微機(jī)原理與接口技術(shù)_11高檔微處理器的新特性

1、第11章 高檔微處理器的新特性 本章主要內(nèi)容 11.1 80X86微處理器發(fā)展歷程 11.2 典型微處理器的基本結(jié)構(gòu) 11.3 80X86微處理器的編程結(jié)構(gòu) 11.4 典型微處理器的引腳結(jié)構(gòu) 11.5 典型微處理器的基本時(shí)序 11.6 典型微處理器的指令系統(tǒng)11.1 80X86微處理器發(fā)展歷程11.1.1 Intel 8086及80286微處理器 Intel 8086微處理器有16位寄存器和16位外部數(shù)據(jù)總線，具有20位地址總線，尋址1MB地址空間。Intel 8088微處理器除了有較小的8位外部數(shù)據(jù)總線外，其他與8086微處理器是相同的。 Intel 80286微處理器在IA-32結(jié)構(gòu)中引進(jìn)

2、了保護(hù)方式操作。這種新的操作方式用段寄存器的內(nèi)容作為選擇子或描述符表的指針。描述符提供24位基地址，允許最大的物理存儲(chǔ)器的尺寸至16MB，支持在段對(duì)換基礎(chǔ)上的虛擬存儲(chǔ)器管理和各種保護(hù)機(jī)制。 11.1.2 Intel 80386微處理器 Intel 80386微處理器是IA-32結(jié)構(gòu)微處理器系列中的第一個(gè)32位處理器。它在結(jié)構(gòu)中引入了32位寄存器用于容納操作數(shù)和地址。每個(gè)32 位寄存器的后一半保留兩個(gè)早期處理器版本（Intel 8086和80286）的16為寄存器的特征，以提供完全的后向兼容。提供了一種新的虛擬8086方式，以在新的32位處理器上最有效地執(zhí)行為8086和8088微處理器建立的程序

3、。 IA-32結(jié)構(gòu)已經(jīng)考慮到維護(hù)在目標(biāo)碼級(jí)后向兼容的任務(wù)，以保護(hù)Intel公司客戶在軟件上的大量投資。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)的每一代上，最有效的微結(jié)構(gòu)和硅片制造技術(shù)已經(jīng)用于生產(chǎn)高性能的處理器。在IA-32微處理器的每一代中，Intel公司已經(jīng)構(gòu)思并采用不斷發(fā)展的技術(shù)到它的微結(jié)構(gòu)中以追求速度更快的計(jì)算機(jī)。各種形式的并行處理已經(jīng)使這些技術(shù)得到最大的性能增強(qiáng)，Intel 80386微處理器是包括若干并行操作部件的第一個(gè)IA-32結(jié)構(gòu)微處理器。 11.1.3 Intel 80486微處理器 Intel 80486微處理器由把Intel 80386微處理器的指令譯碼和執(zhí)行單元擴(kuò)展為五個(gè)流水線段，增加了更多的并行執(zhí)

4、行能力，其中每個(gè)段（當(dāng)需要時(shí)）與其他的并行操作最多可在不同段上同時(shí)執(zhí)行五條指令。每個(gè)段以能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令的方式工作，所以Intel 80486微處理器能每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。在芯片上增加了一個(gè)8KB的一級(jí)緩存（Cache）大大增加了每個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行一條指令的百分比，包括操作數(shù)在一級(jí)Cache中的存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令。 11.1.4 Intel Pentium（奔騰）處理器 Intel Pentium處理器增加了第二個(gè)執(zhí)行流水線以達(dá)到超標(biāo)量性能（兩個(gè)已知的流水線u和v一起工作，實(shí)現(xiàn)每個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行兩條指令）。片上的一級(jí)Cache也加倍了，8KB用于代碼，另外8KB用于數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)Cache 使

5、用MESI協(xié)議以支持更有效的回寫方式，以及由Intel 80486處理器使用的寫通方式。11.1.5 Intel P6系列處理器 Intel Pentium Pro處理器是基于P6微結(jié)構(gòu)的第一個(gè)處理器。P6處理器系統(tǒng)隨后的成員是Intel Pentium 、Intel Pentium Xeon（至強(qiáng)）、Intel Celeron（賽揚(yáng)）、Intel Pentium、Intel Pentium Xeon（至強(qiáng)）處理器。 Pentium Pro處理器是三路超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，允許每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行三條指令。它也引入了在超標(biāo)量實(shí)現(xiàn)中的動(dòng)態(tài)執(zhí)行的概念（微數(shù)據(jù)流分析、超順序執(zhí)行、出眾的分支預(yù)測(cè)和推理執(zhí)行）。三個(gè)指

