全、更可靠和可管理的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)行重要的后臺應(yīng)用，而不會影響用戶的正常使用或工作效率。2023/2/618支持超線程技術(shù)的操作系統(tǒng)針對超線程技術(shù)優(yōu)化過的臺式機(jī)操作系統(tǒng)包括：MicrosoftWindowsXP家用版和專業(yè)版、基于2.4.18或更高內(nèi)核版本的Linux操作系統(tǒng)。盡管基于Linux操作系統(tǒng)的PC機(jī)可能會滿足上述平臺要求，能夠?qū)崿F(xiàn)超線程技術(shù)，但在近期這些系統(tǒng)將不會具備帶有超線程徽標(biāo)的全新奔騰IV處理器。購買基于Linux操作系統(tǒng)的PC機(jī)時(shí)，請注意與PC供應(yīng)商確認(rèn)所購PC機(jī)是否滿足上述平臺要求，能否實(shí)現(xiàn)超線程技術(shù)。2023/2/619主板的分類1.按CPU芯片分類如486主板、奔騰主板、奔騰IV主板2.按存儲器大小分類如8M主板、16M/32M主板、64M主板3.按主機(jī)板規(guī)格分類如AT主板、Baby-AT主板、ATX主板4.按芯片組分類如TX主板、LX主板、BX主板5.按是否支持PnP分類如PnP主板、非PnP主板（遺留主板）2023/2/621主板的分類（續(xù)）6.按CPU插座分類如Socket7主板、Slot1主板7.按系統(tǒng)總線的帶寬分類如66MHz主板、100MHz主板8.按數(shù)據(jù)端口分類如SCSI主板、EDO主板、AGP主板9.按擴(kuò)展槽分類如ISA/EISA/MCA/PCI/VL/USB等主板10.按生產(chǎn)廠家分類如微星主板、青云主板、聯(lián)想主板等2023/2/622芯片組的由來在最初IBMPC的主板上，除微處理器8088、協(xié)處理器8087外，還有時(shí)鐘發(fā)生器8284、總線控制器8288、系統(tǒng)定時(shí)器8253、中斷控制器8259、DMA控制器8237、鍵盤控制器8255等芯片。1986年ChipandTechnologies公司推出革命性的82C206芯片，用它代替多個(gè)芯片，開創(chuàng)了芯片組的市場。2023/2/623INTEL芯片組概況Intel芯片組通常有兩塊：北橋和南橋430LX430NX430FX430MX430HX430VX430TX93.394.395.195.1096.296.297.2P66P75P75P75P75P75P75SIOSIOPIIXMPIIXPIIX3PIIX3PIIX42023/2/625系統(tǒng)總線的結(jié)構(gòu)PC總線以其快慢分為不同等級：（1）處理器外部總線：64位寬，66MHz、100MHz，并與存儲器及北橋連接（2）AGP（圖形加速端口）總線：32位寬，66MHz，與高速顯卡及南橋連接（3）PCI（外部設(shè)備互連）總線：32位寬，33MHz，并與I/O超級芯片連接（4）ISA（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)）總線：16位寬，8MHz2023/2/626主板的規(guī)格Baby-AT（1983-1996）Full-SizeAT（1984，尺寸太大）LPX（1987由WesternDigital設(shè)計(jì)，半專用）ATX（1995.7由Intel正式頒布，很流行）Micro-ATX（1997.12由Intel頒布）Flex-ATX（1999.3由Intel頒布）NLX（1996.11由Intel頒布）WTX（1998.9，用于中高檔服務(wù)器）其他2023/2/627安騰：IA-64的體系結(jié)構(gòu)1999年10月4日Intel發(fā)布了64位的品牌安騰。安騰的核心技術(shù)是顯性并行指令計(jì)算，EPIC即ExplicitlyParallelInstructionComputing。超越了CISC與RISC的設(shè)計(jì)理念，它基于預(yù)測、推理、簡明并行性等創(chuàng)新特性，實(shí)現(xiàn)了更高的指令級并行性。其實(shí)，EPIC技術(shù)建立在豐滿的流水線、寄存器的基礎(chǔ)上。安騰有10條流水線、128個(gè)整數(shù)寄存器、128個(gè)浮點(diǎn)寄存器、8個(gè)分支寄存器、64個(gè)分支預(yù)測寄存器。通過優(yōu)化編譯，提前安排裝入指令，從而最大限度地減少分支損耗。安騰處理器能同時(shí)完成20個(gè)操作或交易，從而實(shí)現(xiàn)了高端企業(yè)級用戶所需服務(wù)器的一流性能。2023/2/629安騰的結(jié)構(gòu)采用一體化的三級高速緩存。靠近CPU的一級高速緩存為32K，分別給數(shù)據(jù)16K、指令16K。其映射方式是4路成組相聯(lián)（4-waysetassociative）。二級高速緩存96K，6路成組相聯(lián)結(jié)構(gòu)。三級高速緩存為2M或4M，也用4路成組相聯(lián)結(jié)構(gòu)。成組相聯(lián)映射既有直接映射（directmapped）的簡單快速，又有全相聯(lián)映射（fullyassociative）的沖突概率低、空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，能使高度并行的流水線全速運(yùn)行。一體化是指用同樣的集成工藝實(shí)現(xiàn)，安騰的CPU有2500萬個(gè)晶體管，而高速緩存用了3億個(gè)。2023/2/630安騰的糾錯(cuò)與兼容安騰具有完善的“機(jī)器檢驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)”（MCA）。對于系統(tǒng)總線、高速緩存進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都有先進(jìn)的錯(cuò)誤檢測、糾正和處理能力。對于機(jī)器的運(yùn)行也有全面的錯(cuò)誤記錄。糾正錯(cuò)誤后，提供通知，使操作平臺保留這些數(shù)據(jù)，以便將來采取保護(hù)措施和制定系統(tǒng)維護(hù)決策。為了保護(hù)投資利益，在硬件上建立了與IA-32指令的二進(jìn)制兼容性。許多廠商為企業(yè)服務(wù)器、工作站及技術(shù)解決方案開發(fā)了優(yōu)化的軟件。這些軟件與未來的安騰體系結(jié)構(gòu)也是完全兼容的。2023/2/631安騰的形象當(dāng)年發(fā)布奔騰芯片時(shí)，英特爾總裁強(qiáng)調(diào)：奔騰是因特網(wǎng)芯片（Internetchip），它將改善您對因特網(wǎng)的感受，使互動多媒體更加逼真、更加栩栩如生。但是，現(xiàn)在對安騰的宣傳則是：安騰是因特網(wǎng)經(jīng)濟(jì)內(nèi)部的引擎（ItaniumistheEngineinsidetheInternetEconomy）2023/2/632安騰已經(jīng)進(jìn)入GFLOPS在超級計(jì)算領(lǐng)域，常用FLOPS表示運(yùn)算的速度，即每秒運(yùn)算的浮點(diǎn)指令數(shù)。當(dāng)然，它的前面常要冠以K、M、G、T等前綴，成為KFLOPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS。事實(shí)上，早期克雷巨型機(jī)（Cray-1）的運(yùn)算速度只有160MFLOPS，而今天的安騰已經(jīng)達(dá)到6.4G