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  • 四大CPU架构

    万次阅读 2018-01-16 14:41:21
    RISC(reduced instruction set computer,精简指令集计算机)是一种执行较少类型计算机指令的微处理器,起源于80年代的MIPS主机(即RISC机),RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。这样一来,它能够以更快的速度...

              RISCreduced instruction set computer,精简指令集计算机)是一种执行较少类型计算机指令的微处理器,起源于80年代的MIPS主机(即RISC机),RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。这样一来,它能够以更快的速度执行操作(每秒执行更多百万条指令,即MIPS)。因为计算机执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件,计算机指令集越大就会使微处理器更复杂,执行操作也会更慢。 

    性能特点一:由于指令集简化后,流水线以及常用指令均可用硬件执行;

    性能特点二: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;

    性能特点三:采用缓存—主机外存三级存储结构,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。

     

    其中ARM/MIPS/PowerPC均是基于精简指令集机器处理器的架构;X86则是基于复杂指令集的架构,Atomx86或者是x86指令集的精简版。

    根据各种新闻,Android在支持各种处理器的现状:

    ARM+Android最早发展、完善的支持,主要在手机市场、上网本、智能等市场;

    X86+Android 有比较完善的发展。有atom+Android的上网本,且支持Atom+Android Atom+Window7双系统;

    MIPS+Android目前在移植、完善过程中;

    Powpc+Android目前在移植、完善过程中。

     

    1.ARM

             ARM架构,过去称作进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine,更早称作:Acorn RISC Machine),是一个32位精简指令集(RISC)处理器架构,其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点,ARM处理器非常适用于行动通讯领域,符合其主要设计目标为低耗电的特性。

       在今日,ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比例,使它成为占全世界最多数的32位架构之一。ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看到,从可携式装置(PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏,和计算机)到电脑外设(硬盘、桌上型路由器)甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有他的存在。在此还有一些基于ARM设计的派生产品,重要产品还包括MarvellXScale架构和德州仪器的OMAP系列。

       优势:价格低;能耗低;

              ARM 授权方式:ARM 公司本身并不靠自有的设计来制造或出售 CPU ,而是将处理器架构授权给有兴趣的厂家。ARM 提供了多样的授权条款,包括售价与散播性等项目。对于授权方来说,ARM 提供了 ARM 内核的整合硬件叙述,包含完整的软件开发工具(编译器、debuggerSDK),以及针对内含 ARM CPU 硅芯片的销售权。对于无晶圆厂的授权方来说,其希望能将 ARM 内核整合到他们自行研发的芯片设计中,通常就仅针对取得一份生产就绪的智财核心技术(IP Core)认证。对这些客户来说,ARM 会释出所选的 ARM 核心的闸极电路图,连同抽象模拟模型和测试程式,以协助设计整合和验证。需求更多的客户,包括整合元件制造商(IDM)和晶圆厂家,就选择可合成的RTL(暂存器转移层级,如 Verilog)形式来取得处理器的智财权(IP)。借着可整合的 RTL,客户就有能力能进行架构上的最佳化与加强。这个方式能让设计者完成额外的设计目标(如高震荡频率、低能量耗损、指令集延伸等)而不会受限于无法更动的电路图。虽然 ARM 并不授予授权方再次出售 ARM 架构本身,但授权方可以任意地出售制品(如芯片元件、评估板、完整系统等)。商用晶圆厂是特殊例子,因为他们不仅授予能出售包含 ARM 内核的硅晶成品,对其它客户来讲,他们通常也保留重制 ARM 内核的权利。

       生产厂商:TI (德州仪器)/Samsung(三星)/Freescale(飞思卡尔)/Marvell(马维尔)/Nvidia(英伟达)

     

    (2)x86系列/Atom处理器

           xx8680x86是英代尔Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称。x86架构是重要地可变指令长度的CISC(复杂指令集电脑,Complex Instruction Set Computer)。

           Intel Atom(中文:凌动,开发代号:Silverthorne)是Intel的一个超低电压处理器系列。处理器采用45纳米工艺制造,集成4700万个晶体管。L2缓存为512KB,支持SSE3指令集,和VT虚拟化技术(部份型号)。

      现时,Atom处理器系列有6个型号,全部都是属于Z500系列。它们分别是Z500Z510Z520Z530Z540Z550。最低端的Z500内核频率是800MHzFSB则是400MHz。而最高速的Z550,内核频率则有2.0GHzFSB则是533MHz。从Z520开始,所有的处理器都支持超线程技术,但只增加了不到10%的耗电。双内核版本为N系列,依然采用945GC芯片组。双内核版本仍会支持超线程技术,所以系统会显示出有4个逻辑处理器。这个版本的两个内核并非采用本地设计,只是简单的将两个单内核封装起来。

     

    (3)MIPS系列

             MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”(Microprocessor without interlockedpipedstages),其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机公司采用构成各种工作站和计算机系统。

            MIPS技术公司是美国著名的芯片设计公司,它采用精简指令系统计算结构(RISC)来设计芯片。和英特尔采用的复杂指令系统计算结构(CISC)相比,RISC具有设计更简单、设计周期更短等优点,并可以应用更多先进的技术,开发更快的下一代处理器。MIPS是出现最早的商业RISC架构芯片之一,新的架构集成了所有原来MIPS指令集,并增加了许多更强大的功能。MIPS自己只进行CPU的设计,之后把设计方案授权给客户,使得客户能够制造出高性能的CPU。

    1984年,MIPS计算机公司成立,开始设计RISC处理器;

