ＡⅣⅢＳｌｅ代号为
Ｊａｖａ技术的领先水平，使Ｕｌｔｍ ＳＰＡＲＣ芯片成为Ｊａ—
ｖａ应用的首选平台。
址访问的缺省状态为６４位，可兼容３２位；数据访
根据发展规划，ｓｕｎ的６４位微处理器ｕｌｔｍ ＳＰＡＲＣ有三个满足特定需求的系列产品，即：可扩 展ｓ系列，用于高性能、易扩展的多处理器系统；集 成型ｉ系列，用于将多种系统功能集成到一起，为 单处理器系统提供更高效益；嵌入式ｅ系列，用于 网络接口、电缆调制解调器等嵌入式应用系统。
收稿日期：２０００—ｌＯ一２０ 作者简介：马卓杰（１９５６一），女，北京人，信息工程大学高级工程师，主要研究方向为计算机体系结构和计算机操作系统。
万 方数据
７０
信息工程大学学报
２０００年
１．１ＧＨＺ，含１．５ＭＢ的片内二级缓存，其内部有两个 完整的ＣＰＵ，都使用最先进的超标量超流水线结 构，可同时分别执行各自的线程，是最强的一款６４ 位微处理器。
指令高速缓存妇ｋ
转移历史表
标志Ｉ
数
据
４关于Ａｌｐｈａ
２１０６４
Ｉ
浮点部件Ｆｂｏ‘ 乘法器， 加法器 控制部件Ｉｂ％ 预取器 资源冲突分辨 程序计数器计算 措令转换缓冲稍
Ｔ
外
整数舒件隐
＋
部 总 线 接
口
Ａ１ｐｈａ ２１０６４处理器是第一个实现Ａｌｐｈａ结构 的芯片产品，其主要技术指标如下：
工艺技术 时钟频率 晶体管数量 芯片尺寸 封装 芯片引脚数 信号引脚数 功耗 电源 数据总线 地址总线 发送速度 整数操作和存储器访问 流水线 浮点操作流水线 片上数据高速缓存 １０级 ８ＫＢ，物理直接映象，通写，３２Ｂ块， ３２Ｂ填充 片上指令高速缓存 ８ＫＢ，物理直接映象，３２Ｂ块，３２Ｂ填 充，６４个地址编号 片上数据转换缓冲 ３２条目，全相关，８ＫＢ、“ＫＢ、 ２５６ＫＢ、４ＭＢ页面 片上指令转换缓冲 片上写数据缓冲 虚拟地址空间 物理地址空间 页面尺寸 共１２条目，其中：８条目全相关， ８ＫＢ页面；４条目全相关，４ＭＢ页面 ４个３２字节项 ６４位检测，４３位执行 ３２位执行
Ｐ嗍
ＩＢＭ公司在过去的若干年中，始终保持对高端 服务器产品的主导、支配地位。目前，主力处理器 芯片Ｐｏｗｅｒ３可同时执行八条浮点指令，２００ＭＨｚ的 产品其ＳＰＥＣｉｎ西｝５和ＳＰＥＣｆｂ９５指标分别为１４．４和 ３０．１，浮点性能达到ｈｌｔｅｌ ＰⅢ６００的两倍。现在， Ｐｏｗｅｒ３芯片主要用于ＩＢＭ的ＲＳ／６０００系列产品中。 已公布的ＩＢＭ新款６４位处理器Ｐ０ｗｅｌ４，采用 ０．１８微米工艺，晶体管数为１．７亿个，主频
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运算部件和浮点运算部件各自的流水线均可在每 个时钟周期内执行多条指令。Ａｌｐｈａ采用ＲＩＳＣ结 构，所有指令均为固定的３２位，仅有几种规格化的 指令格式，简单的指令简化了硬件逻辑部件且缩短 了译码时问，并且，使系统很容易实现每个周期发 送多条指令，提高了执行速度和可靠性。朋ｐｈａ设 计了较大的片内指令高速缓存和数据高速缓存，提 高指令和数据的传输速率，配合减少频繁访问主存 的装入／存储指令，使数据在寄存器中快速处理，从 而提高效率。Ａｌｐｈａ具有６４位虚拟地址空间，还为 指令和数据提供方便有效的共享，提供独立的读写 访问保护，提供多处理器共享存储器的方法。Ａ１． ｐｈａ创造性地采用了ＰＡＬ ｃｏｄｅ方式，避免局限于任 何特定的操作系统或编程语言。ＰＡＬ ｃｏｄｅ用标准 的机器代码编写，为地址转换、中断和异常处理及 存储管理等提供操作系统原语。不同版本的ＰＡＬ ｃｏｄｅ，可使Ａｌｐｈａ实现运行不同的操作系统和其它 应用。ＰＡＬ ｅｏｄｅ是灿ｐｈａ设计者的独创，使舢ｐｈａ 成为适用于各种操作系统的一种体系结构。
