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1、第九章第九章 微计算机系统微计算机系统微计算机系统课件本章主要内容 微计算机系统以微处理器为核心，以主板为主要部件。微计算机系统以微处理器为核心，以主板为主要部件。微处理器、存储器、通用微处理器、存储器、通用I/OI/O接口、总线接口、声卡、显接口、总线接口、声卡、显卡网卡等都能被集成在主板上。主板结构的好坏与功能强卡网卡等都能被集成在主板上。主板结构的好坏与功能强弱直接影响了微机系统的性能。本章在介绍微机系统的基弱直接影响了微机系统的性能。本章在介绍微机系统的基本组成时，比较详细的介绍了本组成时，比较详细的介绍了3232位微机系统中比较常用的位微机系统中比较常用的芯片集。芯片集。微计算机系统
2、课件9.1 IBM PC/XT9.1 IBM PC/XT微机系统的基本组成微机系统的基本组成1.1.整体工艺整体工艺 该系统板是四层印刷电路板，外两层为印刷电路，内两层为印制该系统板是四层印刷电路板，外两层为印刷电路，内两层为印制电源与地线，直流电源为电源与地线，直流电源为+5V+5V，+12V+12V，-5V-5V，-12V-12V的电源信号通过两个的电源信号通过两个6 6脚插头送入系统板。脚插头送入系统板。5 5芯圆形键盘插座，芯圆形键盘插座，3 3针扬声器插座。针扬声器插座。8 8个个6262线印线印制板插槽制板插槽J1J8J1J8作为作为I/OI/O通道，用来汇集插入通道，用来汇集插入
3、IBM PC/XTIBM PC/XT系统中的扩展系统中的扩展卡。其中卡。其中J8J8与其他插槽不同，要求用卡选中信号进行响应。与其他插槽不同，要求用卡选中信号进行响应。 双列直插组合开关双列直插组合开关DIPDIP，8 8位开关用于控制位开关用于控制8255A-58255A-5芯片读入，为芯片读入，为系统软件提供系统设置的若干信息。系统软件提供系统设置的若干信息。微计算机系统课件9.1 IBM PC/XT9.1 IBM PC/XT微机系统的基本组成微机系统的基本组成2.功能模块划分功能模块划分l 处理器子系统处理器子系统l 只读存储器子系统只读存储器子系统l 随机存储器子系统随机存储器子系统l
4、 I/O接口接口l I/O通道通道微计算机系统课件9.1 IBM PC/XT9.1 IBM PC/XT微机系统的基本组成微机系统的基本组成3.3.控制核心控制核心Intel 8088Intel 8088微处理器微处理器 8087 8087协处理器协处理器 8284 8284时钟发生驱动器时钟发生驱动器 8288 8288总线控制器总线控制器 地址锁存器地址锁存器 数据收发器数据收发器微计算机系统课件9.1 IBM PC/XT9.1 IBM PC/XT微机系统的基本组成微机系统的基本组成4.4.控制模式控制模式 在在IBM PC/XTIBM PC/XT中，中，80888088工作于最大模式，系统
5、读工作于最大模式，系统读/ /写控制写控制信号由处于系统总线工作方式的信号由处于系统总线工作方式的82888288产生。为了提高数值产生。为了提高数值计算的速度，可以插入计算的速度，可以插入8087.8087.同时系统允许使用同时系统允许使用DMADMA方式加方式加快数据传输速度。快数据传输速度。微计算机系统课件9.1 IBM PC/XT9.1 IBM PC/XT微机系统的基本组成微机系统的基本组成5.5.基本配置基本配置 IBM PC/XTIBM PC/XT的的I/OI/O通道有通道有8 8个个6262线插槽，可以插入各种扩展板卡，线插槽，可以插入各种扩展板卡，以配置以配置PC/XTPC/X
6、T系统的基本组成和扩展功能。基本配置包括系统的基本组成和扩展功能。基本配置包括RAMRAM扩展板、扩展板、显示适配器、串行适配器、并行适配器、软盘控制器、硬盘控制器。显示适配器、串行适配器、并行适配器、软盘控制器、硬盘控制器。 RAM RAM：系统板：系统板258KB258KB，扩展板，扩展板384KB384KB Centronics Centronics并行接口（并行打印机适配器）并行接口（并行打印机适配器） 彩色图形适配器（彩色图形适配器（CGACGA）和彩色监视器）和彩色监视器 软盘控制器和软盘驱动器软盘控制器和软盘驱动器 硬盘控制器和硬盘驱动器硬盘控制器和硬盘驱动器微计算机系统课件9.
