《微機(jī)原理與接口技術(shù)（第2版）》第13章高檔微處理器

第13章

高檔微處理器本章知識要點(diǎn)：

本章仍然以Intel系列微處理器為平臺，追蹤微機(jī)技術(shù)的發(fā)展。從科學(xué)發(fā)展觀的角度，認(rèn)知高能奔騰—PentiumPro、多能奔騰—PentiumMMX、二代奔騰—PentiumII、多能奔騰二代—PentiumIII、Pentium4、以及Intel于2005年4月推出的存儲器擴(kuò)展的64位微處理器技術(shù)、以及最近采用的雙核技術(shù)。它們代表了目前世界上微機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)理念、先進(jìn)知識、先進(jìn)理論和先進(jìn)技術(shù)。本章重點(diǎn)是微機(jī)技術(shù)的發(fā)展過程、64位微處理器技術(shù)和雙核技術(shù)。難點(diǎn)是64位微處理器技術(shù)和雙核技術(shù)。13.1高能奔騰—PentiumPro1996年后，Intel又相繼推出了高能奔騰—PentiumPro、多能奔騰—PentiumMMX、二代奔騰—PentiumII、多能奔騰二代—PentiumIII

等Pentium系列高檔微處理器1．

RISC技術(shù)

Intel在開發(fā)PentiumPro微處理器高性能過程中也采用了RISC技術(shù)。PentiumPro微處理器不僅是一代卓越的超標(biāo)量微處理器，而且是超流水線型的，在同樣的時(shí)鐘速率下比Pentium快三分之一。

2．PentiumPro新技術(shù)

Intel的PentiumPro微處理器的“DynamicExecution(動態(tài)執(zhí)行)”使得PentiumPro微處理器在大多數(shù)情況下處理指令的效率比Pentium更高一些。3．事務(wù)總線

PentiumPro微處理器采用的是事務(wù)總線設(shè)計(jì)，可以支持多個(gè)特殊的總線請求。4．PentiumPro內(nèi)部結(jié)構(gòu)

PentiumPro微處理器采用的是一種特殊的總線結(jié)構(gòu)。二級Cache被設(shè)計(jì)成與PentiumPro微處理器同處一個(gè)芯片內(nèi)，同被封裝在一起5．PentiumPro流水線

PentiumPro微處理器使用是一種被劃分為按序、亂序和退出這樣三個(gè)操作部分的14級深的流水線，13.2多能奔騰—PentiumMMX

1996年底推出的Pentium微處理器系列的改進(jìn)版本—PentiumMMX微處理器（多能奔騰），所采用的MMX技術(shù)是Intel最新發(fā)明的一項(xiàng)多媒體增強(qiáng)指令技術(shù)。它的指令系統(tǒng)新增加了57條為豐富和加速PC機(jī)上多媒體和通信而設(shè)計(jì)的新指令，所以被稱之為“多媒體擴(kuò)展指令系統(tǒng)”。

1．MMX技術(shù)

PentiumMMX使用了一種叫做單指令流、多數(shù)據(jù)流（SIMD）的技術(shù)，該技術(shù)能夠使CPU同時(shí)對二個(gè)、四個(gè)甚至八個(gè)數(shù)據(jù)元素進(jìn)行計(jì)算，且不會降低操作速度。

2．體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

PentiumMMX功能的增強(qiáng)會簡化系統(tǒng)中其他子系統(tǒng)。PentiumMMX提高了處理機(jī)分擔(dān)多媒體計(jì)算的能力，這將使圖形加速、聲頻、視頻的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)變得簡單，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本。3．簡單的乘—累加操作（1）在PentiumMMX上的操作方法（2）在經(jīng)典Pentium上操作的方法13.3二代奔騰—PentiumII

