微機(jī)原理與接口技術(shù)-11高檔微處理器的新特性全解課件

第11章

高檔微處理器的新特性

第11章高檔微處理器的新特性本章主要內(nèi)容

11.180X86微處理器發(fā)展歷程

11.2典型微處理器的基本結(jié)構(gòu)

11.380X86微處理器的編程結(jié)構(gòu)

11.4典型微處理器的引腳結(jié)構(gòu)

11.5典型微處理器的基本時(shí)序

11.6典型微處理器的指令系統(tǒng)本章主要內(nèi)容11.180X86微處理器發(fā)展歷程111.180X86微處理器發(fā)展歷程11.180X86微處理器發(fā)展歷程11.1.1Intel8086及80286微處理器Intel8086微處理器有16位寄存器和16位外部數(shù)據(jù)總線，具有20位地址總線，尋址1MB地址空間。Intel8088微處理器除了有較小的8位外部數(shù)據(jù)總線外，其他與8086微處理器是相同的。Intel80286微處理器在IA-32結(jié)構(gòu)中引進(jìn)了保護(hù)方式操作。這種新的操作方式用段寄存器的內(nèi)容作為選擇子或描述符表的指針。描述符提供24位基地址，允許最大的物理存儲(chǔ)器的尺寸至16MB，支持在段對(duì)換基礎(chǔ)上的虛擬存儲(chǔ)器管理和各種保護(hù)機(jī)制。11.1.1Intel8086及80286微處理器In11.1.2Intel80386微處理器Intel80386微處理器是IA-32結(jié)構(gòu)微處理器系列中的第一個(gè)32位處理器。它在結(jié)構(gòu)中引入了32位寄存器用于容納操作數(shù)和地址。每個(gè)32位寄存器的后一半保留兩個(gè)早期處理器版本（Intel8086和80286）的16為寄存器的特征，以提供完全的后向兼容。提供了一種新的虛擬8086方式，以在新的32位處理器上最有效地執(zhí)行為8086和8088微處理器建立的程序。11.1.2Intel80386微處理器Intel8IA-32結(jié)構(gòu)已經(jīng)考慮到維護(hù)在目標(biāo)碼級(jí)后向兼容的任務(wù)，以保護(hù)Intel公司客戶在軟件上的大量投資。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)的每一代上，最有效的微結(jié)構(gòu)和硅片制造技術(shù)已經(jīng)用于生產(chǎn)高性能的處理器。在IA-32微處理器的每一代中，Intel公司已經(jīng)構(gòu)思并采用不斷發(fā)展的技術(shù)到它的微結(jié)構(gòu)中以追求速度更快的計(jì)算機(jī)。各種形式的并行處理已經(jīng)使這些技術(shù)得到最大的性能增強(qiáng)，Intel80386微處理器是包括若干并行操作部件的第一個(gè)IA-32結(jié)構(gòu)微處理器。IA-32結(jié)構(gòu)已經(jīng)考慮到維護(hù)在目標(biāo)碼級(jí)后向兼容的任務(wù)，以保護(hù)11.1.3Intel80486微處理器Intel80486微處理器由把Intel80386微處理器的指令譯碼和執(zhí)行單元擴(kuò)展為五個(gè)流水線段，增加了更多的并行執(zhí)行能力，其中每個(gè)段（當(dāng)需要時(shí)）與其他的并行操作最多可在不同段上同時(shí)執(zhí)行五條指令。每個(gè)段以能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令的方式工作，所以Intel80486微處理器能每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。在芯片上增加了一個(gè)8KB的一級(jí)緩存（Cache）大大增加了每個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行一條指令的百分比，包括操作數(shù)在一級(jí)Cache中的存儲(chǔ)器訪問指令。11.1.3Intel80486微處理器Intel811.1.4IntelPentium（奔騰）處理器IntelPentium處理器增加了第二個(gè)執(zhí)行流水線以達(dá)到超標(biāo)量性能（兩個(gè)已知的流水線u和v一起工作，實(shí)現(xiàn)每個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行兩條指令）。片上的一級(jí)Cache也加倍了，8KB用于代碼，另外8KB用于數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)Cache使用MESI協(xié)議以支持更有效的回寫方式，以及由Intel80486處理器使用的寫通方式。11.1.4IntelPentium（奔騰）處理器In11.1.5IntelP6系列處理器IntelPentiumPro處理器是基于P6微結(jié)構(gòu)的第一個(gè)處理器。P6處理器系統(tǒng)隨后的成員是IntelPentiumⅡ、IntelPentiumⅡXeon（至強(qiáng)）、IntelCeleron（賽揚(yáng)）、IntelPentiumⅢ、IntelPentiumⅢXeon（至強(qiáng)）處理器。11.1.5IntelP6系列處理器IntelPenPentiumPro處理器是三路超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，允許每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行三條指令。它也引入了在超標(biāo)量實(shí)現(xiàn)中的動(dòng)態(tài)執(zhí)行的概念（微數(shù)據(jù)流分析、超順序執(zhí)行、出眾的分支預(yù)測(cè)和推理執(zhí)行）。三個(gè)指令譯碼單元并行工作把目標(biāo)碼譯碼為微結(jié)構(gòu)操作碼micro-ops（micro-architectureop-codes）。微機(jī)原理與接口技術(shù)_11高檔微處理器的新特性全解課件11.1.6IntelPentiumⅡ處理器IntelPentiumⅡ處理器把MMX技術(shù)加至P6系列處理器具有新的包裝和若干硬件增強(qiáng)。處理器核心包裝在SECC上，允許容易設(shè)計(jì)和靈活的母板結(jié)構(gòu)。第一級(jí)數(shù)據(jù)和指令Caches每個(gè)擴(kuò)展至16KB，支持二級(jí)Ccache的尺寸為256KB、512KB和1MB。半速的后沿總線連接二級(jí)Cache至處理器。11.1.6IntelPentiumⅡ處理器Intel11.1.7IntelPentiumⅢ

