第二章 Pentium微處理器的體系結(jié)構(gòu)

1、馬洪兵馬洪兵62785531(O), 62775255(H)答疑時(shí)間：星期一下午答疑時(shí)間：星期一下午答疑地點(diǎn)：東主樓答疑地點(diǎn)：東主樓9區(qū)區(qū)3142.1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的含義計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的含義2.2 Pentium微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.3 實(shí)模式軟件體系結(jié)構(gòu)實(shí)模式軟件體系結(jié)構(gòu)2.4 保護(hù)模式軟件體系結(jié)構(gòu)保護(hù)模式軟件體系結(jié)構(gòu)2.5 浮點(diǎn)部件軟件體系結(jié)構(gòu)浮點(diǎn)部件軟件體系結(jié)構(gòu)2.1 2.1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的含義計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的含義計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) = computer architecture(計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu))計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是程序員所看到的系統(tǒng)的一些屬性：

2、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是程序員所看到的系統(tǒng)的一些屬性：概念性的結(jié)構(gòu)和功能上的表現(xiàn)，這些屬性既不同于數(shù)概念性的結(jié)構(gòu)和功能上的表現(xiàn)，這些屬性既不同于數(shù)據(jù)流和控制的組織，也不同于邏輯設(shè)計(jì)和物理實(shí)現(xiàn)。據(jù)流和控制的組織，也不同于邏輯設(shè)計(jì)和物理實(shí)現(xiàn)。Amdahl,1964計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是連接硬件和軟件的一門學(xué)科，它研計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是連接硬件和軟件的一門學(xué)科，它研究的內(nèi)容不但涉及計(jì)算機(jī)硬件，也涉及計(jì)算機(jī)軟件。究的內(nèi)容不但涉及計(jì)算機(jī)硬件，也涉及計(jì)算機(jī)軟件。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)組成區(qū)別在于關(guān)心的問題不同：區(qū)別在于關(guān)心的問題不同：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)關(guān)心的是怎樣合理地進(jìn)行軟硬計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)關(guān)心的是怎

3、樣合理地進(jìn)行軟硬件功能分配，為軟件人員提供適用的計(jì)算機(jī)件功能分配，為軟件人員提供適用的計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)組成關(guān)心的是怎樣合理地實(shí)現(xiàn)分配給硬計(jì)算機(jī)組成關(guān)心的是怎樣合理地實(shí)現(xiàn)分配給硬件的功能和指標(biāo)，提高性能價(jià)格比件的功能和指標(biāo)，提高性能價(jià)格比兼容性兼容性針對(duì)系列計(jì)算機(jī)針對(duì)系列計(jì)算機(jī)要求所有機(jī)種間能夠保持向上兼容和向后兼容要求所有機(jī)種間能夠保持向上兼容和向后兼容向上兼容：為某個(gè)檔次機(jī)種編制的軟件能夠不加修向上兼容：為某個(gè)檔次機(jī)種編制的軟件能夠不加修改地運(yùn)行在比它高檔的機(jī)種上改地運(yùn)行在比它高檔的機(jī)種上向后兼容：為某個(gè)時(shí)期生產(chǎn)的機(jī)種編制的軟件能夠向后兼容：為某個(gè)時(shí)期生產(chǎn)的機(jī)種編制的軟件能夠不加修改地運(yùn)行在它之

4、后生產(chǎn)的機(jī)種上不加修改地運(yùn)行在它之后生產(chǎn)的機(jī)種上兼容性兼容性 針對(duì)（軟件）體系結(jié)構(gòu)，非硬件實(shí)現(xiàn)針對(duì)（軟件）體系結(jié)構(gòu)，非硬件實(shí)現(xiàn)Pentium微處理器的運(yùn)行模式：實(shí)模式、保護(hù)模式微處理器的運(yùn)行模式：實(shí)模式、保護(hù)模式2.2 2.2 PentiumPentium微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1. Pentium微處理器的外形和封裝微處理器的外形和封裝1993年開始推出，共生產(chǎn)三代：年開始推出，共生產(chǎn)三代：P5(Pentium 60/66) 0.8 m, 5V電壓電壓P54C(Pentium 75/90/100/120/133/150/166/200), 0.6 m, 3.8V電壓電壓P55C(

