微型机的中央处理器CPU.pptx
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1、第三章第三章微型机的中央处理器微型机的中央处理器CPU3.1 CPU概述3.2 CPU的主要技术参数3.3 微处理器中所采用的新技术3.4 CPU的封装与接口类型3.5 CPU的内核3.6 典型CPU介绍3.1CPU概述概述 1971年1月,Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004,标志着第一代微处理器问世,微处理器和微机时代从此开始。4004包含2300个晶体管,尺寸规格为3mm4mm,计算性能远远超过当年 的ENIAC。3.1CPU概述概述IBM PC IBM PC 诞生创造创造PCPC历史历史 1980年7月,IBM微电脑技术总设计师埃斯特利奇(Don
2、 Estridge)领导“跳棋计划”的13人小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心,开始开发后来被称为IBM PC的产品。一年后的8月12日,IBM公司在纽约宣布第一台IBM PC诞生,开创计算机历史新篇章。第一台IBM PC采用了主频为4.77MHz的Intel 8088,操作系统是Microsoft提供的MS-DOS。IBM将其命名为“个人电脑(Personal Computer)”。3.1CPU概述概述 X86X86系列及兼容系列及兼容CPUCPUX86指令集是美国Intel公司为其第一块16位CPU(i8086)专门开发的,美国IBM公司1981年推出的世界第一台PC机中
3、的CPU i8088(i8086简化版)使用的也是X86指令。虽然随着CPU技术的不断发展,Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到今天的Pentium 系列,但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源,所以Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集,所以它的CPU仍属于X86系列。另外除Intel公司之外,AMD和Cyrix等厂家也相继生产出能使用X86指令集的CPU,形成了今天庞大的X86系列及兼容CPU阵容。3.1CPU概述概述PCPC机机CPUsCPUs出现年代出现年代晶体管数目晶体管数目第一代第一代8086 8086 和和
4、 808880881978-811978-8129,00029,000第二代第二代802868028619841984134,000134,000第三代第三代80386D80386D和和 80386SX80386SX1987-881987-88275,000275,00080486SX80486SX、80486DX,80486DX,80486DX280486DX2和和 80486DX480486DX4PentiumPentium1993-951993-953,100,0003,100,000第五代第五代Cyrix 6X86Cyrix 6X8619961996-AMD K5AMD K519961
5、996-IDT WinChip C6IDT WinChip C6199719973,500,0003,500,000Pentium MMXPentium MMX199719974,500,0004,500,000IBM/Cyrix 6x86MXIBM/Cyrix 6x86MX199719976,000,0006,000,000IDT WinChip2 3DIDT WinChip2 3D199819986,000,0006,000,000Pentium ProPentium Pro199519955,500,0005,500,000AMD K6AMD K6199719978,800,0008,8
6、00,000Pentium IIPentium II199719977,500,0007,500,000AMD K6-2AMD K6-2199819989,300,0009,300,000Mobile Pentium IIMobile Pentium II27,400,00027,400,000Pentium IIIPentium III9,300,0009,300,000AMD K6-3AMD K6-3?Pentium III CuMinePentium III CuMine28,000,00028,000,000AMD Athlon ThunderbirdAMD Athlon Thunde
