微計算機系統(tǒng)課件

第九章微計算機系統(tǒng)本章主要內容

微計算機系統(tǒng)以微處理器為核心，以主板為主要部件。微處理器、存儲器、通用I/O接口、總線接口、聲卡、顯卡網卡等都能被集成在主板上。主板結構的好壞與功能強弱直接影響了微機系統(tǒng)的性能。本章在介紹微機系統(tǒng)的基本組成時，比較詳細的介紹了32位微機系統(tǒng)中比較常用的芯片集。9.1IBMPC/XT微機系統(tǒng)的基本組成1.整體工藝

該系統(tǒng)板是四層印刷電路板，外兩層為印刷電路，內兩層為印制電源與地線，直流電源為+5V，+12V，-5V，-12V的電源信號通過兩個6腳插頭送入系統(tǒng)板。5芯圓形鍵盤插座，3針揚聲器插座。8個62線印制板插槽J1~J8作為I/O通道，用來匯集插入IBMPC/XT系統(tǒng)中的擴展卡。其中J8與其他插槽不同，要求用卡選中信號進行響應。雙列直插組合開關DIP，8位開關用于控制8255A-5芯片讀入，為系統(tǒng)軟件提供系統(tǒng)設置的若干信息。9.1IBMPC/XT微機系統(tǒng)的基本組成3.控制核心Intel8088微處理器8087協(xié)處理器8284時鐘發(fā)生驅動器8288總線控制器地址鎖存器數據收發(fā)器9.1IBMPC/XT微機系統(tǒng)的基本組成4.控制模式在IBMPC/XT中，8088工作于最大模式，系統(tǒng)讀/寫控制信號由處于系統(tǒng)總線工作方式的8288產生。為了提高數值計算的速度，可以插入8087.同時系統(tǒng)允許使用DMA方式加快數據傳輸速度。9.1IBMPC/XT微機系統(tǒng)的基本組成5.基本配置

IBMPC/XT的I/O通道有8個62線插槽，可以插入各種擴展板卡，以配置PC/XT系統(tǒng)的基本組成和擴展功能?；九渲冒≧AM擴展板、顯示適配器、串行適配器、并行適配器、軟盤控制器、硬盤控制器。RAM：系統(tǒng)板258KB，擴展板384KBCentronics并行接口（并行打印機適配器）彩色圖形適配器（CGA）和彩色監(jiān)視器軟盤控制器和軟盤驅動器硬盤控制器和硬盤驅動器9.2IBMPC/AT微機系統(tǒng)的基本組成2.MPUPC/AT主機板的核心是80286微處理器單元（MPU），程序指令均在MPU中執(zhí)行。微處理器產生地址、數據、狀態(tài)和控制信號，即為芯片總線。芯片地址線通過鎖存和緩沖方式轉換成24位系統(tǒng)地址總線（SA），芯片數據線通過鎖存和緩沖方式轉換成24位系統(tǒng)地址總線，芯片數據線通過緩沖方式轉換成16位系統(tǒng)數據總線。9.2IBMPC/AT微機系統(tǒng)的基本組成3.總線系統(tǒng)地址線與ROM/IO地址緩沖器相連，擴展地址總線（XA）由ROM存儲器和I/O外圍電路共用。系統(tǒng)數據總線經RAM/ROM數據總線轉換電路轉換成存儲器數據總線（MD）。系統(tǒng)數據總線低8位經I/O數據總線轉換電路轉換成8位擴展數據總線（XD），擴展數據總線是所有I/O設備的數據通路。

9.2IBMPC/AT微機系統(tǒng)的基本組成4.同步時鐘信號使微處理器和微機內其他設備之間的操作實現(xiàn)同步。在開機加電時，時鐘電路生產加電復位信號用于初始化微處理器和外圍電路。時鐘電路和等待邏輯電路一起用于使MPU與外圍慢速電路同步。9.2IBMPC/AT微機系統(tǒng)的基本組成6.LSI外圍電路8237ADMA控制器8254PIT8259APIC9.2IBMPC/AT微機系統(tǒng)的基本組成為了支持高速存儲器數據傳送和I/O數據傳送，PC/AT系統(tǒng)板上有兩個8237ADMA控制器。DMA控制器1、2各包含4個DMA通道。9.2IBMPC/AT微機系統(tǒng)的基本組成在PC/AT系統(tǒng)中，基于8254的定時器電路模塊提供與時鐘有關的各項功能與信號。在8254PIT中含3個16位定時器。9.2IBMPC/AT微機系統(tǒng)的基本組成7.IBMPC/AT對PC/XT的改進（1）對系統(tǒng)主板內幾個主要I/O控制模塊的改進系統(tǒng)配置選擇方法上的更改鍵盤接口部分的改動增加了實時時鐘（2）對控制器和外設的改動及擴充對軟/硬盤控制器的改動對串/并行接口適配器的改動對鍵盤的改動對內存擴充卡的改動使用增強圖形適配器（EGA）9.380386微機系統(tǒng)的基本組成在32位微機系統(tǒng)中，為了簡化設計，使用了許多專用集成電路。這種設計方法的基礎是開發(fā)具有高集成度的外圍集成電路芯片。開發(fā)外圍集成電路芯片的目的是在提高主板功能的同時，降低電路的復雜性和造價。9.380386微機系統(tǒng)的基本組成82340芯片集

