CPU的过去现在与未来.ppt

CPU的过去 现在与未来 CPU技术发展过程综述 目录 一 CPU结构组成二 CPU技术进步三 CPU发展历史四 CPU未来展望 一 CPU结构组成 CPU还包含总线接口部分 指令预取部分 译码部分和高速缓冲存储器 CACHE 一 CPU结构组成 80486DX2结构示意图 二 CPU技术进步 1 加工工艺 每个晶体管平均价格 单个芯片晶体管集成数 Intel8742 8 bitCPU频率12MHz 128字节的RAM 2048字节的EPROM Intel80486DXCPU 金制针脚底部视图 二 CPU技术进步 2 CPU体系结构目前计算机大都采用冯 诺依曼结构 存储程序原理 CPU执行程序所需时间 P I C TI 程序编译后的机器指令数C 执行每条及其指令所需的平均机器周期T 每个机器周期的执行时间 冯 诺依曼结构 T依赖于CPU硬件本身 由加工工艺和材料特性决定 而I和C就依赖于CPU软件和硬件 即由计算机体系结构的设计决定了 2 CPU体系结构 指令级并行处理技术 2 CPU体系结构 高速缓存CacheCache是一个高速小容量的临时存储器 可以用高速的静态存储器芯片实现 或者集成到CPU芯片内部 存储CPU最经常访问的指令或者操作数据 Cache的基本原理当CPU处理数据时 它会先到Cache中去寻找 如果数据因之前的操作已经读取而被暂存其中 就不需要再从随机存取存储器 Mainmemory 中读取数据 由于CPU的运行速度一般比主内存的读取速度快 主存储器周期 访问主存储器所需要的时间 为数个时钟周期 因此若要访问主内存的话 就必须等待数个CPU周期从而造成浪费 CPU CACHE 主存结构示意图 CPU核心速度比存储器速度快得多 需要在CPU与主存之间设置一个缓冲器 以弥补主存速度的不足 Cache基本操作示意图 2 CPU体系结构 Cache分为一级缓存和二级缓存一级缓存即L1Cache 集成在CPU内部 用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存 由于缓存指令和数据与CPU同频工作 L1级高速缓存容量越大 存储信息越多 可减少CPU与主存之间的数据交换次数 提高CPU的运算效率 但因Cache均由SRAM组成 结构复杂 在有限的CPU面积上 L1级高速缓存无法做得太大 二级缓存即L2Cache 由于L1级高速缓存容量限制 为了再次提高CPU运算速度 在CPU外部放置一高速存储器 即二级缓存 其工作主频比较灵活 可与CPU同频 也可不同 CPU在读取数据时 先在L1中寻找 再从L2寻找 然后是主存 最后是外部存储器 所以L2对系统影响也不可忽视 2 CPU体系结构 指令扩展技术无论是哪个厂家的CPU 在基本功能方面 差别并不太大 基本指令集都相差无几 大威力提升CPU在某一方面的性能 如多媒体处理 就需对指令集进行扩展 从而减少在这种应用下指令的数量 即减少I 来提高CPU性能 扩展指令集发展过程 IntelMMX MultiMediaeXtension MMX MultiMediaeXtension 多媒体扩展指令集 指令集是Intel公司推出的一项多媒体指令增强技术 MMX指令集中包括有57条多媒体指令 通过这些指令可以一次处理多个数据 在处理结果超过实际处理能力的时候也能进行正常处理 这样在软件的配合下 就可以得到更高的性能 IntelSSE StreamingSIMDExtension SSE指令集包括了70条指令 其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD 单指令多数据技术 浮点运算指令 12条MMX整数运算增强指令 8条优化内存中连续数据块传输指令 理论上这些指令对目前流行的图像处理 浮点运算 3D运算 视频处理 音频处理等诸多多媒体应用起到全面强化的作用 Intel指令集 AMD3DNOW 3DNoWaiting 是由AMD开发的一套SIMD多媒体指令集 支持单精度浮点数的矢量运算 用于增强x86架构的计算机在三维图像处理上的性能 最早支援3DNow 的K6 2处理器 AMD指令集 3DNow 的26条指令从功能上可以分为以下五类单精度浮点运算指令增强的MMX指令数据类型转换指令数据预取指令快速退出MMX状态指令 三 CPU发展历史 Intel公司CPU发展历史 三 CPU发展历史 三 CPU发展历史 四 CPU未来展望 1 双核 多核CPU的出现和普及CPU的主频一直在增加 性能也越来越强劲 但发展到现阶段 CPU不可避免的产生技术上的一些瓶颈 例如桌面处理器的主频在2000年达到了1Ghz 2001年达到2Ghz 2002年达到了3Ghz 但在这之后 我们一直没看到4Ghz的处理器出现 电压和发热量成为最主要的障碍 导致在桌面处理器特别是笔记本电脑方面 Intel和AMD无法再通过简单提升时钟频率就可设计出下一代的新CPU 双核处理器结构 AMDAthlonX26400 IntelCore2Duo 四 CPU未来展望 双核处理器 DualCoreProcessor 双核处理器是指在一个处理器上集成两个运算核心 从而提高计算能力 单核心处理器要想取得更好的表现 拥有更快的处理速度 就得需要更大的供电量 更强劲的散热条件 实际上在05年 英特尔取消了生产4 0GHz的 Tejas 单核处理器 因为他们发现 要想达到这个频率 它的驱动电压必须要达到100W 不仅如此 要保证它正常的运行还要有温度的控制 需要更大的散热器 而人们需要的并不是用增加电压的方法来提高速度 而双核便是解决这一问题的最好答案 双核的表现无疑要强过新单核心处理器 这就是英科尔与AMD推出双核处理器的真正的原因 IntelCore2处理器家族 四 CPU未来展望 四 CPU未来展望 2 片上系统 SOC 定义 SOC是从整个系统的角度出发 把处理机制 模型算法 软件 特别是芯片上的操作系统 嵌入式操作系统 芯片结构 各层次电路 直至器件的设计紧密结合起来 在单个 或少数几个 芯片上完成整个系统的功能 AMDGeode兼容x86的片上系统芯片 SOC与集成电路 IC 的设计思想是不同的 它是微电子设计领域的一场革命 四 CPU未来展望 一个典型的SoC会由以下各元件组成 一个或是多个微控制器 微处理器或是DSP内存部份会包含只读内存 随机存取内存 EEPROM和快闪存储器振荡器及phase lockedloop提供系统所需时脉来源 其他周边还有计数器counter timer RTC或是WatchdogTimer额外的界面包含了许多工业标准 像是USB FireWire Ethernet USART等等 类比界面包含了类比 数位转换器及数位 类比转换器电压调整电路及电源管理 前景展望 新技术的不断涌现将推动CPU快速向前发展 将会有以下几个方向 谢谢