芯片體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展.pptVIP

2019/7/4,1,芯片體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展,2019/7/4,2,硬件的層次結(jié)構(gòu),1. 芯片級(jí)（chip level） 2. 板卡級(jí)（board and card level） 3. 設(shè)備級(jí)（equipment level） 4. 網(wǎng)絡(luò)級(jí)（network level）,2019/7/4,3,芯片的種類繁多,1.處理器芯片（processor chip） 2.存儲(chǔ)器芯片（memory chip） 3.主板芯片組（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）,2019/7/4,4,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(jì)算機(jī)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(jī)體系結(jié)構(gòu)（Mainframe Architecture）例如1964年IBM 360，24位。1983年IBM 370-XA，32位。 現(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。,2019/7/4,5,芯片技術(shù)突飛猛進(jìn),2019/7/4,6,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)輸入輸出總線的寬度為64位。 存儲(chǔ)器地址總線的寬度：,7,奔騰芯片的體系結(jié)構(gòu),1.超標(biāo)量技術(shù)（Superscalar）雙ALU 2.超流水技術(shù)（Superpipeline）八級(jí) 3.哈佛結(jié)構(gòu)：指令Cache和數(shù)據(jù)Cache 4.分支動(dòng)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(cuò)誤檢測及校驗(yàn)技術(shù) 9.電源效率技術(shù) 10.支持多重處理,2019/7/4,8,超標(biāo)量技術(shù),486及以前的芯片，一個(gè)時(shí)間只能執(zhí)行一條指令。奔騰芯片始，同時(shí)能執(zhí)行多于一條指令，這稱為超標(biāo)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(diǎn)指令流水線（加、乘、除），因此能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)處理，以空間換取了時(shí)間。,2019/7/4,9,超流水線技術(shù),通過細(xì)化流水、提高主頻，使得在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)能完成多個(gè)操作，稱為超流水線技術(shù)。 例如每條整數(shù)流水線都分為4級(jí)（指令預(yù)取、譯碼、執(zhí)行、寫回結(jié)果） 浮點(diǎn)流水線則分為8級(jí)（指令預(yù)取、譯碼、執(zhí)行、寫回結(jié)果、兩級(jí)浮點(diǎn)操作、一級(jí)4舍5入并寫回結(jié)果、一級(jí)出錯(cuò)報(bào)告）,2019/7/4,10,MMX技術(shù),MMX技術(shù)指Multi Media Extension即多媒體擴(kuò)展技術(shù)。 在體系結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)： 1. 內(nèi)部L1高速緩存更大，改善軟件運(yùn)行的特性。 2. 在處理器的指令系統(tǒng)中，擴(kuò)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、音頻、圖形和動(dòng)畫的循環(huán)處理。,2019/7/4,11,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(kuò)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(jí)圖像處理、3D、流式音頻和視頻DVD回放、語音識(shí)別特別有用。,2019/7/4,12,NetBurst技術(shù),這是奔騰IV體系結(jié)構(gòu)的核心。 20級(jí)超流水線技術(shù)、 增強(qiáng)雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算、快速執(zhí)行引擎和400 MHz系統(tǒng)總線。 具有高級(jí)傳輸高速緩存（芯片上的高級(jí)緩存，而不是過去的分立的，延時(shí)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(qiáng)了性能、SSE-2即流式SIMD擴(kuò)展2技術(shù)和先進(jìn)的動(dòng)態(tài)執(zhí)行（同時(shí)執(zhí)行100多條指令）技術(shù)。 瞬時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)3.2Gbps。,2019/7/4,13,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(dāng)?shù)?BIOS支持。 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(jìn)行散熱。,2019/7/4,14,進(jìn)程與線程,60年代就提出“進(jìn)程”（process）的概念。操作系統(tǒng)調(diào)度進(jìn)程、分配資源、響應(yīng)用戶的請求。因此，進(jìn)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(jìn)程更小的獨(dú)立運(yùn)行單位，一個(gè)進(jìn)程由多個(gè)線程組成，讓進(jìn)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。,2019/7/4,15,超線程技術(shù)的新徽標(biāo),Hyper 超 Threading 線程 HT Technology 超線程技術(shù),2019/7/4,16,新徽標(biāo)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(shí)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),2019/7/4,17,Intel的超線程技術(shù),超線程技術(shù)，通俗地說就是“一芯二用”。 在線程級(jí)的層次上實(shí)現(xiàn)并行處理。 它能最大限度地利用處理器資源，使一個(gè)處理器同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)獨(dú)立的軟件線程，使電腦能更高效地工作。,2019/7/4,18,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(shí)間內(nèi)完成更多的工作。 提高當(dāng)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(kuò)大高峰負(fù)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(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)行重要的后臺(tái)應(yīng)用，而不會(huì)影響用戶的正常使用或工作效率。