    1986年推出R2000处理器。

    1992年,SGI收购了MIPS计算机公司。

    1988年推R3000处理器。

    1991年推出第一款64位商用微处器R4000;之后又陆续推出R8000(于1994年)、R10000(于1996年)和R12000(于1997年)等型号。

    1998年,MIPS脱离SGI,成为MIPS技术公司;随后,MIPS公司的战略发生变化,把重点放在嵌入式系统;1998年-MIPS科技股票在美国纳斯达克股票交易所公开上市。

    1999年,MIPS公司发布MIPS32和MIPS64架构标准,为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了所有原来NIPS指令集,并且增加了许多更强大的功能。MIPS公司陆续开发了高性能、低功耗的32位处理器内核(core)MIPS324Kc与高性能64位处理器内核MIPS645Kc。

    2000年,MIPS公司发布了针对MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc处理器内核。

    2007年8月16日-MIPS科技宣布,中科院计算机研究所的龙芯中央处理器获得其处理器IP的全部专利和总线、指令集授权。

    2007年12月20日-MIPS科技宣布,扬智科技已取得其针对先进多媒体所设计的可定制化系统单芯片(SoC)核心“MIPS32 24KEcPro”授权。

     

    (4)PowerPC系列

             PowerPC 是一种精简指令集(RISC)架构的中央处理器(CPU),其基本的设计源自IBM(国际商用机器公司)的IBMPowerPC 601 微处理器POWERPerformanceOptimized With Enhanced RISC;《IBM Connect 电子报》20078月号译为“增强RISC性能优化”)架构。二十世纪九十年代,IBM(国际商用机器公司)Apple(苹果公司)和Motorola(摩托罗拉)公司开发PowerPC芯片成功,并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。

            PowerPC 处理器有广泛的实现范围,包括从诸如 Power4 那样的高端服务器CPU 到嵌入式 CPU 市场(任天堂Gamecube 使用了 PowerPC)。PowerPC处理器有非常强的嵌入式表现,因为它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。除了象串行和以太网控制器那样的集成 I/O,该嵌入式处理器与“台式机”CPU 存在非常显著的区别。



    学习资料参考于:

    http://navigating.blogbus.com/logs/67535773.html

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  • CPU的内部架构和工作原理(好文)

    万次阅读 多人点赞 2020-10-06 13:09:50
    一直以来,总以为CPU内部真是如当年学习《计算机组成原理》时书上所介绍的那样,是各种逻辑门器件的组合。当看到纳米技术时就想,...直到看了Intel CPU制作流程及AMD芯片的制作流程的介绍不禁感慨,原来科技...

          转自:http://blog.chinaunix.net/uid-23069658-id-3563960.html

     

         

           一直以来,总以为CPU内部真是如当年学习《计算机组成原理》时书上所介绍的那样,是各种逻辑门器件的组合。当看到纳米技术时就想,真的可以把那些器件做的那么小么?直到看了Intel CPU制作流程AMD芯片的制作流程的介绍不禁感慨,原来科技是如此的发达。

           本文我们以Intel为例对CPU的工作原理做简单介绍,仅仅是简单介绍,那么AMD,ARM,MIPS甚至PowerPC你应该会触类旁通才对。

           还记得那是1968年7月18日,鲍勃-诺斯和戈登-摩尔的新公司在美国加利福尼亚州,美丽的圣弗朗西斯科湾畔芒延维尤城的梅多费大街365号开张了。并在成立不久斥资15000美元从一家叫INTELCO的公司手中买下了Intel名称的使用权。由此Intel这位半导体巨人开始了他在IT行业传奇般的历史。
           1971年11月15日,这一天被当作全球IT界具有里程碑意义的日子而被写入许多计算机专业教科书。Intel公司的工程师特德·霍夫发明了世界上第一个微处理器—4004,这款4位微处理器虽然只有45条指令,而且每秒只能执行5万条指令。甚至比不上1946年由美国陆军宾夕法尼亚大学研制的世界第一台计算机ENIAC。但它的集成度却要高很多,一块4004的重量还不到一盅司。 他因发明了微处理器,被英国《经济学家》杂志称为“第二次世界大战以来最有影响的科学家之一”。Intel公司的CPU发展历程如下表所示:

           以及后面的Pentium 1,2,3和4,再到酷睿、酷睿2,这里就不再一一列举。Intel从8086开始,就进入了我们所谓的x86时代。而80386的诞生则标志着Intel正是进入了32位微处理器的时代。从80386到Pentium 4这个年代的CPU,就是传说中的IA-32时代。

           我们都知道CPU的根本任务就是执行指令,对计算机来说最终都是一串由“0”和“1”组成的序列。CPU从逻辑上可以划分成3个模块,分别是控制单元、运算单元和存储单元,这三部分由CPU内部总线连接起来。如下所示:

     

    控制单元:控制单元是整个CPU的指挥控制中心,由程序计数器PC(Program Counter), 指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)等,对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序,依次从存储器中取出各条指令,放在指令寄存器IR中,通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作,然后通过操作控制器OC,按确定的时序,向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。

    运算单元:是运算器的核心。可以执行算术运算(包括加减乘数等基本运算及其附加运算)和逻辑运算(包括移位、逻辑测试或两个值比较)。相对控制单元而言,运算器接受控制单元的命令而进行动作,即运算单元所进行的全部操作都是由控制单元发出的控制信号来指挥的,所以它是执行部件。

