第二章 微机体系结构

1、第2章 微机体系结构,目的要求：1、了解CPU的技术指标、指令系统、内 部结构与封装技术。 2、了解内存储器的分类、发展与应用。 3、了解系统总线种类、性能批标。 重点难点：1、CPU的技术指标与内部结构以及内存 储器的分类、应用。 2、系统总线PCI类型性能。 内 容：,2.1 微处理器,CPU是微机系统的核心部件，其性能的高低往往代表了微机的档次。微机体系结构中的许多先进技术是在CPU中体现出来的。 衡量CPU性能的主要技术指标有以下几方面： 2.1.1 主频 主频是指CPU内部电路工作的时钟频率，主频越高，意味着CPU的运行速度越快。,1主频信号的产生 CPU的工作频率是从主板上获得的。

2、在主板上有一块时钟电路和一个石英振荡器，当给石英晶体两极加上电压后，便产生出某一固定频率的振荡信号，该周期信号先经过时钟电路进行放大和整波处理，再进行分频或倍频处理，最后产生出CPU所需要的主频信号。 2主频与系统频率的关系 系统总线的工作频率一般称为系统频率，也叫基频或外频。 CPU主频是通过倍频的方法来实现的，即时钟倍频电路将系统频率按某个倍数提高，这种倍数关系也叫倍频系数。 CPU主频系统频率倍频系数,3主频与系统的稳定性 一方面是由于制造工艺的限制，各器件的反应速度存在极限值，当达到或超过极限值后，器件就不能正常工作，机器会出现不稳定或死机现象。另一方面CPU在高速运行过程中随着主频的

3、增高发热量也会加剧，热量的积累会导致CPU过热而不能正常工作。因此CPU在出厂前会标定出额定工作频率。 4超频 让CPU在超出额定频率的条件下工作，这就是所谓的超频。 5前端总线频率 前端总线（Front Side Bus，FSB）是指CPU的外部总线，也就是CPU与主板北桥芯片之间的数据传输通道，也可以认为它是CPU与主板之间的接口。,2.1.2 位宽 位宽又叫基本字长，俗称线宽，是指CPU一次操作所能处理的二进制数据长度。通常用CPU内部ALU的位数来代表，字长往往与CPU内部寄存器以及地址线和数据线相当。 数据线是CPU与内存及I/O端口交换数据的通道，宽度代表了一次交换数据的能力。地址

4、线决定了CPU的寻址能力，内存访问控制方式在微机发展历史上起了重要作用。寄存器位数代表了各指令的功能和执行效率，是CPU具体能力的体现。,2.1.3 指令系统 指令系统是CPU性能的集中体现，任何型号的CPU都有属于自己的指令系统，它是由CPU制造商设计决定的。指令的格式、种类、寻址方式、指令的多少以及完善程度和执行速度都能反映出该CPU的设计水平和性能优劣。 18086/8088指令系统 280286指令系统 380386/80486指令系统 4Pentium/Pentium MMX指令系统 5K6-2指令系统 6Pentium Pro/PentiumII指令系统 7PentiumIII指令

5、系统,8Pentium4指令系统 Pentium4指令系统在原MMX的基础上增加和扩充了144条用于多媒体的SIMD扩展指令集，简称SSE2指令集。其中68条是对原有指令的增强，并将64位的MMX指令扩展为128位操作，另外76条是新增加的。 Prescott核心的新Pentium4处理器在SSE2指令集的基础上又增加了13条新指令，称为SSE3扩展指令集。其中一条指令专门用于视频解码，两条指令用于线程处理，另外10条指令则用于单指令多数据浮点运算以及其他更为复杂的运算。 9K7-4指令系统 K7-4指令系统在原“增强型3Dnow!”的基础上，又增加了类似SSE的52条指令，这些指令称为“3D

6、now!-Professional”，简称“3Dnow!-P”。,10Itanium指令系统 Itanium是采用IA-64指令系统的第一代CPU。Itanium处理器具有64位寻址能力和64位的内部寄存器，所以称为64位CPU。 Itanium指令长度固定为40位，其中指令操作码占13位，预测寄存器地址占6位（可寻址64个预测寄存器），每个寄存器地址占7位（可寻址128个寄存器）。三个寄存器地址中，两个输入寄存器，一个输出寄存器，指令只能对寄存器操作。如图2-1所示。,Itanium采用超长指令字，每个指令字是一个128位长的指令数据包，它包含3条40位指令和1个8位模板。指令编译器分析各条

