第十四章讲义高性能微处理器的先进技术及典型结构
英特尔14纳米微架构处理器(Broadwell)
Srinivas Chennupaty，英特尔公司高级首席工程师兼 CPU 首席架构师 江宏博士，英特尔院士兼英特尔公司首席媒体架构师
ARCS001
芯动，行动，共创未来！
议程
• 简介 • 功耗管理 • CPU 微架构 • 芯片组 • 显卡和异构处理创新 • 媒体和显示创新
• PCH 响应
- SATA – 当指令发出后进行调节 - 使链路有机会进入 低功耗状态（部分运行、睡眠……）
- PCI Express* – 强制 Tx 和 Rx 进入 L0s 状态 - USB – 推迟向终端设备安排事务
使链路有机会进入 U1、 U2 等低功耗状态
PCH 控制图示
功耗降低 50%
ECDH-p256： ADCX/ADOX
2009
2014 ECDH-p256 RSA-2048 AES-128-GCM
监控
英特尔® 处理器跟踪
• 英特尔® CPU 上用于软件调试的主要新架 构功能
• 支持在内存中执行低开销指令工作负载 跟踪
• 该功能将获得领先调试工具的支持 • 计划在未来产品中进行改进
12
效率
随着峰值负载的下降，Vccin 电压会下降， 从而最大限度地减少供电损耗
负载
管理偏移
最大 睿频
IA 频率 芯片组控制 GT 频率
13
最低 功耗
T1
T2 T3
占空比控制 打开/关闭模块
芯片组占空比控制(Duty Cycling)
• CPU 监控总体系统芯片功耗
• 要求PCH基于功耗余量进行控制
面向虚拟化数据中心的新功能
• 服务质量 • 容错
微处理器的基本结构与功能
微处理器的基本结构与功能微处理器是计算机系统中的核心部件，负责执行指令、处理数据和控制各个部件的工作。
它的基本结构和功能对于计算机的性能和功能起着至关重要的作用。
微处理器的基本结构主要包括控制单元和算术逻辑单元。
控制单元负责解析和执行指令，控制和协调计算机系统中各个部件的工作；算术逻辑单元负责完成各种算术运算和逻辑运算。
控制单元和算术逻辑单元之间通过数据总线和控制总线进行通信。
控制单元是微处理器的核心部分，它负责从存储器中获取指令，并根据指令的操作码进行相应的操作。
在执行指令的过程中，控制单元会将指令解码成各种控制信号，并将这些信号发送给其他部件，以完成指令的执行。
控制单元还负责处理异常和中断，并根据需要进行相应的处理。
算术逻辑单元是微处理器的另一个重要部分，它负责进行各种算术运算和逻辑运算。
算术逻辑单元可以执行加法、减法、乘法、除法等算术运算，还可以进行与、或、非、异或等逻辑运算。
算术逻辑单元通过数据总线与存储器和其他部件进行数据交换，以完成各种运算操作。
除了控制单元和算术逻辑单元，微处理器还包括寄存器和缓存等部件。
寄存器是微处理器中的临时存储器件，用于存储指令和数据。
微处理器中的寄存器分为通用寄存器和特殊寄存器。
通用寄存器用于存储临时数据，而特殊寄存器用于存储特定的控制信息。
缓存是一种高速存储器，用于暂时存储频繁使用的指令和数据，以提高存取速度。
微处理器的功能包括指令执行、数据处理和控制操作。
指令执行是微处理器的主要功能，它负责执行存储器中的指令，并根据指令的操作码进行相应的操作。
数据处理是微处理器的另一个重要功能，它负责对数据进行各种运算和处理操作。
控制操作是微处理器的核心功能，它负责控制和协调计算机系统中各个部件的工作，确保指令的正确执行。
微处理器还具有时钟和中断控制等功能。
时钟是微处理器中的定时器，用于控制微处理器的工作速度。
中断控制是微处理器中的一种机制，用于处理外部的中断请求。
当发生中断时，微处理器会立即暂停当前的工作，转而处理中断请求，并在处理完中断后返回到原来的工作状态。
微机原理与接口技术-微处理器性能提高技术
9.2.2 Pentium超标量指令流水线
第七章 输入和输出
Ø Pentium处理器采用超标量技术，设计了两个可以并 行操作的执行单元，形成了两条指令流水线。
Ø Pentium的超标量整数指令流水线的各个阶段与 80486类似，在原始5个步骤的基础上将后3个步骤设 计为可以在它的两个流水线（U流水线和V流水线） 上同时执行，如图9-2所示。
9.1.1 复杂指令集和精简指令集
第七章 输入和输出
目前，大多数人广泛使用的个人计算机（简PC机）属 于一个典型的复杂指令集计算机；现在我们来了解一下另 外一个广泛应用的计算机结构，即精简指令集计算机。
CISC和RISC
Ø 复杂指令集计算机（Comlex Instruction Set Computer ，CISC）。指令系统是计算机软件和硬件的接口。传统 处理器的指令系统含有功能强大但复杂的指令，并且所有 指令的机器代码长短不一样，且指令条数较多，通常都在
300条以上。
第七章 输入和输出
