第3讲计算机速度提升方法.ppt
嵌入式系统及其电路,第 3 讲,本讲内容,提高计算机速度的方法 最新两款微机处理器介绍 微型计算机的存储器,本讲内容,提高计算机速度的方法 最新两款微机处理器介绍 微型计算机的存储器,提高计算机速度的方法,1 增加计算机的位数 2 改进电路，提高门电路翻转的速度，提高工作频率 3 采用多总线结构，实现多级流水线作业 4 采用大容量的片内存储器(片内cache) 5 采用快速执行引擎技术，对片内外存储器的访问，采用DDR技术，提高访问速度 6 采用分支预测技术 7 采用多CPU结构,增加计算机的位数可以提高速度。例如对于一个32位的数据的传送，8位机需要传输4次才能完成，而32位机一次就可以完成；对于一个16位数X16位数的乘法，8位机要进行几十次运算才能完成，而一个带有16位X16位乘法器的DSP一次就可以完成。,1 增加计算机的位数,2.改进电路，提高门电路翻转的速度，提高频率,改进电路提高速度的方法主要有： (1)将芯片内的电路单元尤其是三极管的PN结做的更小更薄，使得PN结的结电容很小，在电路翻转时需要泄放的电荷量更少，翻转就更快。 (2)降低工作电压，电压越低，所有晶体管的结电容上存储的电荷就更少，更容易泄放，翻转更快。 电路的翻转速度加快，频率就会上去。,3 采用多总线结构，实现多级流水线作业,处理器内部采用多总线结构，各套总线并行工作，例如在CPU内部设计了访问内部指令Cache的总线、访问内部数据Cache的总线、访问片外存储器的总线、CPU与主板上芯片组的交互总线等，每套总线包括了地址总线、数据总线和控制总线三种。 处理器内部的多个执行单元可以同时执行多条指令。Pentium有两条分别称为U和V的指令流水线，各自有独立的算术逻辑单元ALU及高速缓存结构。Pentium采用双流水线并行作业的方式，它能在每个时钟周期内同时执行两条指令。此外，还有一个执行单元，保证同时完成一条浮点运算指令。 多级流水线技术可以加快指令的执行速度，但并不是说流水线级数越多，处理器的速度就越快。例如，毒龙处理器V1.3采用10级流水线结构，奔腾系列V1.7采用20级流水线结构，但经过测试，V1.7的速度仅相当于毒龙处理器V1.3的70%，其原因在于20级流水线，一旦指令的分支发生变化，指令预取和预译码等一系列预操作就作废了，使得总效率下降较多。,4. 采用大容量的片内存储器(片内cache),一个Cache用于指令高速缓存，另一个用于数据高速缓存。这两个高速缓存可同时存取，前者可提供多达32位的原始操作码，后者每个时钟周期内可以提供两次存取的数据。这种双路高速缓存结构减少了争用高速缓存所造成的冲突，改进了处理器的性能。,5.采用快速执行引擎技术,对片内外存储器的访问，采用DDR技术，即在一个时钟周期可以访问2次存储器，在时钟的上升沿一次，下降沿一次，大大提高了访问速度。此即为所谓的快速执行引擎。,6. 采用分支预测技术,为了减少由于执行了转移指令而导致流水线的效率损失，Pentium采用分支预测技术来动态预测指令的目标地址，从而节省了CPU的执行时间。通常在用户程序中包含不少的条件转移指令，在流水线计算机中，这些转移指令由于产生分支可能使预取指令和预译码指令作废。Pentium内部有两个预取指令缓冲队列，在执行条件转移指令前，一个以顺序方式预取指令，一个以转移方式预取指令，后者也称为分支目标缓冲器BTB(branch target buffer),这是一个小的Cache,它基于转移指令，尤其是循环转移的固有特点。可以认为在大多数情况下，当一条转移指令被再次执行时，其成功与否及转移目标均与上次相同。据此可构造动态的分支目标预测硬件。BTB是一种效率较好的硬件机制，统计表明BTB的容量较大时(如超过256项)预测准确率可达90%。通过这种动态分支预测技术，不管是否产生转移，所需指令都在执行前预先取好。,7. 采用多CPU结构,最新的微机采用了多处理器(多核)技术，例如双核、3核、4核等，使微机的数据处理能力进一步增强，对微机的性能有较大的提升。