計算機技術及其應用

計算機技術及其應用第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四本講內容提高計算機速度的方法最新兩款微機處理器介紹微型計算機的存儲器第2頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四本講內容提高計算機速度的方法最新兩款微機處理器介紹微型計算機的存儲器第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四提高計算機速度的方法1增加計算機的位數(shù)2改進電路，提高門電路翻轉的速度，提高工作頻率3采用多總線結構，實現(xiàn)多級流水線作業(yè)4采用大容量的片內存儲器(片內cache)5采用快速執(zhí)行引擎技術，對片內外存儲器的訪問，采用DDR技術，提高訪問速度6采用分支預測技術7采用多CPU結構第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四

增加計算機的位數(shù)可以提高速度。例如對于一個32位的數(shù)據的傳送，8位機需要傳輸4次才能完成，而32位機一次就可以完成；對于一個16位數(shù)X16位數(shù)的乘法，8位機要進行幾十次運算才能完成，而一個帶有16位X16位乘法器的DSP一次就可以完成。1增加計算機的位數(shù)第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四2.改進電路，提高門電路翻轉的速度，提高頻率改進電路提高速度的方法主要有：(1)將芯片內的電路單元尤其是三極管的PN結做的更小更薄，使得PN結的結電容很小，在電路翻轉時需要泄放的電荷量更少，翻轉就更快。(2)降低工作電壓，電壓越低，所有晶體管的結電容上存儲的電荷就更少，更容易泄放，翻轉更快。電路的翻轉速度加快，頻率就會上去。第6頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四3采用多總線結構，實現(xiàn)多級流水線作業(yè)處理器內部采用多總線結構，各套總線并行工作，例如在CPU內部設計了訪問內部指令Cache的總線、訪問內部數(shù)據Cache的總線、訪問片外存儲器的總線、CPU與主板上芯片組的交互總線等，每套總線包括了地址總線、數(shù)據總線和控制總線三種。處理器內部的多個執(zhí)行單元可以同時執(zhí)行多條指令。Pentium有兩條分別稱為U和V的指令流水線，各自有獨立的算術邏輯單元ALU及高速緩存結構。Pentium采用雙流水線并行作業(yè)的方式，它能在每個時鐘周期內同時執(zhí)行兩條指令。此外，還有一個執(zhí)行單元，保證同時完成一條浮點運算指令。多級流水線技術可以加快指令的執(zhí)行速度，但并不是說流水線級數(shù)越多，處理器的速度就越快。例如，毒龍?zhí)幚砥鱒1.3采用10級流水線結構，奔騰系列V1.7采用20級流水線結構，但經過測試，V1.7的速度僅相當于毒龍?zhí)幚砥鱒1.3的70%，其原因在于20級流水線，一旦指令的分支發(fā)生變化，指令預取和預譯碼等一系列預操作就作廢了，使得總效率下降較多。第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四4.采用大容量的片內存儲器(片內cache)一個Cache用于指令高速緩存，另一個用于數(shù)據高速緩存。這兩個高速緩存可同時存取，前者可提供多達32位的原始操作碼，后者每個時鐘周期內可以提供兩次存取的數(shù)據。這種雙路高速緩存結構減少了爭用高速緩存所造成的沖突，改進了處理器的性能。第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四5.采用快速執(zhí)行引擎技術對片內外存儲器的訪問，采用DDR技術，即在一個時鐘周期可以訪問2次存儲器，在時鐘的上升沿一次，下降沿一次，大大提高了訪問速度。此即為所謂的快速執(zhí)行引擎。