7、指令的数据相关性和指令依赖情况，把能够并行执行的一系列指令放在一起，重新排序并打包后交给CPU执行。8位模板包含了不同指令间的并行信息，编译器使用模板来告诉CPU，哪些指令可以同时执行。模板还包含了包的结束位，以告知CPU这个包是否结束。 2.1.4 CPU内部结构 1内置协处理器 在486之前，CPU中只有一个定点运算器。为了将CPU从繁重的计算任务中解脱出来，另外设计了一个专门进行数值计算的部件协处理器。从486DX开始，协处理器直接与CPU制作在一块集成电路中，称为内置协处理器。一般来说，协处理器只担负那些计算过程相对复杂的浮点运算任务，所以又称之为浮点运算器。,2. 片内高速缓存技术

8、随着CPU速度的不断提高，相比之下内存的工作速度显得越来越慢，因此CPU的高效率很难得以充分发挥。通常的解决办法是，在CPU和内存之间设置速度更快的存储器，称为高速缓冲存储器（Cache），虽然Cache的速度很快，但容量与普通内存相比要小得多。 CPU内部高速缓存被称为一级高速缓存（L1），主板上安装的高速缓存被称为二级高速缓存（L2）；从PII开始，又将二级高速缓存与CPU制作在一起，形成了一级高速缓存在CPU核心，二级高速缓存在CPU周边的局面。 3超标量设计 标量就是指一个标准的运算处理部件。超标量设计就是在CPU内部设置多个相互独立的运算处理部件，使各部件能够并行或串行工作，目的是使

9、CPU能够同时执行多条指令，在时钟频率不变的情况下，CPU执行程序的速度自然会大大增加，这是一种用增加部件来换取速度的方案。,4并行处理技术 将原多任务的部件拆分成若干个并行的独立部件，每个部件只负责某个单一类型的任务，这样各部件就可以同时并行地进行各自的工作，CPU的效率自然成倍地增加，这就是并行处理技术。 5流水线技术 每个部件在具体执行某条指令时必然要分成若干步骤，如何高效地执行各指令又是一个值得研究的问题，流水线技术是解决这一问题的好办法。 流水线技术是另一种并行处理技术，其原理是将一条指令的执行过程分解成若干个更小的子过程，每个子过程的操作可以与其他子过程同时进行。由于这种工作方式类

10、似于工厂中的生产流水线，因此，把它称为流水线工作方式。,2.1.5 CPU性能评价 通过前面的介绍我们已经知道，主频的高低只反映了CPU电路动作的快慢。除此之外，其他方面也会对性能产生一定影响，因此应该更为全面客观地对CPU性能加以评价。 1运算速度 运算速度，即每秒钟能够执行的指令数，单位为MIPS（百万条指令/秒）目前Pentium4的运算速度已经超过1000MIPS（10亿次/秒）。 2. 生产工艺 集成电路的生产技术水平一般用“工艺线宽”来表示，即电路中线条的宽度。 工艺线宽数值越小，电路的工作频率就越高，功耗和发热量也就越小，同时还可以进一步提高芯片的集成度，使CPU内部电路更趋复杂

11、。目前的CPU生产工艺已经小于0.10微米。,3. 工作电压 目前Pentium4工作电压已经降到1.5伏以下，并有可能进一步降低。 CPU工作电压下降，芯片发热量自然减少，另一个好处是可以增大芯片的面积，提高集成度。 4. 封装技术 （1）DIP封装 双列直插式（Dual In-line Package）封装,（2）QFP封装 四方扁平（Quad Flat Package）封装,（3）PGA 封装 针栅阵列（Pin Grid Array Package）封装,（4）BGA封装 球栅阵列（Ball Grid Array Package）封装,（5）FC-PGA和mPGA封装 反转芯片针栅阵列

12、（Flip Chip PGA）封装和微型针栅阵列（micro PGA）封装,（6）LGA封装 栅格阵列（Land Grad Array）封装,2.1.6 有关CPU的其他技术 1.动态执行技术 （1）数据流分析（dataflow analysis） （2）多路分支预测（multiple branch prediction） 利用先进的转移预测技术，对译码后的几条指令进行分支预测，如需跳转，则将跳转处的指令调入处理器执行，一般情况下预测准确率可高达90%。 （3）推测执行（speculative execution） 根据数据流分析后得到的结果，将优化的指令序列送往处理器的执行部件，并推测出下一