    存储单元:包括CPU片内缓存和寄存器组,是CPU中暂时存放数据的地方,里面保存着那些等待处理的数据,或已经处理过的数据,CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器,可以减少CPU访问内存的次数,从而提高了CPU的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限,寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的,分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途,通用寄存器的数目因微处理器而异。这个是我们以后要介绍这个重点,这里先提一下。

     

          我们将上图细化一下,可以得出CPU的工作原理概括如下:

     

          总的来说,CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据,按指令操作码的规定,对数据进行运算处理,直到程序执行完毕为止。
          上图中我没有画总线,只是用逻辑方式对其进行呈现。原因早期Intel的微处理器,诸如8085,8086/8088CPU,普遍采用了地址总线和数据总线复用技术,即将部分(或全部)地址总线与数据总线共用CPU的一些引脚。例如8086外部地址总线有20根,数据总线复用了地址总线的前16根引脚。复用的数据总线和地址总线虽然可以少CPU的引脚数,但却引入了控制逻辑及操作序列上的复杂性。所以,自80286开始,Intel的CPU才采用分开的地址总线和数据总线。
          不管是复用还是分开,对我们理解CPU的运行原理没啥影响,上图没画总线的目的就是怕有些人太过于追求细节,一头扎下去,浮不起来,不能从宏观上藐视敌人。
          OK,总结一下,CPU的运行原理就是控制单元在时序脉冲的作用下,将指令计数器里所指向的指令地址(这个地址是在内存里的)送到地址总线上去,然后CPU将这个地址里的指令读到指令寄存器进行译码。对于执行指令过程中所需要用到的数据,会将数据地址也送到地址总线,然后CPU把数据读到CPU的内部存储单元(就是内部寄存器)暂存起来,最后命令运算单元对数据进行处理加工。周而复始,一直这样执行下去,天荒地老,海枯石烂,直到停电。
           
    如果你对这段话还是觉得比较晕乎,那么就看我们老师是怎么讲的:
       1、取指令:CPU的控制器从内存读取一条指令并放入指令寄存器。指令的格式一般是这个样子滴:

     

            操作码就是汇编语言里的mov,add,jmp等符号码;操作数地址说明该指令需要的操作数所在的地方,是在内存里还是在CPU的内部寄存器里。
       2、指令译码:指令寄存器中的指令经过译码,决定该指令应进行何种操作(就是指令里的操作码)、操作数在哪里(操作数的地址)。
       3、 执行指令,分两个阶段“取操作数”和“进行运算”。
       4、 修改指令计数器,决定下一条指令的地址。

           关于CPU我们从宏观上把握到这个程度就OK了,后面我们会逐步进入微观阶段,依次介绍80X86寄存器及其用途,NASM汇编和AT&T的区别,以及C代码中嵌入的汇编语言的写法。之所以介绍汇编语言目的不是说用汇编去写代码,那是相当的不现实,除非你是硬件驱动工程师。稍微偏上层一点的开发人员懂点低等的东西,对自己理解整个系统的架构和原理是相当有好处的。

     

     

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  • CPU架构CPU架构详细介绍

    千次阅读 2020-05-02 11:45:04
    CPU架构是CPU商给CPU产品定的一个规范,主要目的是为了区分不同类型的CPU。目前市场上的CPU分类主要分有两大阵营,一个是intel、AMD为首的复杂指令集CPU,另一个是以IBM、ARM为首的精简指令集CPU。不同品牌的CPU,...

    1 概述

             CPU架构是CPU商给CPU产品定的一个规范,主要目的是为了区分不同类型的CPU。目前市场上的CPU分类主要分有两大阵营,一个是intel、AMD为首的复杂指令集CPU,另一个是以IBM、ARM为首的精简指令集CPU。不同品牌的CPU,其产品的架构也不相同,Intel、AMD的CPU是X86架构,IBM公司的CPU是PowerPC架构,ARM公司的CPU是ARM架构,国内的飞腾CPU也是ARM架构。此外还有MPIS架构、SPARC架构、Alpha架构。

    2 X86架构

            X86架构(The X86 architecture)是微处理器执行的计算机语言指令集。X86指令集是美国Intel公司为其第一块16位CPU(i8086)专门开发的,美国IBM公司1981年推出的世界第一台PC机中的CPU--i8088(i8086简化版)使用的也是X86指令。同时电脑中为提高浮点数据处理能力而增加的X87芯片系列数字协处理器则另外使用X87指令,,包括后来 Intel 80186、80286、80386以及80486,由于以“86”作为结尾,以后就将X86指令集和X87指令集统称为X86指令集。虽然随着CPU技术的不断发展,Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到今天的Pentium 4(以下简为P4)系列,但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源,所以Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集,所以它的CPU仍属于X86系列。

           x86架构CPU主要应用领域:个人计算机、服务器等。在PC端市场Wintel组合(windows系统 + intel处理器)占据了大部分江山,另外一部分有ADM占领。目前国内有兆芯,从AMD和VIA获取授权,研发自己的X86CPU,有其它国产CPU + 国产操作系统(linux系)可以用于教育和事业单位以及军工行针对的是特殊用户,国产CPU和操作系统想进入民用市场,由于性能、价格以及生态系统等,仍需要继续优化打磨以及一个合适契机。

         x86指令集发展

           IA:Intel(英特尔)处理器的服务器称之为IA(Intel Architecture)架构服务器

          IA-32:英特尔32位体系架构,X86从16位到32位是在原有的架构基础上进行修改(Intel称之为IA-32)

          x86-32:现如今Intel把x86-32称为IA-32

          x86-64 分为intel和AMD

           AMD64:x86架构的64位拓展,向后兼容于16位及32位的x86架构。x64于1999年由AMD设计,AMD首次公开64位集以扩展给x86,称为“AMD64”,AMD64和Intel64基本上一致

