高性能微处理器精选文档.ppt

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1、高性能微处理器本讲稿第一页，共三十二页12.1 80286微处理器 80286主要由总线部件(BU)、指令部件(IU)、执行部件(EU)和地址部件(AU)四个独立的处理部件构成一个有机的整体，并加强它们之间的并行操作程序，有效地加快处理速度。本讲稿第二页，共三十二页12.1.1 80286的内部结构分析(1)BUBU是微处理器与系统之间的一个高速接口，负责管理、控制总线操作。它有效地管理、控制80286与存储器、外部设备的联系。以最高的速率传送数据和预取指令的操作，实现零等待状态，完成对外的读/写。(2)IUIU负责从存储区域中取出指令，送入预取指令队列。该队列是预取器和指令译码器之间的一个缓

2、冲。指令译码器将指令从队列中取出、译码后送入已译码指令队列，并作好供EU执行的准备。IU连续译码，与此同时，EU执行的总是事先由IU译好的指令。这样译码和执行并行操作，改善了流水线功能，从而大大提高了80286的工作速度。(3)EUEU负责执行已译码的指令，按照所需步骤完成微处理器的算术、逻辑运算以及其他数据加工等操作。(4)AUAU由偏移量加法器、段界限值检查器、段基地址寄存器、段长度寄存器和物理地址加法器等部件构成，完成执行指令过程中的有关寻址操作。它实施存储器管理及保护功能，计算出操作数据的物理地址，同时检查保护权。在保护方式下，AU提供完全的存储管理、保护和虚拟存储等支持。AU内部有一

3、个高速缓冲寄存器，该寄存器保存着段的基地段、段长界限和当前正在执行的任务所用的全部虚拟存储段的访问权。本讲稿第三页，共三十二页12.1.2 80286的寄存器 80286的寄存器组与8086基本相同。同样有8个16位数据寄存器AX，BX，CX，DX，SP，BP，SI，DI。80286的4个段寄存器CS，DS，ES，SS各包括16位段选择器和与之相对应的48位段高速缓冲器（8位存取权域、24位基地址域和16位界限域），共64位，用于逻辑地址到物理地址的转换。80286的标志寄存器增设了两个标志位段寄存器字段。其中，IOPL字段为特权标志，用来定义当前任务的特权层，即优先权（有03四级）；NT位为

4、任务嵌套标志，NT1，表示当前执行的任务嵌套于另一任务中，否则NT0。80286新设了16位的机器状态字（MSW），只使用其中的低4位。80286还增设了4个系统表寄存器：全局描述符表寄存器GDTR、局部描述符表寄存器LDTR、中断描述符表寄存器IDTR、任务状态表寄存器TR。这4个系统表寄存器只在保护方式下使用。80286的保护方式在存储器中设置了三种类型的描述符表：全局描述符表（GDT，Global Descriptor Table）、局部描述符表（LDT，Local Descriptor Table）和中断描述符表（IDT，Interrupt Descriptor Table）。与808

5、6比较，80286芯片引脚功能最大的差别是不采用地址、数据线复用方式，因此有68条引脚，封装成四面都有引脚的正方形管壳方式。本讲稿第四页，共三十二页12.1.3 80286的存储器组织80286是在芯片内部最早实现存储管理和保护的微处理器。80286有实地址管理方式和保护虚拟地址管理方式。保护虚拟地址管理方式可对多任务操作提供可靠的支持。80286在加电或复位时自动进入实地址方式。可以通过使用指令LMSW和SMSW置机器状态字MSW中的PE位，使CPU进行实地址方式（PE0）和保护虚拟地址方式（PE1）的切换。本讲稿第五页，共三十二页本讲稿第六页，共三十二页本讲稿第七页，共三十二页新增寻址寄存

6、器新增寻址寄存器本讲稿第八页，共三十二页保护模式下的存储器寻址保护模式下的存储器寻址本讲稿第九页，共三十二页段描述符段描述符本讲稿第十页，共三十二页本讲稿第十一页，共三十二页实例实例本讲稿第十二页，共三十二页本讲稿第十三页，共三十二页12.2 80386微处理器 如果说，微处理器从8位到16位主要是总线的加宽，那么，从16位到32位，则是从体系结构设计上的概念性的革新。32位微处理器的问世是微处理器发展史的又一里程碑。32微处理器普遍采用流水线技术、指令重叠技术、虚拟存储技术、片内存储管理技术、存储器分段、分页保护技术。这些技术的应用，使32位微机可以更有效地处理数据、文字、图像、图形、语音等

7、各种信息，为实现多用户、多任务操作系统提供了有力的支持。本讲稿第十四页，共三十二页12.2.1 80386的内部结构 80386采用流水工作方式，其内部结构按功能划分由六大部件组成：总线接口部件(BIU)、指令预取部件(IPU)、指令译码部件(IDU)、指令执行部件(EU)、分段部件(SU)和分页部件(PU)。本讲稿第十五页，共三十二页寄存器结构寄存器结构本讲稿第十六页，共三十二页12.2.3 80386的工作方式 80386有高性能的存储管理部件MMU，有力地支持了三种工作方式：实地址方式、虚拟地址方式和虚拟8086方式。(1)实地址方式：80386在加电或复位初始化时进入实地址方式，这是一

