工控機(jī)CPU知識(shí)你了解多少呢？工控機(jī)制造工藝、指令集（CISC指令集、RISC指令集、IA-64、x86-64 （AMD64 / EM64T））、超流水線與超標(biāo)量、封裝形式、多線程、多核心、SMP、NUMA技術(shù)、亂序執(zhí)行技術(shù)、CPU內(nèi)部的內(nèi)存控制器這些概念你了解多少呢？本文將為您詳細(xì)解讀上述概念。
1.制造工藝
制造工藝的微米是指IC內(nèi)電路與電路之間的距離。制造工藝的趨勢是向密集度愈高的方向發(fā)展。密度愈高的IC電路設(shè)計(jì)，意味著在同樣大小面積的IC中，可以擁有密度更高、功能更復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)。現(xiàn)在主要的180nm、130nm、90nm。最近官方已經(jīng)表示有65nm的制造工藝了。
2.指令集
（1）CISC指令集
CISC指令集，也稱為復(fù)雜指令集，英文名是CISC，（Complex Instruction Set Computer的縮寫）。在CISC微處理器中，程序的各條指令是按順序串行執(zhí)行的，每條指令中的各個(gè)操作也是按順序串行執(zhí)行的。順序執(zhí)行的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，但計(jì)算機(jī)各部分的利用率不高，執(zhí)行速度慢。其實(shí)它是英特爾生產(chǎn)的x86系列（也就是IA-32架構(gòu)）CPU及其兼容CPU，如AMD、VIA的。即使是現(xiàn)在新起的X86-64（也被成AMD64）都是屬于CISC的范疇。要知道什么是指令集還要從當(dāng)今的X86架構(gòu)的CPU說起。X86指令集是Intel為其第一塊16位CPU(i8086)專門開發(fā)的，IBM1981年推出的世界第一臺(tái)PC機(jī)中的CPU—i8088(i8086簡化版)使用的也是X86指令，同時(shí)電腦中為提高浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力而增加了X87芯片，以后就將X86指令集和X87指令集統(tǒng)稱為X86指令集。雖然隨著CPU技術(shù)的不斷發(fā)展，Intel陸續(xù)研制出更新型的i80386、i80486直到過去的PII至強(qiáng)、PIII至強(qiáng)、Pentium 3，最后到今天的Pentium 4系列、至強(qiáng)（不包括至強(qiáng)Nocona），但為了保證電腦能繼續(xù)運(yùn)行以往開發(fā)的各類應(yīng)用程序以保護(hù)和繼承豐富的軟件資源，所以Intel公司所生產(chǎn)的所有CPU仍然繼續(xù)使用X86指令集，所以它的CPU仍屬于X86系列。由于Intel X86系列及其兼容CPU（如AMD Athlon MP、）都使用X86指令集，所以就形成了今天龐大的X86系列及兼容CPU陣容。x86CPU目前主要有intel的服務(wù)器CPU和AMD的服務(wù)器CPU兩類。
（2）RISC指令集
RISC是英文"Reduced Instruction Set Computing " 的縮寫，中文意思是"精簡指令集"。它是在CISC指令系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，有人對CISC機(jī)進(jìn)行測試表明，各種指令的使用頻度相當(dāng)懸殊，最常使用的是一些比較簡單的指令，它們僅占指令總數(shù)的20％，但在程序中出現(xiàn)的頻度卻占80％。復(fù)雜的指令系統(tǒng)必然增加微處理器的復(fù)雜性，使處理器的研制時(shí)間長，成本高。并且復(fù)雜指令需要復(fù)雜的操作，必然會(huì)降低計(jì)算機(jī)的速度?；谏鲜鲈?，20世紀(jì)80年代RISC型CPU誕生了，相對于CISC型CPU ,RISC型CPU不僅精簡了指令系統(tǒng)，還采用了一種叫做"超標(biāo)量和超流水線結(jié)構(gòu)"，大大增加了并行處理能力。RISC指令集是高性能CPU的發(fā)展方向。它與傳統(tǒng)的CISC(復(fù)雜指令集)相對。相比而言，RISC的指令格式統(tǒng)一，種類比較少，尋址方式也比復(fù)雜指令集少。當(dāng)然處理速度就提高很多了。目前在中高檔服務(wù)器中普遍采用這一指令系統(tǒng)的CPU，特別是高檔服務(wù)器全都采用RISC指令系統(tǒng)的CPU。RISC指令系統(tǒng)更加適合高檔服務(wù)器的操作系統(tǒng)UNIX，現(xiàn)在Linux也屬于類似UNIX的操作系統(tǒng)。RISC型CPU與Intel和AMD的CPU在軟件和硬件上都不兼容。 目前，在中高檔服務(wù)器中采用RISC指令的CPU主要有以下幾類：PowerPC處理器、SPARC處理器、PA-RISC處理器、MIPS處理器、Alpha處理器。