5、Pentium MMX 166/200/233), 0.35 m, 2.8V電壓電壓集成度：集成度：310萬晶體管萬晶體管/片片采用采用296引腳的引腳柵格陣列（引腳的引腳柵格陣列（PGA）陶瓷封裝技術(shù)）陶瓷封裝技術(shù)2. Pentium微處理器的功能結(jié)構(gòu)微處理器的功能結(jié)構(gòu) 預(yù)取緩沖存儲(chǔ)器指令譯碼256控制ROM控制部件地址生成(U流水線)地址生成(U流水線)整數(shù)寄存器組ALU(U流水線)ALU(U流水線)筒型移位器8KB數(shù)據(jù)Cache浮點(diǎn)部件控制寄存器組加法器除法器乘法器80808KB代碼Cache分支目標(biāo)緩沖器預(yù)取地址指令指針轉(zhuǎn)移校驗(yàn)和目標(biāo)地址分頁部件323232323232總線部件6464

6、位讀總線64位數(shù)據(jù)總線36位地址總線控制TLBTLB32位地址總線3. 超標(biāo)量與流水線超標(biāo)量與流水線 超標(biāo)量和流水線的概念超標(biāo)量和流水線的概念超標(biāo)量：配置多個(gè)執(zhí)行部件和指令譯碼電路，能同超標(biāo)量：配置多個(gè)執(zhí)行部件和指令譯碼電路，能同時(shí)執(zhí)行多條指令。時(shí)執(zhí)行多條指令。Pentium由三個(gè)執(zhí)行單元組織而成，一個(gè)執(zhí)行浮點(diǎn)指由三個(gè)執(zhí)行單元組織而成，一個(gè)執(zhí)行浮點(diǎn)指令，另兩個(gè)執(zhí)行整型指令（令，另兩個(gè)執(zhí)行整型指令（U流水線和流水線和V流水線），流水線），這意味著這意味著Pentium同時(shí)可以執(zhí)三條指令同時(shí)可以執(zhí)三條指令超標(biāo)量超標(biāo)量流水線：在流水線：在CPU中把一條指令分解成多個(gè)可單獨(dú)處中把一條指令分解成多個(gè)可單

7、獨(dú)處理的操作，使每個(gè)操作在一個(gè)專門的硬件站（理的操作，使每個(gè)操作在一個(gè)專門的硬件站（stage）上執(zhí)行，這樣一條指令需要順序地經(jīng)過流水線中多上執(zhí)行，這樣一條指令需要順序地經(jīng)過流水線中多個(gè)站的處理才能完成，但是前后相連的幾條指令可個(gè)站的處理才能完成，但是前后相連的幾條指令可以依次流入流水線中，在多個(gè)站間重疊執(zhí)行，因此以依次流入流水線中，在多個(gè)站間重疊執(zhí)行，因此可以實(shí)現(xiàn)指令的并行處理?？梢詫?shí)現(xiàn)指令的并行處理。80486的指令分的指令分PF、D1、D2、EX、WB五個(gè)操作步驟五個(gè)操作步驟012345687時(shí)間時(shí)間i1PF D1 D2 EX WBPF D1 D2 EX WBPF D1 D2 EX WB

8、PF D1 D2 EX WBi2i3i4 整數(shù)流水線整數(shù)流水線五個(gè)階段的整數(shù)流水線：五個(gè)階段的整數(shù)流水線：PF(預(yù)取預(yù)取)：處理器從代碼：處理器從代碼cache中預(yù)取指令中預(yù)取指令D1(譯碼階段譯碼階段1)：處理器對(duì)指令譯碼確定操作碼：處理器對(duì)指令譯碼確定操作碼和尋址信息。在這個(gè)階段還進(jìn)行指令的成對(duì)性檢和尋址信息。在這個(gè)階段還進(jìn)行指令的成對(duì)性檢查和分支預(yù)測(cè)查和分支預(yù)測(cè)D2(譯碼階段譯碼階段2)：產(chǎn)生訪問存儲(chǔ)器的地址：產(chǎn)生訪問存儲(chǔ)器的地址EX(執(zhí)行執(zhí)行)：處理器或者訪問數(shù)據(jù)：處理器或者訪問數(shù)據(jù)cache，或者利，或者利用用ALU、筒型移位器或其他功能單元計(jì)算結(jié)果、筒型移位器或其他功能單元計(jì)算結(jié)果

