第2章樣式編輯母版文本樣式

1、2.2 Pentium處理器n簡介1985年推出32位處理器向后兼容80486/80386/80286/8086更高的集成度和主頻n先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)內(nèi)部總線32位，外部數(shù)據(jù)總線64位獨(dú)立的片內(nèi)代碼緩存和數(shù)據(jù)緩存使用兩條指令流水線并行執(zhí)行指令集成浮點(diǎn)處理部件（FPU）對ADD、MUL、INC等常用指令采用硬件實(shí)現(xiàn)分段和分頁兩級(jí)存儲(chǔ)管理機(jī)制增強(qiáng)了信息傳輸準(zhǔn)確性檢測能力和異常處理能力提供了很好的檢測和調(diào)試能力nCISC和RISC相結(jié)合CISC（復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)技術(shù)）n指令系統(tǒng)包含很多指令n訪問內(nèi)存采用多種尋址方式n采用微程序機(jī)制一條復(fù)雜指令對應(yīng)一個(gè)微程序一個(gè)微程序?qū)?yīng)若干微指令一條微指令包含若干微操作

2、缺點(diǎn)：譯碼速度較慢nCISC和RISC相結(jié)合RISC（簡化指令集計(jì)算機(jī)技術(shù)）n指令系統(tǒng)只含簡單而常用的指令n采用流水線機(jī)制執(zhí)行n大多數(shù)指令利用內(nèi)部寄存器來執(zhí)行缺點(diǎn)：需要更多寄存器配合Pentium大多數(shù)指令為簡化指令，但仍保留部分復(fù)雜指令n超標(biāo)量流水線含有U,V兩條指令流水線流水線包含獨(dú)立的ALU，寄存器，和數(shù)據(jù)緩存接口一條流水線包含5個(gè)流水線級(jí)：n指令預(yù)取級(jí)PF，首次譯碼級(jí)D1，二次譯碼級(jí)D2，執(zhí)行級(jí)EX，回寫級(jí)PF前提條件：n指令基本均為簡化指令nV流水線總是接受U流水線的下一條指令n分支預(yù)測技術(shù)分支指令對流水的影響n當(dāng)所有指令順序執(zhí)行，流水線的效能達(dá)到最高；如果程序發(fā)生轉(zhuǎn)移，會(huì)造成流水線

3、斷流。流水線的重建是需要花費(fèi)時(shí)間的。n例子跳轉(zhuǎn)AAA的概率？跳轉(zhuǎn)BBB的概率？mov dx, 100AAA: mov cx, 200BBB: mov al, 04mov ah, 0chint 10hdec cxjnz BBBdec dxjnz AAAhlt分支動(dòng)態(tài)預(yù)測方案n使用分支預(yù)測緩存轉(zhuǎn)移指令的目標(biāo)地址歷史狀態(tài)n當(dāng)一條指令造成分支時(shí)，BTB根據(jù)歷史狀態(tài)和目標(biāo)地址預(yù)測跳轉(zhuǎn)位置，然后預(yù)取指令。n在跳轉(zhuǎn)指令的執(zhí)行周期EX，如果發(fā)現(xiàn)預(yù)測跳轉(zhuǎn)位置錯(cuò)誤，則重建流水線，并更新分支預(yù)測緩存中的跳轉(zhuǎn)信息。2.2.1 Pentium流水線nPentium流水線的組成總線接口部件n連接CPU和其他部件n讀取指令

4、和存取數(shù)據(jù)n可同時(shí)接受多個(gè)總線請求指令預(yù)取部件n在總線空閑時(shí)從存儲(chǔ)器讀取指令指令譯碼器n將指令譯為內(nèi)部代碼執(zhí)行部件nU/V兩條流水線nPentium流水線分為5級(jí)：指令預(yù)?。≒F）首次譯碼（D1）二次譯碼（D2）執(zhí)行（EX）結(jié)果回寫（WB）單條流水線的例子CP1CP2CP3CP4CP5CP6指令I(lǐng)1指令I(lǐng)2指令I(lǐng)3指令I(lǐng)4指令I(lǐng)5PFPFPFPFPFD1D2D1D1D1D1D2D2D2EXEXEXWBWB超標(biāo)量流水線例子CP1CP2CP3CP4CP5CP6指令I(lǐng)1指令I(lǐng)3指令I(lǐng)5指令I(lǐng)7PFPFPFPFD1D2D1D1D1D2D2D2EXEXEXWBWB指令I(lǐng)2PFD1D2EXWB指令I(lǐng)4PF