1997年5月，Intel推出了與PentiumPro同一個(gè)級別的微處理器PentiumII。

PentiumII雖然采用了原有PentiumPro相同的核心體系結(jié)構(gòu)，但它加快了對段寄存器寫操作的速度，還增加了MMX指令，從而加速了操作系統(tǒng)的執(zhí)行速度。由于PentiumII又增加了可重命名的段寄存器，因此PentiumII有能力可以猜測地執(zhí)行寫操作。在總線方面，PentiumII采用了雙獨(dú)立總線結(jié)構(gòu)，即其中的一條總線被連接到了二級Cache，另一條總線主要是負(fù)責(zé)主存儲器的信息傳送操作。1．體系結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)

PentiumII微處理器又新配備了八個(gè)64位的MMX寄存器，以加速多媒體任務(wù)的執(zhí)行。并且配置了可重命名的段寄存器，用以加速操作系統(tǒng)的執(zhí)行速度。采用了MMX多媒體增強(qiáng)技術(shù)的PentiumII微處理器與多能PentiumMMX微處理器相比，體系結(jié)構(gòu)又有新意，結(jié)合雙獨(dú)立總線結(jié)構(gòu)，即其中一條總線連接到二級Cache，另一條總線主要負(fù)責(zé)與主存儲器之間的信息傳送。2．PentiumII流水線

超標(biāo)量技術(shù)被Intel巧妙地移植到CISC類的PentiumII微處理器上。超標(biāo)量組織的主要部件是指令預(yù)取和譯碼部件、調(diào)度發(fā)送和執(zhí)行部件、指令緩沖部件恢復(fù)部件。3.PentiumII的Cache

將PentiumII上的一級Cache的容量從16KB加倍到32KB

4.分支轉(zhuǎn)移預(yù)測

PentiumII使用的是基于轉(zhuǎn)移指令近期執(zhí)行歷史的動態(tài)轉(zhuǎn)移預(yù)測策略。由一個(gè)分支轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩沖存儲器（BTB）負(fù)責(zé)控制著它的運(yùn)行，BTB進(jìn)行的是高速緩沖存儲操作，其內(nèi)保存著近期所遇到的有關(guān)轉(zhuǎn)移指令的相關(guān)信息。

13.4多能奔騰二代—PentiumIII

1.PentiumⅢ的高性能

1999年2月，推出了PentiumIII芯片。它是為提高用戶的互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算而設(shè)計(jì)的微處理器。

PentiumIII芯片所帶來的最重要的技術(shù)創(chuàng)新之一就是它新增加的71條被稱之為互聯(lián)網(wǎng)的指令和處理機(jī)的序列號。2．SSE指令

PentiumⅢ新增添的71條互聯(lián)網(wǎng)SSE指令，SSE指令集中包含有以下三類指令：八條高速緩沖存儲器控制指令；

50條單指令多數(shù)據(jù)浮點(diǎn)運(yùn)算指令；

12條新的多媒體指令等；3．

PentiumIII的微體系結(jié)構(gòu)

PentiumⅢ是基于Intel的P6微體系結(jié)構(gòu)，其中包括增加帶寬的快速100MHz系統(tǒng)總線、大小規(guī)模為512KB的二級Cache和使微處理器效率更高的動態(tài)執(zhí)行技術(shù)。微處理器的核心邏輯有所擴(kuò)展，增加了一個(gè)新的微處理器狀態(tài)、一個(gè)新的數(shù)據(jù)類型，和能夠進(jìn)行并行浮點(diǎn)和整數(shù)操作的8個(gè)128位的寄存器。總線速度擴(kuò)展到450MHz、500MHz。（1）二級CachePentiumⅢ把全速256KB的二級Cache集成進(jìn)了其核心芯片之內(nèi)，（2）更高的后端總線傳輸帶寬

PentiumⅢ的“高級傳輸高速緩沖存儲器”除了運(yùn)行主頻與核心頻率一樣外，它與PentiumⅢ核心運(yùn)算部件之間的數(shù)據(jù)通路也從原來的64位提高到現(xiàn)在的256位，僅數(shù)據(jù)通路的帶寬就提高了4倍。

