微型计算机系统

1.1.2　微型计算机系统

微型计算机（简称PC机）是计算机的一种。PC机是指以Intel 处理器（如80X86、Pentium等）或Intel兼容处理器为CPU的计算机系列，Intel处理器在硬件结构、指令系统方面向上兼容，并在机器码和汇编语言一级也向上兼容，从而在MS-DOS支持下的大量的应用软件在升级的计算机系统上仍然可以直接运行。自80386处理器后，处理器的功能有了质的飞跃：能寻址4GB的物理存储器；具有4个特权级和多任务切换机制；片内存储器管理单元（MMU）等。

当代微机采用大规模集成电路，在结构上完全标准化，如图1.3所示。

CPU将操作命令发送给芯片组，芯片组转换为控制总线、外设等一系列命令，实现整个微机的协调工作。芯片组是与CPU配套的器件，可分为南桥芯片和北桥芯片，其中北桥芯片主要负责存储器控制、AGP显示控制等高速设备；南桥主要负责总线控制、I/O设备（如网卡、声卡、EIDE等）控制。

图1.3　现代微机结构框图

1．微处理器

微型计算机的中央处理器（CPU）习惯上称为微处理器（Microprocessor），是微型计算机的核心，由运算器和控制器两部分组成：运算器（也称执行单元）是微机的运算部件；控制器是微机的指挥控制中心。

在微型计算机中，CPU是整个微机的核心，它的性能主要取决于数据处理、传输宽度和时钟频率。

（1）Pentium CPU

Pentium 采用了与80X86处理器完全不同的结构，Pentium有32位地址总线、64位数据总线，两条流水线（U、V流水线），两个8KB的Cache（8KB代码Cache和8KB数据Cache）。Pentium的体系结构如图1.4所示。

图1.4　Pentium的体系结构

Pentium处理器集成了310万个晶体管，它大大增强了80486处理器的功能，在体系上有4个大的突破：

①采用了超标量流水线：Pentium有U和V两条指令流水线，每条流水线都有ALU（算术逻辑单元）、地址生成单元、Cache接口，同时可以执行两条整型指令；

②独立的数据Cache和指令Cache：Pentium有两个8KB的Cache，一个作为数据Cache，另一个作为指令Cache，每个Cache均通向U和V流水线；

③新的浮点单元：浮点单元在80486的基础上进行了彻底改进，执行过程分8级流水线，一个时钟周期可完成一个浮点的运算（有时可完成两个浮点运算）；

④分支预测：Pentium的BTB（分支目标缓冲器）动态预测程序分支，保证指令预取不会空置。

Pentium的地址总线为32位，数据总线为64位，内部有U、V两个定点流水线和一个浮点流水线，每一个时钟周期可以同时执行3条指令。在性能上Pentium处理器已经达到了中高档RISC处理器的水平；在技术方面，为充分发挥处理器的性能优势，Pentium系统首先是一个全64位的多总线系统，从CPU到存储器的总线、局部总线等均采用了64位数据传送。

（2）Pentium MMX CPU

Intel公司1996年3月公布了MMX（MultiMedia eXtension）技术，1997年1月推出Pentium MMX处理器。Pentium MMX处理器与80X86在软件上完全兼容，增加了8个浮点运算单元FPU的栈寄存器，扩展了57条专门用于并行处理多媒体和通讯算法中的整体计算指令，在音频、视频播放、图像处理、3D等任务中表现出较高的性能。

MMX技术特点：

①积和运算，用于向量和矩阵计算，即在有限脉冲响应（FIR）、无限脉冲响应（IIR）滤波、傅氏变换和离散余弦变换（DCT）等频率变换时使用的方法。

②饱和运算，对发生溢出时的值作为一定值处理，运算结果超出最大值时按最大值处理，低于最小值时按最小值处理，省略了溢出处理程序，提高了计算机的处理性能。饱和运算特别适合逆DCT中的像素数据处理，能极大地缩短逆DCT的处理时间。

③SIMD（单指令流多数据流）型指令，允许一条指令处理多组数据，提供并行处理机制。2个32位数据、4个16位数据、8个8位数据均可用一条指令处理，有利于实时应用。Pentium MMX运行一般软件时，可比Pentium快10%，运行MMX程序时可快3～6倍。

④Pentium MMX处理器提供32KB内部Cache，使CPU与存储器间的瓶颈有所缓解，使软件的运行速率提高10%～20%。

（3）PentiumⅡ处理器

PentiumⅡ是在Pentium Pro的基础上增加了MMX技术，具有以下特点：

①采用了双重独立总线D.I.B技术，PentiumⅡ可同时使用这两条总线，其中一条总线用于连接L2 Cache，一条用于连接主存储器，这样充分提高了数据传输能力。