           Intel64:EM64T(Extended Memory 64 Technology)扩展64bit内存技术,本质上和AMD64一样都是IA-32的增强版本。

           IA-64:64位的英特尔架构,英特尔安腾架构(Intel Itanium architecture),使用在Itanium处理器家族上的64位指令集架构,由英特尔公司与惠普公司共同开发。IA是Intel Architecture(英特尔架构)的缩写,64指64位系统。使用这种架构的CPU,包括Itanium和Itanium 2。此架构与x86及x86-64并不相容,操作系统与软件需使用IA-64专用版本。

           Intel推出X86架构已满40年了,同486相比,Pentium向前迈进了一大步, 而PⅡ的前进步伐则没有这么大了,X86 CPU的发展似乎已到了尽头。英特尔非常清楚,是X86指令集限制了CPU性能的进一步提高,因此,他们正同惠普共同努力开发下一代指令集架构(Instruction Set Architecture ,ISA): EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing,显性并行指令计算)。对英特尔而言, IA-64(英特尔的64位架构)是下一个10到15年的架构。新的ISA将使英特尔摆脱X86架构的限制,从而设计出超越所有现有RISC CPU和X86 CPU的新型处理器。

    3 ARM架构

            ARM架构,也称作进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine,更早称作:Acorn RISC Machine),是一个32位精简指令集(RISC)处理器架构,其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点,ARM处理器非常适用于行动通讯领域,符合其主要设计目标为低耗电的特性。(其它请参考ARM介绍

            目前,ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比例,使它成为占全世界最多数的32位架构之一。ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看到,从可携式装置(PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏,和计算机)到电脑外设(硬盘、桌上型路由器)甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有他的存在。在此还有一些基于ARM设计的派生产品,重要产品还包括Marvell的XScale架构和德州仪器的OMAP系列。

              ARM 授权方式:ARM 公司本身并不靠自有的设计来制造或出售 CPU ,而是将处理器架构授权给有兴趣的厂家。ARM 提供了多样的授权条款,包括售价与散播性等项目。对于授权方来说,ARM 提供了 ARM 内核的整合硬件叙述,包含完整的软件开发工具(编译器、debugger、SDK),以及针对内含 ARM CPU 硅芯片的销售权。对于无晶圆厂的授权方来说,其希望能将 ARM 内核整合到他们自行研发的芯片设计中,通常就仅针对取得一份生产就绪的智财核心技术(IP Core)认证。对这些客户来说,ARM 会释出所选的 ARM 核心的闸极电路图,连同抽象模拟模型和测试程式,以协助设计整合和验证。需求更多的客户,包括整合元件制造商(IDM)和晶圆厂家,就选择可合成的RTL(暂存器转移层级,如 Verilog)形式来取得处理器的智财权(IP)。借着可整合的 RTL,客户就有能力能进行架构上的最佳化与加强。这个方式能让设计者完成额外的设计目标(如高震荡频率、低能量耗损、指令集延伸等)而不会受限于无法更动的电路图。虽然 ARM 并不授予授权方再次出售 ARM 架构本身,但授权方可以任意地出售制品(如芯片元件、评估板、完整系统等)。商用晶圆厂是特殊例子,因为他们不仅授予能出售包含 ARM 内核的硅晶成品,对其它客户来讲,他们通常也保留重制 ARM 内核的权利。

            国外生产厂商:TI (德州仪器)、Samsung(三星)、Freescale(飞思卡尔)、Marvell(马维尔)、Nvidia(英伟达)、Qualcomm(高通)、STMicroelectronics(意法半导体)。

            国内生产厂商:华为(海思芯片)、飞腾(FT-1500、FT2000-4等CPU芯片)、兆易创新(GD32系列MCU,参考STM32系列)、瑞芯微(RK系列芯片)、联发科(台湾,天玑系列)。

          ARM架构的CPU可以有多核,例如几年前联发科推出10核处理器Helio X20(被戏称一核有难,八核围观,国产FT处理器已经推出了16核处理器。但是由于ARM自身低功耗等因素的限制,核心数多并不一定能大大提升性能。

           目前ARM主要市场是手机端CPU和MCU,手机CPU市场,由高通骁龙系列、华为麒麟系列、以及三星猎户系列和联发科系列,在MCU端主要是STM32以及国产的GD32,其它厂商的芯片用于其它领域,比如汽车电子、智能家居等。在CPU处理器上,有华为海思的鲲鹏920CPU和FT的CPU(军工领域),虽然FT的CPU起步很早,但是鲲鹏显然有后来居上之趋势。国内ARM芯片做的最好的是华为海思,鲲鹏920CPU性能在ARM架构中是NO1,另外海思麒麟系列手机芯片已发展为全球前三的地位,海思的视频处理芯片以及IoT芯片,在行业中都是标杆的产品。

    4 MPIS架构

           MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”(Microprocessor without interlockedpipedstages),其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机公司采用构成各种工作站和计算机系统。

            MIPS技术公司是美国著名的芯片设计公司,它采用精简指令系统计算结构(RISC)来设计芯片。和英特尔采用的复杂指令系统计算结构(CISC)相比,RISC具有设计更简单、设计周期更短等优点,并可以应用更多先进的技术,开发更快的下一代处理器。MIPS是出现最早的商业RISC架构芯片之一,新的架构集成了所有原来MIPS指令集,并增加了许多更强大的功能。MIPS自己只进行CPU的设计,之后把设计方案授权给客户,使得客户能够制造出高性能的CPU。