處理器PentiumⅢ處理器引進(jìn)流SIMD擴(kuò)展（SSE）至IA-32結(jié)構(gòu)。SSE擴(kuò)展把由IntelMMX引進(jìn)的SIMD執(zhí)行模式，擴(kuò)展為新的128微寄存器和能在組合的單精度浮點(diǎn)數(shù)上執(zhí)行SIMD操作。PentiumⅢXeon（至強(qiáng)）處理器用Intel的0.18微米處理技術(shù)的全速在模高級(jí)傳送緩存（AdvancedTransferCache）擴(kuò)展了IA-32處理器的性能級(jí)。11.1.7IntelPentiumⅢ

處理器Pen11.1.8IntelPentium4處理器IntelPentium4處理器是第一個(gè)基于IntelNetBurst微結(jié)構(gòu)的處理器。IntelNetBurst微結(jié)構(gòu)是新的32位微結(jié)構(gòu)，它允許處理器操作在比以前的IA-32結(jié)構(gòu)微處理器更高的時(shí)鐘速度和性能等級(jí)上。11.1.8IntelPentium4處理器Inte11.1.9Intel64位處理器1．Core2Core2中文名為酷睿2，是英特爾公司于2006年推出的X86架構(gòu)微處理器，它采用全新的IntelCore微架構(gòu)，取代了自2000年起大多數(shù)英特爾處理器采用的NetBurst架構(gòu)。Core2采用0.065～0.045mm的制作工藝，處理器的速度為1.06～3.33GHz。11.1.9Intel64位處理器1．Core22．Corei7Corei7處理器是英特爾公司于2008年推出的64位四核心CPU。它沿用x86-64指令集，并以IntelNehalem微架構(gòu)為基礎(chǔ)，取代了IntelCore2系列處理器。Corei7采用0.045～0.032mm的制作工藝，處理器的速度為2.53～3.46GHz。Corei7的名稱并沒有特別的含義，更不是指第7代產(chǎn)品。微機(jī)原理與接口技術(shù)_11高檔微處理器的新特性全解課件3．Corei5英特爾公司于2009年9月1日正式發(fā)布了Corei5處理器。該處理器是Corei7派生系列中的低級(jí)版本，同樣基于IntelNehalem微架構(gòu)。與Corei7支持三通道存儲(chǔ)器不同，Corei5只會(huì)集成雙通道DDR3存儲(chǔ)器控制器。微機(jī)原理與接口技術(shù)_11高檔微處理器的新特性全解課件4．Corei3Corei3處理器是英特爾推出的首款CPU＋GPU產(chǎn)品。它是基于IntelWestmere微架構(gòu)，采用0.032～0.032mm的制作工藝，處理器的速度為2.50～3.33GHz。Corei3與Corei5類似，只集成雙通道DDR3存儲(chǔ)器控制器，也集成了一些北橋的功能和PCI-Express控制器，接口亦采用了LGA1156。處理器核心方面，Corei3的代號(hào)為Clarkdale，采用32納米制程的Corei3有兩個(gè)核心，支持超線程技術(shù)。在L3緩沖存儲(chǔ)器方面，Corei3的兩個(gè)核心共享4MB。Corei3在芯片組方面，也采用了IntelP55。4．Corei311.2典型微處理器的基本結(jié)構(gòu)11.2典型微處理器的基本結(jié)構(gòu)11.2.180286微處理器Intel80286微處理器是Intel公司1982年推出的產(chǎn)品。80286芯片內(nèi)含13.5萬(wàn)個(gè)晶體管，內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是16位，地址總線為24位，可尋址224B即16MB內(nèi)存。80286片內(nèi)具有存儲(chǔ)器管理和保護(hù)機(jī)構(gòu)，它有實(shí)模式和保護(hù)模式兩種工作方式。11.2.180286微處理器Intel80286微處

80286將8086中BIU和EU兩個(gè)處理單元進(jìn)一步分離成四個(gè)處理單元，分別是執(zhí)行部件EU、總線部件BU、指令部件IU和地址部件AU。整個(gè)80286采用流水線作業(yè)方式，使各部件能同時(shí)并行地工作。1．總線部件EU總線部件由地址鎖存器和驅(qū)動(dòng)器、協(xié)處理器擴(kuò)展接口、總線控制器、數(shù)據(jù)收發(fā)器、預(yù)取器和6字節(jié)預(yù)取隊(duì)列組成。2．指令部件IU指令部件中設(shè)有指令譯碼器和譯碼指令隊(duì)列，用來(lái)指令譯碼，并為執(zhí)行部件執(zhí)行做好準(zhǔn)備。80286將8086中BIU和EU兩個(gè)處理單元進(jìn)一步分離成四

3．執(zhí)行部件EU由寄存器、控制部件、算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU和微程序只讀存儲(chǔ)器組成，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令，即完成算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及其他數(shù)據(jù)加工操作。4．地址部件AU地址部件由偏移量加法器、段界限檢查器、段基地址寄存器、段長(zhǎng)度寄存器和物理地址加法器等組成。3．執(zhí)行部件EU11.2.280386微處理器80386是Intel公司1985年推出的一種高性能32位微處理器，80386內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是32位的，地址總線為32位，可尋址4GB。它是對(duì)8086～80286微處理器的徹底改進(jìn)。其主要特點(diǎn)如下。1．80386CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)由6個(gè)邏輯單元組成。2．80386可以按實(shí)模式、保護(hù)模式以及虛擬8086三種模式對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問。11.2.280386微處理器80386是Intel公司11.2.380486微處理器80486是Intel公司于1989年推出的第二代32位微處理器。集成度是80386的4倍以上，168個(gè)引腳，PGA封裝，體系結(jié)構(gòu)與80386幾乎相同，但在相同的工作頻率下處理速度比80386提高了2～4倍，80486的工作頻率最低為25MHz，最高達(dá)到132MHz。11.2.380486微處理器80486是Intel公司