5、D1D2EXWB指令I(lǐng)6PFD1D2EX指令I(lǐng)8PFD1D2PFPFD1D1D2D2EXEXWBWBU線V線PFD1D2EXWBI486標(biāo)量流水線Pentium的U/V超標(biāo)量流水線n超標(biāo)量流水線的運(yùn)行PF機(jī)器周期n預(yù)取兩條指令n分支預(yù)測部件（BTB）D1機(jī)器周期n指令譯碼部件對兩條指令譯碼，判斷是否符合配對規(guī)則n配對規(guī)則：兩條指令都是RISC指令，并且沒有寄存器相關(guān)性n控制器將先后兩條指令fire給U/V流水線D2機(jī)器周期nU/V流水線二次譯碼EX機(jī)器周期nU/V流水線執(zhí)行n根據(jù)U線判斷BTB是否預(yù)測正確，若錯(cuò)誤，V流水線停頓WB機(jī)器周期n結(jié)果寫回2.2.2 Pentium的工作方式n實(shí)地址方

6、式n保護(hù)方式n虛擬8086方式n系統(tǒng)管理方式n實(shí)地址方式Pentium在上電或者復(fù)位后，進(jìn)入實(shí)模式操作數(shù)默認(rèn)長度為16位尋址方式/內(nèi)存管理/中斷機(jī)制，均按照8086方式內(nèi)存容量大小為1MB，采用分段方式內(nèi)存保存兩個(gè)固定區(qū)域n保護(hù)方式最常用方式保護(hù)：指對存儲(chǔ)器的保護(hù)存儲(chǔ)器用邏輯地址/線性地址/物理地址三個(gè)空間來描述借助映像機(jī)制將存儲(chǔ)空間映到內(nèi)存即可進(jìn)行16位運(yùn)算，又可進(jìn)行32位運(yùn)算n虛擬8086模式為使8086下的程序得以在保護(hù)模式之下繼續(xù)運(yùn)行，而增加的模式內(nèi)存尋址按照8086方式存儲(chǔ)器尋址空間為1MB，在分段基礎(chǔ)上又分頁n實(shí)地址方式和虛擬8086方式的區(qū)別單任務(wù)和多任務(wù)n實(shí)地址方式：不支持多任

7、務(wù)，是整個(gè)CPU的狀態(tài)n虛擬8086：CPU處于多任務(wù)狀態(tài)，針對某一任務(wù)尋址空間n實(shí)地址方式：整個(gè)系統(tǒng)1MBn虛擬8086：每個(gè)任務(wù)1MB內(nèi)存劃分n實(shí)地址方式：內(nèi)存分段n虛擬8086：分段加分頁n系統(tǒng)管理模式增強(qiáng)對系統(tǒng)的管理n操作系統(tǒng)管理n運(yùn)行程序管理n電源管理n。2.2.3Pentium內(nèi)部結(jié)構(gòu)n分段分頁部件n總線接口部件nDCache/ICachen指令預(yù)取部件/指令譯碼部件/控制ROMn分支目標(biāo)緩沖區(qū)（BTB）n控制部件n控制器nU/V流水線n浮動(dòng)運(yùn)算部件（FPU）2.2.4 Pentium寄存器組n基本寄存器組通用寄存器（8x32位）段寄存器（6x16位）標(biāo)志寄存器指令指針寄存器n系統(tǒng)