Ｓ岫Ｓ】Ｍ皿Ｃ
Ｓｕｎ公司在１９９５年推出的６４位微处理器 Ｕ１ｔｍ ＳＰＡＲＣＩ，采用０．５微米工艺，主频１４０ＭＨｚ，集 成了５２０万个晶体管。两年后，Ｓｕｎ推出的第二代 ６４位微处理器Ｕｌｔｍ ＳＰＡＲＣⅡ超越了微处理器设 计标准，采用Ｏ．２５微米工艺，晶体管数达６００万 个，主频３００ＭＨＺ，数据带宽高达１．６ＧＢ／Ｓ。它采用 的指令集可加速多媒体、图像处理和网络等应用， 在高性能通信处理器、高档工作站和服务器产品
整数部件（Ｅｂｏｘ）：含有６４位流水线化的整数 执行数据通路。 浮点运算部件（Ｆｂｏｘ）：支持完全流水线化的浮 点数据类型的处理，执行Ｄ研ｔａｌ和ⅢＥＥ的浮点指 令。 指令高速缓存（Ｉｃａｃｈｅ）：具有８ＫＢ容量，是３２
字节块的直接映象高速缓存。
数据高速缓存（Ｄｃａｃｈｅ）：具有８ＫＢ容量，是采 用通写和直接映象方式的读分配物理高速缓存，由 ３２字节块构成，该缓存与存储器内容保持一致。
性，可用于高达１０００个处理器协同工作的系统中。 与其它产品相比，Ｕｌｔｍ ＳＰＡＲＣ在可扩展性、带宽、
二进制兼容性等方面有明显的优势。ＳｕＩｌ利用在
Ｓｌｅｄ黛ｅｈ舢ｅｒ（大锤）的Ｋ８。它采用ｘ８６．６４体系，地
问以８位和３２位为主，也兼容１６位和６４位。这 款芯片可以运行为３２位和６４位处理器设计的各
别达到１７．３和２７．５。
ｍｐｈａ的设计目标是：高性能、长寿命和运行多 种操作系统。 Ａ１ｐｈａ的设计寿命为２５年，采取了多种措施使 其性能一直保持优势。在整个生命周期内，根据应 用需要，可将性能提高１０００倍。Ａｌｐｈａ各代产品， 不仅在性能指标方面始终保持业界领先地位，而且 在采用新的制造工艺、提高主频、增加总线带宽、支 持多发送、多线程、多处理机等方面，不断取得新的
突破性进展。
１９９８年，ＭＩＰｓ脱离了ＳＧＩ，同时，Ｍ鹏调整了 发展战略，重点转移到嵌入式系统。１９９９年，Ｍ脐 发布了Ｍ鸸６４架构标准，研制了高性能６４位处 理器内核ＭＩＰＳ ６４ ５Ｋｃ，２０００年，又发布了Ｍ鹏６４
２０Ｋｃ处理器内核。
２．５ ＨＰ ＰＡ
耶公司在１９９６年公布了它的６４位超标量处
２．７
１９９９年６月，ｓｕｎ又推出了第三代产品Ｕｌｔｍ ＳＰＡＲＣⅢ，其带宽高达２．４ＧＢ／Ｓ，配有８ＭＢ的二级 缓存，增加了执行单元数量，全面提高了系统性能。 它采用０．１８微米工艺，集成了１６００万个晶体管，
首款主频为６００ＭＨｚ，ＳＰＥＣｉｎｔ９５和ＳＰＥＣｆｂ９５指标分 别达到３０和６０。该芯片出众的存储带宽和可扩展
控制部件（酝）：负责取指令、指令译码并检
查指令所用资源，负责给Ｅｂｏｘ、Ｆｂｏｘ、Ａｂｏｘ发送指 令，还控制流水线的启动、中止等操作。 装入／存储和地址部件（Ａｂｏｘ）：负责整数及浮 点尾数的装入或存储，完成地址运算和地址转换， 并控制高速缓存。除图１中框内主要部件外，还包
括外部总线接口部件（ＢＩＵ）。
中，均能提供较高的性能。
Ｉｎｔｅｌ公司以它的８０Ｘ８６系列微处理器芯片遍 布世界各个角落而闻名于世，但其６４位微处理器 至今还未投入市场。ＩｔａＩｌｉｕｍ是１１１ｔｅｌ研制的第一款 ６４位微处理器，它采用队一６４架构，有４个整数运
算单元，４个Ｍ似或浮点运算单元，１ＭＢ片内二级
