分析Intel公司Pentium系列CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).doc

分析Intel公司Pentium系列CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、課題分析承接著80486大獲成功的東風(fēng)，賺大筆美金的Intel在1993年推出了全新一代的高性能處理器Pentium。Pentium CPU它是世界上第一款與數(shù)字無關(guān)的處理器，堪稱為當(dāng)代CISC機(jī)器的經(jīng)典之作。由運(yùn)算器和控制器組成中央微處理器即CPU。要分析Intel公司Pentium CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),首先我們要對(duì)Pentium CPU的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行深刻的了解，進(jìn)而對(duì)它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行分析，最后針對(duì)缺點(diǎn)進(jìn)行假想，從而寫出一份針對(duì)Pentium CPU的改進(jìn)方案。我將從以下幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行分析： 1. 核心技術(shù) 2. 發(fā)展進(jìn)程 3. Pentium的結(jié)構(gòu)框圖 4. Pentium性能簡(jiǎn)介 5. 原理結(jié)構(gòu) 6. 多Cache技術(shù) 7. 超標(biāo)量流水線 8. 問題及建議工作安排：分工表王宏斌分析Pentium及早期Pentium cpu殷賢波分析Pentium II 與Pentium VI 比較金小敏分析Pentium III 與Pentium VI 比較匯總總結(jié)分析Pentium 系列機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二、Pentium系列CPU總體概況分析 奔騰商標(biāo)Pentium是英特爾的第五代x86架構(gòu)之微處理器，于1993年3月22日開始出貨，是486產(chǎn)品線的后代。Pentium本應(yīng)命名為80586或 i586，后來命名為“Pentium”（通常認(rèn)為“pentium”是希臘文“五（penta）”加拉丁文中代表名詞的接尾語“ium”的造詞），是因?yàn)榘⒗當(dāng)?shù)字無法被用作注冊(cè)商標(biāo)。i586被使用在英特爾競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手所制造的類80586的微處理器。1核心技術(shù)Tualatin這也就是大名鼎鼎的“圖拉丁”核心，是Intel在Socket 370架構(gòu)上的最后一種CPU核心，采用0.13m 制造工藝，封裝方式采用FC-PGA2和PPGA，核心電壓也降低到了1.5V左右，主頻范圍從1GHz到1.4GHz，外頻分別為100MHz（賽揚(yáng)）和133MHz（Pentium III），二級(jí)緩存分別為512KB（Pentium III-S）和256KB（Pentium III和賽揚(yáng)），這是最強(qiáng)的Socket 370核心，其性能甚至超過了早期低頻的Pentium 4系CPU。WillametteNetburst微架構(gòu)是P6微架構(gòu)的后繼者，第一個(gè)使用這架構(gòu)的是Willamette核心，于2000年推出。Willamette核心制造工藝落后，發(fā)熱量大，性能低下，已經(jīng)被淘汰掉，而被Northwood核心所取代。Northwood第二個(gè)Pentium4核心，代號(hào)為Northwood，改用了更為精細(xì)的0.13微米制程，集成了更大的512KB二級(jí)緩存，性能有了大幅的提高。按照Intel的規(guī)劃，Northwood核心會(huì)很快被Prescott核心所取代。PrescottPrescott核心的P4處理器發(fā)熱量要比Northwood核心的大很多。性能接近。這是目前高端的Pentium 4 EE、主流的Pentium 4和低端的Celeron D所采用的核心。Prescott核心與Northwood核心最大的區(qū)別是采用了90nm制造工藝，L1 數(shù)據(jù)緩存從8KB增加到16KB，流水線結(jié)構(gòu)也從20級(jí)增加到了31級(jí)，并且開始支持SSE3指令集。按照Intel的規(guī)劃，Prescott核心會(huì)被Cedar Mill核心取代。