②PentiumⅡ使用了S.E.C（单边接触）技术，将512KB的L2 Cache移出CPU内核，用一个塑料盒将CPU与L2 Cache封装在一起，中间使用Cache总线相连。

③PentiumⅡ内核采用双16KB Cache，即16KB数据Cache和16KB代码Cache。

（4）PentiumⅢ处理器

PentiumⅢ采用了与PentiumⅡ相同的SLOT1结构，支持100MHz的系统外频。PentiumⅢ针对K6-2的3D Now!指令，在MMX指令集基础上增加了70条新的SSE指令集，从而大大增强了3D几何运算、动画、影像、音效等功能。PentiumⅢ利用数字信号处理软件解决方案，实现更高效的声音采集和过滤，提高语音引擎的反应速度与准确率，使语音能力成为现实。PentiumⅢ为三维对象、场景的增强显示，可通过更多的多边形数量和更高的帧速，创造逼真的三维形象和对象。

PentiumⅢ处理器采用并行的SIMD（单指令流多数据流）浮点运算框架，特别增加了8个128位寄存器来配合新指令的运算，使其在图像、视频上有突出的表现。

（5）Pentium 4 处理器

2001年8月27日，美国Intel公司在美国圣诺塞（San Jose）市举行的Intel Developer Forum 2001 Fall（IDF）上宣布将开始批量生产工作频率达2GHz和1.9GHz的Pentium 4。

2.0GHz Pentium 4的工艺与原来一样采用0.18μm 技术，与1.8GHz的Pentium 4相比，工作频率的提高使描述整数运算性能的SPEC int_base2000值由598提高到了640，显示浮点运算性能的SPEC fp_base2000值由669提高到了704。

（6）Pentium双核处理器

双核处理器就基于一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心，即是将两个物理处理器核心整合入一个内核中。Intel处理器的双核构架如图1.5所示。

图1.5　Intel双核处理器结构

目前Intel推出的台式机双核心处理器有Pentium D、Pentium EE（Pentium Extreme Edition）和Core Duo三种类型，三者的工作原理有很大不同。

① Pentium D和Pentium EE

Pentium D和Pentium EE分别面向主流市场以及高端市场，其每个核心采用独立式缓存设计，在处理器内部两个核心之间是互相隔绝的，通过处理器外部（主板北桥芯片）的仲裁器负责两个核心之间的任务分配以及缓存数据的同步等协调工作。两个核心共享前端总线，并依靠前端总线在两个核心之间传输缓存同步数据。

② Core Duo

与Pentium D和Pentium EE所采用的基于独立缓存的松散型双核心处理器耦合方案完全不同的是：2006年初发布的Core Duo采用的是基于共享缓存的紧密型双核心处理器耦合方案，其最重要的特征是抛弃了两个核心分别具有独立的二级缓存的方案，改为采用与IBM的多核心处理器类似的两个核心共享二级缓存方案。

Core Duo采用“Smart Cache”共享缓存技术在两个核心之间作协调。在Core Duo处理器内部，两个核心通过SBR（Share Bus Router，共享资源协调器）共享二级缓存资源，当其中一个核心运算完毕将结果存放到二级缓存中以后，另外一个核心就可以通过SBR读取这些数据，不但有效解决了二级缓存资源争夺的问题，与前两种类型相比也不必对缓存资源作频繁的同步化操作，改善了两个核心共享前端总线的效率，减少了不必要的延迟，而且有效避免了两个核心之间的冲突。

图1.6　Intel双核处理器构架

2．芯片组

芯片组（Chipset）是主板的核心组成部分，如果说中央处理器（CPU）是整个电脑系统的心脏，那么芯片组将是整个身体的躯干。在电脑界称设计芯片组的厂家为CoreLogic，Core的中文意义是核心或中心，光从字面的意义就足以看出其重要性。对于主板而言，芯片组几乎决定了这块主板的功能，进而影响到整个电脑系统性能的发挥，芯片组是主板的灵魂。

主板芯片组通常包含南桥芯片和北桥芯片，但有的主板芯片也包含一块或三块芯片。

北桥芯片主要决定主板的规格、对硬件的支持以及系统的性能，它连接着CPU、内存、AGP总线。主板支持什么CPU，支持AGP多少速的显卡，支持何种频率的内存，都是由北桥芯片决定的。

南桥芯片主要决定主板的功能，主板上的各种接口（如串口、USB）、PCI总线（接口和I/O卡）、IDE（接硬盘、光驱）、以及主板上的其他芯片（如集成声卡、集成RAID卡、集成网卡等），都归南桥芯片控制。

南北桥间随时进行数据传递，需要一条通道，这条通道就是南北桥总线。南北桥总线越宽，数据传输越便捷。各厂商的主板芯片组中，南北桥总线都被各自起了名字。