從總的情況看，80486有如下特點(diǎn)。（1）80486在Intel微處理器歷史上首次采用了RISC技術(shù)。（2）80486采用了突發(fā)總線同外部RAM進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換。（3）80486微處理器中配置了8KB的高速緩存器（Cache）。（4）80486微處理器內(nèi)部還設(shè)置了一個(gè)數(shù)值協(xié)處理器，這就使得80486不再需要片外80387的支持而直接具有浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力。（5）80486在其高速緩存部件與協(xié)處理器之間設(shè)置有兩條高速數(shù)據(jù)總線，這兩條32位總線也可作為一條64位總線使用。從總的情況看，80486有如下特點(diǎn)。11.2.4Pentium系列微處理器1．Pentium微處理器Pentium微處理器的主要特點(diǎn)如下。1）超標(biāo)量流水線設(shè)計(jì)是Pentium處理器的核心。2）Pentium采用雙Cache結(jié)構(gòu)。3）Pentium微處理器中還設(shè)置有分支目標(biāo)緩存器BTB。4）浮點(diǎn)運(yùn)算部件。11.2.4Pentium系列微處理器1．Pentium

2．PentiumPro微處理器PentiumPro主要有三大特點(diǎn)。（1）PentiumPro采用了RISC技術(shù)，超標(biāo)量與流水線相結(jié)合的核心結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)。（2）PentiumPro處理器使用的是一種387管腳網(wǎng)格陣列（PGA）的陶瓷封裝技術(shù)，片內(nèi)除CPU外，集成了256或512KBL2Cache。（3）PentiumPro處理器支持不加附加邏輯的對(duì)稱多處理，即不需要額外的邏輯電路就可支持多達(dá)四個(gè)CPU，這一結(jié)構(gòu)對(duì)服務(wù)器、工作站實(shí)現(xiàn)多處理器系統(tǒng)特別有利。2．PentiumPro微處理器

3．PentiumⅡ微處理器PentiumⅡ的優(yōu)異性能與先進(jìn)結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在以下三方面。1）動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)與MMX技術(shù)2）雙重獨(dú)立的總線結(jié)構(gòu)3）SEC單邊接觸封裝技術(shù)3．PentiumⅡ微處理器

4．PentiumⅢ微處理器PentiumⅢ微處理器與PentiumⅡ的最大不同在于如下三點(diǎn)。（1）PentiumⅢ也是采用雙重獨(dú)立總線結(jié)構(gòu)，但是前端總線的時(shí)鐘頻率至少為100MHz，處理器核心與L2Cache之間專用的后端總線時(shí)鐘頻率最初是主頻的一半，后來(lái)的產(chǎn)品也有與主頻同速。（2）PentiumⅢ處理器首次采用了Intel公司自行開發(fā)的流式單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展SSE技術(shù)。（3）PentiumⅢ微處理器首次設(shè)置了處理器序列號(hào)PSN（ProcessorSerialNumber）。4．PentiumⅢ微處理器11.380X86微處理器的編程結(jié)構(gòu)11.380X86微處理器的編程結(jié)構(gòu)11.3.1基本結(jié)構(gòu)寄存器組

1．通用寄存器（8個(gè)）80486共有8個(gè)32位的通用寄存器，包括累加器EAX、基址寄存器EBX、計(jì)數(shù)寄存器ECX、數(shù)據(jù)寄存器EDX、源變址寄存器ESI、目的變址寄存器EDI、基址指針寄存器EBP和堆棧指針寄存器ESP，這些通用寄存器用于保存數(shù)據(jù)或地址位移量。2．指令指針寄存器（1個(gè)）指令指針寄存器是一個(gè)32位寄存器，命名為EIP。11.3.1基本結(jié)構(gòu)寄存器組

1．通用寄存器（8個(gè)）

3．標(biāo)志寄存器（1個(gè)）標(biāo)志寄存器是一個(gè)32位的寄存器，命名為EFLAGS。4．段寄存器（6個(gè)）與8086相比，80286以上的微處理器除具有CS、DS、SS、ES寄存器外，又增加了FS和GS兩個(gè)新的16位寄存器，以支持對(duì)附加數(shù)據(jù)段的訪問。3．標(biāo)志寄存器（1個(gè)）11.3.2系統(tǒng)級(jí)寄存器組

1．系統(tǒng)地址寄存器（4個(gè)）80X86的4個(gè)系統(tǒng)地址寄存器，用來(lái)保存系統(tǒng)描述符表所在存儲(chǔ)段的基址、界限和段屬性信息。系統(tǒng)描述符表主要有如下四種。（1）全局描述符表GDT（GlobalDescriptorTable）（2）局部描述符表LDT（LocalDescriptorTable）（3）中斷描述符表IDT（InterruptDescriptorTable）（4）任務(wù)狀態(tài)段TSS（TaskStateSegment）11.3.2系統(tǒng)級(jí)寄存器組