Smithfield這是Intel公司的第一款雙核心處理器的核心類型，于2005年4月發(fā)布，基本上可以認(rèn)為Smithfield核心是簡(jiǎn)單的將兩個(gè)Prescott核心松散地耦合在一起的產(chǎn)物，這是基于獨(dú)立緩存的松散型耦合方案，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是性能不夠理想。其數(shù)據(jù)延遲問題比較嚴(yán)重，性能并不盡如人意。按照Intel的規(guī)劃，Smithfield核心將會(huì)很快被Presler核心取代。Cedar Mill這是Pentium 4 6X1系列和Celeron D 3X2/3X6系列采用的核心，從2005末開始出現(xiàn)。其與Prescott核心最大的區(qū)別是采用了65nm制造工藝，其它方面則變化不大，基本上可以認(rèn)為是Prescott核心的65nm制程版本。Cedar Mill核心也是Intel處理器在NetBurst架構(gòu)上的最后一款單核心處理器的核心類型，按照Intel的規(guī)劃，Cedar Mill核心將逐漸被Core架構(gòu)的Conroe核心所取代。Presler這是Pentium D 9XX和Pentium EE 9XX采用的核心，Intel于2005年末推出。基本上可以認(rèn)為Presler核心是簡(jiǎn)單的將兩個(gè)Cedar Mill核心松散地耦合在一起的產(chǎn)物，是基于獨(dú)立緩存的松散型耦合方案，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是性能不夠理想。按照Intel的規(guī)劃，Presler核心從2006年第三季度開始將逐漸被Core架構(gòu)的Conroe核心所取代。Yonah目前采用Yonah核心CPU的有雙核心的Core Duo和單核心的Core Solo，另外Celeron M也采用了此核心，Yonah是Intel于2006年初推出的。這是一種單/雙核心處理器的核心類型，其在應(yīng)用方面的特點(diǎn)是具有很大的靈活性，既可用于桌面平臺(tái)，也可用于移動(dòng)平臺(tái)；既可用于雙核心，也可用于單核心。Yonah核心來源于移動(dòng)平臺(tái)上大名鼎鼎的處理器Pentium M的優(yōu)秀架構(gòu)，具有流水線級(jí)數(shù)少、執(zhí)行效率高、性能強(qiáng)大以及功耗低等等優(yōu)點(diǎn)。Yonah核心是共享緩存的緊密型耦合方案，其優(yōu)點(diǎn)是性能理想，缺點(diǎn)是技術(shù)比較復(fù)雜。不過，按照Intel的規(guī)劃，以后Intel各個(gè)平臺(tái)的處理器都將會(huì)全部轉(zhuǎn)移到Core架構(gòu)，Yonah核心其實(shí)也只是一個(gè)過渡的核心類型，從2006年第三季度開始，其在桌面平臺(tái)上將會(huì)被Conroe核心取代，而在移動(dòng)平臺(tái)上則會(huì)被Merom核心所取代。2發(fā)展進(jìn)程Pentium的由來繼承著80486大獲成功的東風(fēng)，賺大筆美金的Intel在1993年推出了全新一代的高性能處理器Pentium。由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越趨向于激烈化，Intel覺得不能再讓AMD和其他公司用同樣的名字來搶自己的飯碗了，于是提出了商標(biāo)注冊(cè)，由于在美國(guó)的法律里是不允許用阿拉伯?dāng)?shù)字注冊(cè)的，于是Intel玩了個(gè)花樣，用拉丁文去注冊(cè)商標(biāo)。“pentium”在拉丁文里面就是“五”的意思。Intel公司還替它起了一個(gè)相當(dāng)好聽的中文名字奔騰。 Intel 奔騰處理器 486后的改版 超標(biāo)量(Superscalar) 架構(gòu) - Pentium 擁有兩個(gè)資料路徑 (管線, pipelines)，可以達(dá)到在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成一個(gè)以上的指令。一個(gè)管線 (稱為U) 可以處理任何的指令，而另外一個(gè) (稱為V) 可以處理簡(jiǎn)單，最共同的指令。使用一個(gè)以上的管線是傳統(tǒng) RISC處理器設(shè)計(jì)的特色，這也是在許多 x86 平臺(tái)上第一個(gè)實(shí)作出來的，顯示有將兩種技術(shù)合并的可能性，創(chuàng)造出幾乎“混合在一起”的處理器。Pentium MMX接著，P55C 也以 Pentium with MMX Technology 推出 (通常只稱為 Pentium MMX)；他是以 P5 核心為基礎(chǔ)，0.35 µm 制程也在這個(gè)系列中使用，但是擁有新的 57 個(gè) MMX 指令集來增進(jìn)多媒體工作的效率，像是媒體的編碼跟解壓縮。