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1、2023/9/29,1,计算机应用基础第2章辅导材料：芯片体系结构的发展,刘瑞挺2003年8月,2023/9/29,2,硬件的层次结构,1.芯片级（chip level）2.板卡级（board and card level）3.设备级（equipment level）4.网络级（network level）,2023/9/29,3,芯片的种类繁多,1.处理器芯片（processor chip）2.存储器芯片（memory chip）3.主板芯片组（chip set）4.BIOS芯片（rom bios）5.输入输出芯片（I/O chip）6.控制器芯片（controller chip）7.特殊芯
2、片（network chipset,3-D chip,video chip）,2023/9/29,4,微处理器体系结构,体系结构是建筑学术语。计算机体系结构指概念性的结构和功能特性。过去，大型主机体系结构（Mainframe Architecture）例如1964年IBM 360，24位。1983年IBM 370-XA，32位。现在，微处理器体系结构（Microprocessor Architecture）。例如1978年Intel 8086，16位。1985年Intel 80386，32位。微体系结构比传统体系结构更丰富。,2023/9/29,5,芯片技术突飞猛进,2023/9/29,6,奔
3、腾的位数,内部寄存器的宽度为32位，这决定了奔腾仍是32位的微处理器，即IA-32体系结构。数据输入输出总线的宽度为64位。存储器地址总线的宽度：,2023/9/29,7,奔腾芯片的体系结构,1.超标量技术（Superscalar）双ALU2.超流水技术（Superpipeline）八级3.哈佛结构：指令Cache和数据Cache4.分支动态预测 5.固化常用指令6.数据总线的拓宽及突发模式7.采用PCI局部总线8.错误检测及校验技术9.电源效率技术 10.支持多重处理,2023/9/29,8,超标量技术,486及以前的芯片，一个时间只能执行一条指令。奔腾芯片始，同时能执行多于一条指令，这称为
4、超标量技术。例如经典奔腾有两条整数指令流水线 U指令流水线：CISC和RISC都执行 V指令流水线：只执行RISC指令还有一条浮点指令流水线（加、乘、除），因此能同时执行多个处理，以空间换取了时间。,2023/9/29,9,超流水线技术,通过细化流水、提高主频，使得在一个时间周期内能完成多个操作，称为超流水线技术。例如每条整数流水线都分为4级（指令预取、译码、执行、写回结果）浮点流水线则分为8级（指令预取、译码、执行、写回结果、两级浮点操作、一级4舍5入并写回结果、一级出错报告）,2023/9/29,10,MMX技术,MMX技术指Multi Media Extension即多媒体扩展技术。在体
5、系结构上的改进：1.内部L1高速缓存更大，改善软件运行的特性。2.在处理器的指令系统中，扩展了57条指令，它们是单指令流多数据流（SIMD）的，能加快对视频、音频、图形和动画的循环处理。,2023/9/29,11,SSE技术,在奔腾III中首先出现。SSE是Streaming SIMD Extension的缩写，即流式单指令多数据扩展。在MMX的基础上，又增加了70条新指令，用于图形和声音处理。对高级图像处理、3D、流式音频和视频DVD回放、语音识别特别有用。,2023/9/29,12,NetBurst技术,这是奔腾IV体系结构的核心。20级超流水线技术、增强双精度浮点运算、快速执行引擎和40
6、0 MHz系统总线。具有高级传输高速缓存（芯片上的高级缓存，而不是过去的分立的，延时更短）、执行跟踪高速缓存。多媒体单元又有144条新指令增强了性能、SSE-2即流式SIMD扩展2技术和先进的动态执行（同时执行100多条指令）技术。瞬时数据传输速率高达3.2Gbps。,2023/9/29,13,奔腾IV的特殊要求,奔腾IV有特殊的系统要求，例如支持NetBurst 体系结构的芯片组、固位装置和适当的 BIOS支持。奔腾IV要用特殊的主板，即基于Intel 850 AGP芯片组的主板。主板必须符合奔腾IV的电流和电压要求。奔腾IV的封装技术采用 423 针栅格阵列，即采用 Organic Lan