7、rbird2000200037,000,00037,000,000Pentium 4Pentium 442,000,00042,000,000第四代第四代1990-921990-921,200,0001,200,000第五代改进型第五代改进型第六代第六代第六代改进型第六代改进型19991999第七代第七代CPU(CentralProcessingUnit,中央处理器)发展出来三个分支,一个是DSP(DigitalSignalProcessing/Processor,数字信号处理),另外两个是MCU(MicroControlUnit,微控制器单元)和MPU(MicroProcessorUnit,
8、微处理器单元)。面向控制应用面向控制应用的,称为微控制器微控制器,MCU,又称单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer),简称“单片机”,是指随着大规模集成电路的出现及其发展,将计算机的CPU、RAM、ROM、定时数器和多种I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制。如8051、PIC、68HC12、AVR等众多的单片机单片机。第第3 3章章 微型机的中央处理器微型机的中央处理器CPUCPU目前4位MCU大部份应用在计算器、车用仪表、车用防盗装置、呼叫器、无线电话、CD播放器、LCD驱动控制器、LCD游戏机、儿童玩具、磅秤、充电器、胎压
9、计、温湿度计、遥控器及傻瓜相机等;8位MCU(MCS48系列)大部份应用在电表、马达控制器、电动玩具机、变频式冷气机、呼叫器、传真机、来电辨识器(CallerID)、电话录音机、CRT显示器、键盘及USB等;16位MCU(MCS51)大部份应用在行动电话、数字相机及摄录放影机等;32位MCU大部份应用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN电话、激光打印机与彩色传真机;64位MCU大部份应用在高阶工作站、多媒体互动系统、高级电视游乐器(如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy)及高级终端机等。MPU面向通用数据处
10、理,不带外围器件(例如存储器阵列),是高度集成的通用结构的处理器,是去除了集成外设的MCU。DSP面向数字信号处理;如TI的TMS320系列还有ADI、Freescale、NEC的DSP。DSP运算能力强,擅长很多的重复数据运算,而MCU则适合不同信息源的多种数据的处理诊断和运算,侧重于控制,速度并不如DSP。MCU区别于DSP的最大特点在于它的通用性,反应在指令集和寻址模式中。DSP与MCU的结合是SOC(systemonchip),它终将取代这两种芯片。广义上,CPU还包括图形处理器GPU,以及以IP核出现在FPGA/CPLD中的CPU等。第第3 3章章 微型机的中央处理器微型机的中央处理
11、器CPUCPU第第3 3章章 微型机的中央处理器微型机的中央处理器CPUCPU3.2 CPU3.2 CPU的主要技术指标的主要技术指标位、字节和字长位、字节和字长 时钟频率时钟频率 主频、外频和倍频、主频、外频和倍频、超频运行超频运行 L1和和L2 Cache的容量和速率的容量和速率扩展指令集扩展指令集 工作电压工作电压 总线宽度总线宽度 地址总线宽度、数据总线宽度地址总线宽度、数据总线宽度制造工艺制造工艺3.2.1 3.2.1 位、字节和字长位、字节和字长位:位:二进制位,二进制位,“0”或或“1”。字节:字节:8位二进制位位二进制位字:字:两个字节两个字节字长:字长:CPU一次处理的二进制
12、数的位数,常见一次处理的二进制数的位数,常见的有的有1、4、8、16、32、64位。位。15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0字字字节字节位位3.2.2 3.2.2 时钟频率时钟频率时钟频率:时钟频率:周期性脉冲信号的频率,单位周期性脉冲信号的频率,单位Hz。主频:主频:工作频率,工作频率,CPU内核的实际运行频率。内核的实际运行频率。外频:外频:前端总线频率或系统总线时钟频率,由前端总线频率或系统总线时钟频率,由主板提供的时钟频率,是内存等的工作频率。主板提供的时钟频率,是内存等的工作频率。倍频系数:倍频系数:主频主频=外频外频倍频系数(倍频系数(486D