13、步需要执行的指令。 2双重独立总线技术 其核心是采用两条总线，一条连接二级缓存，称为后端总线；一条连接系统内存，称为前端总线。这种结构称为双重独立总线(Dual Independent Bus,DIB)，优点是两条总线可同时独立工作，显著地提高了数据的传输速度。该技术也用于后续的PentiumIII和Pentium4处理器。如图2-2所示。,3执行跟踪缓存技术 与一般的指令缓存不同的是，跟踪缓存中存放的不是原始指令，而是经过处理器解码单元解码后的微操作指令，这就避免了重复解码带来的延迟。 4SMP技术 对称多处理器(Symmetrical Multi-Processing，SMP)技术就是在同

14、一块主板上安装两个、四个、八个处理器，各处理器协调工作，并行处理。 5TLB技术 编译后备缓冲区(Translation Lookaside Buffer，TLB)技术的特点是处理器不直接访问数据的物理地址，而是先建立比较简单的虚拟地址，处理器直接访问的是虚拟地址，并将结果存放在编译后备缓存区中，由此来提高系统的性能。,6CISC技术和RISC技术 CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令系统计算机）技术和RISC(Reduced Instruction Set Computer，精简指令系统计算机)技术是两种不同的指令系统设计风格。 CISC是增加

15、指令系统的复杂程度，使原来必须用几条指令才能完成的操作用一条指令来完成，这样的话，一方面减小了编程难度使源程序缩短，另一方面程序总指令数减少，自然就会加快程序的执行速度。 RISC，其指导思想就是“简单性”，主要表现在指令数少且长度固定。由于指令系统简单，硬件设计和实现的难度大大降低。这样，指令可以直接用硬布线控制实现，绝大多数指令可以在一个时钟周期内执行完毕，而且简单的指令更易于采用流水线技术和实现并行处理。采用简单指令系统编程，无疑会增加指令条数，但综合上述各种因素，显然RISC技术更具优势。,7本地信号处理技术 本地信号处理（Native Signal Processing），简称NSP

16、技术。 从Pentium MMX处理器开始，将音频和视频信息的处理功能也集成到CPU内部统一完成，为了与DSP技术相区别，通常把这种处理方式称为本地信号处理技术。 8超线程技术 超线程技术可以简单地理解为，把微处理器中的多条流水线模拟成为多个独立的逻辑处理器，让每个逻辑处理器都能实现线程级并行计算，同时兼容多线程操作系统和软件，进一步提高微处理器的性能。 9双核、双芯技术 双核技术就是将两个CPU核心集成在同一个微处理器电路中，而双芯技术是将原来的两个CPU芯片封装在同一个微处理器中。 从理论上来说，这两种技术都能将处理器的性能提高一倍。目前的双核、双芯CPU都是基于0.09微米制造工艺，并且

17、很快就会过渡到0.065微米工艺。,2.1.7 Pentium处理器技术特点 Pentium是Intel的第五代芯片，在微处理器的发展中有重要意义。,图2-3 Intel的Pentium4 CPU,1超标量设计 奔腾内部有两个32位的ALU用来完成整数运算和逻辑运算，是一个标量为2的处理器，同时还有一个浮点运算部件FPU。两个整数单元（ALU）以及相应的地址生成电路分别组成两条并行流水线U和V，这种结构使得奔腾能够在每个时钟周期内同时执行两条整数运算指令，或者执行一条浮点运算指令（浮点运算指令由U流水线完成，此时V流水线空闲）。 2流水线技术 奔腾处理器的整数运算流水线共分为五级（工位）：预取

18、指令、指令译码、地址生成、执行、写回。浮点运算流水线共分为八级：前四级与整数流水线相同，后四级则包括两级执行操作、一级写回浮点运算结果、一级出错报告。当执行浮点运算指令时，U流水线第四级以后的控制从ALU转移到FPU。,3分支预测技术 在程序的流水执行过程中，一旦遇到转移指令或中断指令时，就会出现流水线断流，因而降低处理器的性能。为此在奔腾内部设置了一个分支目标缓冲器BTB（Branch Target Buffer），用来动态地预测程序分支的转移情况，从而使流水线的吞吐率能保持较高的水平，但Pentium处理器没有能够实现动态执行技术。 4指令Cache与数据Cache分开 奔腾共有16KB一