Ø CISC的优势是其指令系统非常丰富、程序设计方便、程 序短小、执行性能高，功能强大的指令系统能使高级语言 同机器语言的语义差别缩小且使得编译更加简单。但是 CISC庞大的指令系统和功能强大的复杂指令使处理器硬 件复杂，也使微程序的体积变大，更主要的是指令代码和 执行时间长短不一样，不易使用先进的流水线技术，导致 其执行速度和性能难以进一步提高。
如果上下两个值一样接近就取偶数结果最低位为001向下舍入趋向舍入结果接近但不大于准确值10向上舍入趋向舍入结果接近但不小于准确值11向零舍入趋向0舍入结果接近但绝对值不大于准确值表91舍入控制第七章输入和输出sse指令集共有70条指令其中12条为增强和完善mmx指令集而增加的simd整数指令助记符仍以字符p开头8条高速缓冲存储器优化处理指令以及最主要的5条simd单精度浮点处理指令
微型处理器的组成
微型处理器的组成微型处理器是一款集成电路芯片，它由计算机硬件的主要部分，包括CPU、内存、输入输出接口、时钟等组成。
微型处理器可用于多种应用，如智能手机、平板电脑、个人计算机、汽车和工业控制等，它极大地提高了现代科技的水平。
下面具体介绍微型处理器的组成。
1.中央处理器（CPU）中央处理器是微型处理器的核心，它是计算机的控制中心，主要负责处理数据和指令。
CPU通常由多个芯片组成，包括控制单元、算术逻辑单元和寄存器。
控制单元根据存储在内存中的指令序列来控制CPU的操作，算术逻辑单元用于执行算术和逻辑运算，寄存器用于存储数据或指令。
CPU的性能往往是使用微型处理器时最重要的考虑因素，因为它决定了处理速度。
2.内存内存是存储数据和指令的地方，它可以通过CPU和其他组件进行数据传输和存取。
内存通常分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
RAM可随时读写，它是主要的内存类型，用于存储程序和数据。
ROM只能读取，它用于存储常量数据和程序代码。
随着技术的发展，内存的大小和性能不断提高，这大大提高了微型处理器的速度和效率。
3.输入输出接口输入输出接口负责将微型处理器与其他设备连接起来。
这些接口使CPU能够读取输入并将输出发送到外部设备。
输入包括键盘、鼠标、传感器等，输出包括屏幕、打印机、扬声器、LED等。
输入输出接口的速度和效率非常重要，因为它们决定了微型处理器与外部设备的通信速度。
4.时钟时钟是微型处理器的一个重要组件，它用于同步计算机系统中的各个组件。
时钟为CPU提供了一个时间基准，使CPU能够协调和执行指令。
时钟速度越快，微型处理器的运行速度就越快。
总结：在微型处理器的组成中，中央处理器、内存、输入输出接口和时钟是微型处理器的主要组成部分。
这些组件对微型处理器的性能、速度和效率具有重要影响。
微型处理器的功能和性能不断提高，它已经成为许多行业必不可少的关键技术。
微机原理课件-第10章高性能微处理器
第10章 高性能微型计算机系统的先进技术
• 10.1 高性能微处理器采用的先进技术 • 10.2 高性能多核微处理器举例
– Intel Core系列微处理器 – 第六代 Core微处理器的架构 – 第六代 Core微处理器的技术特点
• 10.3 现代PC主板典型结构
– 芯片组及桥式芯片 – Core PC主板结构 – skylake平台I/O组织结构及芯片组
随着处理器体系结构的复杂程度越来越高，使用的晶体 管数量不断增长，过深的流水线造成处理器内部各模块 之间频繁的交换数据，从而导致处理器整体性能下降
另一方面，不断提升的工作频率使处理器芯片的功耗越 来越大，散热问题成为一个无法逾越的障碍，甚至影响 到了处理器的可靠性。
单纯的提高单个处理器的硬件复杂度和工作频率已经无 法明显提升系统整体性能，必须采用新的处理器设计思 路，于是单芯片多处理器结构（Single-Chip Multi Processor，CMP）被提出，成为解决这一问题的有效方法
32位微机原理与接口技术
Theory and Interface Technology of 32-bit Microcomputer
主编 副主编
何苏勤 郭青 马静 冯晓东 韩阳 金翠云
西安电子科技大学出版社 2017年9月
1
第10章 高性能微型计算机系统的 先进技术
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第10章 高性能微型计算机系统的先进技术
对于单线程的程序，单独运行在多核处理器上与单独运 行在同样参数的单核处理器上没有明显的差别。但当在 多核处理器上同时运行多个单线程程序的时候，多任务 操作系统会把多个程序的指令分别发送给多个核心，从 而使得同时完成多个程序的速度大大加快。
多核处理器要想发挥出威力，关键在于并行化软件支持。 软件开发者必须找出新的软件设计方法，设计出能够利 用多处理器系统并行处理能力，并且满足用户面向对象 需求的应用软件。
cpu课件 ppt
目录