6、令譯碼單元并行工作把目標(biāo)碼譯碼為微結(jié)構(gòu)操作碼micro-ops（micro-architecture op-codes）。 11.1.6 Intel Pentium處理器 Intel Pentium 處理器把MMX技術(shù)加至P6系列處理器具有新的包裝和若干硬件增強(qiáng)。處理器核心包裝在SECC上，允許容易設(shè)計(jì)和靈活的母板結(jié)構(gòu)。第一級(jí)數(shù)據(jù)和指令Caches每個(gè)擴(kuò)展至16KB，支持二級(jí)Ccache的尺寸為256KB、512KB和1MB。半速的后沿總線連接二級(jí)Cache至處理器。 11.1.7 Intel Pentium 處理器 Pentium 處理器引進(jìn)流SIMD擴(kuò)展（SSE）至IA-32結(jié)構(gòu)。SSE擴(kuò)

7、展把由Intel MMX引進(jìn)的SIMD執(zhí)行模式，擴(kuò)展為新的128微寄存器和能在組合的單精度浮點(diǎn)數(shù)上執(zhí)行SIMD操作。 Pentium Xeon（至強(qiáng)）處理器用Intel的0.18微米處理技術(shù)的全速在模高級(jí)傳送緩存（Advanced Transfer Cache）擴(kuò)展了IA-32處理器的性能級(jí)。 11.1.8 Intel Pentium 4處理器 Intel Pentium 4處理器是第一個(gè)基于Intel NetBurst微結(jié)構(gòu)的處理器。Intel NetBurst微結(jié)構(gòu)是新的32位微結(jié)構(gòu)，它允許處理器操作在比以前的IA-32結(jié)構(gòu)微處理器更高的時(shí)鐘速度和性能等級(jí)上。 11.1.9 Intel 6

8、4位處理器 1Core 2 Core 2中文名為酷睿2，是英特爾公司于2006年推出的X86架構(gòu)微處理器，它采用全新的Intel Core微架構(gòu)，取代了自2000年起大多數(shù)英特爾處理器采用的NetBurst架構(gòu)。Core 2采用0.0650.045mm的制作工藝，處理器的速度為1.063.33GHz。 2Core i7 Core i7處理器是英特爾公司于2008年推出的64位四核心CPU。它沿用x86-64指令集，并以Intel Nehalem微架構(gòu)為基礎(chǔ)，取代了Intel Core 2系列處理器。Core i7采用0.0450.032mm的制作工藝，處理器的速度為2.533.46GHz。Co

9、re i7的名稱并沒有特別的含義，更不是指第7代產(chǎn)品。 3Core i5 英特爾公司于2009年9月1日正式發(fā)布了Core i5處理器。該處理器是Core i7派生系列中的低級(jí)版本，同樣基于Intel Nehalem微架構(gòu)。與Core i7支持三通道存儲(chǔ)器不同，Core i5只會(huì)集成雙通道DDR3存儲(chǔ)器控制器。4Core i3Core i3處理器是英特爾推出的首款CPUGPU產(chǎn)品。它是基于Intel Westmere微架構(gòu)，采用0.0320.032mm的制作工藝，處理器的速度為2.503.33GHz。Core i3與Core i5類似，只集成雙通道DDR3存儲(chǔ)器控制器，也集成了一些北橋的功能和

10、PCI-Express控制器，接口亦采用了LGA 1156。處理器核心方面，Core i3的代號(hào)為Clarkdale，采用32納米制程的Core i3有兩個(gè)核心，支持超線程技術(shù)。在L3緩沖存儲(chǔ)器方面，Core i3的兩個(gè)核心共享4MB。Core i3在芯片組方面，也采用了Intel P55。11.2 典型微處理器的基本結(jié)構(gòu)11.2.1 80286微處理器 Intel 80286微處理器是Intel 公司1982年推出的產(chǎn)品。80286芯片內(nèi)含13.5萬(wàn)個(gè)晶體管，內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是16位，地址總線為24位，可尋址224B即16MB內(nèi)存。80286片內(nèi)具有存儲(chǔ)器管理和保護(hù)機(jī)構(gòu)，它有實(shí)模式和保護(hù)