8、种为建立保护方式作准备的方式。它与8086，80286相同，由16位段选择字左移4位与16位偏移地址相加，得到20位物理地址，可寻址1MB存储空间。这时，段的基地址是在4GB物理存储空间的第一个1MB内。(2)保护虚拟地址方式。80386的保护虚地址方式是其最常用的方式，一般开机或复位后，先进入实地址方式完成初始化，然后立即转入保护虚地址方式，也只有在保护虚地址方式下，80386才能充分发挥其强大的功能。(3)虚拟8086（V86）方式。虚拟8086方式又称为V86方式。80386把标志寄存器中的VM标志位置“1”，即进入V86方式，执行一个8086程序，把VM复位，即退出V86方式而进入保护

9、方式，执行保护方式的80386程序。本讲稿第十七页，共三十二页12.2.4 80386的存储器管理 80386在保护虚拟地址方式下，采用分段、分页两级综合的存储管理，用分段管理组织其逻辑地址空间的结构，用分页管理来管理其物理存储。80386的分段部件把程序的逻辑地址变换为线性地址，进而由分页部件变换为物理地址。这种段管理基础上的分页管理是80386所支持的最全面、功能最强的一种存储管理方式。由于微处理器内还设置高速缓冲存储器（Cache）和其他功能部件，使得这种两级地址转换的速度很快。本讲稿第十八页，共三十二页(1)分段管理 80386的分段管理与80286类似。80386的段描述符也为8By

10、te，段基地址扩大到32位，段限值扩大到1MB，增添了4位语义控制字段。80386的段描述符的格式如图12.4所示：本讲稿第十九页，共三十二页(2)分页管理 80386分页采用了页目录表、页表两级页变换机制，低一级的页表是页的映像，由若干页描述符组成，每一个页描述符指示一个物理页面；高一级的页目录表是页表的映像，由若干页目录描述符组成，每一个页目录描述符指示着不同页表，由80386的页目录基地址寄存器CR3指示页目录表在存储器中的位置。80386的页表和页目录表中最多可分别包含210个页描述符和页目录描述符，每个描述符均由4Byte（32位）组成，其格式也基本相同。本讲稿第二十页，共三十二页8

11、0386的存储器的分页机构 80386的页面和页表均起始于存储空间的4KB界上，因此，页面地址和页表地址的低12位为全0。在80386分页系统中，由CR3给出页目标表的基地址，利用32位线性地址的高10位在页目录表的1 024个页目录描述符中选定1个，从而获得对应页表的基地址；利用线性地址的中间10位，在对应页表的1 024个页描述符中选定1个，得到页面地址；利用线性地址的最低12位可在指定页面的4KB中选中一个物理存储单元，实现了从线性地址到物理地址的转换。这种地址转换是标准的二级查表机构。本讲稿第二十一页，共三十二页(3)80386的高速缓冲存储管理 为了加快段内地址转换速度，在80386

12、芯片上有高速缓冲存储器（Cache），可把当前段描述符存入Cache中，在以后进行的地址转换中，就不用再访问描述符表，而只与Cache打交道，这样就大大地提高了地址转换的速度。本讲稿第二十二页，共三十二页12.3 80486微处理器 Intel 80486是Intel公司在1989年推出的新一代32位微处理器，是80386的升级产品。80486相当于以80386为核心，除包含在片内的8KB高速缓存（Cache）和相当于80387的数值协处理器之外，还采用了易于构成多处理器系统结构的机制。这是80486结构上的重大变革，从而使它的整体性能有了很大提高。在相同的工作频率下，其处理速度比80386提

13、高了24倍，实现了高速度化和支持多处理器系统设计目标。本讲稿第二十三页，共三十二页12.3.1 80486的内部结构本讲稿第二十四页，共三十二页12.3.2 80486的技术特点 80486在Intel微处理器的历史上首次采用了RISC技术，有效地优化了微处理器的性能。80486采用RISC技术并不意味着与80386等CPU不兼容，实际上指令也并没有精简，强调的只是RISC技术，目的是使80486达到1个时钟周期执行1条指令。目前80486已超过了这一设计目标，平均1个时钟周期执行12条指令。80486采用了突发总线（Burst Bus）同外部RAM进行高速数据交换。通常CPU与RAM进行数据

