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第3章(CPU)

第3章 微型机的中央处理器CPU 性能指标 关键技术 功能结构 发展趋势 3.2 CPU的主要技术参数 位、字节和字长 时钟频率 主频、外频和倍频、 超频运行 L1和L2 Cache的容量和速率 扩展指令集 工作电压 总线宽度 地址总线宽度、数据总线宽度 制造工艺 3.2.1 位、字节和字长 位: 二进制位,“0”或“1”。 字节:8位二进制位 字: 两个字节 字长:CPU一次处理的二进制数的位数,常见的有1、4、8、16、32、64位。 3.2.2 时钟频率 时钟频率:周期性脉冲信号的频率,单位Hz。 主频:工作频率,CPU内核的实际运行频率。 外频: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。 倍频系数:主频=外频×倍频系数(486DX2) 3.2.3 L1和L2 Cache的容量和速率 L1和L2 Cache的容量和工作速率对提高微机速度起关键作用 L2 Cache对提高运行图形处理较多的软件速度有显著作用 3.2.4 CPU扩展指令集 增强CPU的多媒体、图形、图像和Internet等的处理能力。 Intel MMX——Multi Media eXtended ,多媒体扩展 SSE——Streaming-Single instruction multiple data(SIMD)-Extensions ,单指令多数据流扩展 SSE2、SEE3 AMD 3DNow!——3D no waiting Enhanced 3DNow! 3.2.5 工作电压 CPU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。 早期(286-486时代)一般为5V,CPU的发热量大,寿命短。 近年来CPU的工作电压有逐步下降的趋势 一般CPU工作电压低于3V,有的已低于2V。 笔记本专用CPU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——可访问的物理地址空间 如:32根地址线的寻址能力为4GB(232B) 数据总线宽度——与二级高速缓存、内存和I/O设备间一次数据传输的位数 3.2.7 制造工艺 线宽——芯片上最基本功能单元(门电路)的宽度,也是连线的宽度,目前采用铜连线 。 第一代奔腾 CPU为0.35微米,266Mhz PII和赛扬为0.25微米,450Mhz 铜矿核心的奔腾Ⅲ为0.18微米,1.13Ghz Northwood核心的奔腾4 CPU为0.13微米 Prescott核心的奔腾4 CPU为0.09微米 目前为65纳米 3.3 提高CPU性能的先进技术 3.3.1 流水线与超标量结构 指令的执行过程: 取指令FI:从内存读取这条指令。 译码D:将指令翻译成操作命令。 取操作数FO:从内存中读取执行该条指令所需的操作数。 执行指令E:CPU个部件实际执行这条指令。 回写W:将执行的结果送回内存或寄存器中。 流水线指令的执行过程 流水线(pipeline) 在486中首次使用 在CPU中由不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线,将一条X86指令分解后由这些电路单元分别执行。 目前,CPU的流水线已长达几十级 流水线(pipeline) 流水线的问题 相关 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——在两条相关指令中插入不相关的指令 转移 条件转移 解决的方法:分支预测,在没有得到结果之前预测下一条需执行的指令,目前能达到90%以上的正确率。 超标量技术(superscalar) Pentium是Intel家族中最早采用超标量结构的处理器 CPU中有一条以上的流水线 CPU集成了多个ALU、多个FPU、多个译码器,以并行处理的方式来提高性能。 3.3.2 高速缓存(Cache)技术 CPU的运算速度与主存的读写速度不匹配 在CPU与主存间加入容量较小、与CPU速度相当的SRAM(静态存储器) Cache储存了主内存的映象,通过访问Cache 来完成数据的读写。 Cache全部技术由硬件实现,对应用程序和系统程序员均透明。 1.Cache的实现原理 Cache的工作原理 Cache的命中率 命中率:命中的访问次数和总访问次数之比 命中时间:访存Cache 失效率:失效的访问次数和总访问次数之比 失效时间:访问存储器 Cache的容量 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明显地增长 小:命中率低;命中时间短。 Cache系统须解决的三个问题 1. 定位问题 处理器按主存地址访问存储器 通过主存——Cache地址映象机构判定该地址的存储单元是否在Cache中 如果在(命中),按Cache地址访问Cache。 2. 替换问题 不命中时,要从主存储器调入数

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