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1、2020 2 13 分类部分 服务器硬件基础培训 目录 CPU部分芯片组部分内存部分硬盘部分IO总线及接口部分 Page3 CPU部分 CPU即中央处理器 是英文单词CentralProcessingUnit的缩写 负责对信息和数据进行运算和处理 并实现本身运行过程的自动化早期计算机中 CPU被分成了运算器和控制器两个部分 后由于电路集成度的提高 在微处理器问世时 就将它们都集成在一个芯片中RISC是ReducedInstructionSetComputer的缩写 中文翻译成精简指令系统计算机 特点是尽量简化指令功能 只保留那些功能简单 能在一个节拍内执行完成的指令 较复杂的功能用一段子程序来
2、实现 这种计算机系统成为精简指令系统计算机 目前采用RISC体系结构的处理器的芯片厂商有SUN SGI IBM的PowerPC系列 DEC公司的Alpha系列 Motorola公司的龙珠和PowerPC等等CISC是ComplexInstructionSetComputer的缩写 即复杂指令集计算机 设置一些功能复杂的指令 把一些原来有软件实现的常用功能改用硬件的指令系统来实现 这种计算机成为复杂指令系统计算机 早期Intel的X86指令体系就是一种CISC指令结构 Page4 CPU部分 CPU的指令集指令集指的是一个CPU所能够处理的全部指令的集合 是一个CPU的根本属性 指令系统决定了一
3、个CPU能够运行什么样的程序一条指令一般包括操作码和地址码 操作码其实就是指令序列号 用来告诉CPU需要执行的是那一条指令 地址码主要包括源操作数地址 目的地址和下一条指令的地址指令集通常有算术逻辑运算指令 包括加减乘除等算术运算指令 浮点运算指令 包括浮点 向量运算等 位操作指令 二进制编码的左右移位 及其他指令 数据传送指令 堆栈操作指令 转移类指令 输入输出指令等 Page5 CPU部分 CPU的内核结构CPU内核主要分为两部分 运算器和控制器 运算器用于实施具体运算 控制器则对运算过程进行统筹协调 资源调度等运算器又分为算术逻辑运算单元ALU ArithmeticandLogicUni
4、t 负责二进制数据的定点算术运算 加减乘除 逻辑运算 与或非异或 以及移位操作 浮点运算单元FPU FloatingPointUnit 负责浮点运算和高精度整数运算 通用寄存器 用来保存参加运算的操作数和中间结果 和专用寄存器 通常是一些状态寄存器 不能通过程序改变 由CPU自己控制 表明某种状态 控制器分为指令控制器 完成取指令 分析指令等操作 然后交给执行单元ALU或FPU来执行 同时还要形成下一条指令的地址 时序控制器 为每条指令按时间顺序提供控制信号 总线控制器 用于控制CPU的内外部总线 包括地址总线 数据总线 控制总线等 和中断控制器 用于控制各种各样的中断请求 并根据优先级的高低
5、对中断请求进行排队 逐个交给CPU处理 Page6 CPU部分 CPU的外核结构CPU外核主要包括解码器 DecodeUnit 及一级缓存 二级缓存 Cache 解码器是x86处理器才有的东西 作用是把长度不定的x86指令转换为长度固定的类似于RISC的指令 并交给内核处理一级缓存和二级缓存是为了缓解较快的CPU与较慢的存储器之间的速率匹配矛盾而产生的 一级缓存通常集成在CPU内核 而二级缓存则是以OnDie或OnBoard的方式以快于计算机主存的速度运行 对于一些大数据交换量的工作 CPU的Cache显得尤为重要 Page7 CPU部分 CPU核心的设计ALU的速度是无法大幅提升的 CPU的
