Embedded 版 (精华区)

发信人: bage (欧是铁八哥), 信区: Embedded_system
标  题: 微处理器的新进展 
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年08月29日10:49:08 星期三), 站内信件

微处理器的结构和主频一直是推动整个计算机系统发展的原动力。在某一阶段微处理器
的结构不变，处理器依靠主频的不断提升来提高其处理性能。随着处理器设计技术和生
产工艺的发展，处理器突破性的性能提升还必须依赖处理器的结构更新。
微处理器的新进展
明欣 龚蕙
微处理器的发展
CISC微处理器
随着VLSI技术的迅速发展，在计算机系统中，硬件成本不断降低，软件成本不断上升，
使得人们热衷于在指令系统中增加更多的指令并采用复杂的指令，以适应不同应用领域
的需要，并考虑尽量减少指令系统和与高级语言的语义差异，以便于高级语言程序编译
和降低软件成本。当某一系列计算机增加新的型号时，为保护用户在软件上的投资不受
损失，新机器一般要继承老机器指令系统中的全部指令，这种情况使同一系列的计算机
指令系统越来越复杂，指令集内的指令数目多达几百条，我们称这种计算机为复杂指令
系统计算机，简称CISC。这种计算机采用的微处理器属于CISC结构的微处理器。在CISC
微处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的；每条指令中的各个操作也是按顺序
串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但机器各部分的利用率不高，执行速度慢。
Intel的80386系列就属于CISC结构的微处理器。
RISC微处理器
对CISC机进行测试表明，各种指令的使用频度相当悬殊，最常使用的是一些比较简单的
指令，它们仅占指令总数的20％，但在程序中出现的频度却占80％。复杂的指令系统必
然增加微处理器的复杂性，使微处理器研制时间长、成本高。复杂指令需要复杂的操作
，从而降低了机器的速度。
70年代末，John Cocke提出精简指令的想法。80年代初斯坦福大学研制出MIPS机，为精
简指令系统计算机（简称RISC）的诞生与发展起了很大作用。RISC机中采用的微处理器
统称RISC处理器。MIPS R3000、HP－PA8000系列，Motorola M88000等均属于RISC微处理
器。它们的指令数目只有几十条。RISC微处理器不仅精简了指令系统，还采用超标量和
超流水线结构，大大增强了并行处理能力。1987年Sun Microsystem公司推出的SPARC芯
片就是一种超标量结构的RISC处理器。而SGI公司推出的MIPS处理器则采用超流水线结构
，这些RISC处理器在构建并行精简指令系统多处理机中起着核心的作用。它们都是当今
UNIX领域64位多处理机的主流芯片。
RISC微处理器取得成功的诀窍之一是由于指令集简化后，流水线以及常用指令均可用硬
件执行；诀窍之二是采用大量的寄存器，使大部分指令操作都在寄存器之间进行，提高
了处理速度；诀窍之三是采用缓存－主存－外存三级存储结构，使取数与存数指令分开
执行，使处理器可以完成尽可能多的工作，且不因从存储器存取信息而放慢处理速度。