13、X2)外频外频主频主频超频运行:超频运行:使使CPU工作在高于额定工作频率工作在高于额定工作频率3.2.3L1和和L2Cache的容量和速率的容量和速率缓存是指可以进行高速数据交换的存储器,它先于内存与CPU交换数据,因此速度很快。L1Cache(一级缓存)是CPU第一层高速缓存。在CPU管芯面积不能太大的情况下,L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般L1缓存的容量通常在32256KB。L2Cache(二级缓存)是CPU的第二层高速缓存,分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同,而外部的二级缓存则只有主频的一半。用CPU容量一般是512KB MB。3.2.3 L13.2.3
14、 L1和和L2 CacheL2 Cache的容量和速率的容量和速率L1和和L2 Cache的容量和工作速率对提高微机速度的容量和工作速率对提高微机速度起关键作用起关键作用L2 Cache对提高运行图形处理较多的软件速度有对提高运行图形处理较多的软件速度有显著作用显著作用3.2.5 3.2.5 工作电压工作电压CPU正常工作所需的外加电压,电压越低功耗越正常工作所需的外加电压,电压越低功耗越小、运行速度越高。小、运行速度越高。v早期(早期(286486时代)一般为时代)一般为5V,CPU的发热的发热量大,寿命短。量大,寿命短。v近年来近年来CPU的工作电压有逐步下降的趋势的工作电压有逐步下降的趋
15、势一般一般CPU工作电压低于工作电压低于3V,有的已低于,有的已低于2V。笔记本专用笔记本专用CPU工作的电压更低,工作的电压更低,1.2V。3.2.6地址总线宽度、数据总线宽度地址总线宽度、数据总线宽度地址总线宽度地址总线宽度地址总线宽度决定了CPU可以访问的物理地址空间,简单地说就是CPU到底能够使用多大容量的内存。对于32位地址线的宽度为,最多可以直接访问4096MB(4GB)的物理空间。数据总线宽度数据总线宽度数据总线负责整个系统的数据流量的大小,而数据总线宽度则决定了CPU与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量。3.2.6 3.2.6 地址总线地址总线和和数据
16、总线宽度数据总线宽度地址总线宽度地址总线宽度可访问的物理地址空间可访问的物理地址空间 如:如:32根地址线的寻址能力为根地址线的寻址能力为4GB(232B)数据总线宽度数据总线宽度与二级高速缓存、内存和与二级高速缓存、内存和I/O设备间一次数据传输的位数设备间一次数据传输的位数系统总线CPU内存接口外部设备接口外部设备.28=256210=1K 216=65536=64K220=1M230=1G 232=22230=4G3.2.7 3.2.7 制造工艺制造工艺线宽线宽芯片上最基本功能单元(门电路)的宽芯片上最基本功能单元(门电路)的宽度,也是连线的宽度,目前采用度,也是连线的宽度,目前采用铜连
17、线铜连线。第一代奔腾第一代奔腾 CPU为为0.35微米,微米,266MhzPII和赛扬为和赛扬为0.25微米,微米,450Mhz铜矿核心的奔腾铜矿核心的奔腾为为0.18微米,微米,1.13GhzNorthwood核心的奔腾核心的奔腾4 CPU为为0.13微米微米Prescott核心的奔腾核心的奔腾4 CPU为为0.09微米微米sandy bridge CPU为为32纳米纳米3.3 3.3 提高提高CPUCPU性能的先进技术性能的先进技术 1.1.流水线与超标量结构流水线与超标量结构2.2.高速缓存高速缓存3.3.扩展扩展指令集指令集4.4.6464位技术位技术5.5.超超线程技术线程技术6.6
18、.多核心技术多核心技术3.3 3.3 提高提高CPUCPU性能的先进技术性能的先进技术 3.3.1 3.3.1 流水线与超标量结构流水线与超标量结构指令的执行过程:指令的执行过程:1)1)取指令取指令IFIF:从内存读取这条指令。:从内存读取这条指令。2)2)译码译码IDID:将指令翻译成操作命令。:将指令翻译成操作命令。3)3)取操作数取操作数MEMMEM:从内存中读取执行该条指令所:从内存中读取执行该条指令所需的操作数。需的操作数。4)4)执行指令执行指令EXEX:CPUCPU个部件实际执行这条指令。个部件实际执行这条指令。5)5)回写回写WBWB:将执行的结果送回内存或寄存器中。:将执行
19、的结果送回内存或寄存器中。取指令IF译码ID取操作数MEM执行指令EX回写WB一条指令必须在前一条指令的五个步骤执行完一条指令必须在前一条指令的五个步骤执行完后才能执行下一条指令。后才能执行下一条指令。流水线(流水线(pipelinepipeline)又称管线,在又称管线,在486中首次使用中首次使用在在CPU中由中由56个不同功能的电路单元组成一条指个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线,然后将一条令处理流水线,然后将一条X86指令分成指令分成56步后步后再由这些电路单元分别执行再由这些电路单元分别执行。这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令,因此提高CPU的运算速度目前,目前,C
