919015-【微机技术(4版)PPT第4章(18.7)版】

2020/10/31上海交通大学1面向21世纪课程教材普通高等教育“十一五”国家级规划教材微型计算机技术WeixinɡJisuɑnjiJishu（第4版）孙德文章鸣嬛编著2020/10/31上海交通大学2第4章多核芯片简介2020/10/31上海交通大学3多核芯片简介•4.1多核处理器芯片概述•4.1.1多核处理器•4.1.2CPU核心架构的发展•4.2Intel台式机双核处理器的早期产品•4.3Core微架构•4.4Core２Duo／Quad／Extreme•4.5IntelNehalem架构Corei７处理器2020/10/31上海交通大学4多核芯片简介•64位微处理器和多核处理器是进入21世纪后，微处理器硬件技术更新的两个重点，在第3章介绍了3种64位微处理器的主要特性后，本章简要介绍有关多核处理器的一些基本知识。2020/10/31上海交通大学54.1多核处理器芯片概述•4.1.1多核处理器•4.1.2CPU核心架构的发展2020/10/31上海交通大学64.1.1多核处理器•所谓多核处理器，简而言之，是指在一块CPU基板上集成多个处理器核心，并通过并行总线将各处理器核心连接起来。其中双核只是CMP（ChipMult‐Processors，单芯片多处理器）中最基本、最简单、最容易实现的一种类型。在RISC处理器领域，双核甚至多核都早已经实现。•CMP最早是由美国斯坦福大学提出的，其思想是在一块芯片内实现SMP（SymmetricalMulti‐•Processing，对称多处理）架构，且并行执行不同的进程。2020/10/31上海交通大学7多核处理器•在20世纪末，HP公司和IBM公司就已经提出了双核处理器的可行性设计。•2001年IBM公司推出了基于双核的POWER4处理器，•随后，Sun公司和HP公司先后推出了基于双核架构的UltraSPARC及PA‐RISC芯片，但当时双核处理器架构都是在高端的RISC领域，•2006年Intel公司和AMD公司相继推出自己的双核处理器，双核才真正进入主流的X86领域。•Intel公司和AMD公司之所以推出双核处理器，最重要的原因是原有的普通单核处理器的频率难于提升，性能没有质的飞跃。2020/10/31上海交通大学84.1.2CPU核心架构的发展•当今CPU整体性能表现的关键因素已经不仅仅是主频的高低，也不是缓存技术的优劣，而是核心架构。•优秀的核心架构能够弥补主频的不足，更能简化缓存设计而降低成本，•优秀的核心架构是优秀处理器的根基。2020/10/31上海交通大学9CPU核心架构的发展•1985年，Intel公司推出了Intel80386芯片，之后又出现了许多高性能的32位微处理器，如Intel80486、IntelPentium（奔腾）等。•从20世纪90年代中期开始，32位微处理器芯片的发展进入鼎盛时期。1995年11月Intel公司推出了含550万个晶体管的PentiumPro（高能奔腾）。2020/10/31上海交通大学10CPU核心架构的发展•1997年1月推出了PentiumWithMMX（多能奔腾），简称MMX（MultiMediaeXtension，多媒体扩展）；•1997年5月推出了带有MMX指令集的PentiumPro———PentiumⅡ（PⅡ，奔腾Ⅱ）。•1999年3月，推出了450／500MHzPentiumⅢ（PⅢ，奔腾Ⅲ）。•2000年6月又推出了新型体系结构（Architecture，又称架构）的32位微处理器芯片Pentium4。2003年3月，Intel公司发布了以迅驰技术Banias为核心的PentiumM微处理器，用于移动计算的笔记本式计算机。2020/10/31上海交通大学11CPU核心架构的发展•从80486到PentiumM，IntelCPU的核心架构经历了如下几个阶段：•①Intel公司在486芯片中开始使用流水线技术。