9、WB(寫回寫回)：利用指令運(yùn)行結(jié)果更新寄存器和標(biāo)：利用指令運(yùn)行結(jié)果更新寄存器和標(biāo)志寄存器志寄存器時(shí)間時(shí)間i1PF D1 D2 EX WBPF D1 D2 EX WBPF D1 D2 EX WBPF D1 D2 EX WBi2i3i4012345687PF D1 D2 EX WBPF D1 D2 EX WBPF D1 D2 EX WBPF D1 D2 EX WBi5i6i7i8UVUVUVUVPentium的超標(biāo)量流水線的超標(biāo)量流水線指令配對(duì)指令配對(duì)U、V兩條流水線并行執(zhí)行的要滿足一些前提條件，兩條流水線并行執(zhí)行的要滿足一些前提條件，Pentium數(shù)據(jù)手冊(cè)定義了配對(duì)規(guī)則：數(shù)據(jù)手冊(cè)定義了配對(duì)規(guī)則：

10、1. 兩條指令都是簡(jiǎn)單指令兩條指令都是簡(jiǎn)單指令2. 沒有寫后讀和寫后寫的依賴關(guān)系沒有寫后讀和寫后寫的依賴關(guān)系3. 一條指令不能同時(shí)既包含位移量又包含立即數(shù)一條指令不能同時(shí)既包含位移量又包含立即數(shù)4. 帶前綴的指令只能出現(xiàn)在帶前綴的指令只能出現(xiàn)在U流水線中流水線中此外，條件分支轉(zhuǎn)移指令和非條件分支轉(zhuǎn)移指令和，此外，條件分支轉(zhuǎn)移指令和非條件分支轉(zhuǎn)移指令和，只有當(dāng)它們作為配對(duì)中的第二條指令出現(xiàn)時(shí)才可以配只有當(dāng)它們作為配對(duì)中的第二條指令出現(xiàn)時(shí)才可以配對(duì)。對(duì)。簡(jiǎn)單指令：完全由硬件執(zhí)行而無需任何微碼控制，簡(jiǎn)單指令：完全由硬件執(zhí)行而無需任何微碼控制，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的指令mov

11、 reg, reg/mem/immmov mem,reg/immalu reg, reg/mem/immalu mem, reg/imminc reg/memdec reg/mempush reg/mempop reglea reg, memjmp/call/jcc nearnop例：例：MOV AX, 5INC BXMOV AX, 5INC AX分支預(yù)測(cè)分支預(yù)測(cè)P. 310 浮點(diǎn)流水線浮點(diǎn)流水線八個(gè)階段的浮點(diǎn)流水線：八個(gè)階段的浮點(diǎn)流水線：PF 預(yù)取預(yù)取D1 譯碼階段譯碼階段1D2 譯碼階段譯碼階段2EX 取操作數(shù)取操作數(shù)X1 浮點(diǎn)執(zhí)行步驟浮點(diǎn)執(zhí)行步驟1X2 浮點(diǎn)執(zhí)行步驟浮點(diǎn)執(zhí)行步驟2WT 寫

12、浮點(diǎn)數(shù)寫浮點(diǎn)數(shù)ER 出錯(cuò)報(bào)告出錯(cuò)報(bào)告浮點(diǎn)流水線中的前五個(gè)步驟與整數(shù)流水線中的五個(gè)浮點(diǎn)流水線中的前五個(gè)步驟與整數(shù)流水線中的五個(gè)步驟是同步執(zhí)行的，只是多出三個(gè)步驟步驟是同步執(zhí)行的，只是多出三個(gè)步驟4. CacheP. 3092.3 2.3 實(shí)模式軟件體系結(jié)構(gòu)實(shí)模式軟件體系結(jié)構(gòu)1. 寄存器結(jié)構(gòu)寄存器結(jié)構(gòu)0151631015015163178ALBLCLDLAXBXCXDXAHBHCHDHEAXEBXECXEDXIPCSDSSSESFSGSSPBPSIDIESPEBPESIEDIFLAGSCR0指令指針指令指針I(yè)P段寄存器段寄存器CS,DS,SS,ES,FS,GS通用寄存器通用寄存器EAX,EBX,E

13、CX,EDX變址寄存器變址寄存器ESI,EDI指針寄存器指針寄存器EBP,ESP標(biāo)志寄存器標(biāo)志寄存器FLAGS控制寄存器控制寄存器0(CR0)CR0的第的第0位叫保護(hù)允許位位叫保護(hù)允許位(PE)，PE用于對(duì)實(shí)模式和保護(hù)模式進(jìn)行用于對(duì)實(shí)模式和保護(hù)模式進(jìn)行切換，切換，PE置置0時(shí)選擇實(shí)模式運(yùn)行時(shí)選擇實(shí)模式運(yùn)行2. 存儲(chǔ)器地址空間和數(shù)據(jù)組織存儲(chǔ)器地址空間和數(shù)據(jù)組織220=1MB， 地址由地址由00000-FFFFF(H)編碼編碼若存放的信息是字節(jié)，則按順序存放若存放的信息是字節(jié)，則按順序存放若存放的信息是字，則將字的低位字節(jié)存放在低地址，若存放的信息是字，則將字的低位字節(jié)存放在低地址，高位字節(jié)存放在

