【正文】 對計算機提出了更新、更高的要求。此外，還出現(xiàn)了各種各樣的專用數(shù)字信號處理器 (DSP)，以及用這些專用處理芯片構(gòu)成的插板 (卡 )，如音頻卡、視頻卡、 3D圖形加速卡、網(wǎng)絡卡以及 Modem卡等，以輔助主處理器的功能，降低主處理器的負擔。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 為了加快多媒體信息處理的速度， Intel公司推出了MMX Pentium處理器芯片。由于多媒體信息處理包含有大量的并行算法，因此， MMX技術(shù)提高了計算機在多媒體及通信領域中的應用能力，使計算機的性能達到了一個新的水平。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) MMX技術(shù)具有一套基本的 、 通用的整數(shù)指令 ， 可以比較容易地滿足各種多媒體應用程序和多媒體通信程序的需要 。 MMX技術(shù)在原處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎上，增強了整型數(shù)據(jù)并行操作能力，加入了單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)技術(shù)，允許 1條指令處理多個信息，這種超標量結(jié)構(gòu)的技術(shù)增強了 PC機的多媒體處理功能。 高檔微機新技術(shù)主要有以下 8個方面 。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1) 組合邏輯控制器 在組合邏輯控制器中，取指令、指令譯碼、取操作數(shù)和指令執(zhí)行過程所需的控制信號全由硬件邏輯實現(xiàn)。 2) 微程序控制器 將原來由硬件電路控制的指令操作步驟改用微程序控制 ， 一條指令的完成對應一個微程序的執(zhí)行過程 ， 這就是微程序控制器 。 一段微程序或微指令序列稱為指令解釋器 。 中央處理機中控制器的微程序控制器與組合邏輯實現(xiàn)是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中軟 、 硬件功能分配的典型例子 ， 二者只是功能完成的方式不同 ， 而且是可以互為轉(zhuǎn)變的 。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2. 流水線技術(shù) 將每條指令的執(zhí)行過程分解為若干步，每一步占用各自的部件，讓多條指令的不同步驟在時間上重疊，實現(xiàn)了在同一個節(jié)拍內(nèi)讓各個部件同時工作，這就是并行性中的時間重疊。經(jīng)過 6拍時鐘周期即達到穩(wěn)態(tài)以后，每個節(jié)拍 (1個時鐘周期 )都有 1條指令流出流水線，也即完成 1條指令的執(zhí)行。當流水深度 (流水線級數(shù) )達到 5級或 6級以上就稱為超級流水線。同時，進入并行流水線的兩條指令必須符合指令配對規(guī)則。所謂“寫后讀”相關(guān)，是指后一條指令的源操作數(shù)是前一條指令的目的操作數(shù)；所謂“寫后寫”相關(guān)，是指兩條指令的目的操作數(shù)要寫入同一個寄存器。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 要說明的是，流水線是一段時間內(nèi)多條指令的“并發(fā)”執(zhí)行，是時間上多條指令不同操作的重疊。并行處理則是應用資源重復實現(xiàn)時間上的同時性，是真正的“并行”性。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3. 高性能的浮點運算單元 浮點運算單元采用超流水線技術(shù) ， 分為 8個獨立執(zhí)行部件 (流水深度為 8)， 且使用專門的硬件電路實現(xiàn)浮點加 、 乘 、 除 3種最常用的功能 ， 以提高處理速度 。 兩個分離的 、 獨立的 Cache將指令和數(shù)據(jù)分別進行存儲 (80486則是 8 KB Cache， 將頻繁訪問的數(shù)據(jù)和指令混合存放 )。 為了提高流水速度 ， Pentium采用了動態(tài)轉(zhuǎn)移 (分支 )預測判斷技術(shù) ， 芯片內(nèi)增設了轉(zhuǎn)移目標緩沖器 ， 這相當于又增加了指令 Cache的容量 。 但此時后續(xù)指令也已經(jīng)進入流水線并開始分析或執(zhí)行 。 轉(zhuǎn)移指令的流水執(zhí)行如圖 23所示 。 當轉(zhuǎn)移指令 i進入流水線 ， 后面是順序執(zhí)行指令 (不轉(zhuǎn)移 )i+1進入流水線 ， 還是分支轉(zhuǎn)移至 p及其后續(xù)指令進入流水線 (轉(zhuǎn)移成功 )需待 i指令運行后期條件碼建立后才能決定 。 一般標量機器指令程序中 ， 統(tǒng)計分析 ， 條件轉(zhuǎn)移指令占 20%， 其中轉(zhuǎn)移成功的概率為 60%， 因為斷流將造成流水性能下降 50%。 若兩個分支的概率相近 ， 則宜選轉(zhuǎn)移不成功路徑 。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 若兩個分支的概率不等 ， 則應選概率大的分支 ， 并提前進入指令預取緩沖寄存器 。 若由編譯程序根據(jù)轉(zhuǎn)移的歷史記錄動態(tài)預測未來轉(zhuǎn)移選擇 ， 準確率可達 90%。