8、寄存器組地址寄存器控制寄存器調(diào)試寄存器測試寄存器n浮點(diǎn)寄存器組數(shù)據(jù)寄存器標(biāo)記字寄存器狀態(tài)寄存器控制字寄存器指令指針寄存器數(shù)據(jù)指針寄存器n基本寄存器組n基本寄存器組標(biāo)志寄存器同8086nIOPL：輸入/輸出特權(quán)級(jí)標(biāo)志位。規(guī)定了能使用I/O指令的特權(quán)級(jí)在保護(hù)模式下，利用這兩位編碼可以分別表示03四種特權(quán)級(jí)特權(quán)高于IOPL的程序才能執(zhí)行相應(yīng)I/O指令nNT：任務(wù)嵌套標(biāo)志。在保護(hù)模式下，指示當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)嵌套于另一任務(wù)中當(dāng)任務(wù)被嵌套時(shí)，NT1，否則NT0n基本寄存器組標(biāo)志寄存器nRF：恢復(fù)標(biāo)志與調(diào)試寄存器一起使用，用于保證不重復(fù)處理斷點(diǎn)當(dāng)RF1時(shí)，即使遇到斷點(diǎn)或故障，也不產(chǎn)生異常中斷nVM：虛擬808

9、6模式標(biāo)志用于在保護(hù)模式系統(tǒng)中選擇虛擬操作模式。VM1，啟用虛擬8086模式；VM0，返回保護(hù)模式nAC：對準(zhǔn)檢查標(biāo)志如果在不是字或雙字的邊界上尋址一個(gè)字或雙字，隊(duì)準(zhǔn)檢查標(biāo)志將被激活。n復(fù)位后EFLAGS值為：0000 0002Hn基本寄存器組段寄存器n6個(gè)，16位n實(shí)地址方式下保存段基址，尋址方式同8086n保護(hù)方式下的尋址機(jī)制段選擇子(16位)偏移量（32位）段基址（32位）描述符表分頁部件物理內(nèi)存線性地址（32位）邏輯地址(48位)物理地址段寄存器中存放段選擇子n段選擇子段描述符索引（13位）n在描述符表中的索引RPL：請求特權(quán)級(jí)n占兩位，對應(yīng)存儲(chǔ)段的特權(quán)級(jí)TI：描述符表標(biāo)志n決定從哪類

10、描述符表中檢索描述符n0：全局描述符表n1：局部描述符表n描述符表記錄系統(tǒng)中各段的信息每個(gè)表最多可含213=8192項(xiàng)描述符表分類n全局描述附表（GDT）一個(gè)系統(tǒng)一個(gè)，包含了個(gè)系統(tǒng)公用段所對應(yīng)描述符，例如操作系統(tǒng)所使用代碼段、數(shù)據(jù)段和堆棧段，每個(gè)任務(wù)的狀態(tài)段IDT和LDT所占用段的描述符也在GDT中n局部描述附表（LDT）每個(gè)任務(wù)一個(gè)，包含對應(yīng)任務(wù)的代碼段、數(shù)據(jù)段和堆棧段的描述符任務(wù)狀態(tài)段描述符在GDT中n中斷描述附表（IDT）一個(gè)系統(tǒng)一個(gè)，包含中斷描述符n段描述符n保護(hù)方式下的尋址機(jī)制段選擇子(16位)偏移量（32位）段基址（32位）描述符表分頁部件物理內(nèi)存線性地址（32位）邏輯地址(48位

11、)物理地址系統(tǒng)寄存器組n系統(tǒng)地址寄存器n控制寄存器n調(diào)試寄存器n測試寄存器n系統(tǒng)地址寄存器GDTR 全局描述符寄存器IDTR 中斷描述符寄存器LDTR 局部描述符寄存器TR 任務(wù)狀態(tài)寄存器nGDTR指示全局描述符表的起始地址和長度GDT基地址基地址段限段限內(nèi)存GDTRnIDTR指示中斷描述符表的起始地址和長度IDT基地址基地址段限段限內(nèi)存IDTRnLDTR存儲(chǔ)LDT段選擇子，指明LDT描述符在GDT中的索引LDT描述符內(nèi)存GDT段選擇子LDTLDTR基址基址界限界限段屬性段屬性nTR存儲(chǔ)狀態(tài)段選擇子，指明該段描述符再GDT中的索引TSS描述符內(nèi)存GDT段選擇子TSSTR基址基址界限界限段屬性段