           1984年,MIPS计算机公司成立,开始设计RISC处理器;

           1986年推出R2000处理器。

           1992年,SGI收购了MIPS计算机公司。

           1988年推R3000处理器。

          1991年推出第一款64位商用微处器R4000;之后又陆续推出R8000(于1994年)、R10000(于1996年)和R12000(于1997年)等型号。

          1998年,MIPS脱离SGI,成为MIPS技术公司;随后,MIPS公司的战略发生变化,把重点放在嵌入式系统;1998年-MIPS科技股票在美国纳斯达克股票交易所公开上市。

          1999年,MIPS公司发布MIPS32和MIPS64架构标准,为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了所有原来NIPS指令集,并且增加了许多更强大的功能。MIPS公司陆续开发了高性能、低功耗的32位处理器内核(core)MIPS324Kc与高性能64位处理器内核MIPS645Kc。

          2000年,MIPS公司发布了针对MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc处理器内核。

          2007年8月16日-MIPS科技宣布,中科院计算机研究所的龙芯中央处理器获得其处理器IP的全部专利和总线、指令集授权。

          2007年12月20日-MIPS科技宣布,扬智科技已取得其针对先进多媒体所设计的可定制化系统单芯片(SoC)核心“MIPS32 24KEcPro”授权。

    龙芯

           MPIS架构授权和ARM架构授权不一样,ARM架构授权用户基本不能自行修改,而MPIS架构授权后,可以自己修改。目前MPIS发扬光大寄希望中科龙芯公司,龙芯处理器从龙芯1号,到现在的龙芯3号系列的3A4000,CPU的性能已经大幅度提高,在完全可以胜任日常办公或者作为特殊用途的服务器。龙芯CPU和国产的飞腾(FT)处理器并驾齐驱,发展我国自主可控CPU。

    5 PowerPC系列

             PowerPC 是一种精简指令集(RISC)架构的中央处理器(CPU),其基本的设计源自IBM(国际商用机器公司)的IBMPowerPC 601 微处理器POWER(PerformanceOptimized With Enhanced RISC;《IBM Connect 电子报》2007年8月号译为“增强RISC性能优化”)架构。二十世纪九十年代,IBM(国际商用机器公司)、Apple(苹果公司)和Motorola(摩托罗拉)公司开发PowerPC芯片成功,并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。

            PowerPC 处理器有广泛的实现范围,包括从诸如 Power4 那样的高端服务器CPU 到嵌入式 CPU 市场(任天堂Gamecube 使用了 PowerPC)。PowerPC处理器有非常强的嵌入式表现,因为它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。除了象串行和以太网控制器那样的集成 I/O,该嵌入式处理器与“台式机”CPU 存在非常显著的区别。

     

    6 SPARC架构

           SPARC架构(Scalable Processor ARChitecture,可扩展处理器架构)是国际上流行的RISC处理器体系架构之一,SPRAC如今已发展成为一个开放的标准,任何机构或个人均可研究或开发基于SPRAC架构的产品,而无需交纳版权费。SPARC 处理器架构具备精简指令集(RISC)、支持32 位/64 位指令精度,架构运行稳定、可扩展性优良、体系标准开放等特点。SPARC因此得以迅速发展壮大,在现在已经有大约3万多个成功的应用案例。

             SPARCV7/V8 是目前嵌入式控制系统常用的处理器标准版本,并在航天设备的电子系统中得到广泛应用。然而,SPARC只是一个处理器的架构标准,并不提供现成的源码或IP核,具体的芯片实现要由开发者去完成。

             运行Oracle Solaris的Oracle SPARC T4服务器提供了创世界纪录的性能,其单线程性能提高了5倍、内存容量高达2 TB且实现了极高的系统吞吐量和I/O容量。SPARC T4服务器适用于需要极高的可靠性、可用性和集成式片上加密加速的企业应用程序和任务关键型应用程序,可确保最终的安全性。

    7 Alpha架构

            Alpha处理器最早由DEC公司设计制造,在Compaq(康柏)公司收购DEC之后,Alpha处理器继续得到发展,并且应用于许多高档的Compaq服务器上。自1995年开始开发了21164芯片,那时的工艺为0.5um,主频为200MHz。1998年,推出新型号21264,当时的主频是600MHz。较新的21264芯片主频达到1GHz,工艺为0.18um。在该芯片具有完善的指令预测能力和很高的存储系统带宽(超过1GB/s),并且其中增加了处理视频信息的功能,其多媒体处理能力得到了增强。

          Alpha架构于1992年2月25日,在东京召开的一次会议上面被正式推介,新架构的关键特性都一一的被罗列出来。当时说Alpha只是产品开发的内部代号。新处理器采用完全64-bit RISC设计,执行固定长度指令(32 bits)。有32个64 bit整数寄存器,操作43-bit的虚拟地址(在后来能够扩充到64-bit)。和VAX相同,使用little-endian字节顺序,即低字节的寄存器占用低内存地址线。而不像如摩托罗拉等大多数处理器所使用的big-endian字节顺序,即低字节寄存器占用高内存地址线。除此之外,处理器还内建一个算术协处理器,有32个浮点64-bit寄存器,采用随机存取,而不是在intel x86协处理器上使用的堆栈存取方式。整个Alpha的生命周期被设计为至少25年。