（3）IA-64
EPIC（Explicitly Parallel Instruction Computers，精確并行指令計(jì)算機(jī)）是否是RISC和CISC體系的繼承者的爭論已經(jīng)有很多，單以EPIC體系來說，它更像Intel的處理器邁向RISC體系的重要步驟。從理論上說，EPIC體系設(shè)計(jì)的CPU，在相同的主機(jī)配置下，處理Windows的應(yīng)用軟件比基于Unix下的應(yīng)用軟件要好得多。 Intel采用EPIC技術(shù)的服務(wù)器CPU是安騰Itanium（開發(fā)代號(hào)即Merced）。它是64位處理器，也是IA－64系列中的第一款。微軟也已開發(fā)了代號(hào)為Win64的操作系統(tǒng)，在軟件上加以支持。在Intel采用了X86指令集之后，它又轉(zhuǎn)而尋求更先進(jìn)的64-bit微處理器，Intel這樣做的原因是， 竅氚諭訝萘烤藪蟮膞86架構(gòu),從而引入精力充沛而又功能強(qiáng)大的指令集，于是采用EPIC指令集的IA-64架構(gòu)便誕生了。IA-64 在很多方面來說，都比x86有了長足的進(jìn)步。突破了傳統(tǒng)IA32架構(gòu)的許多限制，在數(shù)據(jù)的處理能力，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可用性、可觀理性等方面獲得了突破性的提高。IA-64微處理器最大的缺陷是它們?nèi)狈εcx86的兼容，而Intel為了IA-64處理器能夠更好地運(yùn)行兩個(gè)朝代的軟件，它在IA-64處理器上（Itanium、Itanium2 ……)引入了x86-to-IA-64的解碼器，這樣就能夠把x86指令翻譯為IA-64指令。這個(gè)解碼器并不是最有效率的解碼器，也不是運(yùn)行x86代碼的最好途徑（最好的途徑是直接在x86處理器上運(yùn)行x86代碼），因此Itanium 和Itanium2在運(yùn)行x86應(yīng)用程序時(shí)候的性能非常糟糕。這也成為X86-64產(chǎn)生的根本原因。
（4）X86-64 （AMD64 / EM64T）
AMD公司設(shè)計(jì)，可以在同一時(shí)間內(nèi)處理64位的整數(shù)運(yùn)算，并兼容于X86-32架構(gòu)。其中支持64位邏輯定址，同時(shí)提供轉(zhuǎn)換為32位定址選項(xiàng)；但數(shù)據(jù)操作指令默認(rèn)為32位和8位，提供轉(zhuǎn)換成64位和16位的選項(xiàng)；支持常規(guī)用途寄存器，如果是32位運(yùn)算操作，就要將結(jié)果擴(kuò)展成完整的64位。這樣，指令中有"直接執(zhí)行"和"轉(zhuǎn)換執(zhí)行"的區(qū)別，其指令字段是8位或32位，可以避免字段過長。x86-64（也叫AMD64）的產(chǎn)生也并非空穴來風(fēng)，x86處理器的32bit尋址空間限制在4GB內(nèi)存，而IA-64的處理器又不能兼容x86。AMD充分考慮顧客的需求，加強(qiáng)x86指令集的功能，使這套指令集可同時(shí)支持64位的運(yùn)算模式，因此AMD把它們的結(jié)構(gòu)稱之為x86-64。在技術(shù)上AMD在x86-64架構(gòu)中為了進(jìn)行64位運(yùn)算，AMD為其引入了新增了R8-R15通用寄存器作為原有X86處理器寄存器的擴(kuò)充，但在而在32位環(huán)境下并不完全使用到這些寄存器。原來的寄存器諸如EAX、EBX也由32位擴(kuò)張至64位。在SSE單元中新加入了8個(gè)新寄存器以提供對SSE2的支持。寄存器數(shù)量的增加將帶來性能的提升。與此同時(shí)，為了同時(shí)支持32和64位代碼及寄存器，x86-64架構(gòu)允許處理器工作在以下兩種模式：Long Mode(長模式)和Legacy Mode(遺傳模式)Long模式又分為兩種子模式64bit模式和Compatibility mode兼容模式)。該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被引進(jìn)在AMD服務(wù)器處理器中的Opteron處理器。 