微处理器结构与设计1

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参考书：
① ② ③
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教学模式与考核方式
• 教学模式
– 授课 – 实验课（提交微处理器设计报告）
• 考核方式
– 开卷考试(50%)＋实验设计报告(40%)＋作业(10%)
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学习微处理器意义
• 国家对微处理器设计的经费投入巨大
– 核高基
• 核心电子器件，高端通用芯片，基础软件
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1. 微处理器的现状, 发展
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微处理器的发展
1947年 1958年 1971年 第一个晶体管诞生 集成电路(IC)的发明 第一个微处理器诞生 Intel 4004, 4位，时钟 108KHZ~750KHz Intel 8086,8088 AMD 多核处理器 Intel 多核处理器 Bell 实验室 TI的Jack Kilby于2000年获 Nobal奖金 Intel 公司, 2300晶体管， 3mm×4mm， 8 m工艺 当年最大事件： 8088 CPU被IBM PC成功应用 标志着进入多核时代
• 最新的intel Nehalem结构
– Nehalem is the codename for an Intel processor microarchitecture. The first processor released with the Nehalem architecture was the desktop Core i7, which was released in November 2008.
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Intel Nehalem 架构
– 生产工艺：45nm～32nm – 是4核心、8线程、64bit、4超标量发射、乱序执行的CPU，有16级 流水线、48bit虚拟寻址和40bit物理寻址 – Nehalem还是基本建立在Core微架构（Core Microarchitecture）的 骨架上，外加增添了SMT、3层Cache、TLB和分支预测的等级化、 IMC、QPI总线和支持DDR3等技术。 • Nehalem的IMC（integrated memory controller），可以支持3 通道的DDR3内存，运行在1.33GT/s（DDR3‐1333），这样总共 的峰值带宽就可以达到32GB/s（3×64bit×1.33GT/s÷8） • SMT同步多线程（Simultaneous Multi‐Threading，SMT）技术 又重新回归到了Nehalem架构，这最早出现在130nm的P4上。 所以Nehalem比P4是更适合使用SMT 。 • QPI 是Intel的QuickPath Interconnect技术缩写，译为快速通道 互联。也叫CSI，Common System Interface公共系统界面，用 来实现芯片之间的直接互联，而不是在通过FSB （Front Side BUS）前端总线连接到北桥。QPI最大的改进是采用单条点对点 模式下，QPI的输出传输能力非常惊人，在4.8至6.4GT/s
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Intel Nehalem 架构
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DDR3 features
• DDR3 SDRAM or double‐data‐rate three synchronous dynamic random access memory is a random access memory interface technology used for high bandwidth storage of the working data of a computer or other digital electronic devices. DDR3 is part of the SDRAM family of technologies and is one of the many DRAM (dynamic random access memory) implementations. • The DDR3 components are twice as fast as today's highest speed DDR2 memory products. • The main advantages of DDR3 are the higher bandwidth and the increase in performance at low power. • The DDR3 SDRAM devices will offer data transfer rates up to 1600 Mbps (megabits per second). • The supply voltage for the memory technology is being reduced from 1.8 volts for DDR2 to just 1.5 volts for DDR3 targeting a work day equivalent of battery time.
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Intel tubroBoost 技术
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TDP (Thermal Design Power)
