芯片體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

1、2024/3/21,1,芯片體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展,2024/3/21,2,硬件的層次結(jié)構(gòu),1. 芯片級（chip level）2. 板卡級（board and card level）3. 設(shè)備級（equipment level）4. 網(wǎng)絡(luò)級（network level）,2024/3/21,3,芯片的種類繁多,1.處理器芯片（processor chip）2.存儲器芯片（memory chip）3.主板芯片組（

2、chip set）4.BIOS芯片（ rom bios ）5. 輸入輸出芯片（I/O chip）6.控制器芯片（controller chip）7.特殊芯片（network chipset, 3-D chip, video chip…）,2024/3/21,4,微處理器體系結(jié)構(gòu),體系結(jié)構(gòu)是建筑學(xué)術(shù)語。計算機體系結(jié)構(gòu)指概念性的結(jié)構(gòu)和功能特性。過去，大型主機體系結(jié)構(gòu)（Mainframe Architecture）例如1964年IB

3、M 360，24位。1983年IBM 370-XA，32位?，F(xiàn)在，微處理器體系結(jié)構(gòu)（Microprocessor Architecture）。例如1978年Intel 8086，16位。1985年Intel 80386，32位。微體系結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)更豐富。,2024/3/21,5,芯片技術(shù)突飛猛進,2024/3/21,6,奔騰的位數(shù),內(nèi)部寄存器的寬度為32位，這決定了奔騰仍是32位的微處理器，即IA-32體系結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)輸入輸出

4、總線的寬度為64位。存儲器地址總線的寬度：,2024/3/21,7,奔騰芯片的體系結(jié)構(gòu),1.超標量技術(shù)（Superscalar）雙ALU2.超流水技術(shù)（Superpipeline）八級3.哈佛結(jié)構(gòu)：指令Cache和數(shù)據(jù)Cache4.分支動態(tài)預(yù)測 5.固化常用指令6.數(shù)據(jù)總線的拓寬及突發(fā)模式7.采用PCI局部總線8.錯誤檢測及校驗技術(shù)9.電源效率技術(shù) 10.支持多重處理,2024/3/21,8,超標量

5、技術(shù),486及以前的芯片，一個時間只能執(zhí)行一條指令。奔騰芯片始，同時能執(zhí)行多于一條指令，這稱為超標量技術(shù)。例如經(jīng)典奔騰有兩條整數(shù)指令流水線 U指令流水線：CISC和RISC都執(zhí)行 V指令流水線：只執(zhí)行RISC指令還有一條浮點指令流水線（加、乘、除），因此能同時執(zhí)行多個處理，以空間換取了時間。,2024/3/21,9,超流水線技術(shù),通過細化流水、提高主頻，使得在一個時間周期內(nèi)能完成多個操作，稱為超流水線技術(shù)。例如每條整數(shù)

6、流水線都分為4級（指令預(yù)取、譯碼、執(zhí)行、寫回結(jié)果）浮點流水線則分為8級（指令預(yù)取、譯碼、執(zhí)行、寫回結(jié)果、兩級浮點操作、一級4舍5入并寫回結(jié)果、一級出錯報告）,2024/3/21,10,MMX技術(shù),MMX技術(shù)指Multi Media Extension即多媒體擴展技術(shù)。在體系結(jié)構(gòu)上的改進：1. 內(nèi)部L1高速緩存更大，改善軟件運行的特性。2. 在處理器的指令系統(tǒng)中，擴展了57條指令，它們是單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）的，能加快對視頻

7、、音頻、圖形和動畫的循環(huán)處理。,2024/3/21,11,SSE技術(shù),在奔騰III中首先出現(xiàn)。 SSE是Streaming SIMD Extension的縮寫，即流式單指令多數(shù)據(jù)擴展。在MMX的基礎(chǔ)上，又增加了70條新指令，用于圖形和聲音處理。對高級圖像處理、3D、流式音頻和視頻DVD回放、語音識別特別有用。,2024/3/21,12,NetBurst技術(shù),這是奔騰IV體系結(jié)構(gòu)的核心。20級超流水線技術(shù)、 增強雙精度浮點運算、快

