1高级计算机系统结构概述.ppt
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1、高级计算机系统结构,雷航 ,前 言,课程历史:,现代微机系统,现代微机结构,高级计算机体系结构,1、本课程的前续课程 (1) 微型计算机原理及应用 主要内容: 微型计算机的基本组成 寻址方式、指令系统以及汇编语言程序设计 信息存储原理、存储器组织、存储空间分配以及 如何与CPU接口 微机接口: 查询、中断、DMA三种主要接口方式 典型接口芯片: Intel8255/8253/8259/8237/8251等 微机应用: 如串行/并行通信、A/D和D/A转换等,(2) 计算机组成原理 主要内容: 运算器的构成(从全加器、进位链到加法器、乘法器等, 以及原码、补码的各种运算方法) 控制器的构成: 组
2、合逻辑设计方法、微程序设计方法 存储器: 存储信息的原理、存储器的组织、存储空间的分配等 计算机接口: 查询、中断、DMA等 外部设备: 如CRT、磁盘、磁带机、打印机等,学习以上两门课程的目的: 掌握计算机和微型计算机的基本工作原理以及一些基本的应用。 计算机原理偏重于内部特性和原理 微机原理则偏重于外部特性和原理,(3) 操作系统 掌握一些基本概念, 如多任务机制、分段、分页等存储管理。,2、本课程的主要内容和目的 主要内容 (1) 现代计算机硬件体系结构, 着重介绍:, 引入的关键技术, 如流水线、虚存机制、保护模式、超标量结构、指令重调度、超线程、多核技术、向量计算等, 并以Intel
3、系列微处理器为典型代表进行介绍。,(2) RISC处理器设计方法以及与CISC的比较 (3) 64位处理器 (4) 总线技术 (5) 计算机的一般性能评价方法等, 处理器体系结构,学习目的 掌握现代计算机硬件技术的特征、发展状况、不断引入的新技术和发展方向,了解新技术如何提高处理器以及计算机系统的性能,为进行计算机系统分析和研究、以及为其它专业课程的学习进行打下基础。同时, 也从一个更高的层面上学习计算机硬件技术。,课程特点 (1) 内容丰富, 概念多, 但难度不大; (2) 系统结构与微处理器相结合,第一章 概述 一、计算机的发展过程 (一) 计算机的发展时期归纳,(二) 计算机性能指标,网
4、络系统,70年代前 70年代 80年代 90年以后,大中型机,小型机,微型机,(1) 字长,第1台64位微处理器:,DEC的Alpha21064, 64位计算机系统, 内部总线和寄存器为64位 外部总线64位 配置64位操作系统 64位数据一次性处理,(2) 速度,从每秒几万条指令到每秒达到上数千亿条指令。,速度是衡量计算机处理能力的一个综合指标。,主频、处理器的结构、指令运行模式、Cache的容量、内存的大小和速度等诸多因素, 最终都将表现在计算机的速度上。, 64位处理器: 64位内外部总线、64位寄存器,(3) 容量 内存容量:, 外存容量, 高速缓存(Cache)容量:,不计入存储容量
5、, 主频, 决定主频的因素?, MIPS: 百万条指令/每秒, 基准测试程序, 比如SPEC,(比如Intel80386系统的理论内存空间可达 232=4000M ) 。, 用什么来衡量速度,(三) 微处理器发展过程中引入的一些重要技术 1、虚存管理机制 提供分段管理和分页管理等的硬件支持, 为操作系统实现虚存管理、多任务机制提供了便利,2、流水线技术 地址流水线和指令流水线,3、分支预测技术 提高程序分支时的执行效率,4、超级标量结构 实现了单核多条指令流水线的并行执行,5、大容量高速缓存 极大缓解了CPU速度与内存速度不匹配的矛盾,为实现指令流水线起到了重要的作用,6、RISC技术 处理器
6、的一种设计方法, 提高了处理器的速度, 使处理器的设计方法向前迈进了一大步,7、SIMD技术(Single Instruction Multi-Data) 单指令多数据流技术,8、指令乱序执行技术 指令的重调度(指令重新排序、指令动态调度)能力, 使指令流水线具有更高的执行效率,9、显示并行计算(EPIC) 使处理器具有更高的指令并行能力,11、多核技术 使处理器具有多处理器的处理能力,10、向量处理 一种面向运算的并行处理器技术,二、处理器(硬件)的热点(近十几年) 1、PC处理器典型代表:,Intel8086系列处理器, 指令执行方式:, 总线:,内外部总线均为64位, 体系结构:,指令流