6、性能表现的决定性因素是CPU内核的设计超标量 就是将多个ALU 多个FPU 多个译码器和多条流水线集成到一个CPU中 以并行处理的方式来提高性能流水线 Pipeline 一条具体的指令执行过程通常可以分为取指令 指令译码 取操作数 运算 ALU 写结果5步 前三步一般由指令控制器完成 后两步则由运算器完成 按照传统的方式 所有步骤顺序执行 那么先是指令控制器工作 完成第一条指令的前3步 然后运算器工作 完成后2步 再指令控制器工作 完成第二条指令的前3步 再是运算器 完成第二条指令的后2步 当指令控制器工作时运算器基本上在休息 而当运算器在工作时指令控制器却在休息 造成了相当大的资源浪费 解决
7、方法很容易想到 当指令控制器完成了第一条指令的前3步后 直接开始第二条指令的操作 运算单元也是 这样就形成了流水线系统 这是一条2级流水线 同理 很容易推想出多级流水管线的工作原理 Page8 CPU部分 CPU核心的设计 续上页 流水线系统充分利用了CPU资源 使每个部件在每个时钟周期都工作 大大提高了效率 同时 采用更长的流水管线 可以大幅提高处理器的主频 比如Intel的Northwood内核就采用了NetBurst架构 拥有20级流水管线 因此主频可以高达3 8GHz 但是 流水线有两个非常大的问题 相关和转移相关 在一个流水线系统中 如果第二条指令需要用到第一条指令的结果 这种情况叫
8、做相关 当第二条指令需要取操作数时 若第一条指令的运算还没有完成 如果这时第二条指令就去取操作数 就会得到错误的结果 所以 这时整条流水线不得不停顿下来 等待第一条指令的完成 对于比较长的流水线 比如20级 这种停顿通常要损失十几个时钟周期上面的例子中 如果第一条指令是一个条件转移指令 那么系统就会不清楚下面应该执行那一条指令 这时就必须等第一条指令的判断结果出来才能执行第二条指令 条件转移所造成的流水线停顿甚至比相关还要严重的多因此 流水管线不是越长越好 超标量也不是越大越好 必须有个平衡点 这也是迅驰采用的PentiumM处理器 约12级流水管线 综合性能大幅领先于同频率Pentium4处
9、理器 约20级流水管线 的原因 也解释了Intel在最新的Woodcrest处理器中弃用NetBurst架构的Prescott内核而转向PentiumM内核的理由 Page9 CPU部分 Intel服务器CPU发展史95年秋 Intel发布了PentiumPro处理器 PentiumPro是Intel首个专门为32位服务器 工作站设计的处理器 总共集成了550万个晶体管 并且整合了高速二级缓存芯片98年Intel发布了PentiumIIXeon处理器 Xeon是Intel引入的新品牌 取代之前所使用的PentiumPro品牌 可以支持多达4路或者8路的SMP 对称多处理器 99年 Intel发
10、布了PentiumIIIXeon处理器 在内核架构上采纳全新设计 新增70条指令集 以更好执行多媒体 流媒体应用软件 在缓存速度与系统总线结构上也有很多进步 Page10 CPU部分 Intel服务器CPU发展史01年 Intel推出了开发代号为Prestonia的Xeon处理器 没有任何前缀 沿用了同期发布的Pentium4的Northwood内核 NetBurst架构 20级超长流水线 首次支持超线程 HyperThreading 04年 Intel在AMDK8的压力下 匆匆发布了开发代号为Nocona的Xeon处理器 采用Prescott内核 首度引入EM64T技术 全面支持64位计算
11、05年初又发布了开发代号为Irwindale的Xeon 仅提高了L2Cache容量 其他相对于Nocona没什么变化05年 Intel发布开发代号为Dempsey的Xeon处理器 沿用Prescott内核 首度采用双核技术 FSB提升至1066MHz L2Cache也达到4MB 这也是Intel第一款采用65纳米制程的Xeon06年 Intel发布开发代号为Woodcrest的Xeon 对外销售名成为5000系列 彻底抛弃NetBurst 引入PentiumM架构 引入FBD 硬件虚拟化 双独立总线等全新技术 Page11 CPU部分 AMD服务器CPU发展史99年 AMD发布K7系列处理器
