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        哈佛結構與馮·諾伊曼結構區別以及X86體系

        作者:佚名   來源:本站原創   點擊數:  更新時間:2014年08月18日   【字體:

         哈佛結構是一種將程序指令存儲和數據存儲分開的存儲器結構。中央處理器首先到程序指令存儲器中讀取程序指令內容,解碼后得到數據地址,再到相應的數據存儲器中讀取數據,并進行下一步的操作(通常是執行)。程序指令存儲和數據存儲分開,可以使指令和數據有不同的數據寬度,如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位寬度,而數據是8位寬度。

        哈佛結構的微處理器通常具有較高的執行效率。其程序指令和數據指令分開組織和存儲的,執行時可以預先讀取下一條指令。
        目前使用哈佛結構的中央處理器和微控制器有很多,除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片,還有摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安謀公司的ARM9、ARM10和ARM11。
        馮·諾伊曼結構,也稱普林斯頓結構,是一種將程序指令存儲器和數據存儲器合并在一起的存儲器結構。程序指令存儲地址和數據存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置,因此程序指令和數據的寬度相同,如英特爾公司的8086中央處理器的程序指令和數據都是16位寬。
        目前使用馮·諾伊曼結構的中央處理器和微控制器有很多。除了上面提到的英特爾公司的8086,英特爾公司的其他中央處理器、安謀公司的ARM7、MIPS公司的MIPS處理器也采用了馮·諾伊曼結構。
        這里所說的CPU,是指目前廣泛使用的電腦即IBM PC及其兼容機中所使用的CPU,也就是大家平常所說的X86系列CPU。
         
        CPU是“Central Processor Unit”的縮寫,它是電腦中的最關鍵部件,電腦的升級實際上主要就是CPU芯片的升級。
         
          以下我們從業余角度介紹CPU的一般技術結構和接口,主要技術參數及其意義,另外再從應用角度介紹一下當前主流的CPU及其主要技術特性
         
         
          一、X86 CPU的簡歷
         
        1.X86 CPU系列的產生
         
        1978年,美國Intel公司首次生產出16位的微處理器,并命名為i8086,同時還生產出與之相配合的數學協處理器i8087,這兩種芯片使用相互兼容的指令集,但在i8087指令集中增加了一些專門用于對數、指數和三角函數等數學計算指令。
         
          由于這些指令集應用于i8086和i8087,所以人們也稱之為X86指令集。雖然以后Intel又陸續生產出第二代、第三代等更先進和更快的新型CPU,但都仍然兼容原來的X86指令
         
          而且Intel在后續CPU的命名上沿用了原先的X86序列,直到后來因商標注冊問題,才放棄了繼續用阿拉伯數字命名。
         
          其他公司,例如AMD和Cyrix等,在486以前(包括486)的CPU都是按Intel的命名方式為自己的X86系列CPU命名。
        但到了586時代,同樣由于商標注冊問題,無法繼續使用與Intel的X86系列相同或相似的命名,只好另外為自己的586、686兼容CPU命名了。
         
        2.X86系列CPU的發展史
         
        X86系列CPU的發展史實際上是以Intel公司的產品為代表的發展史。
         
          從1978年Intel制造出第一片i8086以來的短短二十年,CPU已經發展到第六代的Pentium Ⅱ,并且64位的第七代芯片也即將推出。X86系列CPU的發展史是從1978年開始的:
         
        ·80861978年6月推出,為第一代CPU(16位),其運算速度<1MIPS(1個MIPS表示每秒鐘運算1百萬次)。
         
        ·80881979年6月推出,8086的簡化型CPU,與8086的區別是:其數據總線寬度內部為16位、外部為8位。
         
        ·802861982年2月推出,為第二代CPU(16位),運算速度1~2MIPS。
         
        ·803861985年10月推出,為第三代CPU(32位),運算速度6~12MIPS。
         
        ·804861989年4月推出,為第四代CPU(32位),運算速度20~40MIPS,首次在486DXCPU內部集成了數學協處理器。
         
        ·Pentium1993年3月推出的第五代CPU(32位),廠家代號:P54C,運算速度在100~200MIPS以上。Intel的第五代CPU推出后,為擺脫AMD等兼容CPU廠家的糾纏而進行了注冊申請,但由于不能用阿拉伯數字申報注冊。
         
          所以Intel將i80586改成了Pentium(Pentium是拉丁文,表示“五”的意思),另外還為Pentium起了中文名字“奔騰”,但我國多數人還是習慣稱之為“586”。
         
        ·Pentium Pro1995年11月推出,為第六代CPU(32位),中文名稱“高能奔騰”。Intel公司第一次采用了雙芯片CPU生產技術,在CPU內部集成了256~512KB的L2 Cache,因此L2 Cache能與CPU內部時鐘同步運行。Pentium Pro主要應用在服務器方面。
         
        ·Pentium MMX1997年1月推出,仍然是第五代CPU(32位),廠家代號:P55C,中文名稱“多能奔騰”。是在原Pentium芯片中增加了處理多媒體數據的MMX指令集改進而成。
         
