第五章 CPU實例課件

1、第第5章章CPU實例實例5.18086/8088微處理器的功能結(jié)構(gòu)微處理器的功能結(jié)構(gòu)5.28086的存儲器結(jié)構(gòu)的存儲器結(jié)構(gòu)5.6 Pentium 微處理器系列及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展微處理器系列及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展5.4 8086/8088 總線周期總線周期5.18086/8088微處理器的功能結(jié)構(gòu)微處理器的功能結(jié)構(gòu)Intel 公司于公司于1978年推出了年推出了16位微處理器位微處理器8086。8086CPU內(nèi)外部數(shù)據(jù)總線均為內(nèi)外部數(shù)據(jù)總線均為16條，條，20條地址線，主存容量達到了條地址線，主存容量達到了1MB。 1979年年Intel公司又推出了公司又推出了8086的簡化版的簡化版本本8088，其內(nèi)

2、部數(shù)據(jù)總線按照，其內(nèi)部數(shù)據(jù)總線按照16位設(shè)計，而位設(shè)計，而外部數(shù)據(jù)總線減少至外部數(shù)據(jù)總線減少至8條，主要是為了與當(dāng)時條，主要是為了與當(dāng)時的其他的其他8位外圍接口芯片直接兼容。位外圍接口芯片直接兼容。它由兩個獨立單元組成，一個稱為它由兩個獨立單元組成，一個稱為總線接總線接口單元口單元BIU(Bus Interface Unit)，另一個稱為，另一個稱為執(zhí)行單元執(zhí)行單元EU(Execution Unit)。 執(zhí)行單元執(zhí)行單元 AH ALBH BL CLCH DH DL SP BP DI SI 通 用 寄 存 器 CSDS SS ES I P 內(nèi)部暫存器 總線 控制 邏輯 1 234 AX BX C

3、X DX數(shù)據(jù)總線暫存器 A L U 標志寄存器 外部總線 8088 8位 8086 16位 指令對列 8086為 6 字節(jié)16 位 執(zhí)行 控制 電路總線接口單元總線接口單元 地址加法器20 位 16 位 段寄存器指令指針（EU） （BIU） 8086CPU功能框圖功能框圖 總線接口單元總線接口單元(BIU)它的任務(wù)是取指令時，從存儲器指定地址它的任務(wù)是取指令時，從存儲器指定地址取出指令取出指令送入指令隊列排隊；執(zhí)行指令時，根送入指令隊列排隊；執(zhí)行指令時，根據(jù)據(jù)EU命令對指定存儲單元或命令對指定存儲單元或I/O端口端口存取數(shù)據(jù)存取數(shù)據(jù)。 執(zhí)行單元執(zhí)行單元(EU)其任務(wù)是其任務(wù)是執(zhí)行指令執(zhí)行指令，

4、進行，進行全部的算術(shù)邏輯全部的算術(shù)邏輯運算運算，完成偏移地址的計算，向，完成偏移地址的計算，向BIU提供指令提供指令執(zhí)行的結(jié)果和地址，并對通用寄存器和標志寄執(zhí)行的結(jié)果和地址，并對通用寄存器和標志寄存器進行管理。存器進行管理。5.28086的寄存器結(jié)構(gòu)的寄存器結(jié)構(gòu).（ ）（ 2 2 ） 地址指針和變址寄存器地址指針和變址寄存器地址指針和變址寄存器包括地址指針和變址寄存器包括SP、BP、SI和和DI。這組寄存器在功能上的共同點是，對寄。這組寄存器在功能上的共同點是，對寄存器操作數(shù)尋址時，用于形成存器操作數(shù)尋址時，用于形成20位物理地址碼位物理地址碼的組成部分。由于它們都是的組成部分。由于它們都是1

5、6位的寄存器，訪位的寄存器，訪問存儲器的地址碼由問存儲器的地址碼由段地址段地址和和段內(nèi)偏移地址段內(nèi)偏移地址兩兩部分構(gòu)成。部分構(gòu)成。 SP(Stack Pointer)堆棧指針。用于存放堆棧操作堆棧指針。用于存放堆棧操作(入棧和出棧入棧和出棧)地址的地址的段內(nèi)偏移地址段內(nèi)偏移地址。 BP(Base Pointer)基址指針。在某些間接尋址方基址指針。在某些間接尋址方式中，式中，BP用來存放段內(nèi)偏移地址的部分。特別需用來存放段內(nèi)偏移地址的部分。特別需要注意的是，凡含有要注意的是，凡含有BP的尋址方式中，無特別說的尋址方式中，無特別說明，其段地址由段寄存器明，其段地址由段寄存器SS提供。提供。 SI