14、交换时，取得一个地址，交换一个数据，再取得一个地址，又交换一个数据。而采用突发总线后，每取得一个地址，便将这个地址及其后地址中的数据一起参与交换，从而大大加快了CPU与RAM之间的数据传输率。这种技术尤其适用于图形显示和网络运用。因为在这两种情况下，所涉及的地址空间一般都是连续的。80486配置了8KB的高速缓冲存储器Cache。该高速缓存采用4路相连的实现方案，具有较高的命中率（约为92%）。80486片内设置了一个数值协处理器，这就使得80486不再需要片外数值处理器80387的支持，而直接有浮点数据处理能力，从而缩短了CPU与数值协处理器之间的通信时间，提高了浮点处理能力。Intel 8

15、0486有多种产品，包括486SX，486DX，486DX2和Over Drive升级芯片等。本讲稿第二十五页，共三十二页12.4 Pentium处理器 1993年3月。Intel公司推出了新一代名为Pentium的微处理器（P5）。它拥有32位寄存器、64位数据总线和32位地址线、高性能浮点处理部件和多媒体处理MMX部件。采用0.80微米制造工艺，支持60和66MHz前端总线速度（FSB），安全工作电压为5V。Pentium处理器采用了全新的设计，与80486相比内部结构也作了很大改进，但是依然保持了和80X86系列的二进制兼容性，在相同的工作模式上可以执行所有的80X86程序。片内存储管理

16、单元（MMU）也与386和486兼容，可以在实地址模式引导下转入保护模式和虚拟86模式，其指令集包括了80486的所有指令，并增加了新的指令。本讲稿第二十六页，共三十二页 其下一代产品是一年后推出的P54，它支持3.3V的内核电压，使用了0.50微米甚至是0.35微米的制造工艺，处理器的时钟频率达到了75200MHz，总线频率5066MHz。P5带有16KB的一级缓存。要特别提到的是，这次英特尔首次运用了两个独立的一级高速缓存：8KB用于数据，另8KB用于指令；采用Socket5和IA32架构。英特尔下一个最重要的转变就是P55处理器的推出，这是第一款采用增加了57条MMX指令集（主要用于多媒

17、体和网络通信）的CPU。随着CPU的制造工艺继续发展，处理器已转向到0.35微米制造工艺上，运行电压变成2.8V，这就要求主板进行相应的结构上的改变以支持此新的CPU电压，也就是说要对主板增加一个电压调整器。新的CPU的一级缓存也增加到了以前的两倍，达到32KB。Pentium MMX处理器在Socket7的架构下工作于166233MHz的时钟频率，它的总线频率为66MHz本讲稿第二十七页，共三十二页12.4.1 Pentium处理器的内部结构本讲稿第二十八页，共三十二页12.4.2 Pentium处理器的技术特点（1）Pentium的片内高速缓存采用了分离式结构（2）Pentium采用RIS

18、C技术（3）Pentium具有高性能的浮点运算部件（4）具有分支指令预测功能（5）数据总线位宽增加（6）常用指令固化（7）系统管理模式(SMM)本讲稿第二十九页，共三十二页12.4.3 Pentium处理器的发展1.1.Pentium ProPentium Pro Pentium Pro是第一个属于第六代CPU的产品。从第六代微处理器开始，具有36条地址线，可寻址64G的地址空间。Pentium Pro具有16KB的一级缓存,时钟频率为150200MHz,其系统总线为60或66MHz,采用的是socket8结构。2.2.Pentium II Pentium II Pentium II的核心其实

19、就是Pentium PRO+MMX。3.Pentium III 3.Pentium III Pentium III仍是32位Intel结构（IA-32）CPU，它最重要的技术特点在于采用了KNI（MMX2）构架并添加了70条新指令 本讲稿第三十页，共三十二页4.4.Pentium 4Pentium 4 Pentium 4处理器是Intel公司全新推出的IA-32结构处理器，而采用了和以往不同的全新Net Burst构架。5.5.Celeron(Celeron(赛扬赛扬)Intel的赛扬系列是Intel面向低端市场的产品，其实就是Pentium II的简化版，唯一的差别在于减少了集成的L2 Ca

20、che 6.Xeon 6.Xeon（至强）至强）该处理器专为满足中高档服务器和工作站而设计的。本讲稿第三十一页，共三十二页摩尔定律 自从1965年起，Intel公司的创办人之一戈登摩尔提出的摩尔定律（即CPU以18个月为一个更新换代周期），已经一次又一次地被证实。自从第一个处理器问世以来，Intel 公司已经连续发明制造了10代规模化生产的微处理器芯片，这一系列的产品由8080芯片开始，经过8086，80286，80386，80486，Pentium（奔腾），Pentium MMX（多能奔腾）、Pentium Pro（高能奔腾），Pentium（奔腾），Pentium（奔腾）和最新的Pentium 4（奔腾4）处理器。每一代产品都标志着个人电脑计算能力的又一次飞跃及技术上的重大突破。按照摩尔定律的预测，到2011年，一个微处理器将含有10亿个晶体管，而系统功能将是奔腾处理器的150倍。微处理器发展到此，并不是至极，而只不过是新的开端而已，更新的处理器将会以前所未有的功能展现在我们面前。本讲稿第三十二页，共三十二页