•在CPU中由5、6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令•分成5、6步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期内完成一条指•令，因而能提高CPU的运算速度。2020/10/31上海交通大学12CPU核心架构的发展••②Pentium（奔腾）和PentiumWithMMX（多能奔腾）采用P5架构。•P5架构采用超标量技术，通过内置多条流水线来同时执行多个处理任务，其实质是以空间换取时间。经典Pentium每条整数流水线都分为四级流水，即指令预取、译码、执行、写回结果，浮点流水又分为八级流水。2020/10/31上海交通大学13CPU核心架构的发展•③PentiumPro（高能奔腾）和PentiumⅡ（PⅡ，奔腾Ⅱ）采用P6架构。•P6架构与Pentium的P5架构的最大区别在于，以前集成在主板上的二级缓存被移植到了•CPU内，从而大大地加快了数据读取和命中率，提高了性能。P6架构采用超标量技术和超流水线技术，超流水线通过细化流水、提高主频，使得在一个机器周期内完成一个甚至多个操作，其实质是以时间换取空间。2020/10/31上海交通大学14CPU核心架构的发展•④Pentium4（奔腾4）采用NetBurst架构。•对于全新的NetBurst结构而言，发挥强大的性能需要更高的主频以及强大的缓存结构，•NetBurst架构的Pentium4在提高流水线长度之后令执行效率大幅度降低，此时大容量二级缓•存与高主频才是真正的弥补方法。NetBurst架构过分依赖于主频与缓存，为了提高主频，Net‐•Burst架构不断延长CPU超流水线的级数。2020/10/31上海交通大学15CPU核心架构的发展•起初Pentium4的超流水线就长达20级，随后的Prescott更是提升到31级。超流水线设计的级数越长，其完成一条指令的速度越快，因此才能适应工作主频更高的CPU。但是超流水线过长也带来了一定副作用，很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象，Intel公司的NetBurst架构就出现了这种情况，虽然它的主频可以很高，但其运算性能却远远比不上低主频的AMD处理器。Intel公司不得不继续提高主频并且加大二级缓存容量。2020/10/31上海交通大学16CPU核心架构的发展•如今处理器制作工艺开始面临瓶颈，即便是65nm工艺，未来想要在NetBurst架构实现高主频也是极为困难的事情，这意味着NetBurst架构今后将无法继续凭借主频优势来提高CPU的性能。•此外，巨大的缓存容量也是一个负担，这不仅提高了成本，也令发热量骤升。高发热量和高功耗成为高频Pentium的两大弊病。2020/10/31上海交通大学17CPU核心架构的发展•⑤PentiumM。•在传统模式下，Intel移动处理器只是桌面处理器的低频低电压版本，然后加上一些节能技术，但是第一代迅驰PentiumM却走出了这一框架。第一代PentiumM（Banias）可以认为仅仅是改良版的PentiumⅢM，通过超大容量的二级缓存以及更高的前端总线来提升性能，但是对于移动用户而言，看重的仅仅是性能与功耗。Banias的性能已经几乎与Pentium4并驾齐驱，而功耗更是大幅度减小。2020/10/31上海交通大学18CPU核心架构的发展•Banias核心的PentiumM一旦应用到桌面平台并大幅度超频之后，其性能完全压倒了Pentium4，随后Dothan核心的PentiumM优势更为明显，可以认为PentiumM的核心架构依然是P6，只不过结合了NetBurst架构的前端总线技术，通过减少原先P6微架构下指令编译后的微指令数目来改善指令编译器及处理单元的效能，并且主频和缓存都大幅度加强。PentiumM为IntelCPU新的内核架构做好了准备。