芯片体系结构的发展.pptx

2024/8/9 2024/8/9 周五周五1 1硬件的层次结构硬件的层次结构1.芯片级（芯片级（chip level）2.板卡级（板卡级（board and card level）3.设备级（设备级（equipment level）4.网络级（网络级（network level）2024/8/9 2024/8/9 周五周五2 2芯片的种类繁多芯片的种类繁多1.处理器芯片（处理器芯片（processor chip）2.存储器芯片（存储器芯片（memory chip）3.主板芯片组（主板芯片组（chip set）4.BIOS芯片（芯片（rom bios）5.输入输出芯片（输入输出芯片（I/O chip）6.控制器芯片（控制器芯片（controller chip）7.特殊芯片（特殊芯片（network chipset,3-D chip,video chip）2024/8/9 2024/8/9 周五周五3 3微处理器体系结构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。指概念性的结构和功能特性。过去，大型主机体系结构（过去，大型主机体系结构（Mainframe Architecture）例如）例如1964年年IBM 360，24位。位。1983年年IBM 370-XA，32位。位。现在，微处理器体系结构现在，微处理器体系结构（Microprocessor Architecture）。例如）。例如1978年年Intel 8086，16位。位。1985年年Intel 80386，32位。位。微体系结构比传统体系结构更丰富。微体系结构比传统体系结构更丰富。2024/8/9 2024/8/9 周五周五4 4芯片技术突飞猛进芯片技术突飞猛进800819720.35万万 10微米微米808019740.60万万 6微米微米808619782.9万万 3微米微米80286198213.4万万 3微米微米80386198527.5万万 1微米微米804861989120万万 0.8微米微米Pentium I1993310万万0.35微米微米Pentium II1997750万万0.35微米微米Pentium III 19992900万万0.25微米微米Pentium IV 20004200万万0.13微米微米2024/8/9 2024/8/9 周五周五5 5奔腾的位数奔腾的位数内部寄存器的宽度为内部寄存器的宽度为32位，这决定了奔腾位，这决定了奔腾仍是仍是32位的微处理器，即位的微处理器，即IA-32体系结构。体系结构。数据输入输出总线的宽度为数据输入输出总线的宽度为64位。位。存储器地址总线的宽度：存储器地址总线的宽度：8088，808620位位1MB286，386SX24位位16MB386DX,486,奔腾奔腾I32位位4GB奔腾奔腾II,奔腾奔腾III,奔腾奔腾IV36位位64GB2024/8/9 2024/8/9 周五周五6 6奔腾芯片的体系结构奔腾芯片的体系结构1.1.超标量技术（超标量技术（SuperscalarSuperscalar）双双ALUALU2.2.超流水技术（超流水技术（SuperpipelineSuperpipeline）八级八级3.3.哈佛结构：指令哈佛结构：指令CacheCache和数据和数据CacheCache4.4.分支动态预测分支动态预测 5.5.固化常用指令固化常用指令6.6.数据总线的拓宽及突发模式数据总线的拓宽及突发模式7.7.采用采用PCIPCI局部总线局部总线8.8.错误检测及校验技术错误检测及校验技术9.9.电源效率技术电源效率技术 10.10.支持多重处理支持多重处理2024/8/9 2024/8/9 周五周五7 7超标量技术超标量技术486及以前的芯片，一个时间只能执行及以前的芯片，一个时间只能执行一条指令。奔腾芯片始，同时能执行一条指令。奔腾芯片始，同时能执行多于一条指令，这称为超标量技术。多于一条指令，这称为超标量技术。例如经典奔腾有两条整数指令流水线例如经典奔腾有两条整数指令流水线 U指令流水线：指令流水线：CISC和和RISC都执行都执行 V指令流水线：只执行指令流水线：只执行RISC指令指令还有一条浮点指令流水线（加、乘、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，以除），因此能同时执行多个处理，以空间换取了时间。空间换取了时间。2024/8/9 2024/8/9 周五周五8 8超流水线技术超流水线技术通过细化流水、提高主频，使得在一个时通过细化流水、提高主频，使得在一个时间周期内能完成多个操作，称为超流水线间周期内能完成多个操作，称为超流水线技术。技术。例如每条整数流水线都分为例如每条整数流水线都分为4级（指令预取、级（指令预取、译码、执行、写回结果）译码、执行、写回结果）浮点流水线则分为浮点流水线则分为8级（指令预取、译码、级（指令预取、译码、执行、写回结果、两级浮点操作、一级执行、写回结果、两级浮点操作、一级4舍舍5入并写回结果、一级出错报告）入并写回结果、一级出错报告）2024/8/9 2024/8/9 周五周五9 9MMX技术技术MMX技术指技术指Multi Media Extension即即多媒体扩展技术。多媒体扩展技术。在体系结构上的改进：在体系结构上的改进：1.内部内部L1高速缓存更大，改善软件运高速缓存更大，改善软件运行的特性。行的特性。2.在处理器的指令系统中，扩展了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条指令，它们是单指令流多数据流（SIMD）的，能加快对视频、音频、）的，能加快对视频、音频、图形和动画的循环处理。