《計算機應用基礎》第2章輔導材料：芯片體系結構的發展20032023/2/61硬件的層次結構1.芯片級（chiplevel）2.板卡級（boardandcardlevel）3.設備級（equipmentlevel）4.網絡級（networklevel）2023/2/62芯片的種類繁多1.處理器芯片（processorchip）2.存儲器芯片（memorychip）3.主板芯片組（chipset）4.BIOS芯片（rom

bios）5.輸入輸出芯片（I/Ochip）6.控制器芯片（controllerchip）7.特殊芯片（networkchipset,3-Dchip,videochip…）2023/2/63芯片技術突飛猛進800819720.35萬10微米808019740.60萬6微米808619782.9萬3微米80286198213.4萬3微米80386198527.5萬1微米804861989120萬0.8微米PentiumI1993310萬0.35微米PentiumII1997750萬0.35微米PentiumIII19992900萬0.25微米PentiumIV20004200萬0.13微米2023/2/65奔騰的位數內部寄存器的寬度為32位，這決定了奔騰仍是32位的微處理器，即IA-32體系結構。數據輸入輸出總線的寬度為64位。存儲器地址總線的寬度：8088，808620位1MB286，386SX24位16MB386DX,486,奔騰I32位4GB奔騰II,奔騰III,奔騰IV36位64GB2023/2/66奔騰芯片的體系結構1.超標量技術（Superscalar）雙ALU2.超流水技術（Superpipeline）八級3.哈佛結構：指令Cache和數據Cache4.分支動態預測5.固化常用指令6.數據總線的拓寬及突發模式7.采用PCI局部總線8.錯誤檢測及校驗技術9.電源效率技術10.支持多重處理2023/2/67超流水線技術通過細化流水、提高主頻，使得在一個時間周期內能完成多個操作，稱為超流水線技術。例如每條整數流水線都分為4級（指令預取、譯碼、執行、寫回結果）浮點流水線則分為8級（指令預取、譯碼、執行、寫回結果、兩級浮點操作、一級4舍5入并寫回結果、一級出錯報告）2023/2/69MMX技術MMX技術指MultiMediaExtension即多媒體擴展技術。在體系結構上的改進：1.內部L1高速緩存更大，改善軟件運行的特性。2.在處理器的指令系統中，擴展了57條指令，它們是單指令流多數據流（SIMD）的，能加快對視頻、音頻、圖形和動畫的循環處理。2023/2/610SSE技術在奔騰III中首先出現。

SSE是StreamingSIMDExtension的縮寫，即流式單指令多數據擴展。在MMX的基礎上，又增加了70條新指令，用于圖形和聲音處理。對高級圖像處理、3D、流式音頻和視頻DVD回放、語音識別特別有用。2023/2/611奔騰IV的特殊要求奔騰IV有特殊的系統要求，例如支持NetBurst體系結構的芯片組、固位裝置和適當的BIOS支持。奔騰IV要用特殊的主板，即基于Intel850AGP芯片組的主板。主板必須符合奔騰IV的電流和電壓要求。奔騰IV的封裝技術采用423針柵格陣列，即采用OrganicLandGridArray（OLGA）技術。因此要用PGA423插座。插座上安裝了集成的熱量延展器（IHS），提供了將熱量傳導到散熱片的途徑，以便在處理器工作期間進行散熱。2023/2/613進程與線程60年代就提出“進程”（process）的概念。操作系統調度進程、分配資源、響應用戶的請求。因此，進程既是擁有資源的單位，也是系統調度的單位。80年代又提出“線程”（thread）的概念。它是比進程更小的獨立運行單位，一個進程由多個線程組成，讓進程仍是擁有資源的單位，但調度單位卻是線程。線程的創建與終止都容易而開銷也小。WindowsNT、OS/2、Unix都是多線程的程序。數據庫管理系統和其他應用軟件也引入線程而改善性能。2023/2/614超線程技術的新徽標Hyper超Threading線程HTTechnology超線程技術2023/2/615Intel的超線程技術超線程技術，通俗地說就是“一芯二用”。在線程級的層次上實現并行處理。它能最大限度地利用處理器資源，使一個處理器同時運行兩個獨立的軟件線程，使電腦能更高效地工作。2023/2/617超線程系統的優勢提高多任務環境下的系統響應能力，使用戶能夠在更少的時間內完成更多的工作。提高當前或未來采用超線程技術的多線程應用的性能。通過擴大高峰負載的性能，為用戶帶來增值的優勢。為IT部門提供靈活性，能在更安全、更可靠和可管理的計算基礎設施上運行重要的后臺應用，而不會影響用戶的正常使用或工作效率。2023/2/618支持超線程技術的操作系統針對超線程技術優化過的臺式機操作系統包括：MicrosoftWindowsXP家用版和專業版、基于2.4.18或更高內核版本的Linux操作系統。盡管基于Linux操作系統的PC機可能會滿足上述平臺要求，能夠實現超線程技術，但在近期這些系統將不會具備帶有超線程徽標的全新奔騰IV處理器。購買基于Linux操作系統的PC機時，請注意與PC供應商確認所購PC機是否滿足上述平臺要求，能否實現超線程技術。