,本讲内容,提高计算机速度的方法 最新两款微机处理器介绍 微型计算机的存储器,最新两款CPU介绍,intel的酷睿i7： CPU主频：3330MHz 智能加速：3600MHz 制作工艺：32 纳米 二级缓存：6×256KB 三级缓存：12MB 核心数量：6核心。,AMD的羿龙II： CPU主频：3200MHz 制作工艺：45 纳米 一级缓存：6×128KB 二级缓存：6×512KB 三级缓存：6MB 核心数量：6核心 内存控制器： 双通道DDR3-1333 双通道DDR2-800,本讲内容,提高计算机速度的方法 最新两款微机处理器介绍 微型计算机的存储器,微机的片内存储器与主存储器,CPU片内存储器(Cache) ：分为1级缓存/2级缓存/3级缓存。 主存储器(主存)：即主板上的存储器(存储条)。主存又称内存，一般装在主板上，用来存放计算机正在执行或使用的程序和数据。主存通常由半导体存储器构成。CPU可以直接访问主存，因此其存取速度快。主存的容量受地址线位数的影响。例如32位地址线的处理器，直接寻址的内存空间为4GB。 随机存取存储器RAM(random access memory)：对该存储器内部的任何一个存储单元，既可以取出，也可以存入，存取所用时间和存储单元所在的物理地址无关。一般RAM中的信息在掉电时将丢失，目前有内带电池的芯片，掉电后信息依然可以保存，称为非易失性RAM(NVRAM)。按集成电路内部结构不同，RAM又可分为静态RAM和动态RAM。 静态随机存取存储器SRAM：SRAM速度非常快，集成度低，结构复杂，功耗大，不需刷新，SRAM一般用作高速缓存。,存储器(续),动态随机存取存储器DRAM：DRAM中的内容在10-3S或10-6S后自动消失。因此必须周期性的对它进行刷新。DRAM集成度高，成本低，功耗低，但必须配备外部刷新逻辑电路。 组合随机存取存储器IRAM：IRAM是将刷新逻辑电路和DRAM集成在一起，具有动态RAM的集成度，又不需要刷新。 SDRAM 同步高速动态随机存储器：在时钟上升沿传输数据。 DDR SDRAM：在时钟信号的上升沿与下降沿均可进行数据传输，使数据传输速率达到SDRAM 的2倍。寻址与控制信号则与SDRAM相同，仅在时钟上升沿传送。 SDR SDRAM(The Single Data Rate SDRAM)：单速率的SDRAM。,非易失性存储器 NVRAM & ROM,非易失性随机读写存储器NVRAM: NVRAM由静态RAM和E2PROM共同构成，正常情况如同静态RAM一样，当电源掉电或故障时又将信息保存在E2PROM中，适用于掉电保护及存放重要信息。 ROM:ROM指的是“只读存储器”，即Read-Only Memory。这是一种线路最简单半导体电路，通过掩模工艺， 一次性制造，其中的代码与数据将永久保存(除非坏掉)，不能进行修改。一般在大批量生产时才会用，优点是成本低，但是其风险比较大，在产品设计时，如果调试不彻底，很容易造成几千片的废片。,非易失性存储器 NVRAM & ROM,PROM:PROM指的是“可编程只读存储器”Programmable Read-Only Memory”。通常指“一次性可编程只读存储器”(One Time Progarmming ROM，简写为OTP-ROM)，这样的产品只允许写入一次。在出厂时，存储单元的内容全为1，用户可以根据需要将其中的某些单元写入数据0(部分的PROM在出厂时数据全为0，则用户可以将其中的部分单元写入1)， 以实现对其“编程”的目的。PROM的典型产品是“双极性熔丝结构”，如果我们想改写某些单元，则可以给这些单元通以足够大的电流，并维持一定的时间，原先的熔丝即可熔断，这样就达到了改写某些位的效果。另外一类经典的PROM为使用“肖特基二极管”的PROM，出厂时，其中的二极管处于反向截止状态，用较高电压和较大电流将反相电压加在“肖特基二极管”，造成其永久性击穿即可。