辅导材料芯片体系结构的发展

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,计算机应用基础第2章辅导材料：,芯片体系结构的发展,2003,2024/9/13,1,硬件的层次结构,1.,芯片级（,chip level,）,2.,板卡级（,board and card level,）,3.,设备级（,equipment level,）,4.,网络级（,network level,）,2024/9/13,2,芯片的种类繁多,1.,处理器芯片（,processor chip,）,2.,存储器芯片（,memory chip,）,3.,主板芯片组（,chip set,）,4.BIOS,芯片（,rom,bios,）,5.,输入输出芯片（,I/O chip,）,6.,控制器芯片（,controller chip,）,7.,特殊芯片（,network chipset, 3-D chip, video chip,）,2024/9/13,3,微处理器体系结构,体系结构是建筑学术语。计算机体系结构指概念性的结构和功能特性。,过去，大型主机体系结构（,Mainframe Architecture,）例如,1964,年,IBM 360,，,24,位。,1983,年,IBM 370-XA,，,32,位。,现在，微处理器体系结构（,Microprocessor Architecture,）。例如,1978,年,Intel 8086,，,16,位。,1985,年,Intel 80386,，,32,位。,微体系结构比传统体系结构更丰富。,2024/9/13,4,芯片技术突飞猛进,8008,1972,0.35,万,10,微米,8080,1974,0.60,万,6,微米,8086,1978,2.9,万,3,微米,80286,1982,13.4,万,3,微米,80386,1985,27.5,万,1,微米,80486,1989,120,万,0.8,微米,Pentium I,1993,310,万,0.35,微米,Pentium II,1997,750,万,0.35,微米,Pentium III,1999,2900,万,0.25,微米,Pentium IV,2000,4200,万,0.13,微米,2024/9/13,5,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,，,8086,20,位,1MB,286,，,386SX,24,位,16MB,386DX,486,奔腾,I,32,位,4GB,奔腾,II,奔腾,III,奔腾,IV,36,位,64GB,2024/9/13,6,奔腾芯片的体系结构,1.超标量技术（,Superscalar）,双,ALU,2.,超流水技术（,Superpipeline）,八级,3.哈佛结构：指令,Cache,和数据,Cache,4.,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,2024/9/13,7,超标量技术,486,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,U,指令流水线：,CISC,和,RISC,都执行,V,指令流水线：只执行,RISC,指令,还有一条浮点指令流水线（加、乘、除），因此能同时执行多个处理，以空间换取了时间。,2024/9/13,8,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）,2024/9/13,9,MMX,技术,MMX,技术指,Multi Media Extension,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。,2024/9/13,10,SSE,技术,在奔腾,III,中首先出现。,SSE,是,Streaming SIMD Extension,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。,2024/9/13,11,NetBurst,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、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,。,2024/9/13,12,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,Intel 850 AGP,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,Organic Land Grid Array,（,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。,2024/9/13,13,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。,Windows NT,、,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。,2024/9/13,14,超线程技术的新徽标,Hyper,超,Threading,线程,HT Technology,超线程技术,2024/9/13,15,新徽标的含义,一、支持超线程技术、主频,3.06 GHz,或以上的,Intel,奔腾,IV,处理器,二、支持超线程技术的,Intel,芯片组,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系统,2024/9/13,16,Intel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。,2024/9/13,17,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。,2024/9/13,18,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：,Microsoft Windows XP,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。,2024/9/13,19,板卡的组成,（1）,CPU ,行政机构,（2）存储器楼堂馆所、广场,（,3,）芯片组,交通控制枢纽,（,4,）总线大街小巷、高速公路,（,5,）插槽车站、码头、机场,（,6,）电源设在远郊的发电厂,2024/9/13,20,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8,M,主板、16,M/32M,主板、64,M,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）,2024/9/13,21,主板的分类（续）,6.按,CPU,插座分类 如,Socket 7,主板、,Slot 1,主板,7.按系统总线的带宽分类 如66,MHz,主板、100,MHz,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,2024/9/13,22,芯片组的由来,在最初,IBM PC,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,Chip and Technologies,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。,2024/9/13,23,INTEL,介入芯片组,80286,问世后，两年多才出现第一块,286,主板。,80386,问世后，也一年多才有第一块,386,主板。这都不是,Intel,的速度（以及质量）。,于是,1989,年,4,月,Intel,随,80486,一起推出,420,芯片组，数月后就有了,486,主板。,1993,年,Intel,在推出奔腾的同时，推出了,430 LX,芯片组，而且推出了全部完成的奔腾主板。,2024/9/13,24,INTEL芯片组概况,Intel芯片组通常有 两块：北桥和南桥,430LX,430NX,430FX,430MX,430HX,430VX,430TX,93.3,94.3,95.1,95.10,96.2,96.2,97.2,P66,P75,P75,P75,P75,P75,P75,SIO,SIO,PIIX,MPIIX,PIIX3,PIIX3,PIIX4,2024/9/13,25,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，,8MHz,2024/9/13,26,主板的规格,Baby-AT,（,1983-1996,）,Full-Size AT,（,1984,，尺寸太大）,LPX,（,1987,由,Western Digital,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,2024/9/13,27,奔腾,IV,的芯片组,2000,年,11,月,Intel,发布了支持奔腾,IV,的,850,芯片组，北桥为,MCH 82850,，南桥为,ICH2 82801,。它们有比较高的整体性能，但价格高，而且它支持的是昂贵的,RDRAM,、带宽也有问题。,最近，,2002,年,9,月,10,日,Intel,又发布了,845,芯片组。北桥为,MCH 82845,，南桥未变。这似乎是退了一步，但是“退一步，进两步”。关于其中的奥妙，本次活动另有同行演讲。,2024/9/13,28,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,Explicitly Parallel Instruction Computing,。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。,2024/9/13,29,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-way set associative,）。,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（,direct mapped,）的简单快速，又有全相联映射（,fully associative,）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。,2024/9/13,30,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。,2024/9/13,31,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（,Internet chip,），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（,Itanium is the Engine inside the Internet Economy,）,2024/9/13,32,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,6.4GFLOPS,。可见它比,Cray-1,快了,40,倍。,2024/9/13,33,INTEL,的,TFLOPS,超级电脑,美国能源部的计算机模拟要求更高速的电脑。它建立了,ASCI,项目，即,Accelerated Strategic Computing Initiative,。,Intel,为此研制了超级电脑，,1997,年完成。,MP LINPACK,的记录是,1.34 TFLOPS,。,它采用了,9152,个奔腾（,Pentium Pro,）芯片。,科学研究需要的计算能力是没有止境的。,2024/9/13,34,谢谢大家,刘瑞挺,Liu_ruitingchip-,2024/9/13,35,