8、速執(zhí)行引擎和400 MHz系統(tǒng)總線。具有高級傳輸高速緩存（芯片上的高級緩存，而不是過去的分立的，延時更短） 、執(zhí)行跟蹤高速緩存。多媒體單元又有144條新指令增強了性能、SSE-2即流式SIMD擴展2技術(shù)和先進的動態(tài)執(zhí)行（同時執(zhí)行100多條指令）技術(shù)。瞬時數(shù)據(jù)傳輸速率高達3.2Gbps。,2024/3/21,13,奔騰IV的特殊要求,奔騰IV有特殊的系統(tǒng)要求，例如支持NetBurst 體系結(jié)構(gòu)的芯片組、固位裝置和適當?shù)?BIOS支持

9、。奔騰IV要用特殊的主板，即基于Intel 850 AGP芯片組的主板。主板必須符合奔騰IV的電流和電壓要求。奔騰IV的封裝技術(shù)采用 423 針柵格陣列，即采用 Organic Land Grid Array （ OLGA ）技術(shù)。因此要用PGA423 插座。插座上安裝了集成的熱量延展器（ IHS ），提供了將熱量傳導(dǎo)到散熱片的途徑，以便在處理器工作期間進行散熱。,2024/3/21,14,進程與線程,60年代就提出“進程”（pr

10、ocess）的概念。操作系統(tǒng)調(diào)度進程、分配資源、響應(yīng)用戶的請求。因此，進程既是擁有資源的單位，也是系統(tǒng)調(diào)度的單位。80年代又提出“線程”（thread）的概念。它是比進程更小的獨立運行單位，一個進程由多個線程組成，讓進程仍是擁有資源的單位，但調(diào)度單位卻是線程。線程的創(chuàng)建與終止都容易而開銷也小。Windows NT、OS/2、Unix都是多線程的程序。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和其他應(yīng)用軟件也引入線程而改善性能。,2024/3/21,15,超線

11、程技術(shù)的新徽標,Hyper 超Threading 線程HT Technology超線程技術(shù),2024/3/21,16,新徽標的含義,一、支持超線程技術(shù)、主頻 3.06 GHz 或以上的Intel 奔騰IV 處理器 二、支持超線程技術(shù)的Intel 芯片組 三、支持并實現(xiàn)超線程技術(shù)的系統(tǒng) BIOS 四、針對超線程技術(shù)優(yōu)化過的操作系統(tǒng),2024/3/21,17,Intel的超線程技術(shù),超線程技術(shù)，通俗地說就是“一芯二用”

12、。在線程級的層次上實現(xiàn)并行處理。它能最大限度地利用處理器資源，使一個處理器同時運行兩個獨立的軟件線程，使電腦能更高效地工作。,2024/3/21,18,超線程系統(tǒng)的優(yōu)勢,提高多任務(wù)環(huán)境下的系統(tǒng)響應(yīng)能力，使用戶能夠在更少的時間內(nèi)完成更多的工作。 提高當前或未來采用超線程技術(shù)的多線程應(yīng)用的性能。 通過擴大高峰負載的性能，為用戶帶來增值的優(yōu)勢。 為IT部門提供靈活性，能在更安全、更可靠和可管理的計算基礎(chǔ)設(shè)施上運行重要的后臺應(yīng)用，而不

13、會影響用戶的正常使用或工作效率。,2024/3/21,19,支持超線程技術(shù)的操作系統(tǒng),針對超線程技術(shù)優(yōu)化過的臺式機操作系統(tǒng)包括：Microsoft Windows XP 家用版和專業(yè)版、基于 2.4.18 或更高內(nèi)核版本的 Linux 操作系統(tǒng)。盡管基于 Linux 操作系統(tǒng)的 PC 機可能會滿足上述平臺要求，能夠?qū)崿F(xiàn)超線程技術(shù)，但在近期這些系統(tǒng)將不會具備帶有超線程徽標的全新奔騰 IV 處理器。購買基于 Linux 操作系統(tǒng)的 PC

