《高档微处理器》PPT课件.ppt

第11章,高档微处理器,11.1高能奔腾PentiumPro,1996年后，Intel又相继推出了高能奔腾PentiumPro、多能奔腾PentiumMMX、二代奔腾PentiumII、多能奔腾二代PentiumIII等Pentium系列高档微处理器,1RISC技术Intel在开发PentiumPro微处理器高性能过程中也采用了RISC技术。PentiumPro微处理器不仅是一代卓越的超标量微处理器，而且是超流水线型的，在同样的时钟速率下比Pentium快三分之一。2PentiumPro新技术Intel的PentiumPro微处理器的“DynamicExecution(动态执行)”使得PentiumPro微处理器在大多数情况下处理指令的效率比Pentium更高一些。3事务总线PentiumPro微处理器采用的是事务总线设计，可以支持多个特殊的总线请求。4PentiumPro内部结构PentiumPro微处理器采用的是一种特殊的总线结构。二级Cache被设计成与PentiumPro微处理器同处一个芯片内，同被封装在一起5PentiumPro流水线PentiumPro微处理器使用是一种被划分为按序、乱序和退出这样三个操作部分的14级深的流水线，,11.2多能奔腾PentiumMMX1996年底推出的Pentium微处理器系列的改进版本PentiumMMX微处理器（多能奔腾），所采用的MMX技术是Intel最新发明的一项多媒体增强指令技术。它的指令系统新增加了57条为丰富和加速PC机上多媒体和通信而设计的新指令，所以被称之为“多媒体扩展指令系统”。,1MMX技术PentiumMMX使用了一种叫做单指令流、多数据流（SIMD）的技术，该技术能够使CPU同时对二个、四个甚至八个数据元素进行计算，且不会降低操作速度。2体系结构的改进PentiumMMX功能的增强会简化系统中其他子系统。PentiumMMX提高了处理机分担多媒体计算的能力，这将使图形加速、声频、视频的设计和实现变得简单，从而降低了整个系统的成本。3简单的乘累加操作（1）在PentiumMMX上的操作方法（2）在经典Pentium上操作的方法,11.3二代奔腾PentiumII1997年5月，Intel推出了与PentiumPro同一个级别的微处理器PentiumII。PentiumII虽然采用了原有PentiumPro相同的核心体系结构，但它加快了对段寄存器写操作的速度，还增加了MMX指令，从而加速了操作系统的执行速度。由于PentiumII又增加了可重命名的段寄存器，因此PentiumII有能力可以猜测地执行写操作。在总线方面，PentiumII采用了双独立总线结构，即其中的一条总线被连接到了二级Cache，另一条总线主要是负责主存储器的信息传送操作。,1体系结构的增强PentiumII微处理器又新配备了八个64位的MMX寄存器，以加速多媒体任务的执行。并且配置了可重命名的段寄存器，用以加速操作系统的执行速度。采用了MMX多媒体增强技术的PentiumII微处理器与多能PentiumMMX微处理器相比，体系结构又有新意，结合双独立总线结构，即其中一条总线连接到二级Cache，另一条总线主要负责与主存储器之间的信息传送。2PentiumII流水线超标量技术被Intel巧妙地移植到CISC类的PentiumII微处理器上。超标量组织的主要部件是指令预取和译码部件、调度发送和执行部件、指令缓冲部件恢复部件。3.PentiumII的Cache将PentiumII上的一级Cache的容量从16KB加倍到32KB4.分支转移预测PentiumII使用的是基于转移指令近期执行历史的动态转移预测策略。由一个分支转移目标缓冲存储器（BTB）负责控制着它的运行，BTB进行的是高速缓冲存储操作，其内保存着近期所遇到的有关转移指令的相关信息。,11.4多能奔腾二代PentiumIII1999年2月，推出了PentiumIII芯片。它是为提高用户的互联网计算而设计的微处理器。PentiumIII芯片所带来的最重要的技术创新之一就是它新增加的71条被称之为互联网的指令和处理机的序列号。1SSE指令Pentium新增添的7条互联网SSE指令，SSE指令集中包含有以下三类指令：八条高速缓冲存储器控制指令；50条单指令多数据浮点运算指令；12条新的多媒体指令等；,2PentiumIII的微体系结构Pentium是基于Intel的P6微体系结构，其中包括增加带宽的快速100MHz系统总线、大小规模为512KB的二级Cache和使微处理器效率更高的动态执行技术。微处理器的核心逻辑有所扩展，增加了一个新的微处理器状态、一个新的数据类型，和能够进行并行浮点和整数操作的8个128位的寄存器。总线速度扩展到450MHz、500MHz。（1）二级CachePentium把全速256KB的二级Cache集成进了其核心芯片之内，（2）更高的后端总线传输带宽Pentium的“高级传输高速缓冲存储器”除了运行主频与核心频率一样外，它与Pentium核心运算部件之间的数据通路也从原来的64位提高到现在的256位，仅数据通路的带宽就提高了4倍。,11.5Pentium4为Pentium4设计了一种被称之为“NetBurst”的新微体系结构，它可以更好地满足目前互联网用户的需求。Pentium4在数据加密、视频压缩和对等网络等方面的性能都有较大幅度的提高。1Pentium4的NetBurst微体系结构所谓NetBurst，顾名思义；Net即网的意思；Burst成组传输、突发传输的意思。若在网上传输数据，不传则已，传则即为很大的信息量。如传一幅图片，总不能让用户等半天才能得到信息。这样就要求Pentium4快速地、大量地处理信息和传送信息。