• TDP的英文全称是“Thermal Design Power”，中文翻译为“热设计功耗”，是 反应一颗处理器热量释放的指标，它的含义是当处理器达到负荷最大的 时候，释放出的热量，单位为瓦（W）。 • CPU的TDP功耗并不是CPU的真正功耗。功耗（功率）是CPU的重要物理参 数，根据电路的基本原理，功率（P）＝电流（A）×电压（V）。所以， CPU的功耗（功率）等于流经处理器核心的电流值与该处理器上的核心电 压值的乘积。 • 而TDP是指CPU电流热效应以及其他形式产生的热能，他们均以热的形式 释放。显然CPU的TDP小于CPU功耗。换句话说，CPU的功耗很大程度上是 对主板提出的要求，要求主板能够提供相应的电压和电流； • 而TDP是对散热系统提出要求，要求散热系统能够把CPU发出的热量散掉 ，也就是说TDP功耗是要求CPU的散热系统必须能够驱散的最大总热量。 • 因此人们希望TDP功耗越小越好，越小说明CPU发热量小，散热也越容易 ，对于笔记本来说，电池的使用时间也越长。 • TDP功耗可以大致反映出CPU的发热情况，实际上，制约CPU发展的一个 重要问题就是散热问题。温度可以说是CPU的杀手，显然发热量低的CPU 设计有望达到更高的工作频率，并且在整套计算机系统的设计、电池使 用时间乃至环保方面都是大有裨益。目前的台式机CPU，TDP功耗超过 100W基本是不可取的，比较理想的数值是低于50W。
• 微处理器种类繁多，
– 高端通用处理器
• 如超级阵列处理器，Intel多核处理器
– 嵌入式处理器
• ARM, MIPS, Power PC
– 微控制器系：
• 低端8位8051，16位微控制器
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微处理器授课内容
1. 微处理器的现状，发展和组成； 2. 微处理器指令设计； 3. 微处理器的性能评测； 4. 微处理器的基本运算电路； 5. 微处理器结构设计及数据通路设计； 6. 控制单元的硬件实现； 7. 流水线技术； 8. 存储管理与Cache设计； 9. 微处理器多核关键技术与最新进展
• Intel Turbo Boost Technology“，英特尔智能加速技术
– TDP 130W
• TDP(Thermal Design Power 或 Total Dissipated Power)只有散 热器散热达到的瓦数超过这个值，这一个系列ห้องสมุดไป่ตู้处理器才是 安全的
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2010年 Intel Core i7‐980X
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2010年 Intel Core i7‐980X
• 英特尔六核i7‐980
– – – – – Intel首款六核桌面处理器 Intel的首款六核旗舰至尊版处理器使用32nm工艺， 6核12线程， 主频3.33GHz， TurboBoost频率3.6GHz，12MB三级缓存，支持三通 道DDR3 1066MHz内存。
– RSA安全处理器 – 椭圆曲线（ECC）密码处理器
THU ECC－256 Tsinghua University
MIPS微处理器
RSA安全芯片 2
椭圆曲线（ECC）安全芯片 微电子学研究所李树国
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教材及参考书
• 教材：
① ② David A. Patterson, John L. Hennessy, Computer Organization and Design ：the hardware/software interface（Third Edition)，机械工 业出版社（影印），2006.7月(教师提供电子版） David A. Patterson 美国Berkeley加州大学教授，RISC结构创始人之 一。 MIPS32 4KTM processor Core Family Software User’s Manual, MIPS Technologies, Inc. (教师提供电子版） John Paul Shen Mikko H.Lipasyi 现代微处理器设计－超标量处理器 基础，电子工业出版社 李亚民著，计算机组成与系统结构，清华大学出版社，2000年
– 863计划
• 微处理器的设计是数字电路的精髓和艺术的体现 • 微处理器的设计对其它数字电路的设计具有重要的指 导意义 • 做一个真正能用的微处理器，需要那些知识和支持？ • 我国的微处理器水平与国外相比差距巨大
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微处理器的作用与意义
• 没有微处理器，你今天还能做什么？
– 继农业革命和工业革命之后，微处理器引发了第3次信 息革命 – 每个人随身携带多少个处理器？
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Intel tubroBoost 技术
“Intel Turbo Boost Technology“，英特尔智能加速技术 • 在英特尔Nehalem架构的处理器中，每个处理核心都带有 自己的PLL同步逻辑单元，每个核心的时钟频率都是独立 的，而且每个处理核心都是有自己单独的核心电压，这样 的好处是在深度睡眠的时候，个别的处理核心几乎可以完 全被关闭。 • 而在之前的多核处理器中，所有的处理核心都具备相同的 核心电压，也就是说着活跃的处理核心与不活跃的处理核 心都要消耗相同的功耗。英特尔Nehalem架构处理器中的 PCU(Power Control Unit)（见下图）单元可以监控操作系 统的性能，并且向其发出命令请求。因此它可以非常智能 的决定系统的运行状态，是在高性能模式，还是在节电模 式。
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微处理器体系结构的变化
• 过去，CISC (Complex Instruction Set Computer)体系结构
– 指令集极其复杂，硬件难以实现 – 最具代表性的机器：X86系列
• 现在，RISC (Reduced Instruction Set Computer）体系结构
– 指令集简单，硬件实现容易 – RISC机种： MIPS，SPARC、ARM，Power PC等处理器
微处理器结构与设计
教师：李树国 教授
lisg@tsinghua.edu.cn, 010‐62795103（办） 助教：谭帆 tanfan3@sina.com 清华大学微电子学研究所 2011年2月21日
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任课教师研究方向
• 完成MIPS处理器设计2001年～2003年 • 完成安全芯片2004年～2009年
1978‐1979年 2005‐2010年
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1971年11月15日世界上第一块微处理器4004诞生 • Intel公司的工程师 “霍夫” 发明 • 4004的组成：
– – – – – – – 这款4位微处理器有45条指令 每秒能执行5万条指令 运行速度只有108KHz 集成晶体管2300只 8 m工艺 应用于Busicom计算器 售价200美金