微型計(jì)算機(jī)技術(shù)：第2章-3 80x86系統(tǒng)微處理器

1、2.5 Intel 80X86微處理器 X86系列微機(jī)是目前個(gè)人桌面處理和便攜處理系統(tǒng)的主流，80X86微處理器的發(fā)展對(duì)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展起著決定性的作用。Intel 8086微處理器的基本結(jié)構(gòu)16位處理器、40腳的DIP(雙列直插)封裝。時(shí)鐘頻率：5MHz、8MHz和10MHz。20條地址線，有220=1024KB=1MB 尋址能力。缺口1腳20腳40腳 Intel 8086微處理器內(nèi)部由兩個(gè)獨(dú)立的功能部件組成：執(zhí)行部件EU、總線接口部件BIU。AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDICSDSSSESIP124653標(biāo)志寄存器總線控制邏輯指令隊(duì)列EU控制ALU地址加法器BIU單元E

2、U單元AXBXCXDX內(nèi)存接口EU和BIU獨(dú)立并行工作，可以大大提高系統(tǒng)效率。2.5.1 Intel 80286微處理器的基本結(jié)構(gòu)16位處理器，指令與8086兼容時(shí)鐘頻率：最高25MHz， 24條地址線，有224(16MB)物理尋址能力集成存儲(chǔ)管理和保護(hù)機(jī)構(gòu)，四層特權(quán)支持操作系統(tǒng)和多任務(wù)管理 80286支持兩種工作方式: 實(shí)地址方式(簡(jiǎn)稱實(shí)方式)和虛地址方式(又稱保護(hù)方式)。實(shí)地址方式：兼容8086的全部功能，有20位地址線，220(1MB)尋址能力。虛地址方式：可以支持虛擬存儲(chǔ)器、地址空間的保護(hù)，可靠地支持多用戶和多任務(wù)系統(tǒng)。有224字節(jié)(16MB)物理尋址能力，每個(gè)任務(wù)可以有230字節(jié)(1

3、GB)的虛地址空間，每個(gè)虛地址空間通過(guò)轉(zhuǎn)換映射到224(16MB)字節(jié)的物理地址中。 80286微處理器內(nèi)部功能部件由8086的兩個(gè)發(fā)展成了四個(gè)，這四個(gè)部件分別是地址部件AU、指令部件IU、執(zhí)行部件EU和總線部件BU。地址部件AU(Address Unit)：從EU的寄存器中取出地址，產(chǎn)生物理存儲(chǔ)器地址或IO端口地址?？偩€部件BU(Bus Unit)：讀取指令代碼、讀/寫(xiě)操作數(shù)據(jù)。M/IO、BHEINTA、寄存器ALU控制器地址加法器段基地址段容量段限檢查6字節(jié)指令隊(duì)列已譯碼3字節(jié)指令隊(duì)列指令譯碼器NMIINTRBUSYERRORD0D15A0A23總線部件BU地址部件AU數(shù)據(jù)收發(fā)地址鎖存總線

4、控制預(yù)取器協(xié)處理器接口指令部件IU(Instruction Unit)：從BU取出指令、譯碼、送入已被譯碼的指令隊(duì)列，IU與EU可并行操作。執(zhí)行部件EU(Execution Unit)：EU負(fù)責(zé)執(zhí)行指令。四個(gè)部件并行操作，提高了信息吞吐率，加快了處理速度。M/IO、BHEINTA、寄存器ALU控制器地址加法器段基地址段容量段限檢查已譯碼3字節(jié)指令隊(duì)列指令譯碼器NMIINTRBUSYERRORD0D15A0A23指令部件IU執(zhí)行部件EU6字節(jié)指令隊(duì)列數(shù)據(jù)收發(fā)地址鎖存總線控制預(yù)取器協(xié)處理器接口2.5.2 Intel 80386微處理器的基本結(jié)構(gòu)32位處理器，指令與8086、80286相兼容32位地

5、址線，直接尋址4GB（1GB為230字節(jié)）物理地址空間虛擬存儲(chǔ)空間為64TB(1TB為240字節(jié))最高工作頻率為40MHz多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)芯片。存儲(chǔ)器管理部件（MMU）和保護(hù)機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)線、寄存器、運(yùn)算操作為32位。80386的功能部件增加到了6個(gè)：總線接口部件、指令預(yù)取部件、指令預(yù)譯碼部件、執(zhí)行部件、分段部件和分頁(yè)部件，它們能相對(duì)獨(dú)立工作。總線接口部件BIU(Bus Interface Unit)：CPU與系統(tǒng)之間的接口。產(chǎn)生存儲(chǔ)器、IO端口地址、傳送數(shù)據(jù)和命令。總線周期為2個(gè)時(shí)鐘。指令預(yù)取部件IPU(Instruction Prefect Unit)：16個(gè)字節(jié)的預(yù)取隊(duì)列寄存器，讀取4