1．系統(tǒng)地址寄存器（4個(gè)）

2．控制寄存器（5個(gè)）1）CR0控制寄存器2）CR1控制寄存器3）CR2控制寄存器4）CR3控制寄存器5）CR4控制寄存器2．控制寄存器（5個(gè)）

3．測(cè)試寄存器（5個(gè)）80X86有5個(gè)測(cè)試寄存器，TR3～TR5用于高速緩存的測(cè)試操作（測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)試狀態(tài)、測(cè)試控制），TR6～TR7則用于頁(yè)部件的測(cè)試操作（測(cè)試控制、測(cè)試狀態(tài)）。4．調(diào)試寄存器（8個(gè)）80X86有8個(gè)32位的調(diào)試寄存器，這8個(gè)調(diào)試寄存器支持80486微處理器的調(diào)試功能。3．測(cè)試寄存器（5個(gè)）11.3.3浮點(diǎn)寄存器組1．?dāng)?shù)據(jù)寄存器（8個(gè)）這是一組80位的寄存器，8個(gè)80位的數(shù)據(jù)寄存器中的每一個(gè)都分成同F(xiàn)PU的擴(kuò)展精度數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)的字段。2．標(biāo)記寄存器（1個(gè)）用來(lái)標(biāo)記每個(gè)數(shù)值寄存器的內(nèi)容，每?jī)晌粯?biāo)記表示8個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中的一個(gè)，共16位。3．指令和數(shù)據(jù)指針寄存器（2個(gè)）包含一個(gè)指令指針和一個(gè)數(shù)據(jù)指針，以提供發(fā)生故障的指令的地址及其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器操作數(shù)的地址。4．控制字寄存器（1個(gè)）FPU提供若干選擇項(xiàng)，這些選擇項(xiàng)是通過(guò)將存儲(chǔ)器的控制字裝入控制寄存器進(jìn)行選擇的。11.3.3浮點(diǎn)寄存器組1．?dāng)?shù)據(jù)寄存器（8個(gè)）11.4典型微處理器的引腳結(jié)構(gòu)11.4典型微處理器的引腳結(jié)構(gòu)11.4.180386微處理器80386采用PGA（管腳柵格陣列）封裝技術(shù)，芯片封裝在正方形管殼內(nèi)，管殼每邊三排引腳，共132根。11.4.180386微處理器80386采用PGA（管腳11.4.280486DX微處理器1．地址總線和數(shù)據(jù)總線2．控制總線1）奇偶校驗(yàn)信號(hào)2）總線周期定義信號(hào)——表示正在操作的總線周期類型3）總線控制信號(hào)4）成組傳送控制5）高速緩存控制信號(hào)11.4.280486DX微處理器1．地址總線和數(shù)據(jù)總線6）高速緩存使無(wú)效控制信號(hào)7）頁(yè)面高速緩存控制信號(hào)8）數(shù)據(jù)出錯(cuò)報(bào)告信號(hào)9）第20位地址A20屏蔽信號(hào)10）總線仲裁信號(hào)11）總線寬度控制信號(hào)12）中斷/復(fù)位信號(hào)微機(jī)原理與接口技術(shù)_11高檔微處理器的新特性全解課件3．時(shí)鐘信號(hào)CLK——時(shí)鐘信號(hào)（輸入）。CLK為80486提供基本的定時(shí)和內(nèi)部工作頻率。所有外部定時(shí)與計(jì)數(shù)操作都是相對(duì)于CLK的上升沿而制定的。3．時(shí)鐘信號(hào)11.4.3Pentium微處理器1．?dāng)?shù)據(jù)線及其控制信號(hào)2．地址線及控制信號(hào)3．系統(tǒng)控制信號(hào)4．總線周期定義信號(hào)（輸出）5．總線控制信號(hào)6．總線仲裁信號(hào)11.4.3Pentium微處理器1．?dāng)?shù)據(jù)線及其控制信號(hào)11.5典型微處理器的基本時(shí)序11.5典型微處理器的基本時(shí)序11.5.180386時(shí)序80386的總線周期可分為兩類：基本總線周期和地址流水線方式的總線周期。1．80386的基本總線周期每個(gè)周期由兩個(gè)總線狀態(tài)組成，命名為T1和T2。如果外部硬件的速度足夠快，任何存儲(chǔ)器或I/O地址都可由一個(gè)兩狀態(tài)的總線周期存取。2．80386的流水線方式總線周期這是一種對(duì)總線周期定時(shí)方式的選擇。流水線方式或非流水線方式可以在逐個(gè)周期上使用信號(hào)進(jìn)行選擇。11.5.180386時(shí)序80386的總線周期可分為兩類11.5.2Pentium時(shí)序1．PentiumCPU的基本總線操作PentiumCPU可以形成兩種時(shí)序類型的總線周期：非流水線周期和流水線周期。2．Pentium總線狀態(tài)定義Ti：總線空閑狀態(tài)。T1：總線周期的第一個(gè)時(shí)鐘。T2：第一個(gè)待完成的總線周期的第二個(gè)及后續(xù)的時(shí)鐘。T12：有兩個(gè)待完成的總線周期，處理器在為第一個(gè)總線周期傳送數(shù)據(jù)的同時(shí)啟動(dòng)第二個(gè)總線周期。TP：有兩個(gè)待完成的總線周期，且都在第二個(gè)及后續(xù)的時(shí)鐘里。TD：有一個(gè)待完成的總線周期，其地址、狀態(tài)和ADS#已被驅(qū)動(dòng)，而數(shù)據(jù)和BRDY#引腳未被采樣。11.5.2Pentium時(shí)序1．PentiumCPU3．PentiumCPU的總線周期類型除了非流水線周期和流水線周期這兩種最基本的總線周期類型外，PentiumCPU還有單次非突發(fā)式數(shù)據(jù)傳送與突發(fā)式數(shù)據(jù)傳送總線周期、非緩存式與緩存式總線周期。在非突發(fā)式總線周期中，每次只能傳送一個(gè)數(shù)據(jù)單元，且至少需要兩個(gè)時(shí)鐘周期。突發(fā)式總線周期是一種特殊的總線周期，在突發(fā)式總線周期中，傳送第一個(gè)數(shù)據(jù)單元需要兩個(gè)時(shí)鐘周期，以后每個(gè)數(shù)據(jù)單元只需一個(gè)時(shí)鐘周期。3．PentiumCPU的總線周期類型11.6典型微處理器的指令系統(tǒng)11.6典型微處理器的指令系統(tǒng)11.6.1實(shí)地址方式下的32位微處理器指令系統(tǒng)80386以上的32位微處理器有三種基本工作方式，即實(shí)地址方式、保護(hù)方式和虛擬8086方式。這一系列的32位微處理器的指令系統(tǒng)包含了8086微處理器的全部指令系統(tǒng)，同時(shí)針對(duì)各32位微處理器的硬件結(jié)構(gòu)，擴(kuò)充和增加了許多指令。11.6.1實(shí)地址方式下的32位微處理器指令系統(tǒng)803811.6.232位微處理器的擴(kuò)充指令80386以上的微處理器還擴(kuò)充了某些指令的功能，這些指令如下。1）IMULdest，src1，src22）CDQ3）CWDE4）SAL/SHL/SAR/SHRdest，count5）RCL/RCR/ROL/RORdest，count6）SHLDdest，src，count11.6.232位微處理器的擴(kuò)充指令80386以上的微處7）SHRDdest，src，count8）MOVSD/CMPSD/LODSD/STOSD/SCASD9）INSdest，DX10）INSB/INSW/INSD11）OUTDX，src12）OUTSB/OUTSW/OUTSD13）LOOPWdest14）LOOPDdest15）LOOPEWdest/LOOPEDdest16）LOOPNEWdest/LOOPNEDdest17）MOVSXdest，src18）MOVSZdest，src7）SHRDdest，src，count11.6.3高級(jí)指令和保護(hù)控制指令80286微處理器是高檔的16位微處理器，增加了3條高級(jí)指令——BOUND、ENTER和LEAVE，80386以上的32位微處理器的指令系統(tǒng)兼容80286的指令系統(tǒng)，必然包括了這三條高級(jí)指令。另外，80386以上的32位微處理器的指令系統(tǒng)是80286指令系統(tǒng)的超集，支持實(shí)地址方式、保護(hù)方式和虛擬8086方式三種程序運(yùn)行方式，具有模擬8086、80286任務(wù)的能力。32位保護(hù)控制指令是由非保護(hù)方式的指令系統(tǒng)和僅在保護(hù)方式下使用的一組指令組成。11.6.3高級(jí)指令和保護(hù)控制指令80286微處理器是高11.6.480386新增加的指令為了充分發(fā)揮硬件的性能，提高編程的靈活性和編程效率，80386微處理器又增加了許多新指令，這些指令如下。1．位操作指令2．條件設(shè)置指令3．傳送指令11.6.480386新增加的指令為了充分發(fā)揮硬件的性能11.6.580486新增加的指令80486微處理器片內(nèi)集成有FPU（FloatingPointUnit，浮點(diǎn)部件）和Cache（超高速緩沖存儲(chǔ)器），這一浮點(diǎn)部件保持了同80387的二進(jìn)制的兼容性，且浮點(diǎn)處理指令也完全一致，所以80486指令系統(tǒng)中又包含了80387的全部指令，除此之外，80486還增加了6條新指令。11.6.580486新增加的指令80486微處理器片內(nèi)11.6.6Pentium處理器新增加的指令Pentium處理器的指令系統(tǒng)兼容了80486的全部指令，并根據(jù)Pentium的硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)新增加和擴(kuò)充了一些指令。1）CMPCHG8Bmem642）CPUID3）RDTSC4）RDMSR