11、模式兩種工作方式。 80286將8086中BIU和EU兩個(gè)處理單元進(jìn)一步分離成四個(gè)處理單元，分別是執(zhí)行部件EU、總線部件BU、指令部件IU和地址部件AU。 整個(gè)80286采用流水線作業(yè)方式，使各部件能同時(shí)并行地工作。 1總線部件EU 總線部件由地址鎖存器和驅(qū)動(dòng)器、協(xié)處理器擴(kuò)展接口、總線控制器、數(shù)據(jù)收發(fā)器、預(yù)取器和6字節(jié)預(yù)取隊(duì)列組成。 2指令部件IU 指令部件中設(shè)有指令譯碼器和譯碼指令隊(duì)列，用來(lái)指令譯碼，并為執(zhí)行部件執(zhí)行做好準(zhǔn)備。 3執(zhí)行部件EU 由寄存器、控制部件、算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU和微程序只讀存儲(chǔ)器組成，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令，即完成算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及其他數(shù)據(jù)加工操作。 4地址部件AU 地址部

12、件由偏移量加法器、段界限檢查器、段基地址寄存器、段長(zhǎng)度寄存器和物理地址加法器等組成。 11.2.2 80386微處理器 80386是Intel公司1985年推出的一種高性能32位微處理器，80386內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是32位的，地址總線為32位，可尋址4GB。它是對(duì)808680286微處理器的徹底改進(jìn)。其主要特點(diǎn)如下。 180386 CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)由6個(gè)邏輯單元組成。 280386可以按實(shí)模式、保護(hù)模式以及虛擬8086三種模式對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)。11.2.3 80486微處理器 80486是Intel公司于1989年推出的第二代32位微處理器。集成度是80386的4倍以上，168個(gè)引腳，PGA

13、封裝，體系結(jié)構(gòu)與80386幾乎相同，但在相同的工作頻率下處理速度比80386提高了24倍，80486的工作頻率最低為25MHz，最高達(dá)到132MHz。 從總的情況看，80486有如下特點(diǎn)。 （1）80486在Intel微處理器歷史上首次采用了RISC技術(shù)。 （2） 80486采用了突發(fā)總線同外部RAM進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換。 （3）80486微處理器中配置了8KB的高速緩存器（Cache）。 （4）80486微處理器內(nèi)部還設(shè)置了一個(gè)數(shù)值協(xié)處理器，這就使得80486不再需要片外80387的支持而直接具有浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力。 （5）80486在其高速緩存部件與協(xié)處理器之間設(shè)置有兩條高速數(shù)據(jù)總線，這兩條32

14、位總線也可作為一條64位總線使用。 11.2.4 Pentium系列微處理器 1Pentium微處理器 Pentium微處理器的主要特點(diǎn)如下。 1）超標(biāo)量流水線設(shè)計(jì)是Pentium處理器的核心。 2）Pentium采用雙Cache結(jié)構(gòu)。 3）Pentium微處理器中還設(shè)置有分支目標(biāo)緩存器BTB。 4）浮點(diǎn)運(yùn)算部件。 2Pentium Pro微處理器 Pentium Pro主要有三大特點(diǎn)。 （1）Pentium Pro采用了RISC技術(shù)，超標(biāo)量與流水線相結(jié)合的核心結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)。 （2）Pentium Pro處理器使用的是一種387管腳網(wǎng)格陣列（PGA）的陶瓷封裝技術(shù)，片內(nèi)除CPU外，集

15、成了256或512KB L2 Cache。 （3）Pentium Pro處理器支持不加附加邏輯的對(duì)稱多處理，即不需要額外的邏輯電路就可支持多達(dá)四個(gè)CPU，這一結(jié)構(gòu)對(duì)服務(wù)器、工作站實(shí)現(xiàn)多處理器系統(tǒng)特別有利。 3Pentium微處理器 Pentium 的優(yōu)異性能與先進(jìn)結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在以下三方面。 1）動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)與MMX技術(shù) 2）雙重獨(dú)立的總線結(jié)構(gòu) 3）SEC單邊接觸封裝技術(shù) 4Pentium 微處理器 Pentium 微處理器與Pentium 的最大不同在于如下三點(diǎn)。 （1）Pentium 也是采用雙重獨(dú)立總線結(jié)構(gòu)，但是前端總線的時(shí)鐘頻率至少為100MHz，處理器核心與L2 Cache之間專用的后