7、2 IBM PC/AT9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成微机系统的基本组成1.1.功能模块划分功能模块划分 MPU MPU PIC PIC DMAC DMAC PIT PIT 并行并行I/OI/O ROM ROM RAM RAM微计算机系统课件9.2 IBM PC/AT9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成微机系统的基本组成2.MPU PC/AT主机板的核心是主机板的核心是80286微处理器单元（微处理器单元（MPU），程序指令），程序指令均在均在MPU中执行。微处理器产生地址、数据、状态和控制信号，即为中执行。微处理器产生地址、数据、状态和控制信号，即为芯片总线。芯片地址线通
8、过锁存和缓冲方式转换成芯片总线。芯片地址线通过锁存和缓冲方式转换成24位系统地址总线位系统地址总线（SA），芯片数据线通过锁存和缓冲方式转换成），芯片数据线通过锁存和缓冲方式转换成24位系统地址总线，位系统地址总线，芯片数据线通过缓冲方式转换成芯片数据线通过缓冲方式转换成16位系统数据总线。位系统数据总线。微计算机系统课件9.2 IBM PC/AT9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成微机系统的基本组成3.3.总线总线 系统地址线与系统地址线与ROM/IOROM/IO地址缓冲器相连，扩展地址总线地址缓冲器相连，扩展地址总线（XAXA）由）由ROMROM存储器和存储器和I/OI/O外围电路
9、共用。系统数据总线经外围电路共用。系统数据总线经RAM/ROMRAM/ROM数据总线转换电路转换成存储器数据总线（数据总线转换电路转换成存储器数据总线（MDMD）。）。系统数据总线低系统数据总线低8 8位经位经I/OI/O数据总线转换电路转换成数据总线转换电路转换成8 8位扩位扩展数据总线（展数据总线（XDXD），扩展数据总线是所有），扩展数据总线是所有I/OI/O设备的数据设备的数据通路。通路。 微计算机系统课件9.2 IBM PC/AT9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成微机系统的基本组成4.4.同步同步 时钟信号使微处理器和微机内其他设备之间的操作实现时钟信号使微处理器和微机内其
10、他设备之间的操作实现同步。在开机加电时，时钟电路生产加电复位信号用于初同步。在开机加电时，时钟电路生产加电复位信号用于初始化微处理器和外围电路。始化微处理器和外围电路。 时钟电路和等待逻辑电路一起用于使时钟电路和等待逻辑电路一起用于使MPUMPU与外围慢速电与外围慢速电路同步。路同步。微计算机系统课件9.2 IBM PC/AT9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成微机系统的基本组成5.RAM5.RAM PC/AT PC/AT机主板上有机主板上有256K RAM256K RAM，使用，使用128Kx1128Kx1位的动态位的动态RAMRAM芯片，如果用芯片，如果用256Kb256Kb的的D
11、RAMDRAM芯片可扩展到芯片可扩展到512KB512KB。 RAM RAM子系统包括奇偶检验逻辑电路。这个电路为所有子系统包括奇偶检验逻辑电路。这个电路为所有写入写入RAMRAM的数据加上一个奇偶校验位。此外，从的数据加上一个奇偶校验位。此外，从RAMRAM读出数读出数据时要进行奇偶校验，一旦发现错误，奇偶校验逻辑电路据时要进行奇偶校验，一旦发现错误，奇偶校验逻辑电路通过通过PCKPCK信号向系统报告。信号向系统报告。微计算机系统课件9.2 IBM PC/AT9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成微机系统的基本组成6. LSI6. LSI外围电路外围电路 8237A DMA 8237A
12、 DMA控制器控制器 8254 PIT 8254 PIT 8259A PIC 8259A PIC微计算机系统课件9.2 IBM PC/AT9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成微机系统的基本组成为了支持高速存储器数据传送和I/O数据传送，PC/AT系统板上有两个8237ADMA控制器。DMA控制器1、2各包含4个DMA通道。微计算机系统课件9.2 IBM PC/AT9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成微机系统的基本组成在PC/AT系统中，基于8254的定时器电路模块提供与时钟有关的各项功能与信号。在8254PIT中含3个16位定时器。微计算机系统课件9.2 IBM PC/AT9.