12、K7内核非常先进 性能首次全面超越同频的Pentium3处理器 AMD凭借K7先于Intel跨越GHz大关 其中ThunderBird内核的K7定位于服务器 工作站市场 但未获成功03年 AMD发布K8系列处理器 其中开发代号为SledgeHammer的K8针对服务器市场 是首个支持64位应用的X86处理器 同时K8还首次在处理器中集成了内存控制器 引入HT总线 这些新技术大幅提高了K8的性能 使其在服务器市场上大获成功05年 AMD发布了开发代号为Egypt的800系列和开发代号为Italy的200系列Opteron处理器 即OpteronRev E 支持双核 支持DDR400 并提升了HT
13、总线频率AMD预计在07年中正式发布其Rev F的Opteron处理器 CPU插口更改为1027针的SocketF 支持DDR2内存 支持处理器硬件虚拟化 其他方面与Rev E没有本质区别 Page12 芯片组部分 芯片组 Chipset 是主板的核心组成部分 按照其功能及在主板上的排列位置的不同 通常分为北桥芯片和南桥芯片 其中北桥芯片起着主导性的作用 也称为主桥 HostBridge 北桥芯片提供对CPU的类型和主频 内存的类型和最大容量 PCI X AGP插槽 ECC纠错等支持南桥芯片则提供对KBC 键盘控制器 RTC 实时时钟控制器 USB 通用串行总线 ATA数据传输和ACPI 高级
14、能源管理 等的支持南北桥芯片之间不是一一对应的关系 一种北桥可以选择搭配不同的南桥 甚至V厂商的北桥可以配合I厂商的南桥使用 Page13 芯片组部分 基于Intel服务器处理器的芯片组发展史95年 Intel推出82440FX芯片组 专门搭配PentiumPro处理器 支持100MHz外频 支持2路SMP扩展 支持ECC 最大支持1GB的SDRAM内存 同年还推出了82450GX KX芯片组 属于440FX的升级改良产品98年 Intel发布82440GX芯片组 配合同期发售的P2Xeon处理器 支持100MHz外频 最大支持4路SMP扩展 支持AGP2x 最大支持2GB的SDRAM99年
15、Intel公布了82840芯片组 用于P3Xeon处理器 支持133MHz外频 支持AGP4x 支持双通道RDRAM内存 支持双路SMP扩展02年 Intel宣布E7500芯片组 用以搭配WillametteXeon处理器 支持ECC 最大支持12GB双通道DDR200内存 支持400MHzFSB Page14 芯片组部分 基于Intel服务器处理器的芯片组发展史02年底 Intel发布E7501 E7505系列芯片组 用于NorthwoodXeon处理器 支持400 533MHzFSB 支持2路扩展 支持最大16GB的双通道DDR266内存 通常搭配ICH3 S南桥04年 Intel推出E7
16、320 E7520系列芯片组 用于同期发布的Nocona和IrwindaleXeon处理器 支持800MHzFSB 支持2路扩展 支持双路DDR266 32GB 333或DDR2 400内存 16GB 首次支持PCI E总线 搭配ICH5 S南桥06年 Intel发布开发代号为Blackford的5000P V系列芯片组 用于支持双核的Dempsey和Woodcrest处理器 支持2条独立的1066 1333MHzFSB 最大支持64GB的DDR2 533 667FBD内存 支持内存Mirror HotSwap Spare功能 Page15 芯片组部分 基于AMD服务器处理器的芯片组发展史03年 AMD发布8000系列芯片组 用于支持自家K8处理器 该芯片组包含3块芯片 支持HT总线 支持PCI X 支持AGP3 0 支持DDR266 333 400内存04年底 NVidia推出了nForce4Pro芯片组 又叫作CK804Pro 支持多路双核的AMD处理器 支持PCI E扩展 可提供20Lane的PCI E通道 支持DDR333 400内存04年 VIA宣布了K8T890芯片组 支持