而今年也推出了支持64位的EM64T技術(shù)，再還沒被正式命為EM64T之前是IA32E，這是英特爾64位擴(kuò)展技術(shù)的名字,用來區(qū)別X86指令集。Intel的EM64T支持64位sub-mode，和AMD的X86-64技術(shù)類似，采用64位的線性平面尋址，加入8個(gè)新的通用寄存器（GPRs），還增加8個(gè)寄存器支持SSE指令。與AMD相類似，Intel的64位技術(shù)將兼容IA32和IA32E，只有在運(yùn)行64位操作系統(tǒng)下的時(shí)候，才將會(huì)采用IA32E。IA32E將由2個(gè)sub-mode組成：64位sub-mode和32位sub-mode，同AMD64一樣是向下兼容的。Intel的EM64T將完全兼容AMD的X86-64技術(shù)?，F(xiàn)在Nocona處理器已經(jīng)加入了一些64位技術(shù)，Intel的Pentium 4E處理器也支持64位技術(shù)。應(yīng)該說，這兩者都是兼容x86指令集的64位微處理器架構(gòu)，但EM64T與AMD64還是有一些不一樣的地方，AMD64處理器中的NX位在Intel的處理器中將沒有提供。
3.超流水線與超標(biāo)量
在解釋超流水線與超標(biāo)量前，先了解流水線(pipeline)。流水線是Intel首次在486芯片中開始使用的。流水線的工作方式就象工業(yè)生產(chǎn)上的裝配流水線。在CPU中由5—6個(gè)不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條X86指令分成5—6步后再由這些電路單元分別執(zhí)行，這樣就能實(shí)現(xiàn)在一個(gè)CPU時(shí)鐘周期完成一條指令，因此提高CPU的運(yùn)算速度。經(jīng)典奔騰每條整數(shù)流水線都分為四級(jí)流水，即指令預(yù)取、譯碼、執(zhí)行、寫回結(jié)果，浮點(diǎn)流水又分為八級(jí)流水。 超標(biāo)量是通過內(nèi)置多條流水線來同時(shí)執(zhí)行多個(gè)處理器，其實(shí)質(zhì)是以空間換取時(shí)間。而超流水線是通過細(xì)化流水、提高主頻，使得在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成一個(gè)甚至多個(gè)操作，其實(shí)質(zhì)是以時(shí)間換取空間。例如Pentium 4的流水線就長達(dá)20級(jí)。將流水線設(shè)計(jì)的步(級(jí))越長，其完成一條指令的速度越快，因此才能適應(yīng)工作主頻更高的CPU。但是流水線過長也帶來了一定副作用，很可能會(huì)出現(xiàn)主頻較高的CPU實(shí)際運(yùn)算速度較低的現(xiàn)象，Intel的奔騰4就出現(xiàn)了這種情況，雖然它的主頻可以高達(dá)1.4G以上，但其運(yùn)算性能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上AMD 1.2G的速龍甚至奔騰III。
4.封裝形式
CPU封裝是采用特定的材料將CPU芯片或CPU模塊固化在其中以防損壞的保護(hù)措施，一般必須在封裝后CPU才能交付用戶使用。CPU的封裝方式取決于CPU安裝形式和器件集成設(shè)計(jì)，從大的分類來看通常采用Socket插座進(jìn)行安裝的CPU使用PGA(柵格陣列)方式封裝，而采用Slot x槽安裝的CPU則全部采用SEC(單邊接插盒)的形式封裝?，F(xiàn)在還有PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land Grid Array)等封裝技術(shù)。由于市場競爭曰益激烈，目前CPU封裝技術(shù)的發(fā)展方向以節(jié)約成本為主。
5、多線程
同時(shí)多線程Simultaneous multithreading，簡稱SMT。SMT可通過復(fù)制處理器上的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，讓同一個(gè)處理器上的多個(gè)線程同步執(zhí)行并共享處理器的執(zhí)行資源，可最大限度地實(shí)現(xiàn)寬發(fā)射、亂序的超標(biāo)量處理，提高處理器運(yùn)算部件的利用率，緩和由于數(shù)據(jù)相關(guān)或Cache未命中帶來的訪問內(nèi)存延時(shí)。當(dāng)沒有多個(gè)線程可用時(shí)，SMT處理器幾乎和傳統(tǒng)的寬發(fā)射超標(biāo)量處理器一樣。SMT最具吸引力的是只需小規(guī)模改變處理器核心的設(shè)計(jì)，幾乎不用增加額外的成本就可以顯著地提升效能。多線程技術(shù)則可以為高速的運(yùn)算核心準(zhǔn)備更多的待處理數(shù)據(jù)，減少運(yùn)算核心的閑置時(shí)間。這對于桌面低端系統(tǒng)來說無疑十分具有吸引力。Intel從3.06GHz Pentium 4開始，所有處理器都將支持SMT技術(shù)。