6、字節(jié)指令流，存到指令預(yù)取隊(duì)列寄存器中。可存放5條指令。指令預(yù)譯碼部件IDU(Instruction Predecode Unit)：指令預(yù)譯碼，完成指令到微指令的轉(zhuǎn)換，存放在已譯碼的指令隊(duì)列中，供EU執(zhí)行。執(zhí)行部件EU(Execution Unit)：8個(gè)32位通用寄存器，64位桶形移位寄存器和乘除法器。1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)移動(dòng)任意位、完成1位的乘除法。分段部件SU(Segmentation Unit)：有效地址的計(jì)算，從邏輯地址到線性地址。線性地址連同總線周期事務(wù)處理信息發(fā)送到分頁(yè)部件PU。SU通過(guò)提供一個(gè)額外的尋址器件對(duì)邏輯地址空間進(jìn)行管理。實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間的隔離，實(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)區(qū)的再定位。分頁(yè)部件

7、PU(Paging Unit)：PU把由SU或IPU產(chǎn)生的線性地址轉(zhuǎn)換成物理地址，管理物理地址空間。一頁(yè)為4KB，每一段可以是一頁(yè)，也可以是若干頁(yè)。PU是80386芯片新增的部件，又是個(gè)可選件，若不使用PU，80386的線性地址即是物理地址。SU和PU合稱為存儲(chǔ)器管理部件MMU(Memory Management Unit)2.5.3 Intel80486微處理器的基本結(jié)構(gòu)Cache(高速緩沖存儲(chǔ)器)FPU(Floating Point Unit，浮點(diǎn)部件)32位處理器，最高工作頻率120MHzRISC (Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))技術(shù)

8、80486功能部件達(dá)到8個(gè)：執(zhí)行部件控制部件存儲(chǔ)器管理部件超高速緩沖存儲(chǔ)部件(Cache)總線接口部件指令預(yù)取部件指令譯碼部件浮點(diǎn)處理部件1、增強(qiáng)型的80387FPU協(xié)處理器，處理速度比80387提高了35倍2、8KB的數(shù)據(jù)和指令Cache3、采用RISC技術(shù)，使芯片內(nèi)的不規(guī)則控制部分減少，指令以較短的周期執(zhí)行。4、以布線邏輯直接控制代替微代碼控制，縮短可變長(zhǎng)指令的譯碼時(shí)間，基本的指令一個(gè)時(shí)鐘周期完成。5、采用單倍的時(shí)鐘頻率，提高電路穩(wěn)定性。6、內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的寬度為64位，在其Cache與浮點(diǎn)部件之間采用了二條32位總線連線。7、Cache與FPU浮點(diǎn)寄存器之間可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，大大減少了中

9、間開(kāi)銷(xiāo)。這也是80486縮短指令周期的重要途徑之一。 80486結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)：1）超標(biāo)量流水線：由“U”和“V”兩條指令流水線構(gòu)成超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu)每條流水線都有自己的ALU、地址生成邏輯和Cache接口在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行兩條整數(shù)指令每條流水線分為指令預(yù)取、指令譯碼、地址生成、指令執(zhí)行和回寫(xiě)5個(gè)步驟。2.5.4 Intel Pentium微處理器的基本結(jié)構(gòu) Pentium中文譯名為“奔騰”，簡(jiǎn)稱P5。同80486相比，Pentium在結(jié)構(gòu)上有如下特點(diǎn)：2）重新設(shè)計(jì)的浮點(diǎn)部件：分為8級(jí)流水，使每個(gè)時(shí)鐘周期能完成一個(gè)浮點(diǎn)操作。3）獨(dú)立的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache：Pentium片內(nèi)有兩個(gè)

10、8KB的Cache，雙路Cache結(jié)構(gòu)，一個(gè)是指令Cache，一個(gè)是數(shù)據(jù)Cache。4）分支預(yù)測(cè)：BTB(Branch Target Buffer，分支目標(biāo)緩沖器)的小Cache來(lái)動(dòng)態(tài)地預(yù)測(cè)程序的分支操作。5）采用64位外部數(shù)據(jù)總線：ALU和通用寄存器仍是32位，所以還是32位微處理器，同內(nèi)存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的外部數(shù)據(jù)總線采用64位總線，兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)528MBs。1、一個(gè)封裝內(nèi)安裝了兩個(gè)芯片。一個(gè)是CPU內(nèi)核，包括兩個(gè)8KB的L1Cache(一級(jí)高速緩存)，集成度為550萬(wàn)個(gè)晶體管。另一個(gè)是L2 Cache(二級(jí)高速緩存)容量為256KB，集成度為1550萬(wàn)個(gè)晶體管。這一L2 C