• CPU基础知识 • CPU发展历程 • CPU性能指标 • CPU的种类与选择 • CPU的安装与维护 • CPU在计算机系统中的地位和作用
01
CATALOGUE
CPU基础知识
CPU的定义与功能
总结词
CPU是计算机的核心部件，负责执行程序中的指令，处理数据和控制计算机各 部分协调工作。
ARM指令集
适用于移动设备和嵌入式系统，具有 低功耗和高效能的特点。
如何选择合适的CPU
01
02
03
04
根据用途选择
根据使用需求选择不同类型的 CPU，如办公、娱乐、游戏
、设计等。
考虑性能与价格
在预算范围内选择性能最佳的 CPU，避免过度投资或性能
不足。
考虑升级与扩展性
选择具有良好升级潜力和扩展 性的CPU，以满足未来需求
详细描述
CPU，全称为中央处理器，是计算机中最重要的核心部件，负责执行程序中的 指令，处理数据和控制计算机各部分协调工作。它是计算机的"大脑"，负责解 析和执行指令，处理数据，控制输入输出设备等操作。
CPU的组成结构
总结词
CPU由运算器、控制器、寄存器等组成，各部分协同工作完成指令的执行。
详细描述
制程工艺
要点一
总结词
制程工艺是指制造CPU的半导体技术工艺，它决定了CPU 的集成度和功耗。
要点二
详细描述
制程工艺是制造CPU的关键技术之一，它决定了CPU的集 成度和功耗。制程工艺越先进，意味着半导体技术越成熟 ，能够将更多的晶体管集成到更小的面积上，从而提高 CPU的性能。同时，制程工艺越先进，CPU的功耗也会相 应降低，提高能源利用效率。
《系列结构微处理器》课件
系列结构微处理器的发展趋势
展望系列结构微处理器的未来发展方向和趋势， 探讨可能的创新和突破。
总结《系列结构微处理器》的重点内容和要点，强调其在现代计算机系统中的关键作用。
《系列结构微处理器》 PPT课件
微处理器是当今计算机领域的重要组件之一，本课件将介绍《系列结构微处 理器》的基本概念和实现原理。
简介
微处理器的基本组成
探索微处理器的核心组成部分，了解其功能和作用。
系列结构微处理器的概述
介绍系列结构微处理器的基本概念和特点，探讨其在计算机系统中的应用。
Байду номын сангаас
物理结构
内存管理单元
介绍内存层次结构 的设计和优化技术， 提高系统的访问效 率。
预测分支
研究分支预测技术， 掌握如何准确预测 程序中的分支指令。
动态调度
探索动态调度技术 的原理和实现，提 升指令级并发处理 的效率。
超标量执行
研究超标量执行技 术，实现多条指令 同时执行提高系统 的性能。
应用与发展
典型应用领域
探索系列结构微处理器在各个领域中的典型应用 和成功案例。
1
流水线技术的介绍
深入研究流水线技术的基本原理和实
流水线的优缺点
2
现方法。
分析流水线技术的优点和缺点，讨论
其在实际应用中的限制和挑战。
3
流水线的实现方式
比较不同流水线实现方式的差异和适 用性，探讨如何选择最佳实现方案。
中央处理器
CPU的结构与功能
介绍中央处理器的基本结构和功能，了解它在计 算机系统中的核心作用。
详细讨论内存管理单元的功能和作用，以及其在 计算机系统中的定位。
存储器子系统
微处理器
微处理器已经无处不在，无论是录像机、智能洗衣机、移动**等家电产品，还是汽车引擎控制，以及数控机 床、导弹精确制导等都要嵌入各类不同的微处理器。微处理器不仅是微型计算机的核心部件，也是各种数字化智 能设备的关键部件。国际上的超高速巨型计算机、大型计算机等高端计算系统也都采用大量的通用高性能微处理 器建造。
微处理器
计算机的运算核心和控制核心
01 综述
03 的分类
目录
02 内部结构 04 发展历程
05 组成
07 其他发展
目录
06 AMDCPU 08 中国研发
微处理器是由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的 功能。
微处理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控 制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。
第三阶段（1978—1984年）即16位微处理器。1978年，Intel公司率先推出16位微处理器8086，同时，为了 方便原来的8位机用户，Intel公司又提出了一种准16位微处理器8088。
8086微处理器最高主频速度为8MHz，具有16位数据通道，内存寻址能力为1MB。同时英特尔还生产出与之相 配合的数学协处理器i8087,这两种芯片使用相互兼容的指令集，但i8087指令集中增加了一些专门用于对数、指 数和三角函数等数学计算的指令。人们将这些指令集统一称之为 x86指令集。虽然以后英特尔又陆续生产出第二 代、பைடு நூலகம்三代等更先进和更快的新型CPU，但都仍然兼容原来的x86指令，而且英特尔在后续CPU的命名上沿用了原 先的x86序列，直到后来因商标注册问题，才放弃了继续用阿拉伯数字命名。