13、2 IBM PC/AT微机系统的基本组成微机系统的基本组成PC/AT系统中的I/O通道是ISA总线，由地址线、数据线、控制线、电源线组成。通过I/O通道完成对系统扩展的支持。微计算机系统课件9.2 IBM PC/AT9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成微机系统的基本组成7.IBM PC/AT7.IBM PC/AT对对PC/XTPC/XT的改进的改进（1 1）对系统主板内几个主要）对系统主板内几个主要I/OI/O控制模块的改进控制模块的改进l 系统配置选择方法上的更改系统配置选择方法上的更改l 键盘接口部分的改动键盘接口部分的改动l 增加了实时时钟增加了实时时钟（2 2）对控制器和外设的
14、改动及扩充）对控制器和外设的改动及扩充l 对软对软/ /硬盘控制器的改动硬盘控制器的改动l 对串对串/ /并行接口适配器的改动并行接口适配器的改动l 对键盘的改动对键盘的改动l 对内存扩充卡的改动对内存扩充卡的改动l 使用增强图形适配器（使用增强图形适配器（EGAEGA）微计算机系统课件9.3 803869.3 80386微机系统的基本组成微机系统的基本组成在32位微机系统中，为了简化设计，使用了许多专用集成电路。这种设计方法的基础是开发具有高集成度的外围集成电路芯片。开发外围集成电路芯片的目的是在提高主板功能的同时，降低电路的复杂性和造价。微计算机系统课件9.3 803869.3 80386
15、微机系统的基本组成微机系统的基本组成1.1.8234082340芯片集芯片集 8234082340芯片集中有芯片集中有4 4块芯片，负责完成主板上的大部分功能，若块芯片，负责完成主板上的大部分功能，若再加上少量其他集成电路，就可完成一块再加上少量其他集成电路，就可完成一块386386微机主板的功能。微机主板的功能。 主要功能模块：主要功能模块： 80386DX CPU80386DX CPU 80387DX 80387DX数字协处理器数字协处理器 82385DX82385DX高速缓存控制器高速缓存控制器 82345 82345 数据缓冲器数据缓冲器 82346 82346 系统控制器系统控制器
16、82344 ISA82344 ISA控制器控制器微计算机系统课件9.3 803869.3 80386微机系统的基本组成微机系统的基本组成2. 80386DX2. 80386DX微机控制核心微机控制核心 80386 80386微机主板控制核心由微机主板控制核心由80386DX80386DX、80387DX80387DX、80385DX Cache80385DX Cache控制器及控制器及CacheCache阵列等组成。阵列等组成。80386DX80386DX的地的地址线址线A2A2A31A31以及控制电路与以及控制电路与82385DX82385DX相应的引脚直接相连，相应的引脚直接相连， 803
17、86DX80386DX的数据线与的数据线与80387DX80387DX的数据线相连。的数据线相连。微计算机系统课件9.3 803869.3 80386微机系统的基本组成微机系统的基本组成3.823453.82345数据缓冲器数据缓冲器 82345 82345数据缓冲器是一片数据缓冲器是一片VLSIVLSI芯片，可对数据总线上芯片，可对数据总线上的数据进行缓冲，也可以进行总线切换。同时可产生奇偶的数据进行缓冲，也可以进行总线切换。同时可产生奇偶校验码，并可进行奇偶校验。由高密度校验码，并可进行奇偶校验。由高密度128128引脚塑制方形引脚塑制方形扁平封装。扁平封装。微计算机系统课件9.3 803
18、869.3 80386微机系统的基本组成微机系统的基本组成4. 823464. 82346系统控制器系统控制器 在在8034080340芯片集中，芯片集中，82346VLSI82346VLSI是系统控制器。系统是系统控制器。系统控制器与控制器与80386DX80386DX局部总线、局部总线、ISAISA总线、总线、8234582345数据缓冲器数据缓冲器以及以及82344 ISA82344 ISA控制器均相连。控制器均相连。 其功能包括产生时钟信号，产生其功能包括产生时钟信号，产生DRAMDRAM阵列的操作地址，阵列的操作地址，为主板存储器提供控制信号，为为主板存储器提供控制信号，为MPUMP
19、U提供复位信号，提供提供复位信号，提供数字协处理器与数字协处理器与80386DX80386DX接口。接口。微计算机系统课件9.3 803869.3 80386微机系统的基本组成微机系统的基本组成5. 82344 ISA5. 82344 ISA控制器控制器 8234082340芯片集中有芯片集中有3 3个芯片与个芯片与CPUCPU局部总线及局部总线及ISAISA总线总线均相连，均相连，82344 ISA82344 ISA控制器是其中之一，也是控制器是其中之一，也是VLSIVLSI芯片，芯片，其封装形式为其封装形式为160160引脚引脚PQFPPQFP形式。该芯片通过形式。该芯片通过CPUCPU局