7、d Grid Array（OLGA）技术。因此要用PGA423 插座。插座上安装了集成的热量延展器（IHS），提供了将热量传导到散热片的途径，以便在处理器工作期间进行散热。,2023/9/29,14,进程与线程,60年代就提出“进程”（process）的概念。操作系统调度进程、分配资源、响应用户的请求。因此，进程既是拥有资源的单位，也是系统调度的单位。80年代又提出“线程”（thread）的概念。它是比进程更小的独立运行单位，一个进程由多个线程组成，让进程仍是拥有资源的单位，但调度单位却是线程。线程的创建与终止都容易而开销也小。Windows NT、OS/2、Unix都是多线程的程序。数据库管
8、理系统和其他应用软件也引入线程而改善性能。,2023/9/29,15,超线程技术的新徽标,Hyper 超Threading 线程HT Technology超线程技术,2023/9/29,16,新徽标的含义,一、支持超线程技术、主频 3.06 GHz 或以上的Intel 奔腾IV 处理器 二、支持超线程技术的Intel 芯片组 三、支持并实现超线程技术的系统 BIOS 四、针对超线程技术优化过的操作系统,2023/9/29,17,Intel的超线程技术,超线程技术，通俗地说就是“一芯二用”。在线程级的层次上实现并行处理。它能最大限度地利用处理器资源，使一个处理器同时运行两个独立的软件线程，使电脑
9、能更高效地工作。,2023/9/29,18,超线程系统的优势,提高多任务环境下的系统响应能力，使用户能够在更少的时间内完成更多的工作。提高当前或未来采用超线程技术的多线程应用的性能。通过扩大高峰负载的性能，为用户带来增值的优势。为IT部门提供灵活性，能在更安全、更可靠和可管理的计算基础设施上运行重要的后台应用，而不会影响用户的正常使用或工作效率。,2023/9/29,19,支持超线程技术的操作系统,针对超线程技术优化过的台式机操作系统包括：Microsoft Windows XP 家用版和专业版、基于 2.4.18 或更高内核版本的 Linux 操作系统。尽管基于 Linux 操作系统的 PC
10、 机可能会满足上述平台要求，能够实现超线程技术，但在近期这些系统将不会具备带有超线程徽标的全新奔腾 IV 处理器。购买基于 Linux 操作系统的 PC 机时，请注意与PC 供应商确认所购 PC 机是否满 足上述平台要求，能否实现超线程技术。,2023/9/29,20,板卡的组成,（1）CPU 行政机构（2）存储器楼堂馆所、广场（3）芯片组交通控制枢纽（4）总线大街小巷、高速公路（5）插槽车站、码头、机场（6）电源设在远郊的发电厂,2023/9/29,21,主板的分类,1.按CPU芯片分类 如486主板、奔腾主板、奔腾IV主板2.按存储器大小分类 如8M主板、16M/32M主板、64M主板3.
11、按主机板规格分类 如AT主板、Baby-AT主板、ATX主板4.按芯片组分类 如TX主板、LX主板、BX主板5.按是否支持PnP分类 如PnP主板、非PnP主板（遗留主板）,2023/9/29,22,主板的分类（续）,6.按CPU插座分类 如Socket 7主板、Slot 1主板7.按系统总线的带宽分类 如66MHz主板、100MHz主板8.按数据端口分类 如SCSI主板、EDO主板、AGP主板9.按扩展槽分类 如ISA/EISA/MCA/PCI/VL/USB等主板10.按生产厂家分类 如微星主板、青云主板、联想主板等,2023/9/29,23,芯片组的由来,在最初IBM PC的主板上，除微处
12、理器8088、协处理器8087外，还有时钟发生器8284、总线控制器8288、系统定时器8253、中断控制器8259、DMA控制器8237、键盘控制器8255等芯片。1986年Chip and Technologies公司推出革命性的82C206芯片，用它代替多个芯片，开创了芯片组的市场。,2023/9/29,24,INTEL介入芯片组,80286问世后，两年多才出现第一块286主板。80386问世后，也一年多才有第一块386主板。这都不是Intel的速度（以及质量）。于是1989年4月Intel随80486一起推出420芯片组，数月后就有了486主板。1993年Intel在推出奔腾的同时，推
13、出了430 LX芯片组，而且推出了全部完成的奔腾主板。,2023/9/29,25,INTEL芯片组概况,Intel芯片组通常有 两块：北桥和南桥,2023/9/29,26,系统总线的结构,PC总线以其快慢分为不同等级：（1）处理器外部总线：64位宽，66MHz、100MHz，并与存储器及北桥连接（2）AGP（图形加速端口）总线：32位宽，66MHz，与高速显卡及南桥连接（3）PCI（外部设备互连）总线：32位宽，33MHz，并与I/O超级芯片连接（4）ISA（工业标准体系结构）总线：16位宽，8MHz,2023/9/29,27,主板的规格,Baby-AT（1983-1996）Full-Size