,2019/7/4,19,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(tái)式機(jī)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(jī)可能會(huì)滿足上述平臺(tái)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(huì)具備帶有超線程徽標(biāo)的全新奔騰 IV 處理器。購買基于 Linux 操作系統(tǒng)的 PC 機(jī)時(shí)，請注意與PC 供應(yīng)商確認(rèn)所購 PC 機(jī)是否滿 足上述平臺(tái)要求，能否實(shí)現(xiàn)超線程技術(shù)。,2019/7/4,20,板卡的組成,（1）CPU 行政機(jī)構(gòu) （2）存儲(chǔ)器樓堂館所、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(jī)場 （6）電源設(shè)在遠(yuǎn)郊的發(fā)電廠,2019/7/4,21,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(chǔ)器大小分類 如8M主板、16M/32M主板、64M主板 3.按主機(jī)板規(guī)格分類 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）,2019/7/4,22,主板的分類（續(xù)）,6.按CPU插座分類 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(kuò)展槽分類 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,2019/7/4,23,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(shí)鐘發(fā)生器8284、總線控制器8288、系統(tǒng)定時(shí)器8253、中斷控制器8259、DMA控制器8237、鍵盤控制器8255等芯片。 1986年Chip and Technologies公司推出革命性的82C206芯片，用它代替多個(gè)芯片，開創(chuàng)了芯片組的市場。,2019/7/4,24,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(shí)，推出了430 LX芯片組，而且推出了全部完成的奔騰主板。,2019/7/4,25,INTEL芯片組概況,Intel芯片組通常有 兩塊：北橋和南橋,2019/7/4,26,系統(tǒng)總線的結(jié)構(gòu),PC總線以其快慢分為不同等級(jí)： （1）處理器外部總線：64位寬，66MHz、 100MHz，并與存儲(chǔ)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，33MHz，并與I/O超級(jí)芯片連接 （4）ISA（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)）總線：16位寬，8MHz,2019/7/4,27,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(jì)，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（1996.11由Intel頒布） WTX（1998.9，用于中高檔服務(wù)器） 其他,2019/7/4,28,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?yàn)镸CH 82850，南橋?yàn)镮CH2 82801。它們有比較高的整體性能，但價(jià)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?yàn)镸CH 82845，南橋未變。這似乎是退了一步，但是“退一步，進(jìn)兩步”。關(guān)于其中的奧妙，本次活動(dòng)另有同行演講。,2019/7/4,29,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(jì)算，EPIC即Explicitly Parallel Instruction Computing。超越了CISC與RISC的設(shè)計(jì)理念，它基于預(yù)測、推理、簡明并行性等創(chuàng)新特性，實(shí)現(xiàn)了更高的指令級(jí)并行性。其實(shí)，EPIC技術(shù)建立在豐滿的流水線、寄存器的基礎(chǔ)上。安騰有10條流水線、128個(gè)整數(shù)寄存器、128個(gè)浮點(diǎn)寄存器、8個(gè)分支寄存器、64個(gè)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(shí)完成20個(gè)操作或交易，從而實(shí)現(xiàn)了高端企業(yè)級(jí)用戶所需服務(wù)器的一流性能。,2019/7/4,30,安騰的結(jié)構(gòu),采用一體化的三級(jí)高速緩存。靠近CPU的一級(jí)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 associative）。 二級(jí)高速緩存96K，6路成組相聯(lián)結(jié)構(gòu)。 三級(jí)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(diǎn)。因此，能使高度并行的流水線全速運(yùn)行。一體化是指用同樣的集成工藝實(shí)現(xiàn)，安騰的CPU有2500萬個(gè)晶體管，而高速緩存用了3億個(gè)。,2019/7/4,31,安騰的糾錯(cuò)與兼容,安騰具有完善的“機(jī)器檢驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)”（MCA）。對于系統(tǒng)總線、高速緩存進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都有先進(jìn)的錯(cuò)誤檢測、糾正和處理能力。對于機(jī)器的運(yùn)行也有全面的錯(cuò)誤記錄。糾正錯(cuò)誤后，提供通知，使操作平臺(tái)保留這些數(shù)據(jù)，以便將來采取保護(hù)措施和制定系統(tǒng)維護(hù)決策。 為了保護(hù)投資利益，在硬件上建立了與IA-32指令的二進(jìn)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。,2019/7/4,32,安騰的形象,當(dāng)年發(fā)布奔騰芯片時(shí)，英特爾總裁強(qiáng)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(dòng)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(jì)內(nèi)部的引擎（ Itanium is the Engine inside the Internet Economy）,2019/7/4,33,安騰已經(jīng)進(jìn)入GFLOPS,在超級(jí)計(jì)算領(lǐng)域，常用FLOPS表示運(yùn)算的速度，即每秒運(yùn)算的浮點(diǎn)指令數(shù)。當(dāng)然，它的前面常要冠以K、M、G、T等前綴，成為KFLOPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS。 事實(shí)上，早期克雷巨型機(jī)（Cray-1）的運(yùn)算速度只有160MFLOPS，