高性能微處理器資料

1、第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器高性能微處理器第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器12.1.2 80286的寄存器 80286的寄存器組與8086基本相同。同樣有8個16位數(shù)據(jù)寄存器AX，BX，CX，DX，SP，BP，SI，DI。80286的4個段寄存器CS，DS，ES，SS各包括16位段選擇器和與之相對應(yīng)的48位段高速緩沖器（8位存取權(quán)域、24位基地址域和16位界限域），共64位，用于邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。 80286的標(biāo)志寄存器增設(shè)了兩個標(biāo)志位段寄存器字段。其中，IOPL字段為特權(quán)標(biāo)志，用來定義當(dāng)前任務(wù)的特權(quán)層，即優(yōu)先權(quán)（有03四級）；NT位為任務(wù)嵌套標(biāo)志，NT

2、1，表示當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)嵌套于另一任務(wù)中，否則NT0。 80286新設(shè)了16位的機器狀態(tài)字（MSW），只使用其中的低4位。 80286還增設(shè)了4個系統(tǒng)表寄存器：全局描述符表寄存器GDTR、局部描述符表寄存器LDTR、中斷描述符表寄存器IDTR、任務(wù)狀態(tài)表寄存器TR。這4個系統(tǒng)表寄存器只在保護方式下使用。 80286的保護方式在存儲器中設(shè)置了三種類型的描述符表：全局描述符表（GDT，Global Descriptor Table）、局部描述符表（LDT，Local Descriptor Table）和中斷描述符表（IDT，Interrupt Descriptor Table）。 與8086比較，8

3、0286芯片引腳功能最大的差別是不采用地址、數(shù)據(jù)線復(fù)用方式，因此有68條引腳，封裝成四面都有引腳的正方形管殼方式。第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器12.1.3 80286的存儲器組織80286是在芯片內(nèi)部最早實現(xiàn)存儲管理和保護的微處理器。80286有實地址管理方式和保護虛擬地址管理方式。保護虛擬地址管理方式可對多任務(wù)操作提供可靠的支持。80286在加電或復(fù)位時自動進入實地址方式。可以通過使用指令LMSW和SMSW置機器狀態(tài)字MSW中的PE位，使CPU進行實地址方式（PE0）和保護虛擬地址方式（PE1）的切換。第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器第第1212章章 高性能微

4、處理器高性能微處理器第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器新增尋址寄存器新增尋址寄存器第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器保護模式下的存儲器尋址保護模式下的存儲器尋址第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器段描述符段描述符第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器實例實例第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器12.2 80386微處理器 如果說，微處理器從8位到16位主要是總線的加寬，那么，從16位到32位，則是從體系結(jié)構(gòu)設(shè)計上的概念性的革新。32位微處理器的問世是微

5、處理器發(fā)展史的又一里程碑。32微處理器普遍采用流水線技術(shù)、指令重疊技術(shù)、虛擬存儲技術(shù)、片內(nèi)存儲管理技術(shù)、存儲器分段、分頁保護技術(shù)。這些技術(shù)的應(yīng)用，使32位微機可以更有效地處理數(shù)據(jù)、文字、圖像、圖形、語音等各種信息，為實現(xiàn)多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)提供了有力的支持。第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器12.2.1 80386的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 80386采用流水工作方式，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)按功能劃分由六大部件組成：總線接口部件(BIU)、指令預(yù)取部件(IPU)、指令譯碼部件(IDU)、指令執(zhí)行部件(EU)、分段部件(SU)和分頁部件(PU)。第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器寄存器結(jié)構(gòu)寄存器結(jié)

6、構(gòu)第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器12.2.3 80386的工作方式 80386有高性能的存儲管理部件MMU，有力地支持了三種工作方式：實地址方式、虛擬地址方式和虛擬8086方式。 (1)實地址方式：80386在加電或復(fù)位初始化時進入實地址方式，這是一種為建立保護方式作準(zhǔn)備的方式。它與8086，80286相同，由16位段選擇字左移4位與16位偏移地址相加，得到20位物理地址，可尋址1MB存儲空間。這時，段的基地址是在4GB物理存儲空間的第一個1MB內(nèi)。 (2)保護虛擬地址方式。80386的保護虛地址方式是其最常用的方式，一般開機或復(fù)位后，先進入實地址方式完成初始化，然后立即轉(zhuǎn)入保

7、護虛地址方式，也只有在保護虛地址方式下，80386才能充分發(fā)揮其強大的功能。 (3)虛擬8086（V86）方式。虛擬8086方式又稱為V86方式。80386把標(biāo)志寄存器中的VM標(biāo)志位置“1”，即進入V86方式，執(zhí)行一個8086程序，把VM復(fù)位，即退出V86方式而進入保護方式，執(zhí)行保護方式的80386程序。第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器12.2.4 80386的存儲器管理 80386在保護虛擬地址方式下，采用分段、分頁兩級綜合的存儲管理，用分段管理組織其邏輯地址空間的結(jié)構(gòu)，用分頁管理來管理其物理存儲。80386的分段部件把程序的邏輯地址變換為線性地址，進而由分頁部件變換為物理地址