然而，軟體必須明確地對(duì)於使用 MMX 做最佳化，以及 P55C 顯示出速度增加的幻象主要是來自於內(nèi)部快取(cache)的容量變成兩倍為 32 KB。 Intel奔騰MMX處理器PentiumPro初步占據(jù)了一部分CPU市場(chǎng)的INTEL并沒有停下自己的腳步，在其他公司還在不斷追趕自己的奔騰之際，又在1996年推出了最新一代的第六代X86系列CPU棗P6。P6只是它的研究代號(hào)，上市之后P6有了一個(gè)非常響亮的名字棗PentimuPro。 Intel奔騰 Pro處理器PentimuPro的內(nèi)部含有高達(dá)550萬個(gè)的晶體管，內(nèi)部時(shí)鐘頻率為133MHZ，處理速度幾乎是100MHZ的PENTIUM的2倍。PentimuPro的一級(jí)(片內(nèi))緩存為8KB指令和8KB數(shù)據(jù)。 Pentium II為英特爾推出的一枚X86架構(gòu)的處理器，基于PentiumPro使用的P6微處理架構(gòu)，但另一方面它的16位元處理能力獲得優(yōu)化，并加入MMX指令集。與Pentium及PentiumPro處理器不同，PentiumII使用一種插槽式設(shè)計(jì)。處理器芯片與其他相關(guān)芯片皆在一塊類似子卡的電路板上，而電路板上有一塊塑膠蓋，有時(shí)亦有一風(fēng)扇。PentiumII亦把L2放到這電路板上，但只運(yùn)行處理器時(shí)脈一半的速度。此舉增加處理器的良率，從而減低制作成本。 Intel奔騰處理器Pentium III同年，英特爾又發(fā)布了Pentium III處理器。從Pentium III開始，英特爾又引入了70條新指令(SIMD，SSE)，主要用于因特網(wǎng)流媒體擴(kuò)展(提升網(wǎng)絡(luò)演示多媒體流、圖像的性能)、3D、流式音頻、視頻和語音識(shí)別功能的提升。Pentium III可以使用戶有機(jī)會(huì)在網(wǎng)絡(luò)上享受到高質(zhì)量的影片，并以3D 的形式 參觀在線博物館、商店等。 第一代Pentium III處理器 (Katmai)Pentium IV2000年英特爾發(fā)布了Pentium 4處理器。用戶使用基于Pentium 4處理器的個(gè)人電腦，可以創(chuàng)建專業(yè)品質(zhì)的影片，透過因特網(wǎng)傳遞電視品質(zhì)的影像，實(shí)時(shí)進(jìn)行語音、影像通訊，實(shí)時(shí)3D渲染，快速進(jìn)行MP3編碼解碼運(yùn)算，在連接因特網(wǎng)時(shí)運(yùn)行多個(gè)多媒體軟件。這是目前空前強(qiáng)大的個(gè)人電腦處理器產(chǎn)品，仍然在繼續(xù)銷售中。Pentium 4處理器集成了4200萬個(gè)晶體管，到了改進(jìn)版的Pentium 4(Northwood)更是集成了5千5百萬個(gè)晶體管；并且開始采用0.18微米進(jìn)行制造，初始速度就達(dá)到了1.5GHz。Pentium 4還提供的SSE2指令集，這套指令集增加144個(gè)全新的指令，在128bit壓縮的數(shù)據(jù)，在SSE時(shí)，僅能以4個(gè)單精度浮點(diǎn)值的形式來處理，而在SSE2指令集，該資料能采用多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來處理：4個(gè)單精度浮點(diǎn)數(shù)(SSE)對(duì)應(yīng)2個(gè)雙精度浮點(diǎn)數(shù)(SSE2)；對(duì)應(yīng)16字節(jié)數(shù)(SSE2)；對(duì)應(yīng)8個(gè)字?jǐn)?shù)(word)；對(duì)應(yīng)4個(gè)雙字?jǐn)?shù)(SSE2)；對(duì)應(yīng)2個(gè)四字?jǐn)?shù)(SSE2)；對(duì)應(yīng)1個(gè)128位長(zhǎng)的整數(shù)(SSE2) 。 第一代的Pentium4（Socket423）處理器 Pentium MPentiumM：由以色列小組專門設(shè)計(jì)的新型移動(dòng)CPU，Pentium M是英特爾公司的x86架構(gòu)微處理器，供筆記簿型個(gè)人電腦使用，亦被作為Centrino的一部分，于2003年3月推出。Pentium D2005年Intel推出的雙核心處理器有Pentium D和Pentium Extreme Edition，同時(shí)推出945/955/965/975芯片組來支持新推出的雙核心處理器，采用90nm工藝生產(chǎn)的這兩款新推出的雙核心處理器使用是沒有針腳的LGA 775接口，但處理器底部的貼片電容數(shù)目有所增加，排列方式也有所不同。桌面平臺(tái)的核心代號(hào)Smithfield的處理器，正式命名為Pentium D處理器，除了擺脫阿拉伯?dāng)?shù)字改用英文字母來表示這次雙核心處理器的世代交替外，D的字母也更容易讓人聯(lián)想起Dual-Core雙核心的涵義。