计算机硬件技术基础PPT电子课件教案-第四章 中央处理器CPU.ppt

第四章 中央处理器cpu 介绍cpu的： 发展和现状性能指标 新技术应用接口封装 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 第 2 页 第四章 微型机的中央处理器cpu 4.1 cpu概述 4.2 cpu的主要技术参数 4.3 微处理器中所采用的新技术 4.4 单指令多数据流技术 4.5 cpu的封装与接口类型 4.6 典型cpu介绍 第 3 页 4.1 cpu概述 分代intel cpu其他cpu开始年代 第一代 第二代 第三代 第四代 第五代 第六代 第七代 8086/8088 80286 80386 dx/sx 80486 sx/dx/dx2/dx4 pentium pentium mmx pentium pro pentium ii celeron pentium iii pentium 4 pentium d/ee 1978 1984 1987 1990 1993 1996 2000 amd k5 cyrix 6x86/6x86mx idt winchip c6 winchip2 3d amd k6 amd k6-2 amd k6-3 amd k7 (athlon) / (64) amd thunderbird pentium在拉丁文里面就是“五”的意思 第 4 页 4.2 cpu的主要技术参数 4.2.1 位、字节和字长 位：cpu的最小存储单位，有“0”和“1”两种取值。 字节：cpu的最小访问单位，8位组成的。 字长：cpu一次能处理的二进制数，cpu中alu的处理 位数。 cpu按照其处理信息的字长可以分为：八位、十六位、 三十二位及六十四位微处理器等。 intel x86系列cpu 8位 8080、8085 16位8086、80186、80286 32位386、486、pentium、pii、piii、p4 64位 itanium(安腾)、p4 f、pentium d/ee 第 5 页 4.2.2 时钟频率 主频：驱动cpu工作的周期性循环脉冲信号的频率，是 cpu内核(整数和浮点运算器)电路的实际运行频率。其周期 为时钟周期。多个时钟周期组成一个机器周期，多个机器 周期组成一个指令周期。 外频： cpu外频也叫前端总线频率或系统总线时钟频率 ，是由主板为cpu提供的基准时钟频率。 倍频：cpu主频、倍频、外频三者的关系： 主频=外频倍频。 超频：超频就是在实际使用中让cpu工作在高于额定的 工作频率上。 pentium 6066 75200 p ii 66100 233450 p iii 100133 450733 p 4 100266 13.8g cpu 外频 主频 第 6 页 4.2.3 l1和l2 cache的容量和速率 l1和l2 cache的容量和工作速率对提高微机速度 起关键作用。 l1 cache：一般在cpu内部，容量为几十kb。 l2 cache：可在cpu内部或外部，一般为几百kb几 mb。 l2 cache对提高整数运算速度有显著作用。 第 7 页 4.2.4 工作电压 cpu 的工作电压：5v 3.3v 12v 早期cpu(8086486时代)的工作电压一般为5v。标 准的ttl (transistor- transistor logic)数字电路工作电 压为5v。 早期pentium cpu工作电压一般为3v左右。这是由于 ： cpu的制造工艺提高，低电压工作可靠性有保 障。 减小cpu功耗，减小发热量。cpu功耗与电源 电压的平方成正比。 节能。 笔记本专用的cpu和pentium4的工作电压一般为1.2 1.8v。 第 8 页 4.2.5 地址总线宽度、数据总线宽度 地址总线宽度 地址总线宽度决定了cpu可以访问的物理地址空 间，简单地说就是cpu到底能够使用多大容量的内存。 808620位，最大存储器空间1mb。 8028624位，最大存储器空间16mb。 8038632位，最大存储器空间4gb。 pentium pro36位，最大存储器空间64gb 。 数据总线宽度 数据总线负责整个系统的数据流量的大小，而数 据总线宽度则决定了cpu与二级高速缓存、内存以及输入 /输出设备之间一次数据传输的信息量。 数据总线宽度与cpu位宽可能不一致。 数据总线宽度与总线位宽可能不一致。 第 9 页 4.2.6 制造工艺 半导体材料工艺目前均为cmos工艺。 ttl(transistor- transistor logic) 晶体管逻辑 nmos(n-channel mos) n沟道金属氧化物半导 体 pmos(p-channel mos) p沟道金属氧化物半导 体 cmos(complementary metal oxide simeconductor) 互补金属氧化物半导体，cmos工 艺ic功耗与频率成正比，与电压的平方成正比。 线宽指芯片上的最基本功能单元的宽度，缩小线宽 可以提高集成度，pentium cpu一般使用0.60.13微米线 宽，最新技术是0.09微米 铜配线技术以往芯片内部使用铝连线，现在普遍采 用导电特性更好的铜配线技术，可以提高cpu的集成度和 工作频率。 第 10 页 4.3 微处理器中所采用的新技术 4.3.1 流水线与超标量结构 非流水线指令的执行过程： 取指令：从内存读取这条指令； 译码：将指令翻译成操作命令； 取操作数：从内存中读取执行该条指令所需的操作数； 执行指令：cpu指定部件实际执行这条指令； 回写：将执行的结果送回内存或寄存器中。 