19、级高速缓存，其中8KB用于缓存指令，另外8KB用于缓存数据。指令和数据缓存分开，可以大大提高访问Cache的命中率，改善整个存储器系统的性能，这对于保证流水线的持续流动有着重要的意义。 5增强的64位数据总线 奔腾的内部数据总线仍然是32位，但它的外部数据总线增加为64位，这使奔腾在系统频率不变的情况下，数据传送率可以提高一倍。,6内建能源技术 从奔腾开始在Intel的处理器中全面采用节能设计，即系统在闲置一定时间后便自动进入低耗电工作模式，并可在极短时间内恢复到全速状态。 7多处理器结构 奔腾处理器支持双CPU系统，可在同一块主板上安装两个CPU组成对称多处理器系统(最简单的SMP技术)。这

20、是高速并行处理技术中最通用的体系结构之一。 8固化了常用指令 奔腾把常用的指令，如MOV、INC、PUSH、POP、JMP、CALL（NEAR）、NOP、TEST、SHIFT等改用硬件实现，不再使用微代码操作，使指令的运行速度进一步加快。 9错误检测及冗余校验技术 奔腾具有内部错误检测功能和冗余（使用两个奔腾芯片）校验技术。前者可以通过设置多处奇偶校验来保证数据传送的正确，后者能通过双处理器同时运算，并将结果进行比较判断，如果系统发生了异常的操作，能进行自动修改并提出报告。,2.2 内存储器,存储器按其在系统中的地位分为内存储器和外存储器，内存储器简称内存或主存，外存储器简称外存或辅存。 内存

21、用来存放CPU正在运行的程序和数据，CPU在运行时只能从内存读取指令和数据。内存是具备存储功能的半导体集成电路，它是所有类型的存储器中速度最快的。 存储器性能指标中最重要的是速度、容量和价格。 内存按用途又分为只读存储器ROM和随机存储器RAM两大类。,2.2.1 只读存储器ROM 只读存储器中的程序是用特殊方法写入的，即使断电之后信息也不会丢失。所以用它来存放系统程序中最重要的部分，它们往往在微机系统开机加电之后就要执行。,1系统的BIOS程序 （1）自检程序POST(Power On System Test) 电源接通后，POST程序对所有内部设备进行自检，有些检测信息和检测结果在屏幕上可

22、看到。 （2）配置设置程序SETUP 当第一次启动或配置发生改变时，需要运行ROM中专门为CMOS设计的SETUP程序重新设置配置信息。CMOS存储器不占用内存地址，使用端口地址70H和71H进行读/写操作。 （3）最初始的引导程序 也称自举程序。当自检通过以后，自举程序负责按设置(SETUP)的启动顺序在启动盘的第一物理扇区中寻找系统引导程序，将引导扇区读入内存，并将系统控制权交给引导程序。 （4）部分中断服务程序 中断服务程序是操作系统的核心,为我们提供了软件与硬件的接口,解决了程序设计人员与硬件的交涉问题。有些中断服务程序是由操作系统提供的，而有些中断程序是针对某一机型由ROM中的BIO

23、S提供的，当需要这些操作时只需调用这些程序即可，而不必关心硬件是如何动作的。,2显示卡的BIOS程序 显示卡是系统与显示器的接口卡，在显示卡上有负责管理显示、输出的BIOS程序。 3其他板卡上的BIOS程序 除了系统BIOS程序和显示卡BIOS程序之外，还有网卡、声卡等其他板卡上的BIOS程序，它们一般占用内存C8000H到EFFFFH之间的某段地址空间。总之，任何板卡都离不开自己的BIOS程序。 4有关BIOS的新技术 （1）快速擦写 BIOS程序存储在Flash Memory闪速存储器中，改写和升级比较容易，一般直接在机器上就可以完成。 （2）支持PNP功能 BIOS程序不仅能自动检测硬盘

24、的类型参数，还能自动检测CPU类型、主频和工作电压以及自动检测具有PNP功能的扩展卡。,（3）支持多方启动 除了用软盘A、硬盘C启动操作系统外，还可以用CD-ROM光盘和USB设备等启动系统。 （4）支持SMM电源管理模式 （5）具有DMI桌面管理接口 它的功能是通过BIOS检测硬件信息，并将这些信息存储在闪存中。用户可以利用各种支持DMI的工具软件查看和修改硬件数据，直接管理硬件配置。 （6）支持ESCD扩展系统配置数据 它包括各扩展卡和集成在主板上的设备IRQ号、I/O口地址和DMA通道号。在开机完成系统检测后，屏幕显示系统硬件配置表，在表中除了显示上述DMI的数据外，还显示ESCD的数据