20、部总线局部总线与与82386DX82386DX的地址缓冲输入端相连，同时通过的地址缓冲输入端相连，同时通过82344/8234682344/82346通信接口线与通信接口线与8234682346系统总线控制器相连。其重要功能是系统总线控制器相连。其重要功能是提供提供ISAISA总线的大部分信号，同时，在系统使用总线的大部分信号，同时，在系统使用BIOS BIOS EPROMEPROM芯片及驱动扬声器发声时，根据数据宽度选用芯片及驱动扬声器发声时，根据数据宽度选用8 8位或位或1616位数据总线。位数据总线。微计算机系统课件9.3 803869.3 80386微机系统的基本组成微机系统的基本组成
21、6. 82341 6. 82341 高集成度外围组合高集成度外围组合 8234182341芯片完成了大量的芯片完成了大量的PC/ATPC/AT微机所需的外设功能，微机所需的外设功能，芯片中有两个芯片中有两个16C45016C450异步串行通信口、一个并行打印机端异步串行通信口、一个并行打印机端口、一个实时时钟、一个暂存口、一个实时时钟、一个暂存RAMRAM、一个键盘、一个键盘/ /鼠标控制器、鼠标控制器、一个一个IDEIDE硬盘接口及可编程片选电路。封装形式为硬盘接口及可编程片选电路。封装形式为128128引脚引脚PQFPPQFP。微计算机系统课件9.4 80386/80486 EISA9.4
22、 80386/80486 EISA微机系统微机系统1.EISA1.EISA总线总线 EISA EISA总线是一种开放型总线，它与总线是一种开放型总线，它与PCPC总线及总线及ISAISA总线总线兼容，兼容，IntelIntel公司为公司为EISAEISA总线扩展槽提供了配套芯片组。总线扩展槽提供了配套芯片组。许多高性能许多高性能80386/8048680386/80486微机大都采用了微机大都采用了EISAEISA总线，在总线，在EISAEISA扩展槽上可以安装网卡、扩展槽上可以安装网卡、SCSISCSI接口和图形控制器等高接口和图形控制器等高性能、高处理速度的智能板，使整个微机系统可以用作较
23、性能、高处理速度的智能板，使整个微机系统可以用作较高速的网络服务器或高速的网络服务器或CADCAD开发机。开发机。微计算机系统课件9.4 80386/80486 EISA9.4 80386/80486 EISA微机系统微机系统2.2.主要功能模块主要功能模块 82352 EBB 82352 EBB 82358 EBC 82358 EBC 82357 ISP 82357 ISP 中断控制器中断控制器 定时定时/ /计数器计数器 DMA DMA控制器控制器 NMI NMI信号产生电路信号产生电路微计算机系统课件9.5 Pentium9.5 Pentium微机系统微机系统 Pentium Penti
24、um微机系统由主板及其部件以及软盘、硬盘、微机系统由主板及其部件以及软盘、硬盘、光盘驱动器、显示器和键盘等外设构成。光盘驱动器、显示器和键盘等外设构成。1.1.主板结构主板结构 主板是由一块多层印制电路板、集成电路及各种总线主板是由一块多层印制电路板、集成电路及各种总线插槽和接口组成。插槽和接口组成。 主板上有主板上有3 3个个PCIPCI和和4 4个个ISAISA插槽。同时主板还具有软盘插槽。同时主板还具有软盘驱动器接口驱动器接口FDCFDC、通用串行总线接口、通用串行总线接口USBUSB、并行打印机接口、并行打印机接口、COM1COM1和和COM2COM2、鼠标接口、鼠标接口PS/2PS/
25、2、4 4个个7272线内存条插槽线内存条插槽SIMMSIMM、168168线内存条插槽及键盘接口等。线内存条插槽及键盘接口等。微计算机系统课件9.5 Pentium9.5 Pentium微机系统微机系统2.2.主板工作原理主板工作原理 PCMC PCMC、LBXLBX、SIOSIO组成了组成了CPUCPU的外围芯片组，直接与的外围芯片组，直接与CPUCPU进行通信，并代表进行通信，并代表CPUCPU处理处理CPUCPU对内存、外部对内存、外部CacheCache、PCIPCI卡、卡、ISAISA卡及硬盘等外设的操作。卡及硬盘等外设的操作。PCMCPCMC外围芯片的功能是管理外围芯片的功能是管