82340芯片集中有4塊芯片，負責完成主板上的大部分功能，若再加上少量其他集成電路，就可完成一塊386微機主板的功能。主要功能模塊：

80386DXCPU80387DX數字協(xié)處理器

82385DX高速緩存控制器

82345數據緩沖器

82346系統(tǒng)控制器

82344ISA控制器

9.380386微機系統(tǒng)的基本組成3.82345數據緩沖器82345數據緩沖器是一片VLSI芯片，可對數據總線上的數據進行緩沖，也可以進行總線切換。同時可產生奇偶校驗碼，并可進行奇偶校驗。由高密度128引腳塑制方形扁平封裝。9.380386微機系統(tǒng)的基本組成4.82346系統(tǒng)控制器

在80340芯片集中，82346VLSI是系統(tǒng)控制器。系統(tǒng)控制器與80386DX局部總線、ISA總線、82345數據緩沖器以及82344ISA控制器均相連。其功能包括產生時鐘信號，產生DRAM陣列的操作地址，為主板存儲器提供控制信號，為MPU提供復位信號，提供數字協(xié)處理器與80386DX接口。9.380386微機系統(tǒng)的基本組成5.82344ISA控制器

82340芯片集中有3個芯片與CPU局部總線及ISA總線均相連，82344ISA控制器是其中之一，也是VLSI芯片，其封裝形式為160引腳PQFP形式。該芯片通過CPU局部總線與82386DX的地址緩沖輸入端相連，同時通過82344/82346通信接口線與82346系統(tǒng)總線控制器相連。其重要功能是提供ISA總線的大部分信號，同時，在系統(tǒng)使用BIOSEPROM芯片及驅動揚聲器發(fā)聲時，根據數據寬度選用8位或16位數據總線。9.480386/80486EISA微機系統(tǒng)1.EISA總線EISA總線是一種開放型總線，它與PC總線及ISA總線兼容，Intel公司為EISA總線擴展槽提供了配套芯片組。許多高性能80386/80486微機大都采用了EISA總線，在EISA擴展槽上可以安裝網卡、SCSI接口和圖形控制器等高性能、高處理速度的智能板，使整個微機系統(tǒng)可以用作較高速的網絡服務器或CAD開發(fā)機。9.480386/80486EISA微機系統(tǒng)2.主要功能模塊82352EBB82358EBC82357ISP中斷控制器定時/計數器DMA控制器NMI信號產生電路9.5Pentium微機系統(tǒng)3.外部設備奔騰微機的外部設備主要包括：高速硬盤（850MB～2.1GB），通過EIDE接口直接與PCI總線相連；PCI圖形加速卡（顯示適配器）用來連接SVGA彩色顯示器；兩個軟盤驅動器（3.5英寸/1.44MB和5.25英寸/1.2MB各一個）通過34芯扁平電纜連至主板FDC插座，并行打印機通過25芯電纜連至主板上LPT插座。9.5Pentium微機系統(tǒng)4.顯示器與鍵盤奔騰微機采用PCI顯示卡及SVGA型60Hz逐行掃描先測顯示器，分辨率為1024x768或更高。當更換顯示卡或顯示器時，應對BIOS有關參數進行重新設置。奔騰微機中的鍵盤與PC/AT機鍵盤兼容，采用101鍵或104鍵，并有8048單片機實現(xiàn)鍵掃描及控制，并將鍵值送主機，從而完成鍵盤命令的執(zhí)行。9.664位計算機系統(tǒng)1.64位計算機系統(tǒng)64位計算機是指CPU

GPRs（General-PurposeRegisters，通用寄存器）的數據寬度為64位，64位指令集就是運行64位數據的指令，也就是說處理器一次可以運行64bit數據。64bit處理器并非現(xiàn)在才有的，在高端的RISC很早就有64bit處理器了，比如SUN公司的UltraSparcⅢ、IBM公司的POWER