一条指令必须在前一条指令的五个步骤执行完后才能执 行下一条指令。 不一定所有指令都有五步。 取指令fi译码d取操作数fo执行指令e回写w 第 11 页 4.3.1 流水线与超标量结构 流水线 (pipeline)：是intel首次在486芯片中开始使 用的。流水线工作方式将不同指令的各个步骤并行化。 执行一条指令的步骤越多(细化)，流水线长度越长，流 水线效率越高。 影响流水线效率的另2个因素： 数据相关性指令的执行需要前一条指令的 结果。 分支控制转移。 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5 fi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 d fi fo d fi e fo d fi w e fo d fi w e fo d fi w e fo d fi w e fo d fi w e fo d fi 时钟 第 12 页 4.3.1 流水线与超标量结构 超标量(superscalar): 在cpu中存在多个相同的功能 部件，可以根据指令的需要动态分配功能部件，组成多条 流水线。这种设计就叫超标量技术。 采用超标量技术的cpu集成了多个alu、多个 fpu 、多个译码器，以并行处理的方式来提高性能。 pentium是intel系列cpu中最早采用超标量结构的处 理器。带有2条独立的处理管线，理想情况下每周期执行2 条指令。 超标量处理器每个周期所使用到的执行单元(用蓝色 表示)，可见每个周期都有执行单元空闲。 部件n 部件1 部件2 第 13 页 超线程(hyper threading)技术 超线程(hyper threading): 在单个处理器基础上提供两 个逻辑处理器，这两个逻辑处理器共享相同的物理执行单 元，而从软件的角度来看，操作系统可以象拥有两个物理 处理器那样为这两个逻辑处理器分配不同的线程。 pentium 4共有7个执行单元，平均只有23个单元在使 用状态，在超标量结构中空闲的功能部件得到利用。 图中红色和蓝色分别为两个线程占用的 功能部件。 pentium 4 northwood b率先支持ht。 windows xp 的后期版本支持超线程。 部件n 部件1 部件2 第 14 页 双核技术 双核cpu: 在cpu内部 封装两个处理器内核。双核 和多核cpu是今后cpu的发 展方向。 intel最新的(2005年)双核 cpu： pentium d 和pentium extreme edition。其中 pentium d不支持超线程但 pentium extreme edition支 持超线程。 第 15 页 4.3.2 高速缓存技术 cache存储器：容量较小、速度较快的静态存储器 (sram) 主存储器：容量较大、速度较慢的动态存储器(dram) cpu 主存储器 (dram) cache (sram) cache的工作原理是基于程序访问的局部性： 1. 时间局部性：如果一个存储项被访问，则可能该项会 很快被再次访问。 2. 空间局部性：如果一个存储项被访问，则该项及其邻 近的项也可能很快被访问。 第 16 页 命中：cpu访问存储器数据时，数据已在于cache 中 则称为命中。命中的概率为命中率。 cache控制：命中时，只需直接访问cache即可。如果 未命中，需要将主存储器数据拷贝到cache中，再访问 cache。 cache比主存的容量小得多。 cache的存储容量 越大，命中率也越高。太小会使命中率太低；过大不仅 会增加成本。 4.3.2 高速缓存技术 第 17 页 影响cache命中率的因素： cache容量/主存储器容量 一般考虑性能价格比的折中。采用2级或3级cache，可 以以较低的成本获得较高的命中率。 cache块和主存储器块的相联关系 按效率由低到高(同时实现由简单到复杂)排列： 直接组相联全相联 替换策略：确定替换出的cache块的方法 先进先出策略(fifo: first in first out)：是把最先调入的 cache字块替换出去。 最近最少使用策略(lru: least recently used)：把当前近 期cache中使用次数最少的那块信息块替换出去。 lru策略优于fifo策略，但lru实现复杂。 4.3.2 高速缓存技术 第 18 页 4.3.3 cache技术的实现 cache技术： 多级cache：不前大多数cpu为两级cache，高端cpu 可能为3级cache。分级cache可以以较小的成本获得较高 的命中率。如： pentium iii采用32kb l1cache+256kb全速l2 cache； itanium采用32kb l1 + 256kb全速l2 + 2mb l3 cache 数据与指令cache：由于数据访问和指令访问之间不存在 局部性规律，所以l1 cache 将数据和指令cache分开，有 利于提高效率。 cache速度：l1 cache一般和cpu内核同步，l2 cache 运行速度有半速和全速两种。 