7、水线,超级标量结构, Pentium基本型:,称为“多能Pentium”, 在Pentium基本型基础上增加以下功能:, 新增加57条多媒体信息处理指令 片内Cache容量从16K增加到32K SIMD技术: 一条指令同时处理多个数据,传统标量处理,SIMD,X,Y, 积和运算功能,如单指令可完成计算:,Pentium基本型和Pentium MMX称为第一代奔腾处理器(P5架构), 饱和计算功能,将溢出后的结果作为最大值或最小值处理。,X=a0b0a1b1a2b2a3b3a6b6a7b7,目的:,避免做溢出处理导致流媒体信息处理实时性能下降和颜色出现倒置, 14级流水线, 双穴封装技术:, 指
8、令乱序执行:, 寄存器重命名(Register renaming):,分析并重排指令, 优化指令的顺序执行。也称为指令流分析技术,数据重新定位到一个内部寄存器(速度与流水线的考虑), Pentium Pro: 高能Pentium,将L2Cache(256K)封装在一个模块中, L1Cache和L2Cache之间采用64位的独立总线连接,在Pentium基本型的基础上的主要改进: 将CISC指令集转换为类RISC指令集来执行;,(Pentium II只支持2个处理器), Pentium II: 在Pentium Pro体系结构中引入奔腾MMX功能 Pentium Pro与Pentium MMX技
9、术的结合 二级Cache从256K增加到512K Pentium II Xeon(至强): 在Pentium II基础上的主要改进: 二级Cache从512K增加到1M 可支持4个或更多个处理器,从PentiumPro到PentiumIII称为第二代奔腾处理器(P6架构),原有Pentium处理器的SIMD只能处理整数, 而Pentium III的SIMD, 既能处理整数, 也能处理浮点数。, Pentium III: 在PentiumII基础上的主要改进: 新增加了70条指令, 增强对多媒体信息、3维图形图象信息、互连网操作的处理能力 增强的SIMD技术, Pentium 4: Pentiu
10、m 4采用了新的内部设计, 主要表现为: 增加了144条指令, 进一步增强了对多媒体信 息/3维信息/互连网操作的处理能力; 主频达2G以上, 提高了指令执行的吞吐率; 系统总线的速度从PentiumIII的133M提高到了400M; 流水线的级数(流水线深度)从PentiumIII的14级提高到20级; 超线程技术 (Hyper-Threading),Pentium4、Prescott、Pentium D的体系结构均称为NetBurst,主要特征: 流水线的级数从Pentium 4的20级提高到30级 提高了分支预测机构的预测效率, Pentium D,主要特征: 沿用Prescott架构,
11、 采用双核结构(2个独立的Prescott核心) 不支持超线程, CORE2 (酷睿2),CORE2的体系结构称为Core微架构 通用于台式机、服务器和笔记本电脑, 双核结构 更长位数SIMD (128位整数及128位浮点, 传统的处理器为64位) 降低了功耗 整体性能比Pentium D提高44。,(2) 从集成技术的角度, CMOS(互补金属氧化物半导体电路)工艺,直接在半导体基片上制作各种晶体管电路, SOI制作工艺,(Silicon On Insulator), 减少了充电电流, 降低了功耗, 减少了晶体管的静电电容, 缩短了充放电时间, 提高了晶体管的切换速度,SOI制作工艺与同期C
12、MOS工艺相比, 速度可提高35%40%, 功耗可减少50%60%,曾有资料认为: SOI技术将使摩尔定律继续起作用,有望使CPU主频提高到T级。,但是: 近年来以及可预见的将来, 处理器的发展方向不是提高主频, 而是多核处理器, 铜芯片 采用铜导线来代替铝用于集成电路中晶体管之间的互联线, 在相同条件下减少40的功耗; 还可以将铜导线与SOI技术相结合(IBM率先采用了该方式)。, Low K互连层技术 Low K材料解决了芯片中的信号干扰, 并降低处理器的功耗,提高处理器的高频稳定性。, 应变硅技术 基本原理: 加大硅原子的间距, 以减小电子通行所受到的阻力, 相当于减小了电阻。从而降低了
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