13.5Pentium4

1．Pentium4性能最強(qiáng)為Pentium4設(shè)計(jì)了一種被稱之為“NetBurst”的新微體系結(jié)構(gòu)，它可以更好地滿足目前互聯(lián)網(wǎng)用戶的需求。Pentium4在數(shù)據(jù)加密、視頻壓縮和對等網(wǎng)絡(luò)等方面的性能都有較大幅度的提高。2．Pentium4的NetBurst

微體系結(jié)構(gòu)所謂NetBurst，顧名思義；Net—即網(wǎng)的意思；Burst—成組傳輸、突發(fā)傳輸?shù)囊馑?。若在網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)，不傳則已，傳則即為很大的信息量。如傳一幅圖片，總不能讓用戶等半天才能得到信息。這樣就要求Pentium4快速地、大量地處理信息和傳送信息。系統(tǒng)總線400MHz高速執(zhí)行引擎高級動態(tài)執(zhí)行機(jī)制擁有執(zhí)行追蹤功能的1級Cache性能增強(qiáng)了的浮點(diǎn)部件和多媒體部件超級流水線技術(shù)具先進(jìn)傳輸機(jī)制的2級Cache

圖中展示出了Pentium4微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各功能部件在芯片內(nèi)的位置

3．超級流水線技術(shù)

Pentium4配備了新的超級流水線技術(shù)，它把流水線的深度增加到20級，Pentium4的超級流水線上配備有20個(gè)基本操作部件，所以Pentium4的操作速度也就快得多。衡量CPU性能的公式是：性能=CPU的主頻

IPC4．高速的系統(tǒng)總線（400MHz）

Pentium4在數(shù)據(jù)傳輸方面采用了其時(shí)鐘頻率為400MHz新的系統(tǒng)總線。5．擁有執(zhí)行追蹤功能的一級Cache

Pentium4的一級指令Cache被改進(jìn)成執(zhí)行追蹤的Cache，其容量12KB，但是由于在Pentium4的執(zhí)行追蹤的Cache內(nèi)存放著已經(jīng)譯好碼的微指令(μOPs)，使Pentium4不必每次都要重新給指令譯碼，從而大大加快了譯碼速度，6．高級動態(tài)執(zhí)行機(jī)制

Pentium4配備的高級動態(tài)執(zhí)行機(jī)制，使Pentium4在流水線中所能處理的指令條數(shù)比PentiumIII多出3倍以上，并能合理地預(yù)測分支轉(zhuǎn)移指令。

7.高速執(zhí)行引擎在Pentium4中配置了一種時(shí)鐘緩沖器電路，可以使NetBurst微體系結(jié)構(gòu)下的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算部件ALU能夠在２倍于CPU主頻的速度下操作，Intel把其稱之為高速執(zhí)行引擎。8．配備有先進(jìn)傳輸機(jī)制的二級CachePentium4的NetBurst微體系結(jié)構(gòu)使用的二級Cache其大小規(guī)模為256KB，又稱可進(jìn)行高級傳輸?shù)木彌_存儲器9．性能增強(qiáng)了的浮點(diǎn)部件和多媒體部件

Pentium4把浮點(diǎn)寄存器擴(kuò)展成了128位，并且又增加了一個(gè)用于數(shù)據(jù)傳送的輔助寄存器，這樣就大大改善了浮點(diǎn)部件和多媒體部件的性能。10．單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展的數(shù)據(jù)流SIMD

(SSE2)指令集

Pentium4引進(jìn)了為加速執(zhí)行各種應(yīng)用程序而設(shè)計(jì)的、包含144條多媒體及圖形指令的單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展的數(shù)據(jù)流SIMD(SSE2)指令集，其中SIMD是指單指令多數(shù)據(jù)操作，它們是第二代高級浮點(diǎn)以及多媒體指令集（SSE2）。13.664位技術(shù)