26、理PCIPCI总线、外部总线、外部CacheCache及内存，集成了外部及内存，集成了外部CacheCache控制器、控制器、CacheCache标签存储器和标签存储器和DRAMDRAM控制器。控制器。 两片局部总线加速器芯片两片局部总线加速器芯片LBXLBX与与PCMCPCMC一起将一起将CPUCPU总线变总线变为为PCIPCI总线。总线。 系统系统I/OI/O芯片芯片SIOSIO用来将用来将PCIPCI总线变为标准总线变为标准ISAISA总线，并总线，并负责多个负责多个ISAISA设备的仲裁。设备的仲裁。微计算机系统课件9.5 Pentium9.5 Pentium微机系统微机系统3.3.外
27、部设备外部设备 奔腾微机的外部设备主要包括：高速硬盘（奔腾微机的外部设备主要包括：高速硬盘（850MB850MB2.1GB2.1GB），通过），通过EIDEEIDE接口直接与接口直接与PCIPCI总线相连；总线相连；PCIPCI图形加图形加速卡（显示适配器）用来连接速卡（显示适配器）用来连接SVGASVGA彩色显示器；两个软盘彩色显示器；两个软盘驱动器（驱动器（3.53.5英寸英寸/1.44MB/1.44MB和和5.255.25英寸英寸/1.2MB/1.2MB各一个）通过各一个）通过3434芯扁平电缆连至主板芯扁平电缆连至主板FDCFDC插座，并行打印机通过插座，并行打印机通过2525芯电芯电
28、缆连至主板上缆连至主板上LPTLPT插座。插座。微计算机系统课件9.5 Pentium9.5 Pentium微机系统微机系统4. 4. 显示器与键盘显示器与键盘 奔腾微机采用奔腾微机采用PCIPCI显示卡及显示卡及SVGASVGA型型60Hz60Hz逐行扫描先测逐行扫描先测显示器，分辨率为显示器，分辨率为1024x7681024x768或更高。当更换显示卡或显示或更高。当更换显示卡或显示器时，应对器时，应对BIOSBIOS有关参数进行重新设置。有关参数进行重新设置。 奔腾微机中的键盘与奔腾微机中的键盘与PC/ATPC/AT机键盘兼容，采用机键盘兼容，采用101101键或键或104104键，并有
29、键，并有80488048单片机实现键扫描及控制，并将键值送单片机实现键扫描及控制，并将键值送主机，从而完成键盘命令的执行。主机，从而完成键盘命令的执行。微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统p1. 641. 64位计算机系统位计算机系统p6464位计算机是指位计算机是指CPUCPU GPRsGPRs（GeneralGeneral-Purpose -Purpose RegistersRegisters，通用寄存器）的数据宽度为，通用寄存器）的数据宽度为6464位，位，6464位指令集就是运行位指令集就是运行6464位数据的指令，也就是说处理位数据的指令，也就是说处理器一
30、次可以运行器一次可以运行64bit64bit数据。数据。p64bit64bit处理器并非现在才有的，在高端的处理器并非现在才有的，在高端的RISCRISC很早很早就有就有64bit64bit处理器了，比如处理器了，比如SUNSUN公司的公司的UltraSparc UltraSparc 、IBMIBM公司的公司的POWERPOWER 5 5、HPHP公司的公司的AlphaAlpha等。等。微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统64bit计算主要有两大优点：可以进行更大范围的整数运算；可以支持更大的内存。不能因为数字上的变化，而简单的认为64bit处理器的性能是32bit
31、处理器性能的两倍。目前主流CPU使用的64位技术主要有AMD公司的AMD64位技术、Intel公司的EM64T技术、和Intel公司的IA-64技术。其中IA-64是Intel独立开发，不兼容现在的传统的32位计算机，仅用于Itanium以及后续产品Itanium2，一般用户不会涉及到，因此这里仅对AMD64位技术和Intel的EM64T技术做一下简单介绍。微计算机系统课件AMD64AMD64位技术位技术AMD64的位技术是在原始32位X86指令集的基础上加入了X86-64扩展64位X86指令集，使这款芯片在硬件上兼容原来的32位X86软件，并同时支持X86-64的扩展64位计算，使得这款芯片
32、成为真正的64位X86芯片。这是一个真正的64位的标准，X86-64具有64位的寻址能力。微计算机系统课件EM64TEM64T技术技术Intel官方是给EM64T这样定义的：EM64T全称ExtendedMemory64Technology，即扩展64bit内存技术。EM64T是IntelIA-32架构的扩展，即IA-32e（IntelArchitectur-32extension）。IA-32处理器通过附加EM64T技术，便可在兼容IA-32软件的情况下，允许软件利用更多的内存地址空间，并且允许软件进行32bit线性地址写入。EM64T特别强调的是对32bit和64bit的兼容性。Intel