        ·Pentium Ⅱ1997年5月推出,仍然屬于第六代CPU(32位),中文文稱“奔騰二代”。將Pentium Ⅱ CPU芯片、Tag RAM(L2 Cache的管理和控制芯片)和L2 Cache集成在一塊電路板上,然后封裝在單邊接觸盒(SEC)中并加上冷卻風扇。所以它的外形與以往的CPU大不一樣,是一個扁黑盒子
         
          二、當前主用的CPU和技術特點
         
        1.目前主用的CPU
         
          目前我們使用的CPU主要有Pentium MMX(586)和Pentium Ⅱ(686)及其兼容CPU。
         
        586級CPU主要有Intel公司的Pentium MMX、AMD公司的K6、Cyrix公司的6x86MMX和IDT公司少量的Pentium兼容級CPU產品;686級CPU主要有Intel公司的Pentium Ⅱ和Celeron,AMD公司的K6-2和Cyrix公司的MⅡ。
        2.CPU的實際封裝形式
         
          目前的主流CPU有兩種封裝形式:一種是Socket 7,采用296根針腳的PGA封裝;另一種是Slot 1結構的Pentium Ⅱ系列CPU,采用單邊接觸盒封裝。
         
        ●Socket 7結構 電腦從486開始普遍采用Socket插座來安裝CPU,從Socket 4、Socket 5一直延續到現在的Socket 7。
         
        Socket 7是方形多針腳ZIF(零插拔力)插座,插座上有一根拉桿,在安裝和更換CPU時只要將拉桿向上拉出,就可以輕易地插進或取出CPU芯片了。
         
        Socket 7插座不但可以安裝Intel公司的Pentium、Pentium MMX,還能安裝AMD公司的K5、K6和K6-2,Cyrix公司的6x86、6x86MMX和6x86 MⅡ和IDT公司的Winchip C6也可以安裝。適用范圍非常廣。
         
        ●Slot 1結構 Slot 1是一個242線的插槽,外形與AGP插槽有點相似,實際上,Slot 1是一種電路板插槽。使用Slot 1接口的CPU只有Intel的Pentium Ⅱ系列、Celeron和Celeron 300A/333。
         
        3.CPU的主要技術特征
         
        ●主頻 主頻也叫時鐘頻率,單位是MHz,用來表示CPU的運算速度,主頻越高,表明CPU的運算速度越快,從i80486DX2開始,主頻=外頻×倍頻系數。
         
        ●外頻 外頻是CPU的基準頻率,也叫前端總線頻率和系統總線頻率,單位也是MHz。在Socket架構主板上,外頻頻率與系統內存和L2 Cache總線時鐘頻率相同。CPU的外頻越高,證明CPU與L2 Cache和系統內存交換速度越快,對提高電腦系統的整體運行速度很有利。
         
        ●倍頻系數 即CPU主頻和外頻之間的相對比例關系。例如當某CPU的倍頻系數為3、外頻為100MHz時,CPU的主頻就是300MHz;當將外頻改為112MHz時,則主頻將為336MHz等等,F在Intel生產的CPU基本上全部采用了倍頻系數不能改變的鎖頻技術,因此電腦發燒友對CPU超頻只好從提高外頻的方法進行了。不過AMD和Cyrix等公司的兼容CPU現在都沒有鎖頻。
         
        ●L1 Cache容量 集成在CPU內部的高速緩存,容量通常在32~64KB。
         
        ●生產工藝技術 指在硅材料上生產CPU時內部各元器件間的聯接線寬度,一般用微米(μm)表示,微米數值越小,生產工藝越先進,CPU內部功耗和發熱量就越小。目前生產工藝已經達到0.25微米,正在向0.18微米技術努力。
         
        ●CPU內核和I/O工作電壓 從586CPU開始,CPU的工作電壓分內核電壓和I/O電壓兩種,其中內核電壓根據CPU生產工藝而定,一般微米數值越小,內核工作電壓越低;I/O工作電壓一般都在3V左右,具體數值根據各廠家具體的CPU型號規格確定。
         
        ●接口標準 指CPU安裝在電腦主板上時使用的插座類型,主要有Socket 7和Slot 1。其中Socket 7可以使用Intel的586系列和所有其他廠家生產的與其兼容的CPU;Slot 1由于受專利保護,目前只能使用Intel自己的686系列CPU。
         
        ●CPU附加指令集 附加指令集通常是指為原X86系列CPU增加的多媒體或3D處理指令。目前有Intel的MMX、AMD的3D Now!和Intel下一步的KNL(MMX2)。附加指令可以提高CPU處理多媒體和3D圖形等數據的能力。
         
        ●超頻能力 超頻就是在實際使用時讓CPU工作在高于標稱時鐘頻率上。一般情況下,CPU都能在正常工作電壓下跳高一檔主頻運行,特別是Intel的Pentium Ⅱ系列CPU,在正常供電情況下大多能超頻25%左右運行。
         
          而AMD和Cyrix等兼容CPU最多只能高跳一檔(約17%以內),且在多數情況下需要調節CPU工作電壓和加大散熱器才能讓CPU穩定運行,所以AMD等公司的CPU超頻性能與Intel產品相比要差很多
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