缓存，浮点运算能力达６ＧＦｌｏｐｓ。它的指令系统综 合了ＲＩＳＣ和超长指令字各自的优势，利用增强并 行处理技术，在ＣＰＵ中同时并行处理多条指令，１１１． ｔｅｌ将其称为ＥＰＩＣ。它的标准指令束长１２８位，包 括５位模式代码和三条各４ｌ位的指令。１２８位信 息同时装入指令部件，同时译码，若这三条指令不 相关，则同时在三个不同的执行单元执行，最大限 度地并行执行，以提高速度。
１９９２年３月正式推出的灿ｐｈａ处理器，是Ｄｉｇｉ— ｔａｌ公司面向２１世纪的６４位处理器，所以，其系列 产品型号为２１ｘ６４，高两位的“２１”表示２１世纪，低
两位的“６４”表示６４位，中间的“ｘ”表示第几代产 品。
１９９７年推出的Ｒ１２０００专为浮点而设计，主频 ３００ＭＨｚ的Ｒ１２０００，ＳＰＥＣｉｎｔ９５和ＳＰＥＣｆｐ９５指标分
处理器。
Ｃ唧ａｑ看到当前瓶颈在于内存的带宽问题，
所以第四代Ａ１ｐｈａ产品将１．５ＭＢ的二级缓存整合 进ＣＰＵ，并使用带宽为６ＧＢ／Ｓ的８００ＭＨｚ的ＲＡＭ ｂｕｓ内存。为加强对ＳＭＰ系统的支持，将网状接口 从主板移人ＣＰｕ中，使ＣＰＵ到ＣＰＵ的访问带宽增
加到１０ＧＢ／Ｓ。２０００年推出的伽ｐｈａ ２１３６４，采用
第１卷第４期 ２０００年ｉ２月
信息工程大学学报
ＪｏｕＨｌａｌ
ｏｆ础煳ｔｉ锄Ｅ姆ｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ）ｒ
Ｖ０１．１ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２０００
高性能６４位微处理器
马卓杰，陈新玉
（信息工程大学信息安全学院，河南郑州４５０００２）
摘要：本文介绍了目前国际上已投入使用的和正在研制的６４位微处理器，分析了各自的性能 特点，着重对灿ｐｈａ处理器的设计思想、体系结构及实现技术进行了研究和分析，论述了６４位 微处理器对计算技术、多媒体处理及Ｉｎｔｅｍｅｔ服务的影响和作用。 关键词：６４位微处理器；Ａｌｐｈａ处理器 中图分类号：哪６８．１ 文献标识码：Ａ 分别为１８和２７，浮点运算速度达到１．２Ｇｎｏｐｓ，成 为当时世界上浮点运算速度最快的６４位芯片。 １９９８年１月推出的第三代产品灿ｐｈａ １９９２年３月，世界闻名的Ｄｉｇｉｔａｌ公司推出了世 界上第一个６４位ＣＰＵ芯片。震惊业界的ｍｐｌｌａ ２１０６４，是历时五年、投资十几亿美元研究出的高速 度、高性能而又极富创造性的６４位ＲＩＳＣ结构的超 级微处理器。在其之后，ＩＢＭ、ＨＰ、ＳＧＩ、Ｓｕｎ、ｈｌｔｅｌ等 厂商先后研究和推出了自己的６４位微处理器。从 而标志着计算技术将全面进入６４位时代，为运行 在线事务处理、分布式数据库访问及高档次的ＩＩｌ— ｔｅｍｅｔ服务等各方面应用，提供了根本性保障。
１２０。Ｃ伽嗍预计２００１年推出第五代产品Ａ１ｐｈａ
２１４６４，到２００５年，Ａｌｐｈａ芯片将升级到第六代，其 性能指标、系统设计技术都将有巨大的提高。 ２．２ⅢＭ
２．１（枷阳ｑ Ｄ蝤ｔａｌ舢ｐ蛔
Ａｌｐｈａ处理器是由Ｄｉｇｉｔａｌ公司设计制造的，它 的第一代产品Ａｌｐｈａ ２１０６４成为当时处理速度最快 的微处理器，被列入１９９２年的《吉尼斯世界记录》。 该芯片采用０．７５微米ＣＭＯＳ一４工艺，主频２００ＭＨｚ， 晶体管数为１６８万个。Ｃｏｍｐａｑ并购Ｄｉ西ｔａｌ之后， Ａｌｐｈａ处理器继续得到发展，并被作为高端应用的 战略平台。 １９９４年公布的第二代产品灿ｐｌｌａ ２１１６４，性能 大大提高，采用０．５微米工艺，主频为６００ＭＨｚ，晶 体管数达到９３０万个，ＳＰＥＣｉｎ圆５和ＳＰＥＣ丘）９５指标