文档介绍：桂林理工大学2013年春季学期
<<计算机组成原理X>>课程论文
题目: 微处理器的多核技术
专业: 网络工程专业
班级: 网络工程11-1班
学号: 3110757101
姓名: 何天从
指导老师: 邹明亮
信息科学与工程学院
2013年7月
微处理器的多核技术
摘要
微处理器从呱呱落地以来已经历了42年的时间, 其体系结构从8位到16位,后来到了暂时稳定的32位,过渡到了现在流行的64位。核心数也从单核到2,4,8,16,...。“多核心CPU解决方案是摩尔定律发展的必然产物”,Intel分析员Nathan这样说道。那么微处理器的发展经历了怎样的困境,才出现多核呢?而多核会是微处理器未来发展的必然方向吗?它具有什么与众不同的优势呢?本文将为你简述微处理器如何走上多核之路。
关键词:微处理器,多核处理器,多核发展,多核技术, 多核问题
1、微处理器
微处理器(Mieroproeessor或MPU)被誉为20世纪最伟大的发明之一,它也被称作中央处理器(Cen-tralproeessingUnit,CPU)或简称为处理器(Proees-sor)。微处理器用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。微处理器与传统的中央处理器相比,具有体积小、重量轻和容易模块化等优点。微处理器的基本组成部分有:寄存器堆、运算器、时序控制电路,以及数据和地址总线。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。
内部结构
以8086微处理器为例,16位微处理器可分成两个部分,一部分是执行部件(EU),即执行指令的部分;另一部分是总线接口部件(BIU),与8086总线联系,执行从存储器取指令的操作。微处理器分成EU和BIU后,可使取指令和执行指令的操作重叠进行。EU部分有一个寄存器堆,由8个16位的寄存器组成,可用以存放数据、变址和堆栈指针、算术运算逻辑单元(ALU)执行算术运算和逻辑操作,标志寄存器寄存这些操作结果的条件。执行部件中的这些部件是通过数据总线传送数据的。总线接口部件也有一个寄存器堆,其中CS、DS、SS和ES是存储空间分段的分段寄存器。IP是指令指针。内部通信寄存器也是暂时存放数据的寄存器。指令队列是把预先取来的指令流存放起来。总线接口部件还有一个地址加法器,把分段寄存器值和偏置值相加,取得20位的物理地址。数据和地址通过总线控制逻辑与外面的8086系统总线相联系。
发展趋势
处理器设计的发展趋势主要是:完全32位的ALU(内置快速浮点处理器)和多指令流的流水线式执行方式。处理器设计的最新进展是64位ALU,预计在下一个十年中家用PC就会用上这种处理器。此外,还存在为处理器添加可高效执行某些操作的特殊指令(例如MMX指令)的趋势,以及在处理器芯片中增加硬件虚拟内存支持和L1缓存的趋势。所有这些趋势都进一步增加了晶体管的数量,导致现在的处理器包含数千万个晶体管。而这些处理器每秒大约可以执行十亿条指令!
2、多核处理器
美国一位计算机专家在预测未来25年微处理器发展时说:“微处理器的性质将发生渐进性的变化,而不是革命性的变化”。
计算机技术从总体上可以分为硬件技术和软件技术,而微处理器又是整个硬件技术的核心。从 1971年Intel公司推出世界上第一台微处理器4004开始到至今发展主流的多核处理器酷睿 Core ix 系列,经历了四十多年的高速发展。在整个发展过程中,通过集成电路技术和处理器体系结构的进步,使得微处理器的性能获得了飞速提升,伴随着性能的提高,计算机在多个传统的领域如制造业、通信业、石油勘探、气象预报等的应用都很成功,获得了良好的经济效益和社会效益。当前,一方面随着社会的不断进步,一些新兴领域如科学计算、生物研究、结构仿真、纳米工艺等对计算机的性能提出了更高的需求;另一方面集成电路技术也正飞快地由深亚微米转向纳米工艺,由于其工艺技术水平的发展和应用需求在不断提升和变化,使微处理器体系结构的发展正面临着新的挑战和创新机遇。
40 多年来,集成电路和微处理器芯片的发展基本上遵循了英特尔公司创始人之一的 Gordon Moore 于 1965 年所提出的摩尔定律:即集成电路芯片上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍,特征尺寸每 3 年缩小 1/2。集成电路芯片的特征尺寸己经从1978年的10微米缩小到现在的22纳米,硅片的直径尺寸也逐渐递增,由2英寸发展到12英寸,根据半导体工业协会 SIA(Semiconductor Industry Association)共同制定的技术发展路,摩尔定律在2015