第 19 页 cpu l1 cache (内部) l2 cachel3 cache 80486dx8kb混合型无无 pentium8kb+8kb无无 pentium mmx16kb+16kb512kb pentium 16kb+16kb512kb半速 celeron 16kb+16kb无 / 128kb半速 无 无 无 celeron 16kb+16kb128kb 全速无 pentium 16kb+16kb256kb全速无 pentium 48kb+12kb trace cache 256kb无 xeon mp16kb+16kb256kb全速1mb itanium16kb+16kb256kb全速2-4mb 4.3.3 cache技术的实现 第 20 页 4.4 单指令多数据流技术 处理器虽然只能执行单个指令序列，但能将那些指令同 时应用于多个独立的数据。我们称之为“单指令多数据 ”(simdsingle instruction multiple data)处理器。它 允许cpu 同时对2、4、8 个数据进行并行处理。有效地提 高了cpu 对 视 频 、音频等多媒体方面的处理速度。 simd的具体体现是指令集的扩充，主要包括： mmxintel pentium mmx 侧重提高多媒体数据处理速度，定点运算。 3d now !amd k6-2 侧重提高3维变换，浮点运算。 sseintel pentium 增强浮点运算能力。 sse2 、sse3intel pentium 4 第 21 页 4.4.1 mmx技术 mmx(multimedia extensions)技术是单指令流、 多数据流技术在奔腾cpu的具体实现，在pentium mmx 开始使用，mmx技术核心体现在如下三点： 4种新的数据类 紧缩字节类型：8个字节打包成一个64位 长的数据； 紧缩字类型：4个字打包成一个64位长的 数据； 紧缩双字类型：2个32位的双字打包成一 个64位长的数据； 四字类型：一个64位数据。 8个64位宽的mmx寄存器 57条新指令 第 22 页 饱和运算：保证当 运算结果超出最大 值时按最大值运算 ，低于最小值时按 最小值运算。 饱和运算常用于 音频和视频数据处 理，可以省去常规 运算的溢出检测。 4.4.1 mmx技术 原信号波形(无符号数) 经过非饱和运算放大 经过饱和运算放大 第 23 页 4.4.2 “3d now!”技术 3d now ! 是第一种3d加速指令集，共有21条指令，由 amd公司开发并于amd k6-2 cpu首次使用。 3d now ! 和 mmx 指令集比较： 两者都使用基于simd的处理技术 mmx主要侧重于整数指令的加速，加速的处理对象主要 是音频、视频数据。 3d now ! 主要浮点指令的加速，加速的处理对象主要是 三维图形。 使用3d now !指令的三种途径： 编程时直接使用3d now ! 指令； 编程时使用api接口程序； 使用支持3d now ! 的图形加速卡。 第 24 页 4.4.3 sse技术 sse(streaming simd extension)是pentium 扩 展的第二套多媒体专用指令集。和mmx 指令集不同， sse的主要作用是加速cpu的3d运算能力 。 它总计包括70 条指令 ： 50条simd浮点指令，主要用于3d 处理 一条指令可以同时处理4对单精度(32位)浮点数。 12 条新mmx指令，扩充mmx指令集 8 条系统内存数据流传输优化指令 采用新的数据预存取技术，减少了cpu处理连续数据 流的中间环节。 从软件实际运行效果来看sse比3d now！效果更 好，从direct x 6.1 开始支持sse。 第 25 页 intel cpu复杂数据类型处理指令的发展 fpu mmx sse sse2 sse2 mmx：pentium mmx 8个64位mmx寄存器，可为各sse扩展所使用 数据为整数，支持2个32位、4个16位、8个8位运算 sse：pentium iii 8个128位xmm寄存器 支持单精度浮点 支持64位simd整数 sse2：pentium 4 willamette 双精度浮点 128位整数 双精度单精度转换 sse3：pentium 4 prescott 主要增强了视频解码、3d图形优化和超线程性能 第 26 页 4.5 cpu的封装与接口类型 4.5.1 cpu 的封装 第 27 页 4.5 cpu的封装与接口类型 socket系列：目前intel cpu常见的有socket 370(p iii 二 代)、socket 423(p 4)、socket 478(p 4)。 socket 423 插座 slot 系列：有slot 1(p ii / p iii 一代)、slot 2 (p4 xeon)。 又称sec(single-edgecontactcartridge)卡盒 slot 1 插座 第 28 页 lga775：lga(land grid array)封装下的cpu，其特征是 没有了以往的针脚，取而代之的是整齐排列的金属圆点， cpu不再靠针脚接触来固定，而是使用一个金属扣架将 cpu压在露出来的具弹性的触须上 pentium 4的最新型号 采用lga775封装。 4.5 cpu的封装与接口类型 第 29 页 4.6 典型cpu介绍 intel系列pentium 1. pentium (奔腾)处理器 1993年推出的第五代处理器 早期75120mhz使用0.6微米制造工艺 后期120200mhz频率以上改用0.35微米工艺 供电电压为3.3v 内部含有的晶体管数310万个 内置了8k+8k的一级缓存 时钟频率60/66mhz 第 30 页 4.6 典型cpu介绍 intel系列pentium ii 1997年推出，采用了与pentium pro相同的32位核心结 构。