6、多核心
多核心，也指單芯片多處理器（Chip multiprocessors，簡稱CMP）。CMP是由美國斯坦福大學(xué)提出的，其思想是將大規(guī)模并行處理器中的SMP（對稱多處理器）集成到同一芯片內(nèi)，各個(gè)處理器并行執(zhí)行不同的進(jìn)程。與CMP比較， SMT處理器結(jié)構(gòu)的靈活性比較突出。但是，當(dāng)半導(dǎo)體工藝進(jìn)入0.18微米以后，線延時(shí)已經(jīng)超過了門延遲，要求微處理器的設(shè)計(jì)通過劃分許多規(guī)模更小、局部性更好的基本單元結(jié)構(gòu)來進(jìn)行。相比之下，由于CMP結(jié)構(gòu)已經(jīng)被劃分成多個(gè)處理器核來設(shè)計(jì)，每個(gè)核都比較簡單，有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此更有發(fā)展前途。目前，IBM 的Power 4芯片和Sun的 MAJC5200芯片都采用了CMP結(jié)構(gòu)。多核處理器可以在處理器內(nèi)部共享緩存，提高緩存利用率，同時(shí)簡化多處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。 2005年下半年，Intel和AMD的新型處理器也將融入CMP結(jié)構(gòu)。新安騰處理器開發(fā)代碼為Montecito，采用雙核心設(shè)計(jì)，擁有最少18MB片內(nèi)緩存，采取90nm工藝制造，它的設(shè)計(jì)絕對稱得上是對當(dāng)今芯片業(yè)的挑戰(zhàn)。它的每個(gè)單獨(dú)的核心都擁有獨(dú)立的L1，L2和L3 cache，包含大約10億支晶體管。
7、SMP
SMP（Symmetric Multi-Processing），對稱多處理結(jié)構(gòu)的簡稱，是指在一個(gè)計(jì)算機(jī)上匯集了一組處理器(多CPU),各CPU之間共享內(nèi)存子系統(tǒng)以及總線結(jié)構(gòu)。在這種技術(shù)的支持下，一個(gè)服務(wù)器系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)處理器，并共享內(nèi)存和其他的主機(jī)資源。像雙至強(qiáng)，也就是我們所說的二路，這是在對稱處理器系統(tǒng)中最常見的一種（至強(qiáng)MP可以支持到四路，AMD Opteron可以支持1-8路）。也有少數(shù)是16路的。但是一般來講，SMP結(jié)構(gòu)的機(jī)器可擴(kuò)展性較差，很難做到100個(gè)以上多處理器，常規(guī)的一般是8個(gè)到16個(gè)，不過這對于多數(shù)的用戶來說已經(jīng)夠用了。在高性能服務(wù)器和工作站級(jí)主板架構(gòu)中最為常見，像UNIX服務(wù)器可支持最多256個(gè)CPU的系統(tǒng)。 構(gòu)建一套SMP系統(tǒng)的必要條件是：支持SMP的硬件包括主板和CPU；支持SMP的系統(tǒng)平臺(tái)，再就是支持SMP的應(yīng)用軟件。 為了能夠使得SMP系統(tǒng)發(fā)揮高效的性能，操作系統(tǒng)必須支持SMP系統(tǒng)，如WINNT、LINUX、以及UNIX等等32位操作系統(tǒng)。即能夠進(jìn)行多任務(wù)和多線程處理。多任務(wù)是指操作系統(tǒng)能夠在同一時(shí)間讓不同的CPU完成不同的任務(wù)；多線程是指操作系統(tǒng)能夠使得不同的CPU并行的完成同一個(gè)任務(wù)。 要組建SMP系統(tǒng)，對所選的CPU有很高的要求，首先、CPU內(nèi)部必須內(nèi)置APIC（Advanced Programmable Interrupt Controllers）單元。Intel 多處理規(guī)范的核心就是高級(jí)可編程中斷控制器（Advanced Programmable Interrupt Controllers--APICs）的使用；再次，相同的產(chǎn)品型號(hào)，同樣類型的CPU核心，完全相同的運(yùn)行頻率；最后，盡可能保持相同的產(chǎn)品序列編號(hào)，因?yàn)閮蓚€(gè)生產(chǎn)批次的CPU作為雙處理器運(yùn)行的時(shí)候，有可能會(huì)發(fā)生一顆CPU負(fù)擔(dān)過高，而另一顆負(fù)擔(dān)很少的情況，無法發(fā)揮最大性能，更糟糕的是可能導(dǎo)致死機(jī)。