5、HP公司的Alpha等。9.664位計算機系統(tǒng)64bit計算主要有兩大優(yōu)點：可以進行更大范圍的整數運算；可以支持更大的內存。不能因為數字上的變化，而簡單的認為64bit處理器的性能是32bit處理器性能的兩倍。目前主流CPU使用的64位技術主要有AMD公司的AMD64位技術、Intel公司的EM64T技術、和Intel公司的IA-64技術。其中IA-64是Intel獨立開發(fā)，不兼容現(xiàn)在的傳統(tǒng)的32位計算機，僅用于Itanium以及后續(xù)產品Itanium2，一般用戶不會涉及到，因此這里僅對AMD64位技術和Intel的EM64T技術做一下簡單介紹。AMD64位技術AMD64的位技術是在原始32位X86指令集的基礎上加入了X86-64擴展64位X86指令集，使這款芯片在硬件上兼容原來的32位X86軟件，并同時支持X86-64的擴展64位計算，使得這款芯片成為真正的64位X86芯片。這是一個真正的64位的標準，X86-64具有64位的尋址能力。

EM64T技術Intel官方是給EM64T這樣定義的：EM64T全稱ExtendedMemory64Technology，即擴展64bit內存技術。EM64T是IntelIA-32架構的擴展，即IA-32e（IntelArchitectur-32extension）。IA-32處理器通過附加EM64T技術，便可在兼容IA-32軟件的情況下，允許軟件利用更多的內存地址空間，并且允許軟件進行32bit線性地址寫入。EM64T特別強調的是對32bit和64bit的兼容性。Intel為新核心增加了8個64bitGPRs（R8-R15），并且把原有GRPs全部擴展為64bit，如前文所述這樣可以提高整數運算能力。增加8個128bitSSE寄存器（XMM8-XMM15），是為了增強多媒體性能，包括對SSE、SSE2和SSE3的支持。

64位CPU目前AMD方面支持64位技術的CPU有Athlon64系列、AthlonFX系列和Opteron系列。Intel方面支持64位技術的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。

9.664位計算機系統(tǒng)2.AMDOpteron(皓龍)

芯片工藝0.13微米，具有2級Cache，采用陶瓷封裝方式，電壓1.5V內存通道：雙通道DDR－400內存型號：ECC/RegisteredDDR內存帶寬：6.4GB/s/12.8GB/s(w/NUMAawareOS)支持的指令集：MMX,3DNow!,SSE,SSE-2,X86-64引腳類型：Socket-94012級整數操作流水線和17級浮點操作流水線9.664位計算機系統(tǒng)Opteron”源自于拉丁文optimus——“最佳”的意思，它可以表達性能最好、最高的含義，它還含有靈活性、選擇的意思。Opteron微架構對32位X86軟件提供固有支持的同時，又提供了靈活的升級途徑來實現(xiàn)對AMD64架構的支持。Opteron處理器架構的設計是以“為用戶提供新一代性能”為首要目標。要達到這一目標，需要在微架構的每時鐘周期性能與處理器頻率擴展能力之間實現(xiàn)良好的平衡，只有在兩者都得到提高的同時，用戶才真正可以得到由處理器結構改進而帶來的真實性能的提升。9.664位計算機系統(tǒng)Opteron處理器改變了前一代(第七代)處理器的底層流水線結構，與前一代的微架構相比，Operon多出了兩級管道，也就是說該產品擁有了12級整數操作流水線和17級浮點操作流水線，而更深的流水線使新一代的微架構擁有了更高的工作頻率。Opteron處理器最初采用0.13微米SOI(SilicononInsulator，絕緣硅)的工藝進行生產，而后來的產品采用90nm的工藝生產。9.664位計算機系統(tǒng)第一款基于X86架構的64位處理器在同一個芯片上運行32位和64位x86應用程序如需對AMD64架構深入了解，請參閱AMD64技術白皮書”。在中另有詳細的AMD64指令集架構技術資料。9.664位計算機系統(tǒng)3.IntelNoconaXeon(至強)擴展內存64位技術(EM64T)在原x86指令集的基礎上，增加了64位擴展，把寄存器也擴展到了64位。64位擴展包括64位模式和兼容32/64位模式全新的LDT(閃電數據傳輸總線)，把LDT控制器建于北橋芯片，再把所有PCI控制器移入南橋芯片，這種設計可以使北橋芯片和南橋芯片之間的數據帶寬達到6.4GB/s9.664位計算機系統(tǒng)