            Alpha处理器被用于DEC自己的工作站和服务器中。作为VAX的后续被开发,支持VMS操作系统,如 Digital UNIX。不久之后开放源代码的操作系统也可以在其上运行,如Linux和 DSB 。Microsoft 支持这款处理器,直到Windows NT 4.0 SP6 ,但是从Windows 2000 RC2开始放弃了对Alpha的支持。

        目前国内采用此架构的是申微超算处理器,得益于国家的支持,申威处理器在军队应用广泛。

    8 架构之间的竞争

    8.1 PC和服务竞争

             PC端和服务器端是X86架构的天下,而X86架构基本是以Intel为首,AMD为辅二分天下之势。国产CPU基本只能用在军工行业或者事业单位等。其实说性能,powerpc,可谓是高出不胜寒。硬件方面,Power系统在可靠性、可用性和可维护性的方面的出色表现使得 IBM从芯片到系统所设计的整机方案有着独有的优势。Power架构的处理器在超算、大型企业的UNIX服务器等多个方面应用也十分成功。在软件方面,其专用的AIX系统在稳定性、软件方案集成度和厂商技术支持能力方面都要更强。由于用户选一平台主要看软件需求,一般对数据保护和7*24小时不宕机等有所要求,power架构的稳定性和运维等方面相对更优。但是,由于IBM的技术把控,使得其价格太不友好,同时技术也赶不上环境的变化,在云计算兴起后,随着分布式系统逐渐成熟,系统对小型机的依赖开始降低,改为依靠集群提供,性能也可实现分布式处理。而更为关键的是,IBM的全套服务尽管稳定性优秀,但却影响了Power架构对其他商家的吸引力。

            而Sparc架构和Power架构基本犯了同样的错误:价格不友好。SPARC架构测成功和Sun旗下的Solaris系统有着密不可分的关系。当计算机系统庞大、用户数量巨大增加时,基于Unix操作系统打造的 Solaris能更好地利用计算机资源,是所有商业版中最可靠最完善的版本。而依赖SPARC架构和Solaris系统的性能和可靠性,其占领了服务器高端市场。Sun的另一个更为知名的产品是Java,虽然在上世纪90年代为智能家电开发的Java并没有为其带来相应的回报,但已成为今天移动时代最重要的开发语言。如此强大的实力本应统领服务器市场,但遗憾的是,在windows和英特尔组成Wintel联盟之后,两者凭借自身在各自市场的规模效应,使得采用Wintel产品的服务器厂商可以通过低廉的价格大肆抢占中低端市场。而当Sun醒悟过来,通过开源等方式想要挽回败局时为时已晚。

            X86架构与Power和SPARC在高性能领域的风生水起不同,x86架构是天生的小屌丝。1978年他出生的那年,英特尔还只是一个普通的科技公司。可是x86架构随同其cisc指令集却开启了一个新的时代。x86之所以可以赢得市场主要原因在于其是一个十分开放的架构。IBM和SUN当年都是从芯片到服务器到系统一手包办的公司。而英特尔则是一个十分纯粹的芯片厂商,其业务仅与AMD等少数芯片生产者存在竞争,这就使得服务器厂商不用忌惮与之发生竞争关系。

            单从性能来看,无论Power还是SPARC架构都可以击溃x86,可是最终能够赢下来的却偏偏是"最弱"的x86架构。这并非劣币淘汰良币,而是市场竞争的选择,根源上讲,x86的成功在于英特尔根本不碰服务器。因此不论设备生产商、软件开发者或者系统开发者都可以与不存在利益竞争关系的英特尔合作。受益于此,x86架构的兼容性也越发强大,生态体系越发完善,这才成就了现如今市场占有率超过90%的一家独大局面,英特尔也借助x86架构一跃成为全球顶级的芯片提供商。

    8.2 移动端竞争

            正如PC和服务器端是X86的天下一样,移动端是ARM的天下。Intel在CPU界的大名,可谓家喻户晓,但是在手机登移动端却难以看到英国ARM公司背影。在2006年,自从AMD的64位处理器发布以来,AMD成功逆袭了Intel,市场占有率大幅上升,而Intel老迈的P4处理器则是腹背受敌,尽失昔日霸气,市场表现一路走低。为了稳住投资人的信心,最好的做法自然是让公司持续盈利,为此Intel进行大规模的重整,包括上任新CEO 欧德宁、大规模裁员、以及出售XScale手机处理器业务。正因为这个举措,使得Intel到达了人生巅峰,从PC市场有赚的钵满盆满,然而也是因为此,Intel忽视了移动领域的迅猛发展。(当年,Intel拒绝了乔帮主还是PPT的Iphone手机,不然是否就会不一样?但是想一下Iphone X 使用Intel基带,信号差的诟病,Intel做手机芯是否会臭名昭著也未可知)

            和Intel公司不同, ARM公司不制造,不销售芯片,而是只自己设计IP核,包括指令集架构、微处理器、GPU、互连架构等,然后谁想用就授权卖给谁,再从每颗实际造出来的产品中收取版税。ARM有三种授权模式,分别是架构授权、内核授权、使用授权,分别对应大中小公司,非常讨喜,贴个牌子就能说是自己的CPU,为ARM处理器的广泛使用打下坚实基础。