由于RISC处理器指令简单、采用硬布线控制逻辑、处理能力强、速度快，世界上绝大部
分UNIX工作站和服务器厂商均采用RISC芯片作CPU用。如原DEC的Alpha 21364、IBM的Po
wer PC G4、HP的PA－8900、SGI的R12000A和SUN Microsystem公司的Ultra SPARC II。
这些RISC芯片的工作频率一般在400MHz数量级。时钟频率低，功率消耗少，温升也少，
机器不易发生故障和老化，提高了系统的可靠性。如SGI的R12000A微处理器主要靠改进
微处理器的体系结构来提高处理器的总体性能，使运行应用程序时速度加快。
在RISC微处理器发展过程中。曾产生了超长指令字（VLIW）微处理器，它使用非常长的
指令组合，把许多条指令连在一起，以增加运算速度。在VLIW微处理器中多个功能部件
用一组寄存器相连，以支持多功能并行执行。VLIW处理器的基本模型是标量代码的执行
模型，使每个机器周期内有多个操作。有些RISC处理器中也采用少数VLIW指令来提高处
理速度。
EPIC微处理器
近来，64位CPU的声浪甚高。何谓64位计算机？现今工业界对64位计算机的描述，是指具
有64位运算能力、64位寻址空间和64位数据通路的计算机。
64位的硬件环境能提供哪些好处？
＊ 64位的CPU和数据通路，可以提供快速双精度的运算能力;
＊ 64位的指针可以提供大于1TB的虚拟存储空间，文件长度可以大于1TB;
＊ 物理地址空间大于1TB。
64位CPU可以快速而精确地执行应用程序，允许程序人员在设计程序时可以使用比以往更
大的数据库和存储空间，可以处理很复杂的计算模型。
作为64位微处理器架构，IA－64 代表了一种新的微处理器的发展方向。IA－64 微处理
器采用显示并行指令计算（简称EPIC）技术和分支预测、动态执行等技术，以提高指令
执行的并行性。
EPIC技术突破了传统RISC处理器暗示并行的排序代码并传递给处理器执行的限制，利用
编译优化技术获得最大限度的并行能力，并以明显的方式传递给处理器，使处理器可以
更有效地并行执行指令。
简单地说，EPIC处理器首先由编译程序分析指令之间的依赖关系；然后将没有依赖关系
的指令组合成群；最后由内置的执行单元读入指令群并分头并行执行。由于各条指令究
竟分配给哪个单元是由编译器来决定的，而不是由硬件进行调度，因此降低了处理器的
制造成本。
EPIC处理器中除了采用EPIC技术外，还采用分支预测和动态执行技术来提高处理速度。

所谓分支预测就是采用分支判断语句，进而确定选取哪一个分支和舍弃哪一个分支。换
句话说，利用分支预测功能可以提高分支预测的命中率。所谓动态执行技术，就是在程
序运行过程中，当发现某个数据需要用到时，就将该数据提前从存储器中取出，并放入
寄存器中备用，这样可以减少等待从存储器中取出数据的时间，提高了CPU的运行效率。