第9頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四6.采用分支預測技術為了減少由于執(zhí)行了轉移指令而導致流水線的效率損失，Pentium采用分支預測技術來動態(tài)預測指令的目標地址，從而節(jié)省了CPU的執(zhí)行時間。通常在用戶程序中包含不少的條件轉移指令，在流水線計算機中，這些轉移指令由于產生分支可能使預取指令和預譯碼指令作廢。Pentium內部有兩個預取指令緩沖隊列，在執(zhí)行條件轉移指令前，一個以順序方式預取指令，一個以轉移方式預取指令，后者也稱為分支目標緩沖器BTB(branchtargetbuffer),這是一個小的Cache,它基于轉移指令，尤其是循環(huán)轉移的固有特點?？梢哉J為在大多數(shù)情況下，當一條轉移指令被再次執(zhí)行時，其成功與否及轉移目標均與上次相同。據此可構造動態(tài)的分支目標預測硬件。BTB是一種效率較好的硬件機制，統(tǒng)計表明BTB的容量較大時(如超過256項)預測準確率可達90%。通過這種動態(tài)分支預測技術，不管是否產生轉移，所需指令都在執(zhí)行前預先取好。第10頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四7.采用多CPU結構最新的微機采用了多處理器(多核)技術，例如雙核、3核、4核等，使微機的數(shù)據處理能力進一步增強，對微機的性能有較大的提升。第11頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四本講內容提高計算機速度的方法最新兩款微機處理器介紹微型計算機的存儲器第12頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四最新兩款CPU介紹intel的酷睿i7：CPU主頻：3330MHz智能加速：3600MHz制作工藝：32納米二級緩存：6×256KB三級緩存：12MB核心數(shù)量：6核心。AMD的羿龍II：CPU主頻：3200MHz制作工藝：45納米一級緩存：6×128KB二級緩存：6×512KB三級緩存：6MB核心數(shù)量：6核心內存控制器：雙通道DDR3-1333