图形和动画的循环处理。2024/8/9 2024/8/9 周五周五1010SSE技术技术在奔腾在奔腾III中首先出现。中首先出现。SSE是是Streaming SIMD Extension的的缩写，即流式单指令多数据扩展。缩写，即流式单指令多数据扩展。在在MMX的基础上，又增加了的基础上，又增加了70条新指条新指令，用于图形和声音处理。令，用于图形和声音处理。对高级图像处理、对高级图像处理、3D、流式音频和视、流式音频和视频频DVD回放、语音识别特别有用。回放、语音识别特别有用。2024/8/9 2024/8/9 周五周五1111NetBurst技术技术这是奔腾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400 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。2024/8/9 2024/8/9 周五周五1212奔腾奔腾IV的特殊要求的特殊要求奔腾奔腾IV有特殊的系统要求，例如支持有特殊的系统要求，例如支持NetBurst 体体系结构的芯片组、固位装置和适当的系结构的芯片组、固位装置和适当的 BIOS支持。支持。奔腾奔腾IV要用特殊的主板，即基于要用特殊的主板，即基于Intel 850 AGP芯芯片组的主板。主板必须符合奔腾片组的主板。主板必须符合奔腾IV的电流和电压的电流和电压要求。要求。奔腾奔腾IV的封装技术采用的封装技术采用 423 针栅格阵列，即采用针栅格阵列，即采用 Organic Land Grid Array（OLGA）技术。因）技术。因此要用此要用PGA423 插座。插座。插座上安装了集成的热量延展器（插座上安装了集成的热量延展器（IHS），提供），提供了将热量传导到散热片的途径，以便在处理器工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。作期间进行散热。2024/8/9 2024/8/9 周五周五1313进程与线程进程与线程60年代就提出年代就提出“进程进程”（process）的概念。）的概念。操作系统调度进程、分配资源、响应用户操作系统调度进程、分配资源、响应用户的请求。因此，进程既是拥有资源的单位，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。也是系统调度的单位。80年代又提出年代又提出“线程线程”（thread）的概念。）的概念。它是比进程更小的独立运行单位，一个进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。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。线程的创建与终止都容易而开销也小。Windows NT、OS/2、Unix都是多线程的都是多线程的程序。数据库管理系统和其他应用软件也程序。数据库管理系统和其他应用软件也引入线程而改善性能。引入线程而改善性能。2024/8/9 2024/8/9 周五周五1414超线程技术的新徽标超线程技术的新徽标Hyper 超超Threading 线程线程HT Technology超线程技术超线程技术2024/8/9 2024/8/9 周五周五1515新徽标的含义新徽标的含义一、支持超线程技术、主频一、支持超线程技术、主频 3.06 GHz 或以上的或以上的Intel 奔腾奔腾IV 处理器处理器 二、支持超线程技术的二、支持超线程技术的Intel 芯片芯片组组 三、支持并实现超线程技术的系统三、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四、针对超线程技术优化过的操作系统系统2024/8/9 2024/8/9 周五周五1616Intel的超线程技术超线程技术，通俗地说就是超线程技术，通俗地说就是“一芯一芯二用二用”。在线程级的层次上实现并行处理。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，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使一个处理器同时运行两个独立的软件线程，使电脑能更高效地工作。软件线程，使电脑能更高效地工作。2024/8/9 2024/8/9 周五周五1717超线程系统的优势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。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提高当前或未来采用超线程技术的多线程应用的性能。的性能。通过扩大高峰负载的性能，为用户带来增值的通过扩大高峰负载的性能，为用户带来增值的优势。优势。为为IT部门提供灵活性，能在更安全、更可靠和部门提供灵活性，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，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。而不会影响用户的正常使用或工作效率。2024/8/9 2024/8/9 周五周五1818支持超线程技术的操作系统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：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、基于家用版和专业版、基于 2.4.18 或更高内核版本的或更高内核版本的 Linux 操作系统。