Pentium EE同出自Intel之手，而且Pentium D和Pentium Extreme Edition兩款雙核心處理器名字上的差別也預(yù)示著這兩款處理器在規(guī)格上也不盡相同。其中它們之間最大的不同就是對(duì)于超線程（Hyper-Threading）技術(shù)的支持。Pentium D不支持超線程技術(shù)，而Pentium Extreme Edition則沒有這方面的限制。在打開超線程技術(shù)的情況下，雙核心Pentium Extreme Edition處理器能夠模擬出另外兩個(gè)邏輯處理器，可以被系統(tǒng)認(rèn)成四核心系統(tǒng)。Pentium E2200經(jīng)歷了Core2Duo處理器對(duì)高端市場(chǎng)的洗禮之后，Intel在07年第二季度推出了新一代的低端雙核心處理器PentiumE2000系列，主要面向注重性價(jià)比的入門級(jí)雙核處理器市場(chǎng)。首批推出的PentiumE2000系列包括兩款產(chǎn)品，分別為E2160和E2140，頻率只有1.8GHz和1.6GHz，但性能十分強(qiáng)大，已經(jīng)能夠滿足多數(shù)用戶的需求。但I(xiàn)ntel并沒有就此作罷，在稍后除PentiumE2000系列處理器全部升級(jí)到M0核心之外，日前正式發(fā)布了頻率更高的PentiumE處理器頻率提高到2.2GHz的PentiumE2200。Pentium G620Pentium G620可以看成Core i3 2100的進(jìn)一步精簡(jiǎn)版，包括不支持AVX指令集等Sandy Bridge的新特性。Pentium G620是基于Sandy Bridge微架構(gòu)，采用32nm制作工藝、CPU部分是雙核/雙線程設(shè)計(jì)、LGA 1155接口、主頻為2.6GHZ、外頻為100MHZ（不可超頻），內(nèi)置HD Graphics核芯顯卡，擁有6組EU執(zhí)行單元，CPU與GPU共享3MB高速緩存。3 Pentium的結(jié)構(gòu)框圖BTB轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩沖 指令cache 8k欲取緩沖指令譯碼控制ROM頁面部 件控制部件地址 地址產(chǎn)生 產(chǎn)生（U流水線）（V流水線）浮點(diǎn)部件整數(shù)寄存器堆ALU (U) ALU 桶形移位器數(shù)據(jù)cache 8kTLBLB控制加法除法乘法TLB 寄存器堆總線部件 Pentium CPU結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)界面L2 cacher 和 控制BTB及1-TLB轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩沖器取指譯碼跟蹤cacher微指令碼 ROM換名分配微指令隊(duì)列調(diào)度器整數(shù)寄存器組浮點(diǎn)寄存器組存數(shù)地址生成取數(shù)地址生成浮點(diǎn)存儲(chǔ)浮點(diǎn)傳送浮點(diǎn)乘浮點(diǎn)除 MMXL1數(shù)據(jù) cacher和D-TLBALUALUALUALU Pentium-4 CPU結(jié)構(gòu)框圖 奔騰處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)三、詳細(xì)分析1 Pentium性能簡(jiǎn)介1993年3月Intel公司推出了第五代微處理器Pentium Pentium是微處理器本質(zhì)上的一次創(chuàng)新。Pentium采用了0.8m雙極性互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體（BiCMOS）技術(shù)，它屬于單芯片超標(biāo)量流水線微處理器，片內(nèi)集成了多達(dá)310萬個(gè)晶體管，工作電壓+5V，功耗15W。片內(nèi)時(shí)鐘頻率（微處理器主頻）與外片主總線的時(shí)鐘頻率相等，均為60MHz或66MHz兩種。 1994年3月之后推出的Pentium（P54C）采用了0.6m的CMOS技術(shù)，工作電壓降為3.3V，功耗降至4W。主總線時(shí)鐘頻率有50MHz、60MHz以及66MHz等，經(jīng)倍頻后作為Pentium（P54C）內(nèi)部的時(shí)鐘頻率（主頻），表3-1列出了幾種Pentium（P54C）的主頻與工作電壓。