雙通道DDR2-800第13頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四本講內容提高計算機速度的方法最新兩款微機處理器介紹微型計算機的存儲器第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四微機的片內存儲器與主存儲器CPU片內存儲器(Cache)：分為1級緩存/2級緩存/3級緩存。主存儲器(主存)：即主板上的存儲器(存儲條)。主存又稱內存，一般裝在主板上，用來存放計算機正在執(zhí)行或使用的程序和數(shù)據。主存通常由半導體存儲器構成。CPU可以直接訪問主存，因此其存取速度快。主存的容量受地址線位數(shù)的影響。例如32位地址線的處理器，直接尋址的內存空間為4GB。隨機存取存儲器RAM(randomaccessmemory)：對該存儲器內部的任何一個存儲單元，既可以取出，也可以存入，存取所用時間和存儲單元所在的物理地址無關。一般RAM中的信息在掉電時將丟失，目前有內帶電池的芯片，掉電后信息依然可以保存，稱為非易失性RAM(NVRAM)。按集成電路內部結構不同，RAM又可分為靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM。靜態(tài)隨機存取存儲器SRAM：SRAM速度非?？?，集成度低，結構復雜，功耗大，不需刷新，SRAM一般用作高速緩存。第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四存儲器(續(xù))動態(tài)隨機存取存儲器DRAM：DRAM中的內容在10-3S或10-6S后自動消失。因此必須周期性的對它進行刷新。DRAM集成度高，成本低，功耗低，但必須配備外部刷新邏輯電路。組合隨機存取存儲器IRAM：IRAM是將刷新邏輯電路和DRAM集成在一起，具有動態(tài)RAM的集成度，又不需要刷新。SDRAM同步高速動態(tài)隨機存儲器：在時鐘上升沿傳輸數(shù)據。DDRSDRAM：在時鐘信號的上升沿與下降沿均可進行數(shù)據傳輸，使數(shù)據傳輸速率達到SDRAM的2倍。尋址與控制信號則與SDRAM相同，僅在時鐘上升沿傳送。SDRSDRAM(TheSingleDataRateSDRAM)：單速率的SDRAM。第16頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四非易失性存儲器NVRAM&ROM非易失性隨機讀寫存儲器NVRAM:NVRAM由靜態(tài)RAM和E2PROM共同構成，正常情況如同靜態(tài)RAM一樣，當電源掉電或故障時又將信息保存在E2PROM中，適用于掉電保護及存放重要信息。ROM:ROM指的是“只讀存儲器”，即Read-OnlyMemory。這是一種線路最簡單半導體電路，通過掩模工藝，一次性制造，其中的代碼與數(shù)據將永久保存(除非壞掉)，不能進行修改。一般在大批量生產時才會用，優(yōu)點是成本低，但是其風險比較大，在產品設計時，如果調試不徹底，很容易造成幾千片的廢片。第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四非易失性存儲器NVRAM&ROMPROM:PROM指的是“可編程只讀存儲器”ProgrammableRead-OnlyMemory”。通常指“一次性可編程只讀存儲器”(OneTimeProgarmmingROM，簡寫為OTP-ROM)，這樣的產品只允許寫入一次。在出廠時，存儲單元的內容全為1，用戶可以根據需要將其中的某些單元寫入數(shù)據0(部分的PROM在出廠時數(shù)據全為0，則用戶可以將其中的部分單元寫入1)，以實現(xiàn)對其“編程”的目的。PROM的典型產品是“雙極性熔絲結構”，如果我們想改寫某些單元，則可以給這些單元通以足夠大的電流，并維持一定的時間，原先的熔絲即可熔斷，這樣就達到了改寫某些位的效果。另外一類經典的PROM為使用“肖特基二極管”的PROM，出廠時，其中的二極管處于反向截止狀態(tài)，用較高電壓和較大電流將反相電壓加在“肖特基二極管”，造成其永久性擊穿即可。第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四非易失性存儲器NVRAM&ROMEPROM:EPROM指的是“可擦寫可編程只讀存儲器”，即ErasableProgrammableRead-OnlyMemory。它的特點是具有可擦除功能，擦除后即可進行再編程，但是缺點是擦除需要使用紫外線照射一定的時間。其封裝中包含有“石英玻璃窗”，一個編程后的EPROM芯片的“石英玻璃窗”一般使用黑色不干膠紙蓋住，以防止遭到陽光直射。是一種靠紫外光擦除、可反復多次擦寫、停電后可長期保存數(shù)據的存儲器。例如單片機系統(tǒng)常用的EPROM2764、27256、27512等。每個字節(jié)的寫入需要較長的時間，而且擦除特別耗費時間，一個芯片一次擦除需要25－30分鐘。耗時太多，難以忍受，已經面臨淘汰。EEPROM:EEPROM又稱為E2PROM，指的是“電可擦除可編程只讀存儲器”，即ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory。它的最大優(yōu)點是可直接用電信號擦除，也可用電信號寫入。EEPROM不能取代RAM的原因是其工藝復雜,耗費的門電路過多，且重編程時間比較長，同時其有效重編程次數(shù)也比較低。是一種電可擦除、可反復多次擦寫、停電后可長期保存數(shù)據的存儲器。一般數(shù)據保存時間在常溫下為10年。例如單片機常用的E2PROM2864、28256等，其在常溫下保存數(shù)據的時間為10年?？煞磸筒翆懘螖?shù)為1萬次。每個字節(jié)的寫入需要較長的時間，最早的2864需要10ms，現(xiàn)在的28C64需要數(shù)十到數(shù)百微秒。第19頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四非易失性存儲器NVRAM&ROMFLASHROM:Flashmemory指的是“閃存”，所謂“閃存”，它也是一種非易失性的內存，屬于EEPROM的改進產品。它的最大特點是必須按塊(Block)擦除(每個區(qū)塊的大小不定，不同廠家的產品有不同的規(guī)格)，而EEPROM則可以一次只擦除一個字節(jié)(Byte)。目前“閃存”被廣泛用在PC機的主板上，用來保存BIOS程序，便于進行程序的升級。其另外一大應用領域是用來作為硬盤的替代品，具有抗震、速度快、無噪聲、耗電低的優(yōu)點，但是將其用來取代RAM就顯得不合適，因為RAM需要能夠按字節(jié)改寫，而FlashROM做不到。

其速度高于EEPROM的主要原因是，它執(zhí)行的是塊操作，而EEPROM執(zhí)行的是字節(jié)操作。因此它的寫入速度數(shù)倍于EEPROM。成為現(xiàn)在最流行的ROM，被廣泛的用于單片機/DSP/ARM的內部作為非易失性片內存儲器使用。也被用來制作U盤、電子硬盤等，目前電子硬盤價格也在逐步下降。但是與普通磁硬盤相比，電子硬盤的擦寫次數(shù)還是太少，因此其壽命比普通磁硬盤短的多。RAM相比，所有ROM的寫入速度都慢得多，其寫入耗時為RAM的1千倍到1萬倍