分支预测和动态执行都会打乱程序原来的执行程序，并需要动态地重新进行排序执行，
这要通过优化编译程序来实现。
当前EPIC处理器工作的时钟频率达到了1GHz的数量级，所以运算速度也得到提高。
Intel的Intanium（安腾）处理器和AMD 的Athlon（速龙）处理器均属于64位的EPIC微处
理器，两者均采用0.18微米的CMOS制造工艺。不同的是IA－64 的奔腾处理器与IA－32应
用程序不能完全兼容，而AMD的x86－64可以运行IA－32 的应用程序。因此在64位的EPI
C处理器战场上，Intel和AMD两大厂商展开了激烈的竞争。
RISC Vs.IA－64
自从1994年，Intel和HP合作开发IA－64芯片，并宣布推出第一代Merced的芯片以来，对
计算机产业发生了巨大的影响。许多厂商也停止或调整了开发64位RISC的计划，而转向
IA－64，尤其HP将PA－RISC的特性运用到IA－64架构中，那么它会替代RISC吗？现在说
还为时过早，我们可以预见RISC体系结构处理器还将会从几方面发展：增加处理器的并
行性；扩展支持可伸缩并行计算机系统的功能；提高工艺水平。并且现在很多厂商的高
端计算机还在继续使用RISC处理器。
尽管当前微处理器的竞争处于白热化阶段，但可以肯定，64位的微处理器将逐渐普及。
微处理器的发展是IT产业的原动力，随着技术的不断进步，未来必将出现更新、更快、
更强的微处理器推动IT产业向前发展。
Alpha处理器
从1992年的Alpha21064开始，经过第二代的Alpha21164已经进入了第三代Alpha21264。
目前Compaq已经用主频为731/667MHz的EV67全面装备其服务器和产品系列。Compaq已经
先后宣布设计可开发中的第四代的Alpha21364和第五代Alpha21464的技术概况。第六代
的Alpha21564的预研工作也已经开始。
Alpha的设计思想可以用一句话来概括：一个聪明的编译程序和一个聪明的处理器。
开发Alpha体系结构的明显目标是实现在编译程序、处理器体系结构和实际线路设计等方
面都能够创造性地提高性能。在90年代初期，也设计了类似于IA－64的VLIW版本Alpha。
在这一过程中，发现VLIW处理器所使用的大多数编译技术都同样适用于RISC处理器，因
此放弃了对Alpha作IA－64类型的扩展，转而生产无序指令执行处理器。
Alpha设计成能够利用编译时和运行时的信息。当编译出错时，设计了一个无序指令发送
机制使得计算机能够适应程序的运行过程而不是阻塞计算机的运行。此外，编译程序在
程序中只有有限的视野，经常不能跨过子程序或模块的边界进行优化。同时多线程允许
Alpha处理器除了指令级并行外还能够利用线程级并行。Alpha是为广泛范围的商业应用
设计的。同时，多线程是Alpha无序指令执行的自然扩展，它也是在大多数应用负载下利
用显性并行的最有效机制。
PA－RISC处理器
HP的PA－RISC于1986年问世。从PA8000——HP的第一个64位芯片到PA8600，其主频已经
以180MHz上升到550MHz。
HP64位微处理器
PA－8700可望于2001年上半年正式投入服务器和工作站的使用。这种新型处理器的设计
主频将高达800兆赫以上。HP公司的企业客户事业部在InterWorks 2000会议上宣布了这
款PA－RISC（PA－RISC代表HP的精密结构精简指令集计算）系列的最新成员。HP公司倡
导研制大容量高速缓存的微处理器。PA－8700使用的工艺是0.18微米SOI（Silicon－on
－Insulator，绝缘体硅）铜CMOS工艺，片上高速缓存达到2.25MB，这是目前所有的微处
理器中最大的，比PA－8600 增加了50％。这种新的0.18微米工艺降低了电压，从而使工
作在较高频率下的芯片大大降低了功耗，工作温度也较低。此外，这种工艺使芯片几何
尺寸更小，主频更高。因此，PA－8700计算速度高达每秒32亿次运算。
HP公司与Intel公司合作开发的下一代芯片PA－9000 (Merced)，在与原来PA－RISC和In
tel X86系列芯片兼容的基础上，性能将有飞跃性的提高。
Power系列处理器
IBM的新型Power3微处理器将上一代Power2 架构具有高带宽和浮点功能集成到一种全面
可伸缩64位PowerPC对称多处理处理器（SMP）方案中。Power3微处理器的目标是继承Po
wer2架构的传统，增加64 位的寻址功能、双字整型操作以及在PowerPC架构中对称多处
理器的支持。为满足密集计算的需要，Power3 设计采用包含8个执行单元的高超标量内
核。支持每个时钟周期4个浮点操作的高带宽内存接口为8个执行单元提供数据。
计划中的下一步是使用所谓SOI（Silicon On Insulator绝缘体硅）的IBM最新技术突破
实现采用大规模缓存的RS64 III设计，以开发频率超过500MHz的微处理器。采用未来的
IBM SOI技术、目标产品频率超过600MHz的另一款“StarSeries”微处理器的计划已经制
定出。
IBM 公司将Power4的目标对准推动未来电子商务的高可靠性服务器。Power4芯片中的这
项技术和大部分硅片是专门用于为多个处理器尽可能快地传送数据的。IBM在完成这一任
务时使用的关键部件是共享L2缓存。Power4的片上L2可以直接由两个片上处理器共享，