,图中展示出了Pentium4微处理器内部结构及各功能部件在芯片内的位置,2超级流水线技术Pentium4配备了新的超级流水线技术，它把流水线的深度增加到20级，Pentium4的超级流水线上配备有20个基本操作部件，所以Pentium4的操作速度也就快得多。衡量CPU性能的公式是：性能=CPU的主频IPC3高速的系统总线（400MHz）Pentium4在数据传输方面采用了其时钟频率为400MHz新的系统总线。4拥有执行追踪功能的一级CachePentium4的一级指令Cache被改进成执行追踪的Cache，其容量12KB，但是由于在Pentium4的执行追踪的Cache内存放着已经译好码的微指令(OPs)，使Pentium4不必每次都要重新给指令译码，从而大大加快了译码速度，,5高级动态执行机制Pentium4配备的高级动态执行机制，使Pentium4在流水线中所能处理的指令条数比PentiumIII多出3倍以上，并能合理地预测分支转移指令。6.高速执行引擎在Pentium4中配置了一种时钟缓冲器电路，可以使NetBurst微体系结构下的算术运算和逻辑运算部件ALU能够在倍于CPU主频的速度下操作，Intel把其称之为高速执行引擎。7配备有先进传输机制的二级CachePentium4的NetBurst微体系结构使用的二级Cache其大小规模为256KB，又称可进行高级传输的缓冲存储器,9性能增强了的浮点部件和多媒体部件Pentium4把浮点寄存器扩展成了128位，并且又增加了一个用于数据传送的辅助寄存器，这样就大大改善了浮点部件和多媒体部件的性能。10单指令多数据扩展的数据流SIMD(SSE2)指令集Pentium4引进了为加速执行各种应用程序而设计的、包含144条多媒体及图形指令的单指令多数据扩展的数据流SIMD(SSE2)指令集，其中SIMD是指单指令多数据操作，它们是第二代高级浮点以及多媒体指令集（SSE2）。,11.664位技术,2005年4月，Intel推出了她的64位微处理器EM-64T，即存储器扩展64位微处理器技术。存储器扩展64位微处理器技术具体表现在：新的操作模式，新增加和增强的指令多达432条。存储器扩展64位微处理器技术，对传统模式、兼容模式、64位模式等这3种操作模式都给以支持：,1传统模式所谓传统模式，即在32位微处理器使用过的，而在64位微处理器上保留下来的操作模式。在存储器扩展64位微处理器上，像之前的32位操作系统、32位应用程序、32位驱动程序等都是传统模式，64位微处理器技术一如既往地都提供支持。2兼容模式兼容模式是在代码段基础上的、经操作系统允许的一种操作模式。在存储器扩展的64位微处理器上，不仅对新的64位操作系统、新的64位驱动程序提供支持，而且对以前的32位应用程序也照样提供支持364位模式64位的操作模式是在代码段基础上，由操作系统允许并启动的一种操作模式。在存储器扩展64位微处理器上，对全新的64位操作系统、64位应用程序、64位驱动程序、64位虚拟地址空间给以支持，而且使用全新的64位通用寄存器GPRs。当访问比64位寄存器和64位地址还大的信息时，使用64位的通用寄存器GPRs。,4通用寄存器在存储器扩展64位微处理器上，把现有的32位的8个通用寄存器都展宽到64位，根据功能的需求又新增加了8个64位通用寄存器。64位微处理器，还新设置了8个新的128位的、单指令多数据流SIMD扩展寄存器5.不变的寄存器64位微处理器，它就保留了32位微处理器使用的那个32位的标志寄存器EFLAGS，浮点部件上的那8个80位的浮点数值寄存器ST0ST7，32位微处理器上使用的8个64位的多媒体寄存器MM0MM7，也同样保留了下来。6分支转移技术64位微处理器的扩展技术，把分支转移机制扩充成二个，以便满足64位线性地址空间中的分支转移需求。（1）近程分支转移，在64位的操作模式中被重新定义。（2）在64位的操作模式和兼容模式下，64位的调用门描述符用于远程调用。在64位的操作模式中，所有的近程分支转移的操作数规模大小，都被强制成64位的。,8超线程技术采用超线程技术HT技术的目的，是在多任务处理环境内，在执行多线程操作系统以及应用程序，或者单线程应用程序时，用来改善32位微处理器的性能。这项技术可以使一个微处理器同时运行两个或多个各自独立的程序。9高级动态执行机制64位微处理器上采用的高级动态执行技术包括：（1）较深的流水线技术、乱序执行技术、再加上推测执行引擎：可以让126条指令鱼贯执行。在流水线内可以执行48个装入操作、以及24个存储操作。（2）增强了的分支转移预测能力与较深的流水线技术结合在一起，有效地减少了由于不实施预测而造成的损失。先进的分支转移预测算法在分支转移目标阵列内容纳4K个目标项。,11.7双核技术,1171.什么是双核处理器什么是双核处理器？就是在同一个微处理器芯片内配置有两个功能一样的处理器核心，这样的微处理器芯片就称为双核处理器，如图所示，所采用的技术就双核技术。若是在同一个微处理器芯片内配置有多个功能一样的处理器核心，就是多核处理器。,1172.双核技术优势采用多核处理器技术，可以使微处理器的性能更高，处理信息的能力更强，信息处理技术更先进，微处理器提供更强的性能，而不需要增加能耗或实际空间。首先，采用双核技术是提高微处理器性能的行之有效的方法之一。增加一个内核，微处理器在每个时钟周期内执行的指令条数将增加一倍。其次，在微处理器内引入双核结构，可以全面提升微处理器的功能,1173双核微体系结构图中展示出了双核处理器的体系结构，由图可以看出，在一个芯片内集成进两个核心执行部件，而每一个核心执行部件都配备有一个二级CacheL2，其容量为2MB。二级Cache与系统总线的前端相连。,