尽管操作系统。尽管基于基于 Linux 操作系统的操作系统的 PC 机可能会满足上述平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统将不会具备带有超线程徽标的全新奔腾 IV 处理处理器。购买基于器。购买基于 Linux 操作系统的操作系统的 PC 机时，请注机时，请注意与意与PC 供应商确认所购供应商确认所购 PC 机是否满机是否满 足上述平足上述平台要求，能否实现超线程技术。台要求，能否实现超线程技术。2024/8/9 2024/8/9 周五周五1919板卡的组成板卡的组成（1）CPU 行政机构行政机构（2）存储器）存储器楼楼堂馆所、广场堂馆所、广场（3）芯片组）芯片组交通控制枢纽交通控制枢纽（4）总线）总线大街小巷、大街小巷、高速公路高速公路（5）插槽）插槽车站、车站、码头、机场码头、机场（6）电源）电源设在设在远郊的发电厂远郊的发电厂2024/8/9 2024/8/9 周五周五2020主板的分类主板的分类1.按按CPU芯片分类芯片分类 如如486主板、奔腾主板、奔腾主板、奔腾主板、奔腾IV主板主板2.按存储器大小分类按存储器大小分类 如如8M主板、主板、16M/32M主板、主板、64M主板主板3.按主机板规格分类按主机板规格分类 如如AT主板、主板、Baby-AT主板、主板、ATX主板主板4.按芯片组分类按芯片组分类 如如TX主板、主板、LX主板、主板、BX主板主板5.按是否支持按是否支持PnP分类分类 如如PnP主板、非主板、非PnP主板（遗留主板）主板（遗留主板）2024/8/9 2024/8/9 周五周五2121主板的分类（续）主板的分类（续）6.按按CPU插座分类插座分类 如如Socket 7主板、主板、Slot 1主板主板7.按系统总线的带宽分类按系统总线的带宽分类 如如66MHz主板、主板、100MHz主板主板8.按数据端口分类按数据端口分类 如如SCSI主板、主板、EDO主板、主板、AGP主板主板9.按扩展槽分类按扩展槽分类 如如ISA/EISA/MCA/PCI/VL/USB等主板等主板10.按生产厂家分类按生产厂家分类 如微星主板、青云主板、联想主板等如微星主板、青云主板、联想主板等2024/8/9 2024/8/9 周五周五2222芯片组的由来芯片组的由来在最初在最初IBM PC的主板上，除微处理器的主板上，除微处理器8088、协处理器、协处理器8087外，还有时钟发外，还有时钟发生器生器8284、总线控制器、总线控制器8288、系统定、系统定时器时器8253、中断控制器、中断控制器8259、DMA控控制器制器8237、键盘控制器、键盘控制器8255等芯片。等芯片。1986年年Chip and Technologies公司公司推出革命性的推出革命性的82C206芯片，用它代替芯片，用它代替多个芯片，开创了芯片组的市场。多个芯片，开创了芯片组的市场。2024/8/9 2024/8/9 周五周五2323INTEL介入芯片组介入芯片组80286问世后，两年多才出现第一块问世后，两年多才出现第一块286主板。主板。80386问世后，也一年多才问世后，也一年多才有第一块有第一块386主板。这都不是主板。这都不是Intel的速的速度（以及质量）。度（以及质量）。于是于是1989年年4月月Intel随随80486一起推出一起推出420芯片组，数月后就有了芯片组，数月后就有了486主板。主板。1993年年Intel在推出奔腾的同时，推出在推出奔腾的同时，推出了了430 LX芯片组，而且推出了全部完芯片组，而且推出了全部完成的奔腾主板。成的奔腾主板。2024/8/9 2024/8/9 周五周五2424INTEL芯片组概况Intel芯片组通常有 两块：北桥和南桥430LX 430NX 430FX 430MX 430HX 430VX 430TX93.394.395.195.1096.296.297.2P66P75P75P75P75P75P75SIOSIOPIIXMPIIXPIIX3PIIX3PIIX42024/8/9 2024/8/9 周五周五2525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，8MHz2024/8/9 2024/8/9 周五周五2626主板的规格主板的规格Baby-AT（1983-1996）Full-Size AT（1984，尺寸太大），尺寸太大）LPX（1987由由Western Digital设计，半专设计，半专用）用）ATX（1995.7由由Intel正式颁布，很流行）正式颁布，很流行）Micro-ATX（1997.12由由Intel颁布）颁布）Flex-ATX（1999.3由由Intel颁布）颁布）NLX（1996.11由由Intel颁布）颁布）WTX（1998.9，用于中高档服务器），用于中高档服务器）其他其他2024/8/9 2024/8/9 周五周五2727奔腾奔腾IV的芯片组的芯片组2000年年11月月Intel发布了支持奔腾发布了支持奔腾IV的的850芯芯片组，北桥为片组，北桥为MCH 82850，南桥为，南桥为ICH2 82801。它们有比较高的整体性能，但价格。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高，而且它支持的是昂贵的RDRAM、带宽、带宽也有问题。也有问题。最近，最近，2002年年9月月10日日Intel又发布了又发布了845芯芯片组。北桥为片组。北桥为MCH 82845，南桥未变。这，南桥未变。