2023/2/619主板的分類1.按CPU芯片分類如486主板、奔騰主板、奔騰IV主板2.按存儲器大小分類如8M主板、16M/32M主板、64M主板3.按主機板規格分類如AT主板、Baby-AT主板、ATX主板4.按芯片組分類如TX主板、LX主板、BX主板5.按是否支持PnP分類如PnP主板、非PnP主板（遺留主板）2023/2/621主板的分類（續）6.按CPU插座分類如Socket7主板、Slot1主板7.按系統總線的帶寬分類如66MHz主板、100MHz主板8.按數據端口分類如SCSI主板、EDO主板、AGP主板9.按擴展槽分類如ISA/EISA/MCA/PCI/VL/USB等主板10.按生產廠家分類如微星主板、青云主板、聯想主板等2023/2/622芯片組的由來在最初IBMPC的主板上，除微處理器8088、協處理器8087外，還有時鐘發生器8284、總線控制器8288、系統定時器8253、中斷控制器8259、DMA控制器8237、鍵盤控制器8255等芯片。1986年ChipandTechnologies公司推出革命性的82C206芯片，用它代替多個芯片，開創了芯片組的市場。2023/2/623INTEL芯片組概況Intel芯片組通常有兩塊：北橋和南橋430LX430NX430FX430MX430HX430VX430TX93.394.395.195.1096.296.297.2P66P75P75P75P75P75P75SIOSIOPIIXMPIIXPIIX3PIIX3PIIX42023/2/625系統總線的結構PC總線以其快慢分為不同等級：（1）處理器外部總線：64位寬，66MHz、100MHz，并與存儲器及北橋連接（2）AGP（圖形加速端口）總線：32位寬，66MHz，與高速顯卡及南橋連接（3）PCI（外部設備互連）總線：32位寬，33MHz，并與I/O超級芯片連接（4）ISA（工業標準體系結構）總線：16位寬，8MHz2023/2/626主板的規格Baby-AT（1983-1996）Full-SizeAT（1984，尺寸太大）LPX（1987由WesternDigital設計，半專用）ATX（1995.7由Intel正式頒布，很流行）Micro-ATX（1997.12由Intel頒布）Flex-ATX（1999.3由Intel頒布）NLX（1996.11由Intel頒布）WTX（1998.9，用于中高檔服務器）其他2023/2/627安騰：IA-64的體系結構1999年10月4日Intel發布了64位的品牌安騰。安騰的核心技術是顯性并行指令計算，EPIC即ExplicitlyParallelInstructionComputing。超越了CISC與RISC的設計理念，它基于預測、推理、簡明并行性等創新特性，實現了更高的指令級并行性。其實，EPIC技術建立在豐滿的流水線、寄存器的基礎上。安騰有10條流水線、128個整數寄存器、128個浮點寄存器、8個分支寄存器、64個分支預測寄存器。通過優化編譯，提前安排裝入指令，從而最大限度地減少分支損耗。安騰處理器能同時完成20個操作或交易，從而實現了高端企業級用戶所需服務器的一流性能。2023/2/629安騰的結構采用一體化的三級高速緩存。靠近CPU的一級高速緩存為32K，分別給數據16K、指令16K。其映射方式是4路成組相聯（4-waysetassociative）。二級高速緩存96K，6路成組相聯結構。三級高速緩存為2M或4M，也用4路成組相聯結構。成組相聯映射既有直接映射（directmapped）的簡單快速，又有全相聯映射（fullyassociative）的沖突概率低、空間利用率高等優點。因此，能使高度并行的流水線全速運行。一體化是指用同樣的集成工藝實現，安騰的CPU有2500萬個晶體管，而高速緩存用了3億個。2023/2/630安騰的糾錯與兼容安騰具有完善的“機器檢驗體系結構”（MCA）。對于系統總線、高速緩存進行傳輸的數據都有先進的錯誤檢測、糾正和處理能力。對于機器的運行也有全面的錯誤記錄。糾正錯誤后，提供通知，使操作平臺保留這些數據，以便將來采取保護措施和制定系統維護決策。為了保護投資利益，在硬件上建立了與IA-32指令的二進制兼容性。許多廠商為企業服務器、工作站及技術解決方案開發了優化的軟件。這些軟件與未來的安騰體系結構也是完全兼容的。2023/2/631安騰的形象當年發布奔騰芯片時，英特爾總裁強調：奔騰是因特網芯片（Internetchip），它將改善您對因特網的感受，使互動多媒體更加逼真、更加栩栩如生。但是，現在對安騰的宣傳則是：安騰是因特網經濟內部的引擎（ItaniumistheEngineinsidetheInternetEconomy）2023/2/632安騰已經進入GFLOPS在超級計算領域，常用FLOPS表示運算的速度，即每秒運算的浮點指令數。當然，它的前面常要冠以K、M、G、T等前綴，成為KFLOPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS。事實上，早期克雷巨型機（Cray-1）的運算速度只有160MFLOPS，而今天的安騰已經達到6.4G