33、为新核心增加了8个64bitGPRs（R8-R15），并且把原有GRPs全部扩展为64bit，如前文所述这样可以提高整数运算能力。增加8个128bitSSE寄存器（XMM8-XMM15），是为了增强多媒体性能，包括对SSE、SSE2和SSE3的支持。微计算机系统课件6464位位CPUCPU目前AMD方面支持64位技术的CPU有Athlon64系列、AthlonFX系列和Opteron系列。Intel方面支持64位技术的CPU有使用Nocona核心的Xeon系列、使用Prescott2M核心的Pentium46系列和使用Prescott2M核心的P4EE系列。微计算机系统课件9.6 649.6
34、64位计算机系统位计算机系统2. AMD Opteron(2. AMD Opteron(皓龙皓龙) ) 芯片工艺芯片工艺0.13 0.13 微米，具有微米，具有2 2级级CacheCache， 采用陶瓷封装方式，电压采用陶瓷封装方式，电压1.5V1.5V 内存通道：双通道内存通道：双通道DDRDDR400400 内存型号：内存型号：ECC / Registered DDR ECC / Registered DDR 内存带宽：内存带宽：6.4 GB/s / 12.8 GB/s (w/ NUMA aware OS)6.4 GB/s / 12.8 GB/s (w/ NUMA aware OS) 支持
35、的指令集：支持的指令集：MMX, 3DNow!, SSE, SSE-2, X86-64MMX, 3DNow!, SSE, SSE-2, X86-64 引脚类型：引脚类型：Socket-940 Socket-940 12 12级整数操作流水线和级整数操作流水线和1717级浮点操作流水线级浮点操作流水线微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统Opteron”源自于拉丁文optimus“最佳”的意思，它可以表达性能最好、最高的含义，它还含有灵活性、选择的意思。Opteron微架构对32位X86软件提供固有支持的同时，又提供了灵活的升级途径来实现对AMD64架构的支持。Opte
36、ron处理器架构的设计是以“为用户提供新一代性能”为首要目标。要达到这一目标，需要在微架构的每时钟周期性能与处理器频率扩展能力之间实现良好的平衡，只有在两者都得到提高的同时，用户才真正可以得到由处理器结构改进而带来的真实性能的提升。微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统Opteron处理器改变了前一代(第七代)处理器的底层流水线结构，与前一代的微架构相比，Operon多出了两级管道，也就是说该产品拥有了12级整数操作流水线和17级浮点操作流水线，而更深的流水线使新一代的微架构拥有了更高的工作频率。Opteron处理器最初采用0.13微米SOI(SilicononIns
37、ulator，绝缘硅)的工艺进行生产，而后来的产品采用90nm的工艺生产。微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统第一款基于X86架构的64位处理器在同一个芯片上运行32位和64位x86应用程序如需对AMD64架构深入了解，请参阅AMD64技术白皮书”。在中另有详细的AMD64指令集架构技术资料。微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统3. Intel Nocona Xeon(3. Intel Nocona Xeon(至强至强) )l扩展内存扩展内存6464位技术位技术(EM64T) (EM64T) 在原在原x86x86指令集的基础上，增加了指令
38、集的基础上，增加了6464位扩展，把寄存位扩展，把寄存器也扩展到了器也扩展到了6464位。位。6464位扩展包括位扩展包括6464位模式和兼容位模式和兼容32/6432/64位模式位模式l全新的全新的LDT(LDT(闪电数据传输总线闪电数据传输总线) )， 把把LDTLDT控制器建于北桥芯片，再把所有控制器建于北桥芯片，再把所有PCIPCI控制器移入控制器移入南桥芯片，这种设计可以使北桥芯片和南桥芯片之间的数南桥芯片，这种设计可以使北桥芯片和南桥芯片之间的数据带宽达到据带宽达到6.4GB/s 6.4GB/s 微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统 芯片工艺芯片工艺0.