            ARM的成功除了商业模式的独特之外还少不得自身素质的优秀,Intel技术毫无疑问是顶尖的,但应用场景在传统PC上,换成移动设备就行不通了,移动设备比起性能首先要考虑功耗和续航,Intel就吃了这个大亏,X86架构独步天下肯定是不能随意变改的,移动设备当然继续沿用X86架构,然而换来却是高功耗和快速掉电,换谁都看不上。反之功耗控制则是ARM的强项,使用精简指令集(RISC)和创新的big.LITTLE架构,使ARM处理器能耗比一直领先于Intel。

            Intel正在积极布局,推出应用于 IoT 物联网的 Atom E3900 及车载电子的 Atom A3900 系列,号称 CPU 性能提升70%,GPU 性能提升190%,其中 Atom A3900 特别针对高温环境设计,可在110°C高温下使用15年。Intel是一家伟大的企业,但也是会犯错误的,既然已经错失移动市场,不妨暂时脱离,提前做好下一阶段的技术研发(5G),也有可能实现弯道超车。

     

     

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  • CPU的组成结构及其原理(一)

    万次阅读 多人点赞 2017-11-11 10:25:50
    CPU的基本架构和工作原理其实百科上讲得已经相当清楚了,不过我觉得有些事情呢还是给个例子出来比较方便学习。 本文会先从内存地址,计算机的一般架构之类的基础知识出发,然后逐步为读者“拼装”出一个超级简单的8...
    中央处理器(Central Processing Unit, CPU)

    CPU的基本架构和工作原理其实百科上讲得已经相当清楚了,不过我觉得有些事情呢还是给个例子出来比较方便学习。
    本文会先从内存地址,计算机的一般架构之类的基础知识出发,然后逐步为读者“拼装”出一个超级简单的8-bit CPU。。。就像下图这样(大图点开)

    这就是本文的目标:拼装这样一个结构的CPU

    -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

    上面那个大图里有几个梯形的符号
    它们叫做数据选择器(Multiplexer),也叫多路选择器或多路开关
    已经知道这个东西是干啥的童鞋直接跳过此楼吧。。

    这图是一个2选1选择器,A,B,S为输入,Z为输出,它们可取的值当然都只有0和1
    怎么工作的呢?
    以该图为例:
    当S=1的时候,输出值Z = 输入值B
    当S=0的时候,输出值Z = 输入值A
    比如说A=1,B=0,S=0的时候输出是多少?S=0就是说:选择A的值输出,也就是说输出值Z=A=1
    就这么简单

    同样地,我们也可以有4选1选择器

    只不过控制输入S变成了两位(00,01,10,11,分别对应一二三四),道理还是一样的

    如果你对这个东东怎么做成的感兴趣的话。。。下面就是4选1选择器的其中一种电路 = =

    哦,还有。。本文使用的逻辑门符号均是ANSI/IEEE Std 91-1984中的Distinctive shape,不是用方框符号。。。= =

    你只要知道数据选择器是干啥的就好,不用惦记上边那电路。。

    ------------------------------------------------------------------------------------------------------------

    1. 计算机架构(Computer Architecture)

    CPU、内部存储器(Internal Storage Device)和输入/输出设备(Input/Output Device, I/O)是电子计算机三大核心部件。内部储存器可以是硬盘,内存,缓存等;输入设备可以是鼠标,键盘;输出设备可以有屏幕,音箱等等。。

    当你打开电脑硬盘上安装的某个程序时,你的操作系统会把硬盘上的相应内容放入内存中。至于怎么放,在内存的什么地方放那可是一门大学问,光这个就够一般人喝一壶的。。相关知识可以在大学的操作系统课程里学到

    比如说你放个音乐。要放音乐,先用鼠标点开一个mp3文件,于是你就使用了一个输入设备。这个输入设备会把一个中断请求(Interrupt Request)送到CPU那边,结合来自操作系统的信息后CPU就知道:哦,你用鼠标点开那个mp3文件了!于是:
    1. CPU执行操作系统里关于文件关联的代码,于是你的电脑就知道要用WMP打开文件了
    2. 你的操作系统开始把WMP这个程序里含有的指令和mp3文件的内容从硬盘上拉进内存里(还是CPU的工作)
    3. 然后你的CPU开始一条一条地(双核的话那你就当成两条两条地好了)执行内存里的WMP程序指令(也就是如何解码mp3),并且把解码后的PCM比特流传到声卡上,再由声卡把数字信号转换成模拟信号送到音箱/耳机(输出设备)里。So now you have music!

    又比如说你要编辑一个txt文件。还是先得用鼠标点开文件,又用了一次输入设备。于是:
    1. CPU执行操作系统里关于文件关联的代码,于是你的电脑就知道要用notepad打开文件了
    2. 你的操作系统把notepad的程序指令和文件内容拉进内存
    3. 然后你的CPU又开始执行Notepad程序的指令了
    4. 每当你敲一次键盘(还是输入设备!!),都会向CPU发送一个中断请求好让CPU知道你敲了某个键。比如说你敲个Y,那么CPU就会把Y这个字符写进内存里。然后你要保存的时候操作系统就会把内存里改过的东东倒进硬盘里!~

    。。。好吧我承认实际过程跟这儿说的不大一样并且复杂得多,有些细节会在后面详细讲,but that's the basic idea.

    这大约就是CPU,输入/输出设备和内存之间的互动方式了。

    ---------------------------------------------------------------------------------------------------

    2.内存(Memory)

    内存就是暂时存储程序以及数据的地方,比如当我们在使用WPS处理文稿时,当你在键盘上敲入字符时,它就被存入内存中,当你选择存盘时,内存中的数据才会被存入硬盘。一断电内存上的东东就没了

    内存里的数据是根据内存地址(Memory Address)来组织的。每个地址都是独特的,每个地址一般来说对应着一个字节(byte)=8 bit,我们管这叫Byte addressable memory.