6、(Source Index)和和DI(Destination Index)變址寄變址寄存器。在某些間接尋址方式中，存器。在某些間接尋址方式中，SI 和和DI用來存放用來存放段內(nèi)偏移地址的全部或部分。在字符串操作指令中，段內(nèi)偏移地址的全部或部分。在字符串操作指令中，SI用作用作源變址寄存器源變址寄存器，DI用作用作目的變址寄存器目的變址寄存器。 這組寄存器主要用來這組寄存器主要用來存放地址存放地址，也可以，也可以存放數(shù)據(jù)存放數(shù)據(jù)。2. 段寄存器段寄存器訪問存儲器的地址碼由段地址和段內(nèi)偏移訪問存儲器的地址碼由段地址和段內(nèi)偏移地址兩部分組成。段寄存器用來地址兩部分組成。段寄存器用來存放段地址存放段地

7、址，總線接口單元設(shè)置總線接口單元設(shè)置4個段寄存器，個段寄存器，CPU可以通可以通過過4個段寄存器訪問存儲器中個段寄存器訪問存儲器中4個不同的段個不同的段(每每段段64KB)。4個段寄存器個段寄存器,保存保存16位位段基址段基址:CS 代碼段代碼段SS 堆棧段堆棧段DS 數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段ES 附加段附加段指向數(shù)據(jù)段指向數(shù)據(jù)段 狀態(tài)標志位狀態(tài)標志位 控制標志控制標志地址地址EA數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲器存儲器寄存器寄存器基址寄存器基址寄存器 變址寄存器變址寄存器變址值變址值EA數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲器存儲器寄存器寄存器基址寄存器基址寄存器 變址寄存器變址寄存器基地址基地址寄存器寄存器位移量位移量5.4 8086/8088

8、總線周期總線周期 CPU每執(zhí)行一條指令，每執(zhí)行一條指令， 至少要通過總線對存儲至少要通過總線對存儲器訪問一次器訪問一次(取指令取指令)。8086 CPU通過總線對外部通過總線對外部(存儲器或存儲器或I/O接口接口)進行一次訪問所需的時間稱為一進行一次訪問所需的時間稱為一個總線周期。一個基本的總線周期由個總線周期。一個基本的總線周期由 4 個時鐘周個時鐘周期即期即T1, T2, T3和和T4組成，處在這些基本時鐘周期組成，處在這些基本時鐘周期中的總線狀態(tài)稱為中的總線狀態(tài)稱為T狀態(tài)。狀態(tài)。 隨著計算機應(yīng)用領(lǐng)域的擴展，對個人電腦的隨著計算機應(yīng)用領(lǐng)域的擴展，對個人電腦的微處理器的處理能力要求越來越高。

9、微處理器的處理能力要求越來越高。Intel公司從公司從80年代初相繼推出了年代初相繼推出了80286、80386、80486和和Pentium系列微處理器，不斷地將系列微處理器，不斷地將PC推向新的發(fā)推向新的發(fā)展階段。下面簡要介紹一下展階段。下面簡要介紹一下80286Pentium幾幾種微處理器的種微處理器的特點特點。 80386微處理器微處理器1985年，英特爾公司已經(jīng)成為了第一流的年，英特爾公司已經(jīng)成為了第一流的芯片公司，它決心全力開發(fā)新一代的芯片公司，它決心全力開發(fā)新一代的32位核心位核心的的CPU80386。80386的內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總的內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線是線是32位，地址總線也是位，

10、地址總線也是32位，可以尋址到位，可以尋址到4GB內(nèi)存，并可以管理內(nèi)存，并可以管理64TB的虛擬存儲空間的虛擬存儲空間。它的運算模式除了具有實模式和保護模式以外，它的運算模式除了具有實模式和保護模式以外，還增加了一種還增加了一種“虛擬虛擬86”的工作方式，可以通的工作方式，可以通過同時模擬多個過同時模擬多個8086微處理器來提供微處理器來提供多任務(wù)能多任務(wù)能力力。 80486微處理器微處理器1989年，年，80486芯片由英特爾推出。這款芯片由英特爾推出。這款經(jīng)過四年開發(fā)和經(jīng)過四年開發(fā)和3億美元資金投入的芯片的偉大億美元資金投入的芯片的偉大之處在于它首次實破了之處在于它首次實破了100萬個晶體