2020/10/31上海交通大学194.2Intel台式机双核处理器的早期产品•早期Intel公司推出的台式机双核处理器有PentiumD•PentiumEE（PentiumExtremeEdition）•CoreDuo三种类型，•三者的工作原理有很大不同。2020/10/31上海交通大学201.PentiumD和PentiumEE•PentiumD和PentiumEE分别面向主流市场和高端市场，其每个核心采用独立式缓存设计，在处理器内部两个核心之间是互相隔离的，通过处理器外部（主板北桥芯片）的仲裁器负责两个核心之间的任务分配以及缓存数据的同步等协调工作。两个核心共享前端总线，并依靠前端•总线在两个核心之间传输缓存同步数据。从架构上来看，这种类型是基于独立缓存的松散型双核处理器耦合方案，其优点是技术简单，只需要将两个相同的处理器内核封装在同一块基板上即可；缺点是数据延迟问题比较严重，性能并不尽如人意。另外，PentiumD和PentiumEE的最大•区别就是，PentiumEE支持超线程技术而PentiumD则不支持，PentiumEE在打开超线程技术之后会被操作系统识别为４个逻辑处理器。2020/10/31上海交通大学21PentiumD和PentiumEE•Intel公司的PentiumD和PentiumEE是独立式二级缓存，协调单元在CPU外部（依赖于主板），相对来说都比较简单———只需要为两个核心添加一个协调单元即可。这两种处理器不是真正意义上的双核处理器，只不过是向双核处理器发展中的过渡产品。•需要注意的是，无论是PentiumD还是PentiumEE，由于都必须依赖主板北桥芯片来负责两个核心之间的协调工作，因此必须是特定的主板芯片组才能支持，如Intel公司的945P、945G、945PL、945GZ、955X、975X以及其他芯片组厂商的双核芯片组。2020/10/31上海交通大学222.CoreDuo•2006年初发布的CoreDuo与PentiumD和PentiumEE所采用的基于独立缓存的松散型•双核处理器耦合方案完全不同，CoreDuo采用的是基于共享缓存的紧密型双核处理器耦合方•案，其最重要的特征是抛弃了两个核心分别具有独立的二级缓存的方案，改为采用与IBM公司•的多核处理器类似的两个核心共享二级缓存的方案。与独立的二级缓存相比，共享的二级缓存•具有如下优势：2020/10/31上海交通大学23CoreDuo•①二级缓存的全部资源可以被任何一个核心访问，当二级缓存的数据更新之后，两个核心并不需要作缓存数据同步的工作，工作量相对减少了，而且极大地降低了缓存数据延迟问题，这有利于处理器性能的提升。•②PentiumD和PentiumEE处理器的每个核心的二级缓存资源都是固定不变的，而CoreDuo处理器的任何一个核心都可以根据工作量的大小来决定占用多少二级缓存资源，利用效率相对于独立的二级缓存得到了极大的提高。2020/10/31上海交通大学24CoreDuo••③有利于降低处理器的功耗。可以把两个核心分为“冷核”和“热核”模式，在工作量较大时两个核心都全速运行，而在工作量较小时则可以让“冷核”关闭，进入休眠模式，而继续运行的“热核”则可以占有全部的二级缓存资源，相比之下，独立式缓存就只剩下一半的二级缓存资源可用了。2020/10/31上海交通大学25CoreDuo•CoreDuo采用SmartCache共享缓存技术在两个核心之间作协调。在CoreDuo处理器内部，两个核心通过SBR（ShareBusRouter，共享资源协调器）共享二级缓存资源，当其中一个核心运算完毕并将结果存放到二级缓存中后，另一个核心就可以通过SBR读取这些数据，不但有效解决了二级缓存资源争夺的问题，与前两种类型相比，也不必对缓存资源作频繁的同步化操作，而且比起Intel自己早先采用的第一种类型需要通过主板北桥芯片迂回的方法相比，不但大幅度降低了缓存数据的延迟，而且还不必占用前端总线资源。2020/10/31上海交通大学26CoreDuo•另外，SBR还具有BandwidthAdaptation（带宽适应）功能，可以对两个核心共享前端总线资源进行统一管理和协调，改