8、NUMA技術(shù)
NUMA即非一致訪問分布共享存儲(chǔ)技術(shù)，它是由若干通過高速專用網(wǎng)絡(luò)連接起來的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的系統(tǒng)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以是單個(gè)的CPU或是SMP系統(tǒng)。在NUMA中，Cache 的一致性有多種解決方案，需要操作系統(tǒng)和特殊軟件的支持。圖2中是Sequent公司NUMA系統(tǒng)的例子。這里有3個(gè)SMP模塊用高速專用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)起來，組成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有12個(gè)CPU。像Sequent的系統(tǒng)最多可以達(dá)到64個(gè)CPU甚至256個(gè)CPU。顯然，這是在SMP的基礎(chǔ)上，再用NUMA的技術(shù)加以擴(kuò)展，是這兩種技術(shù)的結(jié)合。
9、亂序執(zhí)行技術(shù)
亂序執(zhí)行（out-of-orderexecution），是指CPU允許將多條指令不按程序規(guī)定的順序分開發(fā)送給各相應(yīng)電路單元處理的技術(shù)。這樣將根據(jù)個(gè)電路單元的狀態(tài)和各指令能否提前執(zhí)行的具體情況分析后，將能提前執(zhí)行的指令立即發(fā)送給相應(yīng)電路單元執(zhí)行，在這期間不按規(guī)定順序執(zhí)行指令，然后由重新排列單元將各執(zhí)行單元結(jié)果按指令順序重新排列。采用亂序執(zhí)行技術(shù)的目的是為了使CPU內(nèi)部電路滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)并相應(yīng)提高了CPU的運(yùn)行程序的速度。分枝技術(shù)：（branch）指令進(jìn)行運(yùn)算時(shí)需要等待結(jié)果，一般無條件分枝只需要按指令順序執(zhí)行，而條件分枝必須根據(jù)處理后的結(jié)果，再?zèng)Q定是否按原先順序進(jìn)行。
10、CPU內(nèi)部的內(nèi)存控制器
許多應(yīng)用程序擁有更為復(fù)雜的讀取模式（幾乎是隨機(jī)地，特別是當(dāng)cache hit不可預(yù)測的時(shí)候），并且沒有有效地利用帶寬。典型的這類應(yīng)用程序就是業(yè)務(wù)處理軟件，即使擁有如亂序執(zhí)行（out of order execution）這樣的CPU特性，也會(huì)受內(nèi)存延遲的限制。這樣CPU必須得等到運(yùn)算所需數(shù)據(jù)被除數(shù)裝載完成才能執(zhí)行指令（無論這些數(shù)據(jù)來自CPU cache還是主內(nèi)存系統(tǒng)）。當(dāng)前低段系統(tǒng)的內(nèi)存延遲大約是120－150ns，而CPU速度則達(dá)到了3GHz以上，一次單獨(dú)的內(nèi)存請求可能會(huì)浪費(fèi)200－300次CPU循環(huán)。即使在緩存命中率（cache hit rate）達(dá)到99％的情況下，CPU也可能會(huì)花50％的時(shí)間來等待內(nèi)存請求的結(jié)束－ 比如因?yàn)閮?nèi)存延遲的緣故。 你可以看到Opteron整合的內(nèi)存控制器，它的延遲，與芯片組支持雙通道DDR內(nèi)存控制器的延遲相比來說，是要低很多的。英特爾也按照計(jì)劃的那樣在處理器內(nèi)部整合內(nèi)存控制器，這樣導(dǎo)致北橋芯片將變得不那么重要。但改變了處理器訪問主存的方式，有助于提高帶寬、降低內(nèi)存延時(shí)和提升處理器性能。
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