    在32 bit的系统上,内存地址的长度就是32 bit。那么一个32 bit长度的二进制数最大可以表示的数是多少呢?很简单,2^32 = 4294967296。也就是说,32 bit的内存地址最大可以对应4294967296字节的内存!

    这个数字换算一下就可以得出它相当于4GB。现在你知道为什么32位系统不支持4GB以上的内存了吗?

    ------------------------------------------------------------------------------------------------------

    3. 指令编码(Instruction Encoding)

    终于要说点正经的了。。前面说过CPU会执行内存/缓存中的程序指令,可是这些指令是以什么样的形式储存在内存里的呢?要知道所谓的指令其实就是一长串的0和1而已。那CPU如何从这些0和1里知道指令是什么呢?这就是指令编码的内容了。

    先说说CPU。您说,CPU能干啥?其实很简单,无非就是加减乘除,读写内存,逻辑运算什么的。若是复杂些的CPU可能指令集要大些,不过基本的指令大概就这些。CPU内部也有自己的储存单元,叫做寄存器(Register),也是暂时用来放数据的地方,速度特别快,容量特别小。
    就拿我经常用的NIOS II来说,它内部有32个寄存器,它可以执行的指令包括(不好意思我要用汇编语言了=_=):

    add rA,rB,rC #把寄存器rB,rC里的数加起来,结果放入寄存器rC
    addi rB, rA, IMM16 #把rA里的数跟一个16位的数相加,结果放入rB
    beq rB,rA,LABEL #若rA=rB,则跳到LABEL指定的内存地址开始执行指令,否则继续按照内存地址顺序执行指令
    stwio rB, b_o(rA) #从内存地址rA+b_o处读取一个字节,数据放入rB
    ldwio rB, b_o(rA) #从内存地址rA+b_o处开始写入一个字节,写入的数据在rB里


    等等

    总结起来,CPU可以有以下几个功能:
    1.进行寄存器之间的运算和比较
    2.由寄存器内指定的地址读写内存
    3.分支指令,类似于C语言里的if语句。比如跳到某个寄存器里指定的内存地址开始读取并执行指令

    当然,更复杂的指令集是有可能的,不过这里就不说了

    ---------------------------------------------------------------------------------------------

    我知道读者可能好几楼没见着个图有点烦躁了,不过请有些耐心,等开始拼装CPU的时候图片绝对多。。。

    Anyway,继续说指令编码
    大致来说,上面的指令可以分为三大类:I-type,R-type,J-type
    P.S.这种分类适用于MIPS架构的处理器,其他我就不知道了

    1. I-type
    以32 bit为例。一条I-type指令包括四个元素:
    两个寄存器编号,一个16位数字和一个操作码

    31-27位代表指令里寄存器rA的编号
    26-22位代表寄存器rB的编号
    21-6位是一个16位的二进制数
    5-0位是操作码

    例子:
    NIOS II汇编指令 addi r6,r7,310表示把寄存器r7里的数加上310,结果放入寄存器r6。如果我们规定addi运算对应的六位操作码是000011,那么请问整条指令的编码是?
    解答:
    寄存器r6的编号是6,即00110
    寄存器r7的编号是7,即00111
    数字310对应的二进制数是0000000100110110
    addi的操作码是000011
    所以整条指令的编码就是00110 00111 0000000100110110 000011
    -----------------------r6-----r7--------310---------addi------
    共32位!
    这就是I-type指令在内存里存在的形式!!~

    ----------------------------------------------------------------------------

    2. R-type

    还是以32 bit为例。一条R-type指令通常包括四个元素:
    三个寄存器编号,一个操作码

    31-27位是寄存器rA的编号
    26-22位是寄存器rB的编号
    21-17位是寄存器rC(一般来说这个是目标寄存器)的编号
    16-6位是OPX,是操作码
    5-0位。。你当它没用吧,写上000000就好 = =

    例子:
    汇编指令 add r10,r9,r8是典型的R-type指令。它表示把寄存器r9,r8里的数加起来,然后把结果写入寄存器r10(目标寄存器)。若规定add运算的操作码为00000011111,请问整条指令的编码是?
    解答:
    寄存器r10的编号是10,即01010
    寄存器r9的编号是9,即01001
    寄存器r8的编号是8,即01000
    add运算操作码是00000011111
    OP = 000000
    所以整条指令的二进制编码是01001 01000 01010 00000011111 000000
    ---------------------------r9-----r8---r10------add-------OP
    共32位!

    -----------------------------------------------------------------------------------------

    3. J-Type

    一条32bit的J-Type指令包含两个元素:
    一个26位的数字(通常是内存地址)和一个6位的操作码

    31-6位是数字
    5-0位是操作码

    例子:
    汇编指令 call ROUTINE_3是典型的J-Type指令,它表示该指令执行完毕后CPU将从ROUTINE_3开始的内存地址读取并执行其他指令。若ROUTINE_3开头指令的内存地址是0x00002b3c,call的操作码是000000,请问整条指令的二进制编码是?
    解答:
    16进制数0x00002b3c = 0000 0000 0000 0000 0010 1011 0011 1101
    call操作码是000000
    所以整个指令的编码是00000000000000000010101100111101 000000
    ------------------------------ROUTINE_3--------------call--
    还是32位!


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