16、端總線時(shí)鐘頻率最初是主頻的一半，后來(lái)的產(chǎn)品也有與主頻同速。 （2）Pentium 處理器首次采用了Intel公司自行開發(fā)的流式單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展SSE技術(shù)。 （3）Pentium 微處理器首次設(shè)置了處理器序列號(hào)PSN（Processor Serial Number）。11.3 80X86微處理器的編程結(jié)構(gòu)11.3.1 基本結(jié)構(gòu)寄存器組 1通用寄存器（8個(gè)） 80486共有8個(gè)32位的通用寄存器，包括累加器EAX、基址寄存器EBX、計(jì)數(shù)寄存器ECX、數(shù)據(jù)寄存器EDX、源變址寄存器ESI、目的變址寄存器EDI、基址指針寄存器EBP和堆棧指針寄存器ESP，這些通用寄存器用于保存數(shù)據(jù)或地址位移量。 2指

17、令指針寄存器（1個(gè)） 指令指針寄存器是一個(gè)32位寄存器，命名為EIP。 3標(biāo)志寄存器（1個(gè)） 標(biāo)志寄存器是一個(gè)32位的寄存器，命名為EFLAGS。 4段寄存器（6個(gè)） 與8086相比，80286以上的微處理器除具有CS、DS、SS、ES寄存器外，又增加了FS和GS兩個(gè)新的16位寄存器，以支持對(duì)附加數(shù)據(jù)段的訪問(wèn)。 11.3.2 系統(tǒng)級(jí)寄存器組 1系統(tǒng)地址寄存器（4個(gè)） 80X86的4個(gè)系統(tǒng)地址寄存器，用來(lái)保存系統(tǒng)描述符表所在存儲(chǔ)段的基址、界限和段屬性信息。系統(tǒng)描述符表主要有如下四種。 （1）全局描述符表GDT（Global Descriptor Table） （2）局部描述符表LDT（Local

18、 Descriptor Table） （3）中斷描述符表IDT（Interrupt Descriptor Table） （4）任務(wù)狀態(tài)段TSS（Task State Segment） 2控制寄存器（5個(gè)） 1）CR0控制寄存器 2）CR1控制寄存器 3）CR2控制寄存器 4）CR3控制寄存器 5）CR4控制寄存器 3測(cè)試寄存器（5個(gè)） 80X86有5個(gè)測(cè)試寄存器，TR3TR5用于高速緩存的測(cè)試操作（測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)試狀態(tài)、測(cè)試控制），TR6TR7則用于頁(yè)部件的測(cè)試操作（測(cè)試控制、測(cè)試狀態(tài)）。 4調(diào)試寄存器（8個(gè)） 80X86有8個(gè)32位的調(diào)試寄存器，這8個(gè)調(diào)試寄存器支持80486微處理器的調(diào)試功能

19、。 11.3.3 浮點(diǎn)寄存器組 1數(shù)據(jù)寄存器（8個(gè)） 這是一組80位的寄存器，8個(gè)80位的數(shù)據(jù)寄存器中的每一個(gè)都分成同F(xiàn)PU的擴(kuò)展精度數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)的字段。 2標(biāo)記寄存器（1個(gè)） 用來(lái)標(biāo)記每個(gè)數(shù)值寄存器的內(nèi)容，每?jī)晌粯?biāo)記表示8個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中的一個(gè)，共16位。 3指令和數(shù)據(jù)指針寄存器（2個(gè)） 包含一個(gè)指令指針和一個(gè)數(shù)據(jù)指針，以提供發(fā)生故障的指令的地址及其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器操作數(shù)的地址。 4控制字寄存器（1個(gè)） FPU提供若干選擇項(xiàng)，這些選擇項(xiàng)是通過(guò)將存儲(chǔ)器的控制字裝入控制寄存器進(jìn)行選擇的。 11.4 典型微處理器的引腳結(jié)構(gòu)11.4.1 80386微處理器 80386采用PGA（管腳柵格陣列）封裝技術(shù)，芯片