8、。這種段管理基礎(chǔ)上的分頁管理是80386所支持的最全面、功能最強的一種存儲管理方式。由于微處理器內(nèi)還設(shè)置高速緩沖存儲器（Cache）和其他功能部件，使得這種兩級地址轉(zhuǎn)換的速度很快。第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器(1) 分段管理 80386的分段管理與80286類似。80386的段描述符也為8Byte，段基地址擴大到32位，段限值擴大到1MB，增添了4位語義控制字段。80386的段描述符的格式如圖12.4所示：第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器(2) 分頁管理 80386分頁采用了頁目錄表、頁表兩級頁變換機制，低一級的頁表是頁的映像，由若干頁描述符組成，每一個頁描述符

9、指示一個物理頁面；高一級的頁目錄表是頁表的映像，由若干頁目錄描述符組成，每一個頁目錄描述符指示著不同頁表，由80386的頁目錄基地址寄存器CR3指示頁目錄表在存儲器中的位置。80386的頁表和頁目錄表中最多可分別包含210個頁描述符和頁目錄描述符，每個描述符均由4Byte（32位）組成，其格式也基本相同。第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器80386的存儲器的分頁機構(gòu) 80386的頁面和頁表均起始于存儲空間的4KB界上，因此，頁面地址和頁表地址的低12位為全0。在80386分頁系統(tǒng)中，由CR3給出頁目標(biāo)表的基地址，利用32位線性地址的高10位在頁目錄表的1 024個頁目錄描述符中選定

10、1個，從而獲得對應(yīng)頁表的基地址；利用線性地址的中間10位，在對應(yīng)頁表的1 024個頁描述符中選定1個，得到頁面地址；利用線性地址的最低12位可在指定頁面的4KB中選中一個物理存儲單元，實現(xiàn)了從線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。這種地址轉(zhuǎn)換是標(biāo)準(zhǔn)的二級查表機構(gòu)。第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器(3) 80386的高速緩沖存儲管理 為了加快段內(nèi)地址轉(zhuǎn)換速度，在80386芯片上有高速緩沖存儲器（Cache），可把當(dāng)前段描述符存入Cache中，在以后進行的地址轉(zhuǎn)換中，就不用再訪問描述符表，而只與Cache打交道，這樣就大大地提高了地址轉(zhuǎn)換的速度。第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器12

11、.3 80486微處理器 Intel 80486是Intel公司在1989年推出的新一代32位微處理器，是80386的升級產(chǎn)品。80486相當(dāng)于以80386為核心，除包含在片內(nèi)的8KB高速緩存（Cache ）和相當(dāng)于80387的數(shù)值協(xié)處理器之外，還采用了易于構(gòu)成多處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機制。這是80486結(jié)構(gòu)上的重大變革，從而使它的整體性能有了很大提高。在相同的工作頻率下，其處理速度比80386提高了24倍，實現(xiàn)了高速度化和支持多處理器系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)。第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器12.3.1 80486的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器12.3.2 80486的

12、技術(shù)特點 80486在Intel微處理器的歷史上首次采用了RISC技術(shù)，有效地優(yōu)化了微處理器的性能。80486采用RISC技術(shù)并不意味著與80386等CPU不兼容，實際上指令也并沒有精簡，強調(diào)的只是RISC技術(shù)，目的是使80486達到1個時鐘周期執(zhí)行1條指令。目前80486已超過了這一設(shè)計目標(biāo)，平均1個時鐘周期執(zhí)行12條指令。 80486采用了突發(fā)總線（Burst Bus）同外部RAM進行高速數(shù)據(jù)交換。通常CPU與RAM進行數(shù)據(jù)交換時，取得一個地址，交換一個數(shù)據(jù)，再取得一個地址，又交換一個數(shù)據(jù)。而采用突發(fā)總線后，每取得一個地址，便將這個地址及其后地址中的數(shù)據(jù)一起參與交換，從而大大加快了CPU與

13、RAM之間的數(shù)據(jù)傳輸率。這種技術(shù)尤其適用于圖形顯示和網(wǎng)絡(luò)運用。因為在這兩種情況下，所涉及的地址空間一般都是連續(xù)的。 80486配置了8KB的高速緩沖存儲器Cache。該高速緩存采用4路相連的實現(xiàn)方案，具有較高的命中率（約為92%）。 80486片內(nèi)設(shè)置了一個數(shù)值協(xié)處理器，這就使得80486不再需要片外數(shù)值處理器80387的支持，而直接有浮點數(shù)據(jù)處理能力，從而縮短了CPU與數(shù)值協(xié)處理器之間的通信時間，提高了浮點處理能力。 Intel 80486有多種產(chǎn)品，包括486SX，486DX，486DX2和Over Drive升級芯片等。第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器12.4 Pentiu