14、 機時，請注意與PC 供應(yīng)商確認所購 PC 機是否滿 足上述平臺要求，能否實現(xiàn)超線程技術(shù)。,2024/3/21,20,板卡的組成,（1）CPU ··················行政機構(gòu)（2）存儲器·····

15、;·····樓堂館所、廣場（3）芯片組………交通控制樞紐（4）總線········大街小巷、高速公路（5）插槽··········車站、碼頭、機場（6）電源····

16、;······設(shè)在遠郊的發(fā)電廠,2024/3/21,21,主板的分類,1.按CPU芯片分類 如486主板、奔騰主板、奔騰IV主板2.按存儲器大小分類 如8M主板、16M/32M主板、64M主板3.按主機板規(guī)格分類

17、 如AT主板、Baby-AT主板、ATX主板4.按芯片組分類 如TX主板、LX主板、BX主板5.按是否支持PnP分類 如PnP主板、非PnP主板（遺留主板）,2024/3/21,22,主板的分類（續(xù)）,6.按CPU插座分類

18、 如Socket 7主板、Slot 1主板7.按系統(tǒng)總線的帶寬分類 如66MHz主板、100MHz主板8.按數(shù)據(jù)端口分類 如SCSI主板、EDO主板、AGP主板9.按擴展槽分類

19、 如ISA/EISA/MCA/PCI/VL/USB等主板10.按生產(chǎn)廠家分類 如微星主板、青云主板、聯(lián)想主板等,2024/3/21,23,芯片組的由來,在最初IBM PC的主板上，除微處理器8088、協(xié)處理器8087外，還有時鐘發(fā)生器8284、總線控制器8288、系統(tǒng)定時器8253、中斷控制器8259、DMA控制器8237、鍵盤控制器8255等芯片

20、。1986年Chip and Technologies公司推出革命性的82C206芯片，用它代替多個芯片，開創(chuàng)了芯片組的市場。,2024/3/21,24,INTEL介入芯片組,80286問世后，兩年多才出現(xiàn)第一塊286主板。80386問世后，也一年多才有第一塊386主板。這都不是Intel的速度（以及質(zhì)量）。于是1989年4月Intel隨80486一起推出420芯片組，數(shù)月后就有了486主板。1993年Intel在推出奔騰的同時，

21、推出了430 LX芯片組，而且推出了全部完成的奔騰主板。,2024/3/21,25,INTEL芯片組概況,Intel芯片組通常有 兩塊：北橋和南橋,2024/3/21,26,系統(tǒng)總線的結(jié)構(gòu),PC總線以其快慢分為不同等級：（1）處理器外部總線：64位寬，66MHz、 100MHz，并與存儲器及北橋連接（2）AGP（圖形加速端口）總線：32位寬，66MHz，與高速顯卡及南橋連接（3）PCI（外部設(shè)備互連）總線：32位寬，33MH

22、z，并與I/O超級芯片連接（4）ISA（工業(yè)標準體系結(jié)構(gòu)）總線：16位寬，8MHz,2024/3/21,27,主板的規(guī)格,Baby-AT（1983-1996）Full-Size AT（1984，尺寸太大）LPX（1987由Western Digital設(shè)計，半專用）ATX（1995.7由Intel正式頒布，很流行）Micro-ATX（1997.12由Intel頒布）Flex-ATX（1999.3由Intel頒布）NLX（1

23、996.11由Intel頒布）WTX（1998.9，用于中高檔服務(wù)器）其他,2024/3/21,28,奔騰IV的芯片組,2000年11月Intel發(fā)布了支持奔騰IV的850芯片組，北橋為MCH 82850，南橋為ICH2 82801。它們有比較高的整體性能，但價格高，而且它支持的是昂貴的RDRAM、帶寬也有問題。最近，2002年9月10日Intel又發(fā)布了845芯片組。北橋為MCH 82845，南橋未變。這似乎是退了一步，但是“退