增强了mmx指令集，主频233450mhz，采用了slot1 封装标准， 512k同步突发式半速l2缓存，集成度750万。 pentium ii的发展经历了三个阶段： 第一阶段： 0.35微米工艺，核心电压 2.8v，66mhz外频 ，主频有233、266、300三种 第二阶段：0.25微米工艺，核心电压2.0v，66mhz外频， 主频有300、333等几种； 第三阶段：0.25微米工艺 ， 核心电压2.0v，100mhz 外频下，主频有350、 400和450三种。 第 31 页 型号核心 总线 主频l2封装线宽 (mhz) (mhz)(kb)(微米) = 1 celeronconvington66 2663000slot 10.25 2 mendocino66 300400128slot 10.25 3 mendocino66 3333661283700.25 4 celeron iicoppermine 66 5337661283700.18 5 celeron800coppermine 100 8001100128全速3700.18 6tualatin100 9001.4g256全速3700.13 7 celeron 4willamette400 1.71.8g128全速4780.18 8 northwood400 1.42.8g128全速4780.13 9 prescott 533 2.43.2g256全速4780.09 10 celerond prescott533 2.43.2g256全速7750.09 4.6 典型cpu介绍 intel系列celeron 赛扬 第 32 页 4.6 典型cpu介绍 intel系列pentium iii 第一代pentium iii处理器 0.25微米工艺； 拥有32kb l1 cache 和512k半速l2 cache； 包含mmx指令和intel自己的“3d”指令sse； 主频有450和500mhz两种规格； 100 mhz外频； 除了sse指令外， piii与pii很相象，事实 上也正是如此，在运 行没有为sse指令优化 过的应用软件时，piii 与pii的速度几乎一样。 第 33 页 第二代pentium iiicoppermine 采用0.18微米工艺 前端总线为133mhz； cpu主频最高733mhz； 内置256kb 全速cache 工作电压1.65v socket 370封装标准 4.6 典型cpu介绍 intel系列pentium iii 第 34 页 型号 核心封装 主频 l2 线宽系统总线 (ghz)(kb)(微米)(mhz) = p 4 willamette4231.31.7 2560.18400 p 4willamette4781.52.0 2560.18400 p 4 “a”northwood 4781.82.6 5120.13400 p 4 “b”northwood4782.32.8 5120.13533 ht p 4 “c”northwood4782.43.4 5120.13800 p 4 “e”prescott 4782.83.4 1m0.09533/800 p 4 “e”prescott 7752.82m0.09800/1066 p 4 “f”prescott7753.23.6 12m0.09800/1066 pentiumd prescott7753.23.6 12m0.09800/1066 pentiumeeprescott7753.23.732m l30.09800/1066 4.6 典型cpu介绍 intel系列pentium 4 第 35 页 4.6 典型cpu介绍 intel系列pentium 4 pentium 4 处理器是intel公司全新推出的ia-32结构 处理器。采用了和以往（p6）不同的全新的netburst体 系结构。 netburst微型结构采用了多种新技术。性能涉 及各种应用领域性能的提高。 socket478封装的pentium 4 lga775封装的pentium 4 第 36 页 4.6 典型cpu介绍 intel netburst cpu结构特点 超长流水线 intel的piii处理器是12层计算管线的超标量设计， 而初级p4处理器是20级计算管线的超标量设计，之后又 增加到31级。 将译码后的指令放入命令缓存 pentium 4采用了微操作指令(micro-operation)方 式，但与p6体系结构不同的是，它不是在内部将可变长 x86指令变换成固定长的risc指令，而是在其相当于一 级缓存的trace cache（跟踪高速缓存）中存储译码后 的微码，一旦命中，无需译码操作，加快了处理速度。 整数运算器(alu)的工作速度是内核的2倍 当处理器的工作频率为1.4ghz时，alu实际工作 频率是2.8ghz，1个时钟周期可以执行2条命令。 第 37 页 一级数据缓存容量少、速度高 一级数据缓存容量为8kb(pentium iii的一半)。访 问只需2个时钟周期(pentium iii是3个)。 sse2强化多媒体指令 mmx和sse的再一次升级，称做sse2。 将原simd的 64位整数运算扩充为128位；支持16 个8位、8个16位、4个32位、2个64位的simd整数 运算； 将原simd的 32位浮点运算扩充为64位双精度浮点 运算。 400mhz前端总线 400mhz(100mhz外频) 的系统总线在奔腾4处理 器和内存控制器之间提供了3.2 gb/s的传输速度。 4.6