芯片体系结构的发展.ppt

芯片体系结构的发展 * * 1 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） DateDate 2 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） DateDate 3 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。 DateDate 4 4 芯片技术突飞猛进 800819720.35万 10微米 808019740.60万 6微米 808619782.9万 3微米 80286198213.4万 3微米 80386198527.5万 1微米 804861989120万 0.8微米 Pentium I1993310万0.35微米 Pentium II1997750万0.35微米 Pentium III 19992900万0.25微米 Pentium IV20004200万0.13微米 DateDate 5 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： 8088，808620位1MB 286，386SX24位16MB 386DX,486,奔腾腾I32位4GB 奔腾腾II,奔腾腾III,奔腾腾 IV 36位64GB DateDate 6 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 DateDate 7 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。 DateDate 8 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） DateDate 9 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。 DateDate1010 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。 DateDate1111 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。 DateDate1212 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。 DateDate1313 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。 DateDate1414 超线程技术的新徽标 Hyper 超 Threading 线程 HT Technology 超线程技术 DateDate1515 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 DateDate1616 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 。 DateDate1717 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。 DateDate1818 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。 DateDate1919 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 DateDate2020 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8M主板、16M/32M主板、64M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） DateDate2121 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66MHz主板、100MHz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 DateDate2222 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。 DateDate2323 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。 DateDate2424 INTEL芯片组概况 Intel芯片组通常有 两块：北桥和南桥 430LX 430NX 430FX430MX 430HX 430VX 430TX 93.394.395.195.1096.296.297.2 P66P75P75P75P75P75P75 SIOSIOPIIXMPIIXPIIX3PIIX3PIIX4 DateDate2525 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 DateDate2626 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 DateDate2727 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。 DateDate2828 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。 DateDate2929 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。 DateDate3030 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。 Date