12、屬性n控制寄存器（設(shè)置和保存機(jī)器的全局狀態(tài)）n控制寄存器CR0：保存系統(tǒng)標(biāo)志CR1：未定義CR2和CR3：用于存儲(chǔ)管理的地址寄存器浮點(diǎn)寄存器組2.2.5 Pentium的引腳Pentium處理器CLKINITRESETINTRNMIHOLDHLDABREQBOFF#A20M#A31A3ADS#APAPCHK#BE7#BE0#D63D0DP7DP0PCHK#PEN#系統(tǒng)控制總線仲裁地址線及控制數(shù)據(jù)線及控制地址線與數(shù)據(jù)線分開Pentium處理器D/C#M/IO#W/R#LOCK#SCYCNA#BRDY#總線周期控制CACHE#EADS#HIT#HITM#INVPCDPWTFLUSH#KEN#WB/

13、WT#AHOLDcache控制2.2.6 Pentium的總線狀態(tài)nT1狀態(tài)：地址信號(hào)有效nT2狀態(tài)：數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上nT12狀態(tài)：流水線式總線周期特有第一個(gè)總線周期進(jìn)入T2狀態(tài)，第二個(gè)總線周期進(jìn)入T1狀態(tài)nT2P狀態(tài)：流水線式總線周期特有第一個(gè)總線周期未完成數(shù)據(jù)傳輸，第二個(gè)總線周期已進(jìn)入第二個(gè)時(shí)鐘周期nTD狀態(tài)：過度狀態(tài)nTI狀態(tài)：空閑狀態(tài)n總線狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換2.2.7 Pentium總線時(shí)序nPentium總線周期有多種類型：按總線周期之間的組織劃分，有流水線和非流水線類型。在流水線類型中，前一個(gè)總線周期中已為下一個(gè)總線操作進(jìn)行地址傳輸，而在非流水線類型中，每個(gè)總線周期獨(dú)立進(jìn)行讀/寫操作

14、，與其他總線周期無關(guān)。按總線周期本身的組織劃分，有突發(fā)式傳輸和非突發(fā)式傳輸類型。突發(fā)式傳輸時(shí)，連續(xù)4組共256位數(shù)據(jù)可在5個(gè)時(shí)鐘周期中完成傳輸。非突發(fā)式傳輸即單數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通常用2個(gè)時(shí)鐘周期構(gòu)成1個(gè)總線周期傳輸單個(gè)數(shù)據(jù)，可為8bit/16bit/32bit/64bit2.2.8 Pentium中斷n分為兩類外部中斷nINTRnNMI異常中斷：nCPU執(zhí)行時(shí)遇到的異常事件和中斷指令引起的中斷故障 檢測到異常在異常起作用前就得到處理陷阱 指令引起的異常，即軟件中斷終止 遇到硬件錯(cuò)誤或非法數(shù)值，程序終止運(yùn)行n有256個(gè)中斷032為系統(tǒng)保留，其余為用戶定義（表2.5）n實(shí)地址方式響應(yīng)方式同8086n保

15、護(hù)方式通過中斷描述符表（IDT）協(xié)助響應(yīng)中斷中斷描述符表可放在內(nèi)存任意位置n中斷描述符（64位）位于中斷描述符表中32位偏移量16位段選擇子16位段參數(shù)（決定中斷的類型）n中斷描述符表通過IDTR寄存器獲取首地址中斷類型號(hào)x8n中斷過程中斷類型號(hào)中斷描述符GDT/LDT代碼段偏移量跳轉(zhuǎn)位置n中斷描述符分類依照引起中斷的原因分為三類：n陷阱門描述符對應(yīng)異常處理子程序不影響IF位狀態(tài)n任務(wù)門描述符多任務(wù)系統(tǒng)中完成任務(wù)切換n中斷門描述符對應(yīng)外部中斷處理程序IF位清02.2.9 Pentium的保護(hù)技術(shù)n為什么使用保護(hù)技術(shù)？運(yùn)行過程中，代碼不能隨意修改Pentium具有多任務(wù)處理功能各任務(wù)間不能相互干擾需要Pentium具有很好的保護(hù)機(jī)制n段頁兩級(jí)保護(hù)機(jī)制存儲(chǔ)器的段級(jí)保護(hù)n段類型提供讀/寫保護(hù)數(shù)據(jù)段：用W控制可否向此段寫入信息代碼段：用R控制可否讀取此段信息n限界和粒度提供保護(hù)范圍限界和粒度(G)共同確定段的長度nG=0，段長度以字節(jié)為單位最大1MBnG=1，段長度以頁（4KB）為單位做大4GBn數(shù)據(jù)訪問不可超過段的最大長度