39、09 0.09 微米，具有微米，具有2 2级级CacheCache， 采用采用有机物封装方式，电压有机物封装方式，电压1.4V1.4V 内存通道：双通道内存通道：双通道DDR2DDR2400400 内存型号：内存型号： ECC / Registered DDR2 ECC / Registered DDR2 内存带宽：内存带宽：6.4 GB/s6.4 GB/s 支持的指令集：支持的指令集：MMX, SSE, SSE-2, SSE-3, X86-64 MMX, SSE, SSE-2, SSE-3, X86-64 引脚类型：引脚类型：Socket-604 Socket-604 微计算机系统课件9.6
40、 649.6 64位计算机系统位计算机系统Opteron2502.4GHz处理器和Nocona3.4GHzXeon微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统4. AMD Turion (炫龙炫龙) 0.09 微米微米SOI制造工艺制造工艺Taylor核心，核心， 核心面积约为核心面积约为172.1平方毫米平方毫米 晶体管数量达到了晶体管数量达到了1.538亿个亿个 具有具有2级级Cache 核心电压核心电压1.075V最高功耗最高功耗25W微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统微计算
41、机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统5. Intel Merom 移动平台双核心处理器移动平台双核心处理器 基于全新的基于全新的Core(Core(酷睿酷睿) )微架构微架构 核心仍然采用核心仍然采用65nm65nm制造工艺制造工艺 核心电压为核心电压为1.3V1.3V左右左右 封装方式采用封装方式采用PPGAPPGA 接口类型为接口类型为Socket 478/479Socket 478/479接口接口微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统6. 6. 龙芯计划龙芯计划20022002
42、年年9 9月月2828日，中国第一颗通用式处理器芯片日，中国第一颗通用式处理器芯片“龙芯龙芯1 1号号”发布，结束了我国在计算机关键技术领域的发布，结束了我国在计算机关键技术领域的“无芯无芯”历史。历史。“龙芯龙芯1 1号号”是一款是一款3232位微处理器，采用位微处理器，采用0.180.18微米工艺，微米工艺，CMOSCMOS工艺制造，包含工艺制造，包含近近400400万个晶体管，具有良好的低功耗特性，平均功耗万个晶体管，具有良好的低功耗特性，平均功耗0.40.4瓦，最大功瓦，最大功耗不超过耗不超过1 1瓦，主频最高可达瓦，主频最高可达266MHz266MHz。“龙芯一号龙芯一号”处理器是一
43、款既处理器是一款既兼顾通用又有嵌入式兼顾通用又有嵌入式CPUCPU特点的新一代特点的新一代3232位处理器，拥有位处理器，拥有3232位位MIPSMIPS指指令系统，并采用一套简单高效的动态流水线，支持乱序执行和精确中令系统，并采用一套简单高效的动态流水线，支持乱序执行和精确中断处理，可以在大量的嵌入式应用领域中使用。从技术和应用的角度断处理，可以在大量的嵌入式应用领域中使用。从技术和应用的角度来看，来看，“龙芯一号龙芯一号”与主流与主流CPUCPU产品还有着很大的差距，仅相当于中产品还有着很大的差距，仅相当于中端端Pentium2Pentium2的水平。的水平。 微计算机系统课件9.6 64
44、9.6 64位计算机系统位计算机系统20052005年年4 4月月2626日面世的日面世的“龙芯龙芯2 2号号”是国内首款是国内首款6464位高位高性能通用性能通用CPUCPU芯片。芯片。“龙芯龙芯2 2号号”仍采用仍采用0.180.18微米微米CMOSCMOS工工艺制造，最高频率可达到艺制造，最高频率可达到500MHz500MHz，功耗，功耗3 35W5W，支持，支持6464位位LinuxLinux操作系统和操作系统和X-windowX-window视窗系统，视窗系统， “ “龙芯龙芯2 2号号”可以媲美可以媲美IntelPentium3IntelPentium3，超过，超过1.3GHz1.