芯片工藝0.09微米，具有2級Cache，采用有機物封裝方式，電壓1.4V內存通道：雙通道DDR2－400內存型號：ECC/RegisteredDDR2內存帶寬：6.4GB/s支持的指令集：MMX,SSE,SSE-2,SSE-3,X86-64引腳類型：Socket-604

9.664位計算機系統(tǒng)Opteron2502.4GHz處理器和"Nocona"3.4GHzXeon9.664位計算機系統(tǒng)9.664位計算機系統(tǒng)4.AMDTurion(炫龍)0.09微米SOI制造工藝Taylor核心，核心面積約為172.1平方毫米晶體管數量達到了1.538億個具有2級Cache核心電壓1.075V最高功耗25W9.664位計算機系統(tǒng)9.664位計算機系統(tǒng)5.IntelMerom移動平臺雙核心處理器

基于全新的Core(酷睿)微架構

核心仍然采用65nm制造工藝核心電壓為1.3V左右封裝方式采用PPGA

接口類型為Socket478/479接口

9.664位計算機系統(tǒng)9.664位計算機系統(tǒng)6.龍芯計劃

2002年9月28日，中國第一顆通用式處理器芯片—“龍芯1號”發(fā)布，結束了我國在計算機關鍵技術領域的“無芯”歷史?！褒埿?號”是一款32位微處理器，采用0.18微米工藝，CMOS工藝制造，包含近400萬個晶體管，具有良好的低功耗特性，平均功耗0.4瓦，最大功耗不超過1瓦，主頻最高可達266MHz?！褒埿疽惶枴碧幚砥魇且豢罴燃骖櫷ㄓ糜钟星度胧紺PU特點的新一代32位處理器，擁有32位MIPS指令系統(tǒng)，并采用一套簡單高效的動態(tài)流水線，支持亂序執(zhí)行和精確中斷處理，可以在大量的嵌入式應用領域中使用。從技術和應用的角度來看，“龍芯一號”與主流CPU產品還有著很大的差距，僅相當于中端Pentium

2的水平。

9.664位計算機系統(tǒng) 2005年4月26日面世的“龍芯2號”是國內首款64位高性能通用CPU芯片?！褒埿?號”仍采用0.18微米

CMOS工藝制造，最高頻率可達到500MHz，功耗3～5W，支持64位Linux操作系統(tǒng)和X-window視窗系統(tǒng)， “龍芯2號”可以媲美Intel

Pentium

3，超過1.3GHz的威盛處理器的2至3倍。龍芯2號的主要應用目標是Linux桌面網絡終端、低端服務器、網絡防火墻、路由器交換機、多媒體網絡終端機、無盤工作站等。

9.664位計算機系統(tǒng)龍芯二號增強型處理器（簡稱“龍芯2E”）是中國科學院計算技術所研制，具有自主知識產權的64位高性能通用處理器，龍芯2E的最高頻率達到1GHZ，最高雙精度浮點運算速度每秒39.93億次。龍芯2E采用四發(fā)射的動態(tài)超標量超流水線結構，實現(xiàn)了先進的寄存器重命名、動態(tài)調度、以及非阻塞的高速緩存訪問等亂序執(zhí)行技術。龍芯2E片內含64KB一級指令高速緩存訪問等亂序執(zhí)行技術。龍芯2E片內含64KB一級指令高速緩存、

64KB一級數據高速緩存、以及512KB二級高速緩存，片內還集成有DDR內存控制器。9.664位計算機系統(tǒng) 龍芯2E

處理器是一款實現(xiàn)64

位MIPS

III

指令集的通用RISC

處理器。龍芯2E的指令流水線每個時鐘周期取四條指令進行譯碼，并且動態(tài)地發(fā)射到五個全流水的功能部件中。雖然指令在保證依賴關系的前提下進行亂序執(zhí)行，但是指令的提交還是按照程序原來的順序，以保證精確中斷和訪存順序執(zhí)行。9.664位計算機系統(tǒng)龍芯2E

先進的存儲系統(tǒng)設計可以有效地提高流水線的效率。龍芯2E

的一級Cache由64KB

的指令Cache

和64KB

的數據

Cache

組成，片上二級Cache

大小為512KB，均采用四路組相聯(lián)的結構。龍芯2E

處理器內部集成了遵守JESD79C

標準的DDR

控制器，加快了處理器訪問內存的速度。龍芯2E

的TLB

有64

項，采用全相聯(lián)結構，每項可以映射一個奇頁和一個偶頁。龍芯2E

通過24

項的訪存隊列以及8

項的訪存失效隊列（Miss

Queue）來動態(tài)地解決地址依賴，實現(xiàn)訪存操作的亂序執(zhí)行、非阻塞Cache、取數指令猜測執(zhí)行（Load