幾種Pentium的主頻與工作電壓 型 號(hào) 主總線時(shí)鐘頻（MHz） 倍數(shù)因子 主頻（MHz） 工作電壓 Pentium90 601.5903.3V或2.9V Pentium100 601.51003.3V Pentium120 6021203.3VPentium133 6021333.3VPentium150 602.51503.3VPentium166 662.51663.3VPentium200 6632003.3VPentium通往外部存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)總線為64位，CPU內(nèi)部主要寄存器的寬度仍然為32位，那么Pentium、Pentium（P54C）應(yīng)該是32位微處理器。外部64位數(shù)據(jù)總線（D63-D0）每次可同時(shí)傳輸8字節(jié)的二進(jìn)制信息，若選用主總線時(shí)鐘頻率66MHz計(jì)算，即存儲(chǔ)器總線的時(shí)鐘頻率也為66MHz，則Pentium與主存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)的速率可為528MB/S。2 Pentium的原理結(jié)構(gòu)Pentium CPU內(nèi)部的主要部件：總線接口部件U流水線和V流水線指令高速緩沖存儲(chǔ)器Cache數(shù)據(jù)高速緩沖存儲(chǔ)器Cache指令預(yù)取部件指令譯碼器浮點(diǎn)處理部件FPU分支目標(biāo)緩沖器BTB微程序控制器中的控制ROM寄存器組Pentium微處理器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖所示所以Pentium CPU堪稱為當(dāng)代CISC機(jī)器的經(jīng)典之作。四、側(cè)重點(diǎn)分析與研究1 多Cache技術(shù)80486 CPU中有8KB的指令和數(shù)據(jù)共用的cache。而奔騰CPU則分設(shè)指令cache和數(shù)據(jù)cache，各8KB。指令cache是只讀的，以單端口256位(32B)向指令預(yù)取緩沖器提供超長(zhǎng)指令字代碼。數(shù)據(jù)cache是可讀可寫的，雙端口，每個(gè)端口32位，與U，V兩條流水線交換整數(shù)數(shù)據(jù)，或組合成一個(gè)64位端口與浮點(diǎn)運(yùn)算部件交換浮點(diǎn)數(shù)據(jù)。兩個(gè)cache與64位數(shù)據(jù)、32位地址的CPU內(nèi)部總線相連接。 兩個(gè)cache都使用物理地址。每個(gè)cache都有一個(gè)后援緩沖器TLB，負(fù)責(zé)將TLB命中的線性地址轉(zhuǎn)換成32位物理地址。2 超標(biāo)量流水線超標(biāo)量流水線是pentium系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心。它由U和V兩條指令流水線構(gòu)成，每條流水線都有自已的ALU、地址生成電路、與數(shù)據(jù)cache的接口?？刂芌OM屬于微程序控制器，其中存放一組解釋指令操作順序的微指令代碼。兩個(gè)地址生成器用于計(jì)算存儲(chǔ)器操作數(shù)地址。各種模式下的邏輯地址最終要轉(zhuǎn)換成物理地址來訪問數(shù)據(jù)cache，并用轉(zhuǎn)換后援（旁視）緩沖器TLB來加速這種地址轉(zhuǎn)換過程。寄存器堆有8個(gè)32位整數(shù)寄存器，用于地址計(jì)算、保存ALU的源操作數(shù)和目的操作數(shù)。五、存在問題及改進(jìn)建議要講，就必須先講指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)指的是一個(gè)所能夠處理的全部指令的集合，是一個(gè)的根本屬性。之所以說指令系統(tǒng)是一個(gè)的根本屬性，是因?yàn)橹噶钕到y(tǒng)決定了一個(gè)能夠運(yùn)行什么樣的程序，進(jìn)行什么操作。所有采用高級(jí)語言編出的程序，都需要翻譯（編譯或解釋）成為機(jī)器語言后才能運(yùn)行，這些機(jī)器語言就是由一條條的指令組成的。 通常，一條指令包括兩個(gè)部分：操作碼和地址碼。操作碼其實(shí)就是指令序列號(hào)，用來告訴需要執(zhí)行哪一條指令。地址碼則復(fù)雜一些，主要包括源操作數(shù)地址、目的操作數(shù)地址。在某些指令中，地址碼可以部分或全部省略，比如一條空指令 就只有操作碼而沒有地址碼。 從微處理器的指令系統(tǒng)來看，目前主要有兩種發(fā)展趨勢(shì)，一個(gè)是，一個(gè)是。 的產(chǎn)生、發(fā)展和現(xiàn)狀某一系列，如 系列機(jī)，為了增加新的功能與提高速度，越來越多的復(fù)雜指令被加入到指令系統(tǒng)中。但是，這樣就導(dǎo)致一個(gè)問題：一個(gè)指令系統(tǒng)的指令數(shù)是受指令操作碼的位數(shù)所限制的，如果操作碼為位，那么指令數(shù)最多 為條（的次方）。那么怎么辦呢？指令的寬度是很難增加的，聰明的設(shè)計(jì)師們又想出了一種方案