11、ache由全速總線同CPU內(nèi)核相連，從而提高了程序的運(yùn)行速度。2、指令分解為微操作（CISC-RISC）。3、亂序執(zhí)行和推測(cè)執(zhí)行。4、超級(jí)流水線（14級(jí)）和超標(biāo)量（3路）技術(shù)。2.5.5 Pentium Pro微處理器 Pentium Pro名為“高能奔騰”，簡(jiǎn)稱P6。P6增加了如下新內(nèi)容：2.5.6 Pentium MMX微處理器 Pentium MMX，中文名為“多能奔騰”。針對(duì)處理多媒體和通信能力推出的新一代處理器技術(shù)，是對(duì)IA32(Intel Architecture 32位Intel體系結(jié)構(gòu))指令系統(tǒng)的擴(kuò)展，它是通過(guò)在奔騰處理器中增加4種新的數(shù)據(jù)類(lèi)型、8個(gè)64位寄存器和57條新指令來(lái)

12、實(shí)現(xiàn)的。主要特點(diǎn)有：引入新的數(shù)據(jù)類(lèi)型（緊縮字節(jié)、緊縮字、緊縮雙字和四字），實(shí)現(xiàn)對(duì)SIMD（單指令流多數(shù)據(jù)流）支持采用飽和運(yùn)算，避免環(huán)繞運(yùn)算的上溢和下溢增加積和運(yùn)算功能，提高多媒體指令性能1. 多媒體增強(qiáng)技術(shù)(MMX技術(shù))2. 動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)多分支跳轉(zhuǎn)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)流分析推測(cè)執(zhí)行3. 雙重獨(dú)立總線結(jié)構(gòu)(DIB，Dual Independent Bus)2.5.7 Pentium微處理器 Pentium微處理器，簡(jiǎn)稱P，中文名為“奔騰”。多媒體增強(qiáng)技術(shù)(MMX技術(shù))，使“奔騰”芯片既保持了“高能奔騰”原有的強(qiáng)大處理功能，又增強(qiáng)了PC機(jī)在三維圖形、圖像和多媒體方面的可視化計(jì)算功能和交互功能。1. 增加了70

13、條SSE(Streaming SIMD Extensions，流式單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展)指令集2. 新一代P處理具有：二級(jí)緩存達(dá)256KB，采用256位數(shù)據(jù)通路，工作于核心頻率采用0.18m工藝，集成度高，功耗小采用新的先進(jìn)緩沖器提高數(shù)據(jù)交換性能采用移動(dòng)SpeedStep技術(shù)，提高系統(tǒng)靈活性2.5.8 Pentium III微處理器 Pentium 微處理器，簡(jiǎn)稱P，中文名為“奔騰”。該處理器在Pentium 的基礎(chǔ)上又增加了70條浮點(diǎn)多媒體指令，主頻也進(jìn)行了大幅提升。主要特點(diǎn)： 2.5.9 Pentium 4微處理器 Pentium 4微處理器由Intel公司于2000年11月發(fā)布，中文名為“奔

14、騰4”，簡(jiǎn)稱P4。 該處理器采用了全新的設(shè)計(jì)，包括等效于400MHz(1004)前端總線、SSE2指令集、256KB512KB的L2緩存、全新的超線程技術(shù)及NetBurst架構(gòu)，最低工作頻率為1.3GHz。 P4最重要的一個(gè)特點(diǎn)就是在CPU中引入了超線程技術(shù)（Hyper Threading，簡(jiǎn)稱“HT”)。超線程技術(shù)是在一顆CPU中可以同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)線程的技術(shù)。 2.5.10 新一代64位處理器及多核處理器 2003年以后AMD公司和Intel公司陸續(xù)推出64位個(gè)人電腦用的微處理器芯片，個(gè)人電腦開(kāi)始進(jìn)入64位計(jì)算時(shí)代。 Intel 64位微處理器主要特點(diǎn)：采用擴(kuò)展64位內(nèi)存技術(shù)，提供對(duì)64位數(shù)據(jù)處理支持采用兩種模式，可支持標(biāo)準(zhǔn)32位和64位處理 2005年以后AMD公司和Intel公司又陸續(xù)推出雙核64位微處理器，接著又在隨后的幾年提出了三核、四核甚至八核的微處理器芯片。 使用多核最重要的一個(gè)原因在于功率問(wèn)題。由于受到半導(dǎo)體工藝限制，單純依靠提高CPU的工作頻率來(lái)