11、管萬個晶體管的界限，的界限，集成了集成了120萬個晶體管，使用萬個晶體管，使用1微米的制造工藝。微米的制造工藝。 80486的時鐘頻率從的時鐘頻率從25MHz逐步提高到逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。 80486在在80 x86系列中首次采用了系列中首次采用了RISC（精（精簡指令集）技術(shù)。簡指令集）技術(shù)。 Pentium體系結(jié)構(gòu)中的新技術(shù)特點體系結(jié)構(gòu)中的新技術(shù)特點(一一) 超標量流水線超標量流水線 超標量流水線超標量流水線(Superscalar)設(shè)計是設(shè)計是Pentium處理器處理器技術(shù)的核心。它由技術(shù)的核心。它由U與與V兩條指令流水線構(gòu)成。兩條指令流水線構(gòu)成。 與與8048

12、6不同的是，由于不同的是，由于Pentium是雙流水是雙流水線結(jié)構(gòu)線結(jié)構(gòu),它可以一次執(zhí)行兩條指令它可以一次執(zhí)行兩條指令,每條流水線每條流水線中執(zhí)行一條。這個過程稱為中執(zhí)行一條。這個過程稱為“指令并行指令并行”。 (二二) 獨立的指令獨立的指令Cache和數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)Cache 80486片內(nèi)有片內(nèi)有8KB Cache,而而Pentium片內(nèi)則有片內(nèi)則有2個個8KB Cache,一個作為指令一個作為指令Cache,另一個作為數(shù)據(jù)另一個作為數(shù)據(jù)Cache,即雙即雙路路Cache結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 ( (三三) ) 重新設(shè)計的浮點單元重新設(shè)計的浮點單元 Pentium的浮點單元在的浮點單元在486的基礎(chǔ)上進

13、行了徹的基礎(chǔ)上進行了徹底的改進底的改進,其執(zhí)行過程分為其執(zhí)行過程分為8級流水級流水,使每個時鐘周期使每個時鐘周期能完成一個浮點操作能完成一個浮點操作(某些情況下可以完成兩個某些情況下可以完成兩個)。 Pentium的的CPU對一些常用指令如對一些常用指令如ADD,MUL和和LOAD等采用了新的算法等采用了新的算法,同時同時,用電路進行了固化用電路進行了固化,用硬件來實現(xiàn)用硬件來實現(xiàn),其速度的提高是顯而易見的。其速度的提高是顯而易見的。 在運行浮點密集型程序時在運行浮點密集型程序時,66MHz Pentium運算運算速度為速度為33MHz的的80486DX的的5倍倍6倍。倍。( (四四) ) 分

14、支預(yù)測分支預(yù)測 循環(huán)操作在軟件設(shè)計中使用十分普遍循環(huán)操作在軟件設(shè)計中使用十分普遍,而每次在循環(huán)而每次在循環(huán)當(dāng)中對循環(huán)條件的判斷占用了大量的當(dāng)中對循環(huán)條件的判斷占用了大量的CPU時間。為時間。為此此,Pentium提供一個稱為分支目標緩沖器提供一個稱為分支目標緩沖器BTB (Branch Target Buffer)的小的小Cache來動態(tài)地預(yù)測程序分支。來動態(tài)地預(yù)測程序分支。 除了以上幾個特點外除了以上幾個特點外,Pentium微處理器在微處理器在80486體系體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,還作了一些增強性的改進還作了一些增強性的改進,歸結(jié)為以下幾點歸結(jié)為以下幾點: (一一) 工作頻率提高工作頻率

15、提高; (二二) 指令固化指令固化; (三三) 頁尺寸增加頁尺寸增加; (四四) 增強的微碼增強的微碼; (五五) 增強的總線增強的總線 5.6 Pentium 5.6 Pentium 微處理器系列及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展微處理器系列及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展Intel自推出第自推出第5代微處理器代微處理器Pentium和增強型和增強型Pentium Pro之后，之后，一直主導(dǎo)著微處理器的技術(shù)發(fā)展方向。一直主導(dǎo)著微處理器的技術(shù)發(fā)展方向。1996年底推出了具有多媒體專用指令集的年底推出了具有多媒體專用指令集的MMX CPU;1997年年5月推出了更高性能的月推出了更高性能的PentiumCPU;1999年又推出年