5）WRMSR6）RSM11.6.6Pentium處理器新增加的指令Pentiu第11章

高檔微處理器的新特性

第11章高檔微處理器的新特性本章主要內(nèi)容

11.180X86微處理器發(fā)展歷程

11.2典型微處理器的基本結(jié)構(gòu)

11.380X86微處理器的編程結(jié)構(gòu)

11.4典型微處理器的引腳結(jié)構(gòu)

11.5典型微處理器的基本時(shí)序

11.6典型微處理器的指令系統(tǒng)本章主要內(nèi)容11.180X86微處理器發(fā)展歷程111.180X86微處理器發(fā)展歷程11.180X86微處理器發(fā)展歷程11.1.1Intel8086及80286微處理器Intel8086微處理器有16位寄存器和16位外部數(shù)據(jù)總線，具有20位地址總線，尋址1MB地址空間。Intel8088微處理器除了有較小的8位外部數(shù)據(jù)總線外，其他與8086微處理器是相同的。Intel80286微處理器在IA-32結(jié)構(gòu)中引進(jìn)了保護(hù)方式操作。這種新的操作方式用段寄存器的內(nèi)容作為選擇子或描述符表的指針。描述符提供24位基地址，允許最大的物理存儲(chǔ)器的尺寸至16MB，支持在段對(duì)換基礎(chǔ)上的虛擬存儲(chǔ)器管理和各種保護(hù)機(jī)制。11.1.1Intel8086及80286微處理器In11.1.2Intel80386微處理器Intel80386微處理器是IA-32結(jié)構(gòu)微處理器系列中的第一個(gè)32位處理器。它在結(jié)構(gòu)中引入了32位寄存器用于容納操作數(shù)和地址。每個(gè)32位寄存器的后一半保留兩個(gè)早期處理器版本（Intel8086和80286）的16為寄存器的特征，以提供完全的后向兼容。提供了一種新的虛擬8086方式，以在新的32位處理器上最有效地執(zhí)行為8086和8088微處理器建立的程序。11.1.2Intel80386微處理器Intel8IA-32結(jié)構(gòu)已經(jīng)考慮到維護(hù)在目標(biāo)碼級(jí)后向兼容的任務(wù)，以保護(hù)Intel公司客戶在軟件上的大量投資。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)的每一代上，最有效的微結(jié)構(gòu)和硅片制造技術(shù)已經(jīng)用于生產(chǎn)高性能的處理器。在IA-32微處理器的每一代中，Intel公司已經(jīng)構(gòu)思并采用不斷發(fā)展的技術(shù)到它的微結(jié)構(gòu)中以追求速度更快的計(jì)算機(jī)。各種形式的并行處理已經(jīng)使這些技術(shù)得到最大的性能增強(qiáng)，Intel80386微處理器是包括若干并行操作部件的第一個(gè)IA-32結(jié)構(gòu)微處理器。IA-32結(jié)構(gòu)已經(jīng)考慮到維護(hù)在目標(biāo)碼級(jí)后向兼容的任務(wù)，以保護(hù)11.1.3Intel80486微處理器Intel80486微處理器由把Intel80386微處理器的指令譯碼和執(zhí)行單元擴(kuò)展為五個(gè)流水線段，增加了更多的并行執(zhí)行能力，其中每個(gè)段（當(dāng)需要時(shí)）與其他的并行操作最多可在不同段上同時(shí)執(zhí)行五條指令。每個(gè)段以能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令的方式工作，所以Intel80486微處理器能每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。在芯片上增加了一個(gè)8KB的一級(jí)緩存（Cache）大大增加了每個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行一條指令的百分比，包括操作數(shù)在一級(jí)Cache中的存儲(chǔ)器訪問指令。11.1.3Intel80486微處理器Intel811.1.4IntelPentium（奔騰）處理器IntelPentium處理器增加了第二個(gè)執(zhí)行流水線以達(dá)到超標(biāo)量性能（兩個(gè)已知的流水線u和v一起工作，實(shí)現(xiàn)每個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行兩條指令）。片上的一級(jí)Cache也加倍了，8KB用于代碼，另外8KB用于數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)Cache使用MESI協(xié)議以支持更有效的回寫方式，以及由Intel80486處理器使用的寫通方式。11.1.4IntelPentium（奔騰）處理器In11.1.5IntelP6系列處理器IntelPentiumPro處理器是基于P6微結(jié)構(gòu)的第一個(gè)處理器。P6處理器系統(tǒng)隨后的成員是IntelPentiumⅡ、IntelPentiumⅡXeon（至強(qiáng)）、IntelCeleron（賽揚(yáng)）、IntelPentiumⅢ、IntelPentiumⅢXeon（至強(qiáng)）處理器。11.1.5IntelP6系列處理器IntelPenPentiumPro處理器是三路超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，允許每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行三條指令。它也引入了在超標(biāo)量實(shí)現(xiàn)中的動(dòng)態(tài)執(zhí)行的概念（微數(shù)據(jù)流分析、超順序執(zhí)行、出眾的分支預(yù)測(cè)和推理執(zhí)行）。三個(gè)指令譯碼單元并行工作把目標(biāo)碼譯碼為微結(jié)構(gòu)操作碼micro-ops（micro-architectureop-codes）。微機(jī)原理與接口技術(shù)_11高檔微處理器的新特性全解課件11.1.6IntelPentiumⅡ處理器IntelPentiumⅡ處理器把MMX技術(shù)加至P6系列處理器具有新的包裝和若干硬件增強(qiáng)。處理器核心包裝在SECC上，允許容易設(shè)計(jì)和靈活的母板結(jié)構(gòu)。第一級(jí)數(shù)據(jù)和指令Caches每個(gè)擴(kuò)展至16KB，支持二級(jí)Ccache的尺寸為256KB、512KB和1MB。半速的后沿總線連接二級(jí)Cache至處理器。11.1.6IntelPentiumⅡ處理器Intel11.1.7IntelPentiumⅢ