當一條分支轉(zhuǎn)移指令被取出，分支轉(zhuǎn)移目標緩沖器就要預測是否要進行分支轉(zhuǎn)移。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 6. 具有保護內(nèi)部數(shù)據(jù)安全性的功能 為了保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性 ， Pentium引入了兩項只有大型機才有的先進功能： (1) 內(nèi)部數(shù)據(jù)檢測：指令 Cache、 數(shù)據(jù) Cache引入奇偶校驗或在微指令分支目標緩沖器進行奇偶校驗 。 7. 靈活的存儲器頁面管理 Pentium微處理器保留了 386/486的 4 KB存儲器頁面 ，同時又具有一種新的更大的 4MB存儲器頁面 ， 兩種存儲器頁面不影響應用軟件的運行 ， 但 4MB頁面存儲器管理可以方便大的圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲 。 Pentium pro及以上處理器 Pentium pro及以上的高性能奔騰 ， 也稱為高能奔騰 。 (2) 不僅集成 16 KB的一級 Cache(8 K代碼 Cache， 8 K數(shù)據(jù) Cache)， 還把 256 KB的二級 Cache集成到 CPU的同一塊芯片上 ， 使 CPU速度更高于 Pentium和 80486。 這兩條總線可以獨立工作 (部件一級的并行性 ， 提高速度 )。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (5) 支持亂序執(zhí)行技術(shù) 。諾依曼計算機不同 。諾依曼計算機是控制流驅(qū)動計算機 ， 它的指令是在中央控制器控制下 (控制流 )順序執(zhí)行的 。 數(shù)據(jù)流驅(qū)動計算機只要數(shù)據(jù)準備好即可執(zhí)行指令，而無須受指令順序控制 (亂序執(zhí)行 )，因此更適合并行計算 (函數(shù) )。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ˙Pentium MMX就是將 MMX集成到 Pentium芯片的單指令流多數(shù)據(jù)流 (SIMD)技術(shù) ， 以改善音頻 、 視頻 、圖像處理等多媒體處理性能 。 ˙PentiumⅢ 是在 PⅡ 的基礎上又增加了 70條能增強音頻、視頻和 3D圖形效果多媒體擴展指令的 SIMD計算機。 今天 ， 隨著多媒體技術(shù) 、 計算機網(wǎng)絡技術(shù)和網(wǎng)絡計算機的發(fā)展 ，計算機結(jié)構(gòu)設計需要考慮的是增加多媒體和通信功能的問題 。 多媒體處理器為了增加新的多媒體處理和通信功能，也就是多媒體數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮、數(shù)據(jù)的實時處理和特技、多媒體數(shù)據(jù)的輸出以及多媒體通信等功能，總是希望將傳統(tǒng)的計算機體系結(jié)構(gòu)與多媒體功能融合在一起。 這種融合的方案 ， 一類就是與現(xiàn)有的計算機系列兼容 ，融合多媒體和通信的功能 ， 如 Intel的 Pentium MMX 技術(shù) ，主要用在多媒體計算機系統(tǒng)中；另一類是以多媒體和通信功能為主 ， 融合 CPU芯片的功能 ， 主要用在多媒體專用設備 、家電及寬帶通信設備上 。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1. Intel MMX技術(shù) Intel MMX技術(shù)改善 、 拓展了 CPU體系結(jié)構(gòu)的多媒體處理和通信功能 ， 并集成為 Pentium芯片 MMX CPU。 其主要特性有以下 4種 。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (1) 緊縮字節(jié)組類型： 8個字節(jié)組成的 64位數(shù)據(jù) 。 (3) 緊縮雙字組類型： 2個雙字組成的 64位數(shù)據(jù) 。 這樣 ， MMX就可以在一條指令中同時處理 8個 、 4個或 2個數(shù)據(jù) ， 實現(xiàn)單指令多數(shù)據(jù)流 (SIMD)并行處理 。 這樣避免了溢出處理 ， 加快了運算速度 。 4) 與 Intel體系結(jié)構(gòu)的全兼容性 MMX技術(shù)是原 Intel體系結(jié)構(gòu)的擴展，保證了軟硬件的向下兼容。比較典型的產(chǎn)品有 3種。 2) Philips公司的 Trimedia Trimedia處理器是一個通用性的微處理器，可以大大增強 PC的多媒體功能，取代了 PC上的視頻卡和聲音卡。它與主 CPU結(jié)合 (都在主板上 )，可以完成Windows圖形加速器、 3D圖形協(xié)處理器、 MPEG解壓卡、聲音卡、 FAX/MODEM和電話卡的功能。 內(nèi)存儲器的主要類型有： (1) ROM(Read Only Memory)只讀存儲器：主要存放 BIOS基本輸入 /輸出系統(tǒng) 。 (3) SAM(Sequentially Addressed Memory)順序?qū)ぶ反鎯ζ?。 一個計算機系統(tǒng)的存儲器總是由多種存儲器構(gòu)成存儲體系 ， 如圖 24所示 。