25、。,2.2.2 随机存储器RAM RAM就是我们平常所说的内存，RAM中的信息既可以读出也可以随时写入（改写），一般用于存放CPU正在运行的各种应用程序和现场输入输出数据、中间计算结果以及与外存交换的信息等。 RAM中的信息断电后随即消失，所以想要长久保存就必须使用磁盘，这也是系统配置中外存必不可少的原因。 按照电路的设计不同，RAM可分为静态RAM（简称SRAM）和动态RAM（简称DRAM）两类。,1动态存储器DRAM DRAM中的存储单元是依靠电容记忆信息的，由于电容非常小，储存的电量很容易流失，所以每隔一段时间（大约几十微秒）就必须为电容充电一次，也叫刷新一次，因此称为动态存储器。 2静

26、态存储器SRAM SRAM中的存储单元是依靠电路工作状态记忆信息的，数据写入后一直被保存，直到电源断电为止。 3RAM的用途 （1）系统内存 由于DRAM的性价比较高，所以到目前为止微机的系统内存一直使用DRAM芯片。 （2）显示存储器 显示存储器VRAM（也叫视频存储器）是专门为显示卡设计的。VRAM具有两个端口，当其中一个端口进行输入操作时，另一个端口可以取出数据将其送往显示器。VRAM的设计与DRAM类似，但两者不能互换。,（3）CMOS RAM 就是前面提到的CMOS电路，这种芯片采用CMOS制造工艺，所以也叫CMOS存储器。 因为RAM中的数据只有在加电的情况下才能保存，所以，在主板

27、上安装了一块3.5伏钮扣电池为它供电。通常所说的CMOS设置就是通过执行系统BIOS中的SETUP程序，设置CMOS存储器的内容。 （4）高速缓存（Cache） CPU的速度极高，而DRAM的速度较低，两者相差几十倍以上，使得CPU与内存之间速度难以匹配，大大降低了系统性能。如果全部使用高速的SRAM芯片作内存，不仅难以实现，而且会使造价大幅提高，失去了性价比优势。 使用少量SRAM作为高速缓存，这样既可以充分利用SRAM速度快的特点，又不至于大幅提高价格。,2.3.2 DRAM的演变 1PM DRAM 2FPM DRAM 3EDO DRAM 4SDRAM SDRAM即同步动态随机存储器，它采

28、用管道流水操作方式，当指定一个地址时，可读出多个数据，实现突发传输。从PentiumII开始用于系统內存，一直延续使用到低档Pentium4，同时也被用作显示內存。SDRAM内存条为168线双面接触，64位数据线，主板采用168线DIMM插槽。,5DDR SDRAM DDR SDRAM即双倍速率同步动态随机存储器，也称为SDRAMII（第二代SDRAM）。 最初其工作频率只有100 MHz，经过不断改进，目前其工作频率已达266MHz（实际频率为266MHz、相当于533MHz的工作频率），读写周期小于5纳秒。DDR SDRAM内存条为184线双面接触，64位数据线，主板采用184线DDIMM

29、插槽。 6DDR2 SDRAM 第二代DDR SDRAM内存技术，在相同的工作频率下，数据传输带宽是DDR SDRAM的两倍。用于更高档的Pentium4系统及服务器系统内存。DDR2 SDRAM内存条为240线双面接触，64位数据线，主板采用240线的DDIMM插槽。,7RDRAM RDRAM（Rambus DRAM）也称为DRDRAM（Direct Rambus DRAM），是美国Rambus公司推出的存储器总线式DRAM。它通过高速Rambus总线传输数据，并且在时钟脉冲的上升沿和下降沿都能实现数据传输。 RDRAM的工作频率可达1200MHz以上，读写周期小于3纳秒，是专门为Pentium4系统设计的内存。RDRAM内存条为184线双面接触，主板采用184线RIMM插槽。 8双通道内存技术 通过在主板芯片组中集成两套彼此独立的内存控制器，同时提供两套数据通路来实现两组内存条并行工作。双通道内存系统理论上可以提供两倍的内存带宽。,2.2.4 内存纠错技术 1奇偶校验技术 2ECC纠错技术 3Chipkill纠错技术 2.3 系统总线 系统总线是微机各模块间传递信息的公共通道，总线的结构直接影响着数据传输的速度和微机的整体性能。