處理器PentiumⅢ處理器引進(jìn)流SIMD擴(kuò)展（SSE）至IA-32結(jié)構(gòu)。SSE擴(kuò)展把由IntelMMX引進(jìn)的SIMD執(zhí)行模式，擴(kuò)展為新的128微寄存器和能在組合的單精度浮點(diǎn)數(shù)上執(zhí)行SIMD操作。PentiumⅢXeon（至強(qiáng)）處理器用Intel的0.18微米處理技術(shù)的全速在模高級(jí)傳送緩存（AdvancedTransferCache）擴(kuò)展了IA-32處理器的性能級(jí)。11.1.7IntelPentiumⅢ

處理器Pen11.1.8IntelPentium4處理器IntelPentium4處理器是第一個(gè)基于IntelNetBurst微結(jié)構(gòu)的處理器。IntelNetBurst微結(jié)構(gòu)是新的32位微結(jié)構(gòu)，它允許處理器操作在比以前的IA-32結(jié)構(gòu)微處理器更高的時(shí)鐘速度和性能等級(jí)上。11.1.8IntelPentium4處理器Inte11.1.9Intel64位處理器1．Core2Core2中文名為酷睿2，是英特爾公司于2006年推出的X86架構(gòu)微處理器，它采用全新的IntelCore微架構(gòu)，取代了自2000年起大多數(shù)英特爾處理器采用的NetBurst架構(gòu)。Core2采用0.065～0.045mm的制作工藝，處理器的速度為1.06～3.33GHz。11.1.9Intel64位處理器1．Core22．Corei7Corei7處理器是英特爾公司于2008年推出的64位四核心CPU。它沿用x86-64指令集，并以IntelNehalem微架構(gòu)為基礎(chǔ)，取代了IntelCore2系列處理器。Corei7采用0.045～0.032mm的制作工藝，處理器的速度為2.53～3.46GHz。Corei7的名稱并沒有特別的含義，更不是指第7代產(chǎn)品。微機(jī)原理與接口技術(shù)_11高檔微處理器的新特性全解課件3．Corei5英特爾公司于2009年9月1日正式發(fā)布了Corei5處理器。該處理器是Corei7派生系列中的低級(jí)版本，同樣基于IntelNehalem微架構(gòu)。與Corei7支持三通道存儲(chǔ)器不同，Corei5只會(huì)集成雙通道DDR3存儲(chǔ)器控制器。微機(jī)原理與接口技術(shù)_11高檔微處理器的新特性全解課件4．Corei3Corei3處理器是英特爾推出的首款CPU＋GPU產(chǎn)品。它是基于IntelWestmere微架構(gòu)，采用0.032～0.032mm的制作工藝，處理器的速度為2.50～3.33GHz。Corei3與Corei5類似，只集成雙通道DDR3存儲(chǔ)器控制器，也集成了一些北橋的功能和PCI-Express控制器，接口亦采用了LGA1156。處理器核心方面，Corei3的代號(hào)為Clarkdale，采用32納米制程的Corei3有兩個(gè)核心，支持超線程技術(shù)。在L3緩沖存儲(chǔ)器方面，Corei3的兩個(gè)核心共享4MB。Corei3在芯片組方面，也采用了IntelP55。4．Corei311.2典型微處理器的基本結(jié)構(gòu)11.2典型微處理器的基本結(jié)構(gòu)11.2.180286微處理器Intel80286微處理器是Intel公司1982年推出的產(chǎn)品。80286芯片內(nèi)含13.5萬(wàn)個(gè)晶體管，內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是16位，地址總線為24位，可尋址224B即16MB內(nèi)存。80286片內(nèi)具有存儲(chǔ)器管理和保護(hù)機(jī)構(gòu)，它有實(shí)模式和保護(hù)模式兩種工作方式。11.2.180286微處理器Intel80286微處