2005年4月，Intel推出了她的64位微處理器EM-64T，即存儲器擴(kuò)展64位微處理器技術(shù)。存儲器擴(kuò)展64位微處理器技術(shù)具體表現(xiàn)在：新的操作模式，新增加和增強(qiáng)的指令多達(dá)432條。存儲器擴(kuò)展64位微處理器技術(shù)，對傳統(tǒng)模式、兼容模式、64位模式等這3種操作模式都給以支持：1．傳統(tǒng)模式所謂傳統(tǒng)模式，即在32位微處理器使用過的，而在64位微處理器上保留下來的操作模式。在存儲器擴(kuò)展64位微處理器上，像之前的32位操作系統(tǒng)、32位應(yīng)用程序、32位驅(qū)動程序等都是傳統(tǒng)模式，64位微處理器技術(shù)一如既往地都提供支持。2．兼容模式兼容模式是在代碼段基礎(chǔ)上的、經(jīng)操作系統(tǒng)允許的一種操作模式。在存儲器擴(kuò)展的64位微處理器上，不僅對新的64位操作系統(tǒng)、新的64位驅(qū)動程序提供支持，而且對以前的32位應(yīng)用程序也照樣提供支持3．64位模式

64位的操作模式是在代碼段基礎(chǔ)上，由操作系統(tǒng)允許并啟動的一種操作模式。在存儲器擴(kuò)展64位微處理器上，對全新的64位操作系統(tǒng)、64位應(yīng)用程序、64位驅(qū)動程序、64位虛擬地址空間給以支持，而且使用全新的64位通用寄存器GPRs。當(dāng)訪問比64位寄存器和64位地址還大的信息時(shí)，使用64位的通用寄存器GPRs。

4．通用寄存器在存儲器擴(kuò)展64位微處理器上，把現(xiàn)有的32位的8個(gè)通用寄存器都展寬到64位，根據(jù)功能的需求又新增加了8個(gè)64位通用寄存器。

64位微處理器，還新設(shè)置了8個(gè)新的128位的、單指令多數(shù)據(jù)流SIMD擴(kuò)展寄存器5.不變的寄存器

64位微處理器，它就保留了32位微處理器使用的那個(gè)32位的標(biāo)志寄存器EFLAGS，浮點(diǎn)部件上的那8個(gè)80位的浮點(diǎn)數(shù)值寄存器ST0～ST7，32位微處理器上使用的8個(gè)64位的多媒體寄存器MM0～MM7，也同樣保留了下來。6．分支轉(zhuǎn)移技術(shù)

64位微處理器的擴(kuò)展技術(shù)，把分支轉(zhuǎn)移機(jī)制擴(kuò)充成二個(gè)，以便滿足64位線性地址空間中的分支轉(zhuǎn)移需求。（1）近程分支轉(zhuǎn)移，在64位的操作模式中被重新定義。（2）在64位的操作模式和兼容模式下，64位的調(diào)用門描述符用于遠(yuǎn)程調(diào)用。在64位的操作模式中，所有的近程分支轉(zhuǎn)移的操作數(shù)規(guī)模大小，都被強(qiáng)制成64位的。8．超線程技術(shù)采用超線程技術(shù)HT技術(shù)的目的，是在多任務(wù)處理環(huán)境內(nèi)，在執(zhí)行多線程操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序，或者單線程應(yīng)用程序時(shí)，用來改善32位微處理器的性能。這項(xiàng)技術(shù)可以使一個(gè)微處理器同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)或多個(gè)各自獨(dú)立的程序。9．高級動態(tài)執(zhí)行機(jī)制

64位微處理器上采用的高級動態(tài)執(zhí)行技術(shù)包括：（1）較深的流水線技術(shù)、亂序執(zhí)行技術(shù)、再加上推測執(zhí)行引擎：

①可以讓126條指令魚貫執(zhí)行。

②在流水線內(nèi)可以執(zhí)行48個(gè)裝入操作、以及24個(gè)存儲操作。（2）增強(qiáng)了的分支轉(zhuǎn)移預(yù)測能力

①與較深的流水