16、又推出Pentium CPU;2000年推出年推出Pentium CPU,這樣，它以最先進的技術(shù)將個人計算機推向一個新的發(fā)展階段。這樣，它以最先進的技術(shù)將個人計算機推向一個新的發(fā)展階段。一、一、 Pentium微處理器（微處理器（P或奔騰或奔騰） Pentium是是Pentium Pro的改進型產(chǎn)品，它采用了的改進型產(chǎn)品，它采用了一種稱之為雙獨立總線結(jié)構(gòu)（即二級高速緩存總線和處理一種稱之為雙獨立總線結(jié)構(gòu)（即二級高速緩存總線和處理器器-主內(nèi)存系統(tǒng)總線）的技術(shù)。主內(nèi)存系統(tǒng)總線）的技術(shù)。 這種結(jié)構(gòu)使微機的總體性能比單總線結(jié)構(gòu)的處理器提這種結(jié)構(gòu)使微機的總體性能比單總線結(jié)構(gòu)的處理器提高了兩倍。高了兩倍。

17、 同時，它還保留了原有同時，它還保留了原有Pentium Pro處理器優(yōu)秀的處理器優(yōu)秀的32位性能，并融合了位性能，并融合了MMX技術(shù)。近十年來，技術(shù)。近十年來，Intel的的MMX技技術(shù)提升了視頻的加壓和解壓術(shù)提升了視頻的加壓和解壓,圖像處理，編碼及圖像處理，編碼及I/O處理能處理能力。力。 P仍采用了同仍采用了同P一樣的一樣的P6內(nèi)核，制造工藝為內(nèi)核，制造工藝為0.25m或或0.18m的的CMOS技術(shù)，有技術(shù)，有950萬個晶體管，主頻從萬個晶體管，主頻從450MHz和和500MHz開始，最高達開始，最高達850MHz以上。以上。 P處理器具有片內(nèi)處理器具有片內(nèi)32KB非鎖定一級高速緩存和非

18、鎖定一級高速緩存和512KB非鎖定二級高速緩存，可訪問非鎖定二級高速緩存，可訪問4GB64GB內(nèi)存（雙處理內(nèi)存（雙處理器）。器）。 為了進一步提高為了進一步提高CPU處理數(shù)據(jù)的功能，處理數(shù)據(jù)的功能，P增加了被稱為增加了被稱為SSE的新指令集。的新指令集。二、二、 Pentium（P，奔騰，奔騰） Intel公司于公司于1999年推出年推出Pentium微處理器芯微處理器芯片，共有片，共有3個系列個系列15種產(chǎn)品。種產(chǎn)品。三、三、 Pentium4 CPU簡介簡介 2000年年11月，月， Intel公司推出公司推出P4，它是，它是Intel新新一代高性能一代高性能32為微處理器。為微處理器。P

19、4采用的技術(shù)主要包括：采用的技術(shù)主要包括： Rapid Execution Engine(快速執(zhí)行引擎快速執(zhí)行引擎) Double Pumped ALU(雙倍算術(shù)邏輯單元架構(gòu)雙倍算術(shù)邏輯單元架構(gòu)) 它是奔騰它是奔騰4處理器英特爾處理器英特爾NetBurst微體系結(jié)構(gòu)的一部分。微體系結(jié)構(gòu)的一部分。它意味著在處理器主頻中采用兩組獨立運作的算術(shù)邏輯單它意味著在處理器主頻中采用兩組獨立運作的算術(shù)邏輯單元元(ALU)，從而使得基本整數(shù)指令如加、減、邏輯與以及，從而使得基本整數(shù)指令如加、減、邏輯與以及邏輯或能夠在半個時鐘周期內(nèi)完成。例如，在邏輯或能夠在半個時鐘周期內(nèi)完成。例如，在1.50GHz奔奔騰騰4處理器上的快速執(zhí)行引擎能夠以處理器上的快速執(zhí)行引擎能夠以3GHz速度運行。速度運行。 Quad Pumped Bus（高速系統(tǒng)總線）（高速系