80286將8086中BIU和EU兩個(gè)處理單元進(jìn)一步分離成四個(gè)處理單元，分別是執(zhí)行部件EU、總線部件BU、指令部件IU和地址部件AU。整個(gè)80286采用流水線作業(yè)方式，使各部件能同時(shí)并行地工作。1．總線部件EU總線部件由地址鎖存器和驅(qū)動(dòng)器、協(xié)處理器擴(kuò)展接口、總線控制器、數(shù)據(jù)收發(fā)器、預(yù)取器和6字節(jié)預(yù)取隊(duì)列組成。2．指令部件IU指令部件中設(shè)有指令譯碼器和譯碼指令隊(duì)列，用來(lái)指令譯碼，并為執(zhí)行部件執(zhí)行做好準(zhǔn)備。80286將8086中BIU和EU兩個(gè)處理單元進(jìn)一步分離成四

3．執(zhí)行部件EU由寄存器、控制部件、算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU和微程序只讀存儲(chǔ)器組成，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令，即完成算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及其他數(shù)據(jù)加工操作。4．地址部件AU地址部件由偏移量加法器、段界限檢查器、段基地址寄存器、段長(zhǎng)度寄存器和物理地址加法器等組成。3．執(zhí)行部件EU11.2.280386微處理器80386是Intel公司1985年推出的一種高性能32位微處理器，80386內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是32位的，地址總線為32位，可尋址4GB。它是對(duì)8086～80286微處理器的徹底改進(jìn)。其主要特點(diǎn)如下。1．80386CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)由6個(gè)邏輯單元組成。2．80386可以按實(shí)模式、保護(hù)模式以及虛擬8086三種模式對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問。11.2.280386微處理器80386是Intel公司11.2.380486微處理器80486是Intel公司于1989年推出的第二代32位微處理器。集成度是80386的4倍以上，168個(gè)引腳，PGA封裝，體系結(jié)構(gòu)與80386幾乎相同，但在相同的工作頻率下處理速度比80386提高了2～4倍，80486的工作頻率最低為25MHz，最高達(dá)到132MHz。11.2.380486微處理器80486是Intel公司

從總的情況看，80486有如下特點(diǎn)。（1）80486在Intel微處理器歷史上首次采用了RISC技術(shù)。（2）80486采用了突發(fā)總線同外部RAM進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換。（3）80486微處理器中配置了8KB的高速緩存器（Cache）。（4）80486微處理器內(nèi)部還設(shè)置了一個(gè)數(shù)值協(xié)處理器，這就使得80486不再需要片外80387的支持而直接具有浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力。（5）80486在其高速緩存部件與協(xié)處理器之間設(shè)置有兩條高速數(shù)據(jù)總線，這兩條32位總線也可作為一條64位總線使用。從總的情況看，80486有如下特點(diǎn)。11.2.4Pentium系列微處理器1．Pentium微處理器Pentium微處理器的主要特點(diǎn)如下。1）超標(biāo)量流水線設(shè)計(jì)是Pentium處理器的核心。2）Pentium采用雙Cache結(jié)構(gòu)。3）Pentium微處理器中還設(shè)置有分支目標(biāo)緩存器BTB。4）浮點(diǎn)運(yùn)算部件。11.2.4Pentium系列微處理器1．Pentium

2．PentiumPro微處理器PentiumPro主要有三大特點(diǎn)。（1）PentiumPro采用了RISC技術(shù)，超標(biāo)量與流水線相結(jié)合的核心結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)。（2）PentiumPro處理器使用的是一種387管腳網(wǎng)格陣列（PGA）的陶瓷封裝技術(shù)，片內(nèi)除CPU外，集成了256或512KBL2Cache。（3）PentiumPro處理器支持不加附加邏輯的對(duì)稱多處理，即不需要額外的邏輯電路就可支持多達(dá)四個(gè)CPU，這一結(jié)構(gòu)對(duì)服務(wù)器、工作站實(shí)現(xiàn)多處理器系統(tǒng)特別有利。2．PentiumPro微處理器

3．PentiumⅡ微處理器PentiumⅡ的優(yōu)異性能與先進(jìn)結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在以下三方面。1）動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)與MMX技術(shù)2）雙重獨(dú)立的總線結(jié)構(gòu)3）SEC單邊接觸封裝技術(shù)3．PentiumⅡ微處理器

4．PentiumⅢ微處理器PentiumⅢ微處理器與PentiumⅡ的最大不同在于如下三點(diǎn)。（1）PentiumⅢ也是采用雙重獨(dú)立總線結(jié)構(gòu)，但是前端總線的時(shí)鐘頻率至少為100MHz，處理器核心與L2Cache之間專用的后端總線時(shí)鐘頻率最初是主頻的一半，后來(lái)的產(chǎn)品也有與主頻同速。（2）PentiumⅢ處理器首次采用了Intel公司自行開發(fā)的流式單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展SSE技術(shù)。（3）PentiumⅢ微處理器首次設(shè)置了處理器序列號(hào)PSN（ProcessorSerialNumber）。4．PentiumⅢ微處理器11.380X86微處理器的編程結(jié)構(gòu)11.380X86微處理器的編程結(jié)構(gòu)11.3.1基本結(jié)構(gòu)寄存器組

1．通用寄存器（8個(gè)）80486共有8個(gè)32位的通用寄存器，包括累加器EAX、基址寄存器EBX、計(jì)數(shù)寄存器ECX、數(shù)據(jù)寄存器EDX、源變址寄存器ESI、目的變址寄存器EDI、基址指針寄存器EBP和堆棧指針寄存器ESP，這些通用寄存器用于保存數(shù)據(jù)或地址位移量。2．指令指針寄存器（1個(gè)）指令指針寄存器是一個(gè)32位寄存器，命名為EIP。11.3.1基本結(jié)構(gòu)寄存器組