,非易失性存储器 NVRAM & ROM,EPROM:EPROM指的是“可擦写可编程只读存储器”，即Erasable Programmable Read-Only Memory。 它的特点是具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程，但是缺点是擦除需要使用紫外线照射一定的时间。其封装中包含有“石英玻璃窗”，一个编程后的EPROM芯片的“石英玻璃窗”一般使用黑色不干胶纸盖住， 以防止遭到阳光直射。 是一种靠紫外光擦除、可反复多次擦写、停电后可长期保存数据的存储器。例如单片机系统常用的EPROM 2764、27256、27512等。每个字节的写入需要较长的时间，而且擦除特别耗费时间，一个芯片一次擦除需要2530分钟。耗时太多，难以忍受，已经面临淘汰。 EEPROM:EEPROM又称为E2PROM，指的是“电可擦除可编程只读存储器”，即Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory。它的最大优点是可直接用电信号擦除，也可用电信号写入。EEPROM不能取代RAM的原因是其工艺复杂,耗费的门电路过多，且重编程时间比较长，同时其有效重编程次数也比较低。 是一种电可擦除、可反复多次擦写、停电后可长期保存数据的存储器。一般数据保存时间在常温下为10年。例如单片机常用的E2PROM 2864、28256等，其在常温下保存数据的时间为10年。可反复擦写次数为1万次。每个字节的写入需要较长的时间，最早的2864需要10ms，现在的28C64需要数十到数百微秒。,非易失性存储器 NVRAM & ROM,FLASHROM:Flash memory指的是“闪存”，所谓“闪存”，它也是一种非易失性的内存，属于EEPROM的改进产品。它的最大特点是必须按块(Block)擦除(每个区块的大小不定，不同厂家的产品有不同的规格)， 而EEPROM则可以一次只擦除一个字节(Byte)。目前“闪存”被广泛用在PC机的主板上，用来保存BIOS程序，便于进行程序的升级。其另外一大应用领域是用来作为硬盘的替代品，具有抗震、速度快、无噪声、耗电低的优点，但是将其用来取代RAM就显得不合适，因为RAM需要能够按字节改写，而Flash ROM做不到。 其速度高于EEPROM的主要原因是，它执行的是块操作，而EEPROM执行的是字节操作。因此它的写入速度数倍于EEPROM。成为现在最流行的ROM，被广泛的用于单片机/DSP/ARM的内部作为非易失性片内存储器使用。也被用来制作U盘、电子硬盘等，目前电子硬盘价格也在逐步下降。但是与普通磁硬盘相比，电子硬盘的擦写次数还是太少，因此其寿命比普通磁硬盘短的多。 RAM相比，所有ROM的写入速度都慢得多，其写入耗时为RAM的1千倍到1万倍。,存储器接口形式,并行接口存储器：片内cache和主板上所插的内存条都是并行接口，计算机的数据总线按其位数直接与存储器芯片的数据总线对应相连。一次传送多位数据。 串行接口存储器：在时钟信号的指挥下，数据从一根数据线上按先后次序一位一位的传送，一个字节为8位，就需要传送8次。所有的I2C存储器都是串行接口存储器。,辅助存储器,辅助存储器又称外存，是主存的外延和扩展，用来存放CPU不那么频繁使用的程序和数据。外存容量大、成本低，存取速度慢，所存信息可以长期保存。CPU不能直接访问外存，需要配备专门的驱动设备才能完成对外存的访问。最广泛使用的外存如硬盘、光盘、U盘、磁带等。 硬盘有普通硬盘、电子硬盘，普通硬盘是用磁介质来存储数据的，电子硬盘是用电可擦除存储器FLASHROM来存放数据的。 光盘是用树脂或塑料介质，在其表面上制作点坑(激光烧灼或压制)来记录数据。 U盘是用电可擦除存储器FLASHROM来存放数据的。 磁带是磁带录制来存放数据的。,本讲内容小结,提高计算机速度的方法 最新两款微机处理器介绍 微型计算机的存储器,