在 CPU和主存之間增加一級速度高、容量較小、每位價格較高的高速緩沖存儲器 (Cache)，借助于輔助硬件，使 Cache與主存構(gòu)成一個整體，這對 CPU來說，有接近于 Cache的速度，接近于主存的容量，接近于主存的價格。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2. 存儲管理 高檔微機地址線為 32位，最大地址空間編址可達 4 GB，而實際的物理存儲器只有 32 MB、 64 MB、 128 MB或更多一些，但總是有限的，遠小于最大尋址 (編址 )空間。這就要求相應的程序塊已經(jīng)在 Cache中準備好，這是基于計算機程序的局部性，包括時間局部性和空間局部性。只要從主存 M與 Cache之間的調(diào)度算法使 CPU查找信息塊在 Cache的命中率足夠高，就可以獲得很高的存取速度。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 外存儲器是主存 M的大容量后緩存儲器。調(diào)度算法應盡可能提高主存 M的命中率。 總線可以分為局部總線和擴展總線 。 在計算機系統(tǒng)中 ， 通過內(nèi)部總線和擴展總線的連接作用 ， 使計算機系統(tǒng)中各個部件 ， 如 CPU、 Cache、內(nèi)存 、 外存 、 I/O設備等 ， 協(xié)調(diào)地執(zhí)行 CPU發(fā)出的指令 。 工作過程可分為四個階段 。 (2) 尋址階段：取得總線使用權(quán)的主模塊通過總線對端口或存儲器尋址 ， 啟動從設備 (或模塊 )。 (4) 結(jié)束階段：主從模塊從總線上撤除 ， 讓出總線 。 4) 總線周期與指令周期 、 時鐘周期的關(guān)系 時鐘周期： CPU的主頻 ， 一個周期 T稱為一個 T狀態(tài) 。 例如 ， PC/XT由 T T T T4 四個機器周期或不夠時在 T T4之間插入 TW等待周期 。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2. 高檔 PC系列微機總線的層次結(jié)構(gòu) 以總線實現(xiàn)計算機多模塊之間的互連 ， 既簡單方便 ，成本又低 。 速度相近的模塊使用同一類總線 ， 速度差異較大的模塊則使用不同速度的總線 。其基本工作原理如下述。CPU總線的功能是： (1) 連接 (4～ 128 MB)主存和 256 KB/512 KB的二級Cache； (2) 由主存控制器和 Cache控制器控制它們的數(shù)據(jù)傳送； (3) CPU總線可視作 CPU引腳的延伸 (經(jīng)外圍電路組合 )。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3) ISA總線 (Industry Standard Architecture) ISA總線是工業(yè)標準結(jié)構(gòu)總線 ， PC/AT總線 ， 也稱 AT總線 。 (2) 保留 3～ 4個 ISA總線擴充槽 ， 以連接 16/8位適配卡 。 4) 升級換代 通過 “ 南橋 ” 和 “ 北橋 ” 芯片使 CPU總線 、 PCI總線 、ISA總線連成整體 ， 改變芯片組合就可以升級換代 。 1) ISA(Industry Standard Architecture)總線 ISA總線是工業(yè)標準結(jié)構(gòu)總線 ， 是 IBM公司為 286/AT計算機制定的總線標準 ， 也稱 AT總線 。 第 2章 多媒體計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3) USB(Universal Serial Bus)總線 USB總線是通用串行總線，它是一種四芯的串行通信設備接口，主要作為計算機與外設之間的連接。USB總線可以把鍵盤、鼠標器、打印機、掃描儀、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡 (HUB)等設備按統(tǒng)一的接口方式連接起來，使設備的連接更簡單，如圖 26所示。主機 PC作為根結(jié)點，把與 PC相連的設備分為兩類：一類設備還可以連接其他設備，稱為集線器 HUB，它帶有連接其他外設的端口；另一類設備不再連接其他外圍設備，稱為功能器 Function。 SCSI總線上連接的主機適配器和 SCSI外設控制器總數(shù)不超過 8個 ， 可以連接磁盤 、 磁帶 、 CDROM、 可重寫光盤 、 打印機 、 掃描儀 、 通信設備等 。具體地說，是把 3D圖形芯片與內(nèi)存 /PCI芯片相連接， 3D圖形芯片可以將主存作為幀緩沖器，實現(xiàn)高速存取。 AGP總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 27所示。 多媒體計算機系統(tǒng)中主要有聲卡 、 視頻卡 、圖形加速卡和 FAX/Modem等 。 聲卡可支持 kHz、 kHz、 kHz三種采樣頻率 ， 16位采樣精度和單 、雙聲道 ， 生成 .WAVE格式文件 ， 并對數(shù)字化 .WAVE文件進行壓縮和解壓縮 。 另外 ， 音卡還有 CDROM音頻輸入和 CDROM控制器 ， 可以播放 CD光盤音樂 。 其主要功能是通過攝像機 、 錄像機或電視獲取視頻信號 ， 將其數(shù)字化后以文件形式存儲在計算機內(nèi) ， 且經(jīng)過數(shù) /模轉(zhuǎn)換后能將捕獲的視頻在VGA顯示器上的視