14、m處理器 1993年3月。Intel公司推出了新一代名為Pentium的微處理器（P5）。它擁有32位寄存器、64位數(shù)據(jù)總線和32位地址線、高性能浮點處理部件和多媒體處理MMX部件。采用0.80微米制造工藝，支持60和66MHz前端總線速度（FSB），安全工作電壓為5V。Pentium處理器采用了全新的設(shè)計，與80486相比內(nèi)部結(jié)構(gòu)也作了很大改進，但是依然保持了和80X86系列的二進制兼容性，在相同的工作模式上可以執(zhí)行所有的80X86程序。片內(nèi)存儲管理單元（MMU）也與386和486兼容，可以在實地址模式引導(dǎo)下轉(zhuǎn)入保護模式和虛擬86模式，其指令集包括了80486的所有指令，并增加了新的指令。

15、第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器 其下一代產(chǎn)品是一年后推出的P54，它支持3.3V的內(nèi)核電壓，使用了0.50微米甚至是0.35微米的制造工藝，處理器的時鐘頻率達到了75200MHz，總線頻率5066MHz。P5帶有16KB的一級緩存。要特別提到的是，這次英特爾首次運用了兩個獨立的一級高速緩存：8KB用于數(shù)據(jù)，另8KB用于指令；采用Socket5和IA32架構(gòu)。英特爾下一個最重要的轉(zhuǎn)變就是P55處理器的推出，這是第一款采用增加了57條MMX指令集（主要用于多媒體和網(wǎng)絡(luò)通信）的CPU。隨著CPU的制造工藝?yán)^續(xù)發(fā)展，處理器已轉(zhuǎn)向到0.35微米制造工藝上，運行電壓變成2.8V，這就要求主

16、板進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)上的改變以支持此新的CPU電壓，也就是說要對主板增加一個電壓調(diào)整器。新的CPU的一級緩存也增加到了以前的兩倍，達到32KB。 Pentium MMX處理器在Socket7的架構(gòu)下工作于166233MHz的時鐘頻率，它的總線頻率為66MHz第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器12.4.1 Pentium處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器12.4.2 Pentium 處理器的技術(shù)特點（1）Pentium的片內(nèi)高速緩存采用了分離式結(jié)構(gòu) （2）Pentium采用RISC技術(shù) （3）Pentium具有高性能的浮點運算部件 （4）具有分支指令預(yù)測功能

17、（5）數(shù)據(jù)總線位寬增加 （6）常用指令固化 （7）系統(tǒng)管理模式(SMM)第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器12.4.3 Pentium處理器的發(fā)展1. 1. Pentium ProPentium Pro Pentium Pro是第一個屬于第六代CPU的產(chǎn)品。從第六代微處理器開始，具有36條地址線，可尋址64G的地址空間。 Pentium Pro具有16KB的一級緩存,時鐘頻率為150200MHz,其系統(tǒng)總線為60或66MHz,采用的是socket8結(jié)構(gòu)。2. 2. Pentium II Pentium II Pentium II的核心其實就是Pentium PRO+MMX。 3.

18、Pentium III 3. Pentium III Pentium III仍是32位Intel結(jié)構(gòu)（IA-32）CPU， 它最重要的技術(shù)特點在于采用了KNI（MMX2）構(gòu)架并添加了70條新指令 第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器4. 4. Pentium 4Pentium 4 Pentium 4處理器是Intel公司全新推出的IA-32結(jié)構(gòu)處理器，而采用了和以往不同的全新Net Burst構(gòu)架。 5. 5. Celeron (Celeron (賽揚賽揚) ) Intel的賽揚系列是Intel面向低端市場的產(chǎn)品，其實就是Pentium II的簡化版，唯一的差別在于減少了集成的L2 Cache 6. Xeon 6. Xeon （至強）至強） 該處理器專為滿足中高檔服務(wù)器和工作站而設(shè)計的。第第1212章章 高性能微處理器高性能微處理器摩爾定律 自從1965年起，Intel公司的創(chuàng)辦人之一戈登摩爾提出的摩爾定律（即CPU以18個月為一個更新?lián)Q代周期），已經(jīng)一次又一次地被證實。自從第一個處理器問世以來，Intel 公司已經(jīng)連續(xù)發(fā)明制造了10代規(guī)模化生產(chǎn)的微處理器芯片，這一系列的產(chǎn)品由8080芯片開始，經(jīng)過8086，80286，80386，80486，Pentium（奔騰），Pentium MMX（多能奔騰）