这似乎是退了一步，但是似乎是退了一步，但是“退一步，进两步退一步，进两步”。关于其中的奥妙，本次活动另有同行。关于其中的奥妙，本次活动另有同行演讲。演讲。2024/8/9 2024/8/9 周五周五2828安腾：安腾：IA-64的体系结构的体系结构1999年年10月月4日日Intel发布了发布了64位的品牌安腾。位的品牌安腾。安腾的核心技术是显性并行指令计算，安腾的核心技术是显性并行指令计算，EPIC即即Explicitly Parallel Instruction Computing。超。超越了越了CISC与与RISC的设计理念，它基于预测、推的设计理念，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，级并行性。其实，EPIC技术建立在丰满的流水线、技术建立在丰满的流水线、寄存器的基础上。安腾有寄存器的基础上。安腾有10条流水线、条流水线、128个整个整数寄存器、数寄存器、128个浮点寄存器、个浮点寄存器、8个分支寄存器、个分支寄存器、64个分支预测寄存器。通过优化编译，提前安排个分支预测寄存器。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。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安腾处理器能同时完成20个操作或交易，从而实个操作或交易，从而实现了高端企业级用户所需服务器的一流性能。现了高端企业级用户所需服务器的一流性能。2024/8/9 2024/8/9 周五周五2929安腾的结构安腾的结构采用一体化的三级高速缓存。靠近采用一体化的三级高速缓存。靠近CPU的的一级高速缓存为一级高速缓存为32K，分别给数据，分别给数据16K、指、指令令16K。其映射方式是。其映射方式是4路成组相联（路成组相联（4-way set associative）。）。二级高速缓存二级高速缓存96K，6路成组相联结构。路成组相联结构。三级高速缓存为三级高速缓存为2M或或4M，也用，也用4路成组相路成组相联结构。成组相联映射既有直接映射联结构。成组相联映射既有直接映射（direct mapped）的简单快速，又有全相）的简单快速，又有全相联映射（联映射（fully associative）的冲突概率低、）的冲突概率低、空间利用率高等优点。因此，能使高度并空间利用率高等优点。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，安腾的的集成工艺实现，安腾的CPU有有2500万个万个晶体管，而高速缓存用了晶体管，而高速缓存用了3亿个。亿个。2024/8/9 2024/8/9 周五周五3030安腾的纠错与兼容安腾的纠错与兼容安腾具有完善的安腾具有完善的“机器检验体系结构机器检验体系结构”（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，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。施和制定系统维护决策。为了保护投资利益，在硬件上建立了与为了保护投资利益，在硬件上建立了与IA-32指令指令的二进制兼容性。许多厂商为企业服务器、工作的二进制兼容性。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。与未来的安腾体系结构也是完全兼容的。2024/8/9 2024/8/9 周五周五3131安腾的形象安腾的形象当年发布奔腾芯片时，英特尔总裁强当年发布奔腾芯片时，英特尔总裁强调：奔腾是因特网芯片（调：奔腾是因特网芯片（Internet chip），它将改善您对因特网的感受，），它将改善您对因特网的感受，使互动多媒体更加逼真、更加栩栩如使互动多媒体更加逼真、更加栩栩如生。生。但是，现在对安腾的宣传则是：安腾但是，现在对安腾的宣传则是：安腾是因特网经济内部的引擎（是因特网经济内部的引擎（Itanium is the Engine inside the Internet Economy）2024/8/9 2024/8/9 周五周五3232安腾已经进入安腾已经进入GFLOPS在超级计算领域，常用在超级计算领域，常用FLOPS表示运算的表示运算的速度，即每秒运算的浮点指令数。当然，速度，即每秒运算的浮点指令数。当然，它的前面常要冠以它的前面常要冠以K、M、G、T等前缀，成等前缀，成为为KFLOPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS。事实上，早期克雷巨型机（事实上，早期克雷巨型机（Cray-1）的运）的运算速度只有算速度只有160MFLOPS，而今天的安腾已，而今天的安腾已经达到经达到6.4GFLOPS。可见它比。可见它比Cray-1快了快了40倍。倍。2024/8/9 2024/8/9 周五周五3333INTEL的的TFLOPS超级电脑超级电脑美国能源部的计算机模拟要求更高速的电美国能源部的计算机模拟要求更高速的电脑。它建立了脑。它建立了ASCI项目，即项目，即Accelerated Strategic Computing Initiative。Intel为此研制了超级电脑，为此研制了超级电脑，1997年完成。年完成。MP LINPACK的记录是的记录是1.34 TFLOPS。它采用了它采用了9152个奔腾（个奔腾（Pentium Pro）芯）芯片。片。科学研究需要的计算能力是没有止境的。科学研究需要的计算能力是没有止境的。2024/8/9 2024/8/9 周五周五3434谢谢大家谢谢大家刘瑞挺刘瑞挺Liu_ruitingchip-