20、封裝在正方形管殼內(nèi)，管殼每邊三排引腳，共132根。 11.4.2 80486DX微處理器 1地址總線和數(shù)據(jù)總線 2控制總線 1）奇偶校驗(yàn)信號(hào) 2）總線周期定義信號(hào)表示正在操作的總線周期類型 3）總線控制信號(hào) 4）成組傳送控制 5）高速緩存控制信號(hào) 6）高速緩存使無(wú)效控制信號(hào) 7）頁(yè)面高速緩存控制信號(hào) 8）數(shù)據(jù)出錯(cuò)報(bào)告信號(hào) 9）第20位地址A20屏蔽信號(hào) 10）總線仲裁信號(hào) 11）總線寬度控制信號(hào) 12）中斷/復(fù)位信號(hào) 3時(shí)鐘信號(hào) CLK時(shí)鐘信號(hào)（輸入）。CLK為80486提供基本的定時(shí)和內(nèi)部工作頻率。所有外部定時(shí)與計(jì)數(shù)操作都是相對(duì)于CLK的上升沿而制定的。11.4.3 Pentium微處理器

21、1數(shù)據(jù)線及其控制信號(hào) 2地址線及控制信號(hào) 3系統(tǒng)控制信號(hào) 4總線周期定義信號(hào)（輸出） 5總線控制信號(hào) 6總線仲裁信號(hào)11.5 典型微處理器的基本時(shí)序11.5.1 80386時(shí)序 80386的總線周期可分為兩類：基本總線周期和地址流水線方式的總線周期。 180386的基本總線周期 每個(gè)周期由兩個(gè)總線狀態(tài)組成，命名為T1和T2。如果外部硬件的速度足夠快，任何存儲(chǔ)器或I/O地址都可由一個(gè)兩狀態(tài)的總線周期存取。 280386的流水線方式總線周期 這是一種對(duì)總線周期定時(shí)方式的選擇。流水線方式或非流水線方式可以在逐個(gè)周期上使用信號(hào)進(jìn)行選擇。 11.5.2 Pentium時(shí)序 1Pentium CPU的基本

22、總線操作 Pentium CPU可以形成兩種時(shí)序類型的總線周期：非流水線周期和流水線周期。 2Pentium總線狀態(tài)定義 Ti：總線空閑狀態(tài)。 T1：總線周期的第一個(gè)時(shí)鐘。 T2：第一個(gè)待完成的總線周期的第二個(gè)及后續(xù)的時(shí)鐘。 T12：有兩個(gè)待完成的總線周期，處理器在為第一個(gè)總線周期傳送數(shù)據(jù)的同時(shí)啟動(dòng)第二個(gè)總線周期。 TP：有兩個(gè)待完成的總線周期，且都在第二個(gè)及后續(xù)的時(shí)鐘里。 TD：有一個(gè)待完成的總線周期，其地址、狀態(tài)和ADS#已被驅(qū)動(dòng)，而數(shù)據(jù)和BRDY#引腳未被采樣。 3Pentium CPU的總線周期類型 除了非流水線周期和流水線周期這兩種最基本的總線周期類型外，Pentium CPU還有單

23、次非突發(fā)式數(shù)據(jù)傳送與突發(fā)式數(shù)據(jù)傳送總線周期、非緩存式與緩存式總線周期。在非突發(fā)式總線周期中，每次只能傳送一個(gè)數(shù)據(jù)單元，且至少需要兩個(gè)時(shí)鐘周期。突發(fā)式總線周期是一種特殊的總線周期，在突發(fā)式總線周期中，傳送第一個(gè)數(shù)據(jù)單元需要兩個(gè)時(shí)鐘周期，以后每個(gè)數(shù)據(jù)單元只需一個(gè)時(shí)鐘周期。 11.6 典型微處理器的指令系統(tǒng)11.6.1 實(shí)地址方式下的32位微處理器指令系統(tǒng) 80386以上的32位微處理器有三種基本工作方式，即實(shí)地址方式、保護(hù)方式和虛擬8086方式。這一系列的32位微處理器的指令系統(tǒng)包含了8086微處理器的全部指令系統(tǒng)，同時(shí)針對(duì)各32位微處理器的硬件結(jié)構(gòu)，擴(kuò)充和增加了許多指令。 11.6.2 32位微處理器的擴(kuò)充指令 80386以上的微處理器還擴(kuò)充了某些指令的功能，這些指令如下。 1）IMUL dest，src1，src2 2）CDQ 3）CWDE 4）SAL/SHL/SAR/SHR dest，count 5）RCL/RCR/ROL/ROR dest，count 6）SHLD dest，src，count 7）SHRD dest，src，count 8）MOVSD/CMPSD/LODSD/STOSD/SCASD 9）INS dest，DX 10）INSB/INSW/