14、高地址高位字節(jié)存放在高地址若存放的信息是雙字，則將雙字的低位字存放在低地若存放的信息是雙字，則將雙字的低位字存放在低地址，高位字存放在高地址址，高位字存放在高地址對(duì)準(zhǔn)雙字界域：對(duì)應(yīng)地址是對(duì)準(zhǔn)雙字界域：對(duì)應(yīng)地址是4的倍數(shù)的倍數(shù)例例1. 雙字雙字A00055FF如何存儲(chǔ)在地址為如何存儲(chǔ)在地址為0210C的存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)器中例例2. 雙字雙字0123ABCD如何存儲(chǔ)在地址為如何存儲(chǔ)在地址為02102的存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)器中1MB存儲(chǔ)空間分通用和專用兩個(gè)區(qū)域存儲(chǔ)空間分通用和專用兩個(gè)區(qū)域00000-003FF 專用，存放中斷向量表專用，存放中斷向量表00400-FFFFF通用通用中斷向量表表內(nèi)指針用來指出相

15、應(yīng)的中斷服務(wù)程序中斷向量表表內(nèi)指針用來指出相應(yīng)的中斷服務(wù)程序的起始點(diǎn)，表內(nèi)每個(gè)指針占的起始點(diǎn)，表內(nèi)每個(gè)指針占2個(gè)字，占據(jù)較高地址的個(gè)字，占據(jù)較高地址的是段基址，占據(jù)較低地址的是偏移量是段基址，占據(jù)較低地址的是偏移量？中斷向量表可以包含？中斷向量表可以包含 個(gè)中斷指針個(gè)中斷指針3. 段寄存器和存儲(chǔ)器分段段寄存器和存儲(chǔ)器分段1MB的存儲(chǔ)空間被分成段，每段的存儲(chǔ)空間被分成段，每段64KB段是可獨(dú)立尋址的存儲(chǔ)器部分段是可獨(dú)立尋址的存儲(chǔ)器部分6個(gè)段寄存器：保存?zhèn)€段寄存器：保存16位段基址位段基址CS 代碼段代碼段SS 堆棧段堆棧段DS 數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段ES 附加段附加段FS 數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段FGS數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段G

16、4. 通用寄存器通用寄存器在程序執(zhí)行時(shí)暫時(shí)保存中間結(jié)果。在程序執(zhí)行時(shí)暫時(shí)保存中間結(jié)果。在進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算時(shí)，通用寄存器任何一個(gè)在進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算時(shí)，通用寄存器任何一個(gè)都可以作為源操作數(shù)或目的操作數(shù)都可以作為源操作數(shù)或目的操作數(shù)A 累加器寄存器累加器寄存器B 基址寄存器基址寄存器C 計(jì)數(shù)寄存器計(jì)數(shù)寄存器D 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器015163178ALBLCLDLAXBXCXDXAHBHCHDHEAXEBXECXEDX5. 指針和變址寄存器指針和變址寄存器ESP,EBP,ESI,EDI作通用數(shù)據(jù)寄存器用作通用數(shù)據(jù)寄存器用SPBPSIDIESPEBPESIEDI0151631作指針和變址寄

17、存器作指針和變址寄存器用時(shí)為用時(shí)為16位，位，SP,BP,SI,DIP.526. 堆棧堆棧P. 657. 標(biāo)志寄存器標(biāo)志寄存器P.538. 實(shí)際地址和邏輯地址實(shí)際地址和邏輯地址P.64例例3. 假設(shè)段寄存器內(nèi)容為假設(shè)段寄存器內(nèi)容為002A,偏移量為偏移量為0023，求構(gòu)成的物理地，求構(gòu)成的物理地址址9. I/O地址空間地址空間Pentium存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器和I/O地址空間是分離的。地址空間是分離的。I/O地址空間安放地址空間安放I/O接口，如打印機(jī)、終端接口接口，如打印機(jī)、終端接口PentiumI/O地址空間為地址空間為64KB,地址范圍地址范圍0000-FFFF每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)寬的每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)寬的I/O端口端口習(xí)題習(xí)題1. 什么是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)？什么是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)？2. Pentium微處理器