计算机速度提升方法.ppt

1、嵌入式系统及其电路，第三讲，提高计算机速度的方法最新的两个微计算机处理器介绍了微计算机的内存，最新的两个微计算机处理器介绍了微计算机的内存和提高计算机速度的方法，1。增加计算机的位数，2。改进电路，提高门电路的翻转速度，增加工作频率。采用多总线结构。为实现多级流水线操作，采用4个大容量片上存储器(片上缓存)，采用5个快速执行引擎技术，采用片上和片外存储器访问，采用DDR技术，提高访问速度，采用6分支预测技术，采用7个多处理器结构，通过增加计算机位数可以提高速度。例如，对于32位数据传输，一台8位机器需要传输4次才能完成，而一台32位机器可以完成一次；对于16位X16位乘法，一台8位机器需要数十

2、次运算才能完成，而一台带16位X16位乘法器的数字信号处理器可以完成一次运算。1.增加计算机中的位数；2.改进电路，提高门电路的翻转速度和频率。提高电路速度的主要方法如下：(1)使芯片中的电路单元，特别是三极管的PN结越来越小越来越薄，使PN结的结电容很小，电路翻转时需要放电的电荷越来越少，翻转越来越快。(2)当工作电压降低时，电压越低，存储在所有晶体管的结电容上的电荷越少，这使得放电更容易并且翻转更快。当电路翻转得更快时，频率就会上升。3采用多总线结构，实现多级流水线操作。处理器采用多总线结构，每条总线并行工作。例如，用于访问内部指令高速缓存的总线、用于访问内部数据高速缓存的总线、用于访问片

3、外存储器的总线、以及在主板上的中央处理器和芯片组之间的交互总线被设计在中央处理器中。每条总线包括地址总线、数据总线和控制总线。处理器内部的多个执行单元可以同时执行多个指令。奔腾有两条称为u和v的指令流水线，每条流水线都有自己的算术逻辑单元ALU和高速缓存结构。奔腾采用双流水线并行操作模式，每个时钟周期可以同时执行两条指令。此外，还有一个执行单元，确保一个浮点运算指令同时完成。多级流水线技术可以加快指令的执行速度，但这并不意味着流水线级越多，处理器速度越快。例如，龙处理器V1.3采用10级流水线结构，奔腾V1.7采用20级流水线结构，但是经过测试，v1.7的速度只有龙处理器v1.3的70%，原因

4、是一旦指令的分支发生变化，指令预取、预解码等一系列预操作就会失效，导致整体效率大幅下降。4。使用大容量片内存储器(片内高速缓存)，一个高速缓存用于指令高速缓存，另一个用于数据高速缓存。这两个缓存可以同时访问。前者可提供多达32位的原始操作码，而后者可在每个时钟周期提供两次数据访问。这种双向缓存结构减少了由缓存争用引起的冲突，并提高了处理器的性能。5.利用快速执行引擎技术，DDR技术用于访问片内和片外存储器，即存储器在一个时钟周期内可以访问两次，一次在时钟的上升沿，一次在时钟的下降沿，大大提高了访问速度。这就是所谓的快速执行引擎。6.采用分支预测技术，为了减少执行分支指令造成的流水线效率损失，奔

5、腾采用分支预测技术动态预测指令的目标地址，从而节省了CPU的执行时间。通常，在用户程序中有许多条件分支指令。在流水线计算机中，这些分支指令可能使预取指令和预解码指令无效。奔腾有两个预取指令缓冲队列。在执行条件分支指令之前，一个以顺序方式预取指令，另一个以分支方式预取指令。后者也称为BTB(分支目标缓冲区)，它是基于固有可以认为，在大多数情况下，当分支指令再次执行时，其成功和分支目标与上次相同。基于此，可以构建动态分支目标预测硬件。BTB是一个高效的硬件机制。统计表明，当BTB容量较大(如超过256项)时，预测准确率可达90%。利用这种动态分支预测技术，无论分支是否发生，在执行之前都要提前获取所

6、需的指令。最新的微机采用多处理器结构，采用多核技术，如双核、三核、四核等。进一步增强了微机的数据处理能力，大大提高了微机的性能。最新两款微处理器引入了微处理器的内存，最新两款处理器引入了英特尔酷睿i7: CPU频率：3330兆赫兹智能加速：3600兆赫兹制造工艺：32纳米L2缓存：6256千字节三级缓存：12MB内核数：6核。AMD的Snapdragon II:中央处理器频率：3200兆赫兹制造工艺：45纳米一级缓存：6128千字节二级缓存：6512千字节三级缓存：6MB内核数：6核内存控制器：双通道DDR3-1333双通道DDR2-800，本讲座，提高计算机速度的方法最新的两个微型计算机处理

7、器介绍了微型计算机的内存和微型计算机的片上内存主内存(Main memory):主板上的内存(memory bar)。主存，也称为内存，通常安装在主板上，用于存储计算机正在执行或使用的程序和数据。主存储器通常由半导体存储器组成。中央处理器可以直接访问主存，所以访问速度快。主存储器的容量受地址线数量的影响。例如，具有32位地址线的处理器具有4GB的内存空间用于直接寻址。随机存取存储器：存储器中的任何存储单元都可以取出或存储，存取时间与存储单元的物理地址无关。一般来说，断电时内存中的信息会丢失。目前，有带电池的芯片，断电后仍然可以保存信息，这就是所谓的非易失性存储器。根据集成电路的内部结构，内存可