并可由其他芯片上的处理器通过高速芯片到芯片互联网络共享。在物理上，每条芯片到
芯片总线是单向的并且基于同步锁定到锁定（latch－to－latch）协议运行。低压信号
以500MHz 以上的速度传送数据，从而使每个Power4芯片具有超过35GB/s的整体可维持芯
片到芯片带宽。这种高带宽使网络利用率保持很低。根据排队理论，这将使网络时延降
低到最小程度。当4个Power4芯片每个芯片的底座呈90度角紧密地安装在一起时，这种总
线架构设计可以使芯片之间的总线直接连接。这将保持很短的线路，从而使总线带宽非
常宽，速度非常快。
MIPS处理器
MIPS R4000是最早推出的64位处理器之一。SGI在收购MIPS（后MIPS又独立）之后继续发
展T系列的64位处理器，先后推出了R6000、R8000、R10000、R12000等型号。
MIPS R12000是超标量的RISC微处理器，它采用ANDES(无序动态执行和调度）的体系结构
。在每个流水线周期内可对4条指令进行译码。该微处理器有5条执行流水线分别连接到
整数和浮点执行单元，并具有推理机制及无序动态执行机制。
通过提高R10000设计的时钟速度以及保证应用性能相应提高的一些重要修改，在保持指
令集与当前处理器兼容的同时，R12000设计将CPU的速度提高到400MHz。另一些新的优化
包括：将乱序指令的数量从32条增加到48条、增加了一个双向分支目标高速缓存，将分
支预测表的规模增加了三倍。
代号为H1的R10000系列（包括R12000）之后的下一代处理器系统，有效地消除了CPU与内
存之间存在的瓶颈问题。H1保持了与MIPS IV R10000系列编码和指令集兼容性。
H2是一种设计用于满足用户在今后十年使用的最苛求的技术和商业计算应用需要的新型
微处理器系列。利用在处理单和多处理器环境中迅速将大数据集合从CPU输出和输入到C
PU的技术，这种新型微处理器系列集成了消除处理器与系统设计之间存在的传统瓶颈的
创新内存。在保持编码和指令集兼容性的同时，H2将为大型可伸缩服务器级计算机到桌
面系统提供动力。
Ultra SPARC处理器
1987年，SUN推出了第一款RISC微处理器——SPARC。其最突出的特点就是可扩展性，实
际上，SPARC本身就是Scalable Processor ARChitecture的缩写。
1995年，继第一款SPARC微处理器之后，SUN推出了64位SPARC I微处理器,其频率达143M
Hz，采用0.5微米工艺技术，集成了520万个晶体管。
两年后，SUN推出的SPARC II芯片又一次超越了以往的微处理器市场设计标准。Ultra S
PARC II芯片频率为300MHz，采用0.25微米工艺技术，集成了600万个晶体管，比Ultra 
SPARC I的芯片速度高2.5倍。
1999年，SUN又推出了第三代产品——Ultra SPARC III，它的带宽可达2.4GB，比Ultra
 SPARC II高出2倍，首款Ultra SPARC III微处理器主频600MHz，采用更先进的0.18微米
工艺技术，集成了1600万个晶体管，可同时保持完整的Solaris操作系统和应用软件兼容
。在可扩展性方面，Ultra SPARC III可扩展到1000多个微处理器。
今年10月，SUN发布了UltraSPARC III处理器，它是SUN第二代的64位架构。UltraSPARC
 III是当今市场上所能提供的最高等级的微处理器之一，它包含了2900万个晶体管，其
性能相当于一个“片上存储控制器”与32千字节的“片上存储器”，它提供了领先的缩
放性能、数据带宽、高可靠性和高可用性。UltraSPARC III处理器保证了对整条SPARC处
理器产品线的100％的二进制兼容，为.com计算提供了所需的投资保护。现在，UltraSP
ARC III处理器的时钟频率有750MHz和900 MHz两种。UltraSPARC III处理器还采用了“
铜连线”等先进技术，因此，不久还将推出时钟频率为1.5GHz的处理器。
  请输入查找文章的
  关键词
----------------------------------------------------------------------------
----
   在线系列刊物
   计算机世界
   微电脑世界
   IT经理世界
   家用电脑世界
   数字财富
 友情链接网站 奥迪坚通讯 希网网络 北京测评中心 3Com公司 Foundry公司 朗讯公司
 宏碁联网 网络文明工程

--
                     
           ooooO    Ooooo      *********************************
           (    )   (    )     #    大肚能容,容天下难容之事    #  
            \  (     )  /      #    开口便笑,笑世间可笑之人    #
             \  )   (  /       *********************************
              ~~     ~~

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: bage.hit.edu.cn]