1．通用寄存器（8個(gè)）

3．標(biāo)志寄存器（1個(gè)）標(biāo)志寄存器是一個(gè)32位的寄存器，命名為EFLAGS。4．段寄存器（6個(gè)）與8086相比，80286以上的微處理器除具有CS、DS、SS、ES寄存器外，又增加了FS和GS兩個(gè)新的16位寄存器，以支持對(duì)附加數(shù)據(jù)段的訪問。3．標(biāo)志寄存器（1個(gè)）11.3.2系統(tǒng)級(jí)寄存器組

1．系統(tǒng)地址寄存器（4個(gè)）80X86的4個(gè)系統(tǒng)地址寄存器，用來(lái)保存系統(tǒng)描述符表所在存儲(chǔ)段的基址、界限和段屬性信息。系統(tǒng)描述符表主要有如下四種。（1）全局描述符表GDT（GlobalDescriptorTable）（2）局部描述符表LDT（LocalDescriptorTable）（3）中斷描述符表IDT（InterruptDescriptorTable）（4）任務(wù)狀態(tài)段TSS（TaskStateSegment）11.3.2系統(tǒng)級(jí)寄存器組

1．系統(tǒng)地址寄存器（4個(gè)）

2．控制寄存器（5個(gè)）1）CR0控制寄存器2）CR1控制寄存器3）CR2控制寄存器4）CR3控制寄存器5）CR4控制寄存器2．控制寄存器（5個(gè)）

3．測(cè)試寄存器（5個(gè)）80X86有5個(gè)測(cè)試寄存器，TR3～TR5用于高速緩存的測(cè)試操作（測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)試狀態(tài)、測(cè)試控制），TR6～TR7則用于頁(yè)部件的測(cè)試操作（測(cè)試控制、測(cè)試狀態(tài)）。4．調(diào)試寄存器（8個(gè)）80X86有8個(gè)32位的調(diào)試寄存器，這8個(gè)調(diào)試寄存器支持80486微處理器的調(diào)試功能。3．測(cè)試寄存器（5個(gè)）11.3.3浮點(diǎn)寄存器組1．?dāng)?shù)據(jù)寄存器（8個(gè)）這是一組80位的寄存器，8個(gè)80位的數(shù)據(jù)寄存器中的每一個(gè)都分成同F(xiàn)PU的擴(kuò)展精度數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)的字段。2．標(biāo)記寄存器（1個(gè)）用來(lái)標(biāo)記每個(gè)數(shù)值寄存器的內(nèi)容，每?jī)晌粯?biāo)記表示8個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中的一個(gè)，共16位。3．指令和數(shù)據(jù)指針寄存器（2個(gè)）包含一個(gè)指令指針和一個(gè)數(shù)據(jù)指針，以提供發(fā)生故障的指令的地址及其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器操作數(shù)的地址。4．控制字寄存器（1個(gè)）FPU提供若干選擇項(xiàng)，這些選擇項(xiàng)是通過(guò)將存儲(chǔ)器的控制字裝入控制寄存器進(jìn)行選擇的。11.3.3浮點(diǎn)寄存器組1．?dāng)?shù)據(jù)寄存器（8個(gè)）11.4典型微處理器的引腳結(jié)構(gòu)11.4典型微處理器的引腳結(jié)構(gòu)11.4.180386微處理器80386采用PGA（管腳柵格陣列）封裝技術(shù)，芯片封裝在正方形管殼內(nèi)，管殼每邊三排引腳，共132根。11.4.180386微處理器80386采用PGA（管腳11.4.280486DX微處理器1．地址總線和數(shù)據(jù)總線2．控制總線1）奇偶校驗(yàn)信號(hào)2）總線周期定義信號(hào)——表示正在操作的總線周期類型3）總線控制信號(hào)4）成組傳送控制5）高速緩存控制信號(hào)11.4.280486DX微處理器1．地址總線和數(shù)據(jù)總線6）高速緩存使無(wú)效控制信號(hào)7）頁(yè)面高速緩存控制信號(hào)8）數(shù)據(jù)出錯(cuò)報(bào)告信號(hào)9）第20位地址A20屏蔽信號(hào)10）總線仲裁信號(hào)11）總線寬度控制信號(hào)12）中斷/復(fù)位信號(hào)微機(jī)原理與接口技術(shù)_11高檔微處理器的新特性全解課件3．時(shí)鐘信號(hào)CLK——時(shí)鐘信號(hào)（輸入）。CLK為80486提供基本的定時(shí)和內(nèi)部工作頻率。所有外部定時(shí)與計(jì)數(shù)操作都是相對(duì)于CLK的上升沿而制定的。3．時(shí)鐘信號(hào)11.4.3Pentium微處理器1．?dāng)?shù)據(jù)線及其控制信號(hào)2．地址線及控制信號(hào)3．系統(tǒng)控制信號(hào)4．總線周期定義信號(hào)（輸出）5．總線控制信號(hào)6．總線仲裁信號(hào)11.4.3Pentium微處理器1．?dāng)?shù)據(jù)線及其控制信號(hào)11.5典型微處理器的基本時(shí)序11.5典型微處理器的基本時(shí)序11.5.180386時(shí)序80386的總線周期可分為兩類：基本總線周期和地址流水線方式的總線周期。1．80386的基本總線周期每個(gè)周期由兩個(gè)總線狀態(tài)組成，命名為T1和T2。如果外部硬件的速度足夠快，任何存儲(chǔ)器或I/O地址都可由一個(gè)兩狀態(tài)的總線周期存取。2．80386的流水線方式總線周期這是一種對(duì)總線周期定時(shí)方式的選擇。流水線方式或非流水線方式可以在逐個(gè)周期上使用信號(hào)進(jìn)行選擇。11.5.180386時(shí)序80386的總線周期可分為兩類11.5.2Pentium時(shí)序1．PentiumCPU的基本總線操作PentiumCPU可以形成兩種時(shí)序類型的總線周期：非流水線周