24、一步，進兩步”。關(guān)于其中的奧妙，本次活動另有同行演講。,2024/3/21,29,安騰：IA-64的體系結(jié)構(gòu),1999年10月4日Intel發(fā)布了64位的品牌安騰。安騰的核心技術(shù)是顯性并行指令計算，EPIC即Explicitly Parallel Instruction Computing。超越了CISC與RISC的設(shè)計理念，它基于預(yù)測、推理、簡明并行性等創(chuàng)新特性，實現(xiàn)了更高的指令級并行性。其實，EPIC技術(shù)建立在豐滿的流水線、寄存器

25、的基礎(chǔ)上。安騰有10條流水線、128個整數(shù)寄存器、128個浮點寄存器、8個分支寄存器、64個分支預(yù)測寄存器。通過優(yōu)化編譯，提前安排裝入指令，從而最大限度地減少分支損耗。安騰處理器能同時完成20個操作或交易，從而實現(xiàn)了高端企業(yè)級用戶所需服務(wù)器的一流性能。,2024/3/21,30,安騰的結(jié)構(gòu),采用一體化的三級高速緩存。靠近CPU的一級高速緩存為32K，分別給數(shù)據(jù)16K、指令16K。其映射方式是4路成組相聯(lián)（4-way set assoc

26、iative）。二級高速緩存96K，6路成組相聯(lián)結(jié)構(gòu)。三級高速緩存為2M或4M，也用4路成組相聯(lián)結(jié)構(gòu)。成組相聯(lián)映射既有直接映射（direct mapped）的簡單快速，又有全相聯(lián)映射（fully associative）的沖突概率低、空間利用率高等優(yōu)點。因此，能使高度并行的流水線全速運行。一體化是指用同樣的集成工藝實現(xiàn)，安騰的CPU有2500萬個晶體管，而高速緩存用了3億個。,2024/3/21,31,安騰的糾錯與兼容,安騰具有完善

27、的“機器檢驗體系結(jié)構(gòu)”（MCA）。對于系統(tǒng)總線、高速緩存進行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都有先進的錯誤檢測、糾正和處理能力。對于機器的運行也有全面的錯誤記錄。糾正錯誤后，提供通知，使操作平臺保留這些數(shù)據(jù)，以便將來采取保護措施和制定系統(tǒng)維護決策。為了保護投資利益，在硬件上建立了與IA-32指令的二進制兼容性。許多廠商為企業(yè)服務(wù)器、工作站及技術(shù)解決方案開發(fā)了優(yōu)化的軟件。這些軟件與未來的安騰體系結(jié)構(gòu)也是完全兼容的。,2024/3/21,32,安騰的形象,當年

28、發(fā)布奔騰芯片時，英特爾總裁強調(diào)：奔騰是因特網(wǎng)芯片（Internet chip），它將改善您對因特網(wǎng)的感受，使互動多媒體更加逼真、更加栩栩如生。但是，現(xiàn)在對安騰的宣傳則是：安騰是因特網(wǎng)經(jīng)濟內(nèi)部的引擎（ Itanium is the Engine inside the Internet Economy）,2024/3/21,33,安騰已經(jīng)進入GFLOPS,在超級計算領(lǐng)域，常用FLOPS表示運算的速度，即每秒運算的浮點指令數(shù)。當然，它的前

29、面常要冠以K、M、G、T等前綴，成為KFLOPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS。事實上，早期克雷巨型機（Cray-1）的運算速度只有160MFLOPS，而今天的安騰已經(jīng)達到6.4GFLOPS。可見它比Cray-1快了40倍。,2024/3/21,34,INTEL的TFLOPS超級電腦,美國能源部的計算機模擬要求更高速的電腦。它建立了ASCI項目，即Accelerated Strategic Computing Initia