14、 AT（1984，尺寸太大）LPX（1987由Western Digital设计，半专用）ATX（1995.7由Intel正式颁布，很流行）Micro-ATX（1997.12由Intel颁布）Flex-ATX（1999.3由Intel颁布）NLX（1996.11由Intel颁布）WTX（1998.9，用于中高档服务器）其他,2023/9/29,28,奔腾IV的芯片组,2000年11月Intel发布了支持奔腾IV的850芯片组，北桥为MCH 82850，南桥为ICH2 82801。它们有比较高的整体性能，但价格高，而且它支持的是昂贵的RDRAM、带宽也有问题。最近，2002年9月10日Intel
15、又发布了845芯片组。北桥为MCH 82845，南桥未变。这似乎是退了一步，但是“退一步，进两步”。关于其中的奥妙，本次活动另有同行演讲。,2023/9/29,29,安腾：IA-64的体系结构,1999年10月4日Intel发布了64位的品牌安腾。安腾的核心技术是显性并行指令计算，EPIC即Explicitly Parallel Instruction Computing。超越了CISC与RISC的设计理念，它基于预测、推理、简明并行性等创新特性，实现了更高的指令级并行性。其实，EPIC技术建立在丰满的流水线、寄存器的基础上。安腾有10条流水线、128个整数寄存器、128个浮点寄存器、8个分支
16、寄存器、64个分支预测寄存器。通过优化编译，提前安排装入指令，从而最大限度地减少分支损耗。安腾处理器能同时完成20个操作或交易，从而实现了高端企业级用户所需服务器的一流性能。,2023/9/29,30,安腾的结构,采用一体化的三级高速缓存。靠近CPU的一级高速缓存为32K，分别给数据16K、指令16K。其映射方式是4路成组相联（4-way set associative）。二级高速缓存96K，6路成组相联结构。三级高速缓存为2M或4M，也用4路成组相联结构。成组相联映射既有直接映射（direct mapped）的简单快速，又有全相联映射（fully associative）的冲突概率低、空间利
17、用率高等优点。因此，能使高度并行的流水线全速运行。一体化是指用同样的集成工艺实现，安腾的CPU有2500万个晶体管，而高速缓存用了3亿个。,2023/9/29,31,安腾的纠错与兼容,安腾具有完善的“机器检验体系结构”（MCA）。对于系统总线、高速缓存进行传输的数据都有先进的错误检测、纠正和处理能力。对于机器的运行也有全面的错误记录。纠正错误后，提供通知，使操作平台保留这些数据，以便将来采取保护措施和制定系统维护决策。为了保护投资利益，在硬件上建立了与IA-32指令的二进制兼容性。许多厂商为企业服务器、工作站及技术解决方案开发了优化的软件。这些软件与未来的安腾体系结构也是完全兼容的。,2023
18、/9/29,32,安腾的形象,当年发布奔腾芯片时，英特尔总裁强调：奔腾是因特网芯片（Internet chip），它将改善您对因特网的感受，使互动多媒体更加逼真、更加栩栩如生。但是，现在对安腾的宣传则是：安腾是因特网经济内部的引擎（Itanium is the Engine inside the Internet Economy）,2023/9/29,33,安腾已经进入GFLOPS,在超级计算领域，常用FLOPS表示运算的速度，即每秒运算的浮点指令数。当然，它的前面常要冠以K、M、G、T等前缀，成为KFLOPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS。事实上，早期克雷巨型机（Cray-1）的运算速度只有160MFLOPS，而今天的安腾已经达到6.4GFLOPS。可见它比Cray-1快了40倍。,2023/9/29,34,INTEL的TFLOPS超级电脑,美国能源部的计算机模拟要求更高速的电脑。它建立了ASCI项目，即Accelerated Strategic Computing Initiative。Intel为此研制了超级电脑，1997年完成。MP LINPACK的记录是1.34 TFLOPS。它采用了9152个奔腾（Pentium Pro）芯片。科学研究需要的计算能力是没有止境的。,2023/9/29,35,谢谢大家,刘瑞挺,