8、以分为静态内存和动态内存。静态随机存取存储器：静态随机存取存储器速度很快，集成度低，结构复杂，功耗高，不需要刷新。静态随机存取存储器通常用作高速缓存。内存(续)，动态随机存取存储器动态随机存取存储器：动态随机存取存储器的内容会在10-3S或10-6S后自动消失。因此，它必须定期刷新。动态随机存取存储器集成度高、成本低、功耗低，但必须配备外部刷新逻辑电路。IRAM:IRAM集成了刷新逻辑电路和动态随机存取存储器，动态随机存取存储器集成了动态随机存取存储器，不需要刷新。同步高速动态随机存取存储器：在时钟上升沿传输数据。数据传输可以在时钟信号的上升沿和下降沿同时进行，使数据传输速率达到SDRAM的两

9、倍。寻址和控制信号与软件随机存取存储器相同，仅在时钟的上升沿传输。单数据速率特别提款权：单数据速率特别提款权。非易失性随机存取存储器由静态随机存取存储器和E2PROM组成。在正常情况下，它与静态内存相同。当电源出现故障时，信息保存在E2PROM中，适用于电源故障保护和重要信息存储。只读存储器是指“只读存储器”。这是一种具有最简单电路半导体电路，它通过掩模工艺一次性制造，其中的代码和数据将被永久存储(除非被破坏)且不能被修改。一般来说，它将用于大规模生产。它的优点是成本低，但风险相对较大。在产品设计中，如果调试不彻底，很容易造成成千上万件的废品。非易失性存储器、非易失性随机存取存储器、可编程只读

10、存储器是指“可编程只读存储器”。通常被称为“一次性编程只读存储器”，这样的产品只允许写一次。出厂时，存储单元的内容全部为1，用户可以根据需要将一些单元写入数据0(如果出厂时一些可编程只读存储器数据全部为0，用户可以将一些单元写入1)，从而实现“编程”的目的。可编程只读存储器的典型产品是“双极熔丝结构”。如果我们想重写一些单元，我们可以在一段时间内给这些单元施加足够的电流，原来的保险丝就会烧断，从而达到重写一些位的效果。另一种经典的可编程只读存储器是使用肖特基二极管的可编程只读存储器。当离开工厂时，二极管处于反向截止状态，反向电压被施加到具有更高电压和更大电流的肖特基二极管，导致其永久击穿。非易

11、失性存储器指可擦除可编程只读存储器。其特点是具有可擦除功能，擦除后可重新编程，但其缺点是需要一定时间的紫外线照射。这种封装包含“应时玻璃窗口”，一个可编程EPROM芯片的“应时玻璃窗口”通常覆盖着黑色的自粘性纸，以防止阳光直射。它是一种可以用紫外光擦除的存储器，可以反复擦除，断电后可以长期保存。例如，电子顺磁共振2764、27256、27512等。通常用于单片机系统。写入每个字节需要很长时间，尤其是擦除。一个芯片擦除需要2530分钟。这需要太多的时间，是无法忍受的，并且已经面临淘汰。EEPROM :也称为E2PROM，指“电可擦除可编程只读存储器”。它最大的优点是可以被电信号直接擦除，也可以被

12、电信号写入。EEPROM之所以不能取代随机存取存储器，是因为其工艺复杂，占用门太多，重编程时间长，有效重编程次数也少。它是一种电可擦除存储器，在断电后可以反复擦除并长时间存储。常温下一般数据保存时间为10年。例如，E2PROM 2864、28256等。通常用于单片机，在常温下保存数据10年。可擦除次数为10，000次。写每个字节需要很长时间，最早的2864需要10ms，现在的2864需要几十到几百微秒。闪存是指“闪存”，即所谓的“闪存”，也是一种非易失性存储器，属于EEPROM的改进产品。它最大的特点是必须按块擦除(每个块的大小是不确定的，不同制造商的产品有不同的规格)，而EEPROM一次只能

13、擦除一个字节。目前，“闪存”在PC机主板上被广泛使用，用于保存BIOS程序和方便程序升级。另一个主要应用领域是作为硬盘的替代品，它具有抗震、高速、无噪音和低功耗的优点。然而，它不适合取代随机存取存储器，因为随机存取存储器需要能够以字节重写，而闪存不能。它比EEPROM快的主要原因是它执行块操作，而EEPROM执行字节操作。因此，它的写入速度是EEPROM的几倍。现在它已经成为最流行的只读存储器，它作为一种非易失性片上存储器被广泛应用于单片机/数字信号处理器/ARM中。它也用于制作u盘、电子硬盘等。目前，电子硬盘的价格正在逐渐下降。然而，与普通磁性硬盘相比，电子硬盘的擦写次数仍然太少，所以它的寿命比普通磁性硬盘短得多。与随机存储器相比，所有只读存储器的写入速度都要慢得多，其写入时间是随机存储器的1000到10000倍。存储器接口形式，并行接口存储器：片上高速缓存和插在主板上的存储器芯片都是并行接口，计算机的数据总线根据其位数直接与存储器芯片的数据总线相连。一次传输多位数据。串行接口存储器：在时钟信号的命令下，数据从一条数据线依次传输。如果一个字节是8位，它需要传输8次。所有I2C存储器都是串行接口存储器。辅助存储器，也称为外部存储器，是主存储器的扩展和扩展，用于存储中央处理器不常使用的程序和数据。外部存储容量大，成本低，存取速度慢，存储的信息可以长时间存储。中央处理器不能直接访问外