45、3GHz的威盛处理器的的威盛处理器的2 2至至3 3倍。龙芯倍。龙芯2 2号的主要应用目标是号的主要应用目标是LinuxLinux桌面网络终端、低端服务器、网络防火墙、路由器交桌面网络终端、低端服务器、网络防火墙、路由器交换机、多媒体网络终端机、无盘工作站等。换机、多媒体网络终端机、无盘工作站等。 微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统 龙芯二号增强型处理器（简称龙芯二号增强型处理器（简称“龙芯龙芯2E”2E”）是中国）是中国科学院计算技术所研制，具有自主知识产权的科学院计算技术所研制，具有自主知识产权的6464位高性能位高性能通用处理器，龙芯通用处理器，龙芯2E2E
46、的最高频率达到的最高频率达到1GHZ1GHZ，最高双精度浮，最高双精度浮点运算速度每秒点运算速度每秒39.9339.93亿次。龙芯亿次。龙芯2E2E采用四发射的动态超采用四发射的动态超标量超流水线结构，实现了先进的寄存器重命名、动态调标量超流水线结构，实现了先进的寄存器重命名、动态调度、以及非阻塞的高速缓存访问等乱序执行技术。龙芯度、以及非阻塞的高速缓存访问等乱序执行技术。龙芯2E2E片内含片内含64KB64KB一级指令高速缓存访问等乱序执行技术。龙芯一级指令高速缓存访问等乱序执行技术。龙芯2E2E片内含片内含64KB64KB一级指令高速缓存、一级指令高速缓存、64KB64KB一级数据高速缓一
47、级数据高速缓存、以及存、以及512KB512KB二级高速缓存，片内还集成有二级高速缓存，片内还集成有DDRDDR内存控制内存控制器。器。微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统龙芯2E处理器是一款实现64位MIPSIII指令集的通用RISC处理器。龙芯2E的指令流水线每个时钟周期取四条指令进行译码，并且动态地发射到五个全流水的功能部件中。虽然指令在保证依赖关系的前提下进行乱序执行，但是指令的提交还是按照程序原来的顺序，以保证精确中断和访存顺序执行。微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统龙芯2E先进的存储系统设计可以有效地提高流水线的效率。龙芯2
48、E的一级Cache由64KB的指令Cache和64KB的数据Cache组成，片上二级Cache大小为512KB，均采用四路组相联的结构。龙芯2E处理器内部集成了遵守JESD79C标准的DDR控制器，加快了处理器访问内存的速度。龙芯2E的TLB有64项，采用全相联结构，每项可以映射一个奇页和一个偶页。龙芯2E通过24项的访存队列以及8项的访存失效队列（MissQueue）来动态地解决地址依赖，实现访存操作的乱序执行、非阻塞Cache、取数指令猜测执行（LoadSpeculation）、写合并（StoreFillBuffer）等访存优化技术。微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计
49、算机系统微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统流水线操作流水线操作(1)(1)取指取指流水级用程序计数器流水级用程序计数器PCPC的值去访问指令的值去访问指令CacheCache和指令和指令TLBTLB，如果指令，如果指令CacheCache和指令和指令TLBTLB都命中，则把四都命中，则把四条新的指令取到指令寄存器条新的指令取到指令寄存器IRIR。 (2) (2)预译码预译码流水级主要对转移指令进行译码并预测跳转的流水级主要对转移指令进行译码并预测跳转的方向。方向。 (3) (3)译码译码流水级把流水级把IRIR中的四条指令转换成龙芯中的四条指令转换成龙芯2E2E的
50、内的内部指令格式送往寄存器重命名模块部指令格式送往寄存器重命名模块 (4) (4)寄存器重命名寄存器重命名流水级为逻辑目标寄存器分配一个新的流水级为逻辑目标寄存器分配一个新的物理寄存器，并将逻辑源寄存器映射到最近分配给该逻辑物理寄存器，并将逻辑源寄存器映射到最近分配给该逻辑寄存器的物理寄存器。寄存器的物理寄存器。微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统流水线操作（续）流水线操作（续）调度流水级调度流水级将重命名的指令分配到定点或浮点保留站中等待执行，同时送到ROQ中用于执行后的顺序提交；此外，转移指令和访存指令还分别被送往转移队列和访存队列。发射流水级发射流水级从定点或
51、浮点保留站中为每个功能部件选出一条所有操作数都准备好的指令；在重命名时操作数没准备好的指令，通过侦听结果总线和forward总线等待它的操作数准备好。读寄存器流水级读寄存器流水级为发射的指令从物理寄存器堆中读取相应的源操作数送到相应的功能部件。微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统执行流水级执行流水级根据指令的类型执行指令并把计算结果写回寄存器堆；结果总线还送往保留站和寄存器重命名表，通知相应的寄存器值已经可以使用了。提交流水级提交流水级按照Reorder队列记录的程序的顺序提交已经执行完的指令，龙芯2E最多每拍可以提交四条指令，提交的指令送往寄存器重命名表用于确认它的目的寄存器的重命名关系并释放原来分配给同一逻辑寄存器的物理寄存器，并送往访存队列允许那些提交的存数指令写入Cache或内存。微计算机系统课件9.6 649.6 64位计算机系统位计算机系统上述是基本指令的流水级，对于一些较复杂的指令，如定点乘除法指令、浮点指令以及访存指令，在执行阶段需要多拍。更详细内容请参考：龙芯龙芯2E 处理器用户处理器用户手册手册微计算机系统课件微计算机系统课件