20、PU的流水线已长达几十级的流水线已长达几十级流水线指令的执行过程流水线指令的执行过程指令1指令2指令3指令4指令5123456789IFIDIFMEMIDIFEXMEMIDIFWBEXMEMIDIFWBEXMEMIDWBWBEXMEMWBEX流水线(流水线(pipelinepipeline)流水线的问题流水线的问题相关相关后面的指令需用前面指令的运行结果后面的指令需用前面指令的运行结果解决的方法:乱序执行解决的方法:乱序执行在两条相关指令中在两条相关指令中插入不相关的指令插入不相关的指令转移转移条件转移条件转移解决的方法:分支预测,在没有得到结果之前解决的方法:分支预测,在没有得到结果之前预测
21、下一条需执行的指令,目前能达到预测下一条需执行的指令,目前能达到90%以以上的正确率。上的正确率。超标量技术(超标量技术(superscalarsuperscalar)Pentium是是Intel家族中最早采用超标量结构的家族中最早采用超标量结构的处理器处理器超标量(超标量(superscalar)是指在)是指在CPU中有一条以上中有一条以上的流水线的流水线,并且每时钟周期内可以完成一条以,并且每时钟周期内可以完成一条以上的指令,这种设计就叫超标量技术。上的指令,这种设计就叫超标量技术。采用采用超标量技术的超标量技术的CPU集成了集成了多个多个ALU、多个、多个FPU、多个译码器,以并行处理的
22、方式来提高、多个译码器,以并行处理的方式来提高性能性能超标量技术(超标量技术(superscalarsuperscalar)3.3.2 3.3.2 高速缓存(高速缓存(CacheCache)技术)技术CPUCPU的运算速度与主存的读写速度不匹配的运算速度与主存的读写速度不匹配在在CPUCPU与主存间加入与主存间加入容量较小容量较小、与与CPUCPU速度相当速度相当的的SRAMSRAM(静态存储器)(静态存储器)Cache储存了主内存的映象,通过访问储存了主内存的映象,通过访问Cache 来来完成数据的读写。完成数据的读写。Cache全部技术由全部技术由硬件硬件实现,对应用程序和系统实现,对应用
23、程序和系统程序员均透明。程序员均透明。1.Cache1.Cache的实现原理的实现原理u对对大量典型程序运行情况的分析结果表明,在大量典型程序运行情况的分析结果表明,在一个较短的时间间隔内,由程序产生的地址往一个较短的时间间隔内,由程序产生的地址往往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内。往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内。称为程序访问的局部性称为程序访问的局部性。uCacheCache的工作原理是基于程序访问的局部性。的工作原理是基于程序访问的局部性。局部性规律包括两个局部性规律包括两个方面方面时间局部性时间局部性:如果一个存储项被访问,则可能:如果一个存储项被访问,则可能该项会很快被再次
24、访问。该项会很快被再次访问。空间局部性空间局部性:如果一个存储项被访问,则该项:如果一个存储项被访问,则该项及其邻近的项也可能很快被访问。及其邻近的项也可能很快被访问。uInstructionCache(指令缓存)和(指令缓存)和DataCache(数据缓存)(数据缓存)CacheCache的的工作原理工作原理CacheCache的命中率的命中率命中率:命中率:命中的访问次数和总访问次数之比命中的访问次数和总访问次数之比命中时间:命中时间:访存访存Cache的时间的时间失效率:失效率:失效的访问次数和总访问次数之比失效的访问次数和总访问次数之比失效时间:失效时间:访问存储器的时间访问存储器的时
25、间 Cache的容量的容量大:命中率高、命中时间长大:命中率高、命中时间长当超过一定值后,命中率随容量的增加并不会有当超过一定值后,命中率随容量的增加并不会有明显地增长明显地增长小:命中率低;命中时间短。小:命中率低;命中时间短。CacheCache系统须解决的三个问题系统须解决的三个问题1.定位问题定位问题处理器按主存地址访问存储器处理器按主存地址访问存储器通过主存通过主存Cache地址映象机构判定该地址地址映象机构判定该地址的存储单元是否在的存储单元是否在Cache中中如果在(命中),按如果在(命中),按Cache地址访问地址访问Cache。2.替换问题替换问题不命中时,要从主存储器调入数
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