《微機原理與接口技術（第2版）》第02章微處理器-CPU

第2章微處理器-CPU本章知識要點：

本章從科學發(fā)展的角度逐步地、由淺入深地引導讀者認識微處理器的組成和發(fā)展。以微處理器領域內具有代表性的16位的8086和32位的Pentium為平臺，以新-舊對比的方式介紹微處理器的組成，以及各部件的結構、功能、操作原理等。對Pentium所采用的超標量執(zhí)行技術、分支轉移預測技術、流水線操作技術等先進技術，進行了說明和剖析。本章是微機系統(tǒng)知識的核心、是重點、難點所在。重點是Pentium體系結構、超標量執(zhí)行技術、分支轉移預測技術、流水線操作技術、浮點流水線操作等先進技術。2.1

寄存器

寄存器，從某種意義上說，它是一個容量非常小、速度非?？?、放置在CPU芯片內的用于“暫時存放”信息的存儲器。除特殊用途的寄存器外，像16位的8086微處理器、32位的Pentium微處理器的8個通用寄存器，用來“暫時存放”當前參與運算的值或累加結果。2.1.116位寄存器

8086含14個16位寄存器，按功能可分為三類：通用寄存器，8個段寄存器，4個控制寄存器，2個8086/8088的16位寄存器SPIPFLAGSAHALBHBLCHCLDHDLAXBXCXDXBPSIDICSDSESSS通用寄存器控制寄存器段寄存器16位16位1、通用寄存器

數(shù)據(jù)寄存器（AX，BX，CX，DX）

地址指針寄存器（SP，BP）

變址寄存器（SI，DI）地址指針寄存器SP：堆棧指針寄存器其內容為堆棧棧頂?shù)钠频刂?；任何堆棧操作后，SP都會自動增/減量。BP：基址指針寄存器在間接尋址中用于存放操作數(shù)的基地址；常用于訪問存放在堆棧中的數(shù)據(jù)。變址寄存器SI：源變址寄存器，用于訪問源操作數(shù)DI：目標變址寄存器，用于訪問目的操作數(shù)常用于操作數(shù)的間接尋址或變址尋址。在串操作指令中，SI存放源操作數(shù)的偏移地址，而DI存放目標操作數(shù)的偏移地址。段寄存器用于存放邏輯段的段基地址（簡稱段地址）CS：代碼段寄存器。代碼段存放指令代碼DS：數(shù)據(jù)段寄存器ES：附加段寄存器SS：堆棧段寄存器：指示堆棧區(qū)域的位置這兩個段存放操作數(shù)堆棧段SS數(shù)據(jù)段DS/ES代碼段CS控制寄存器IP：指令指針寄存器其內容為下一條要執(zhí)行的指令的偏移地址。FLAGS：標志寄存器存放指令執(zhí)行結果的特征：有些指令（如算術指令）要改變FLAGS的內容(影響FLAGS)；有些指令對FLAGS無影響。6個狀態(tài)標志位（CF，SF，AF，PF，OF，ZF）3個控制標志位（IF，TF，DF）ODITSZAPC1502467891011FLAGS2.1.232位寄存器下面以32位的Pentium微處理器配備的寄存器為例，介紹32位的寄存器。Pentium配備的寄存器按類可分為如下幾類：（1）基本體系結構寄存器：

①通用寄存器；

②指令指針寄存器；

③標志寄存器；

④段寄存器；

（2）系統(tǒng)級寄存器：

①系統(tǒng)寄存器；

②系統(tǒng)地址寄存器；（３）調試和測試寄存器：（４）浮點寄存器：AXBXCXDXBPSIDISPEAXEBXECXEDXEBPESIEDIESP累加寄存器基地址寄存器計數(shù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器基地址指針寄存器源變址寄存器目標變址寄存器堆棧指針寄存器32位寄存器名稱中間是16位寄存器名稱AHBHCHDHALBLCLDL斜體表示8位寄存器名稱163115078通用寄存器代碼段寄存器CS堆棧段寄存器SS數(shù)據(jù)段寄存器DS附加數(shù)據(jù)段寄存器ES附加數(shù)據(jù)段寄存器FS附加數(shù)據(jù)段寄存器GS段寄存器代碼段寄存器CS堆棧段寄存器SS015310

標志寄存器FLAGS

指令指針寄存器IP標志和指令指針寄存器下面展示出Pentium配備的通用寄存器、指令指針寄存器、標志寄存器以及段寄存器

01234576891011121314151617181920213122CFPFAF00ZF1SFTFIFDFOFNTIOPL0RFVMACVIFVIPID00ID：標識標志(X)VIP：虛擬中斷掛起標志(X)VIF：虛擬中斷標志(X)AC：對準檢查(X)VM：虛擬8086模式(X)RF：恢復標志(X)NT：嵌套任務標志(X)IOPL：I/O特權級標志(X)OF：溢出標志(S)DF：方向標志(C)IF：允許中斷標志(X)TF：自陷標志(X)SF：符號標志(S)ZF：零標志(S)AF：輔助進位標志(S)PF：奇偶校驗標志(S)CF：進位標志(S)這些標志不僅控制著微處理器的某些操作，且隨時隨地的指示出微處理器的狀態(tài)。標志寄存器內不僅有狀態(tài)和控制標志，而且還有幾位是系統(tǒng)標志位。

0000000000000000000000000

E

頁故障線性地址寄存器

保留VMEPVITSDPSEMCEDE0PWTPCDO123456731CR4CR3CR2CR103412113116151615313100控制寄存器Pentium由于控制管理的需要，又配備了5個控制寄存器。在這5個控制寄存器中保存著全局性的和任務無關的機器狀態(tài)。這5個控制寄存器連同存儲管理寄存器一起，保存著影響系統(tǒng)中所有任務的機器狀態(tài)

CR0不寫貫穿禁止Cache允許分頁PEMPEMTSETNEWPAMNWCDPG對準屏蔽寫保護數(shù)值錯擴展類型任務切換模擬浮點部件監(jiān)控浮點部件允許保護

從功能上劃分，8086分為兩大部分，總線接口部件BIU

執(zhí)行部件EU兩個部件各自獨立工作

EU部件負責執(zhí)行指令。BIU負責指令和數(shù)據(jù)傳送，為EU提供要執(zhí)行的指令。2．2微處理器的組成原理2．2．116位微處理器的組成原理16位ALUFLAGS內部總線指令隊列緩沖器外部總線總線接口單元(BIU)執(zhí)行單元(EU)AHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISIAXBXCXDX通用寄存器EU控制電路Q總線CSDSSSESIP內部暫存器16位8位總線

控制邏輯地址加法器數(shù)據(jù)總線512346暫存寄存器20位段寄存器2．2．2．8086／8088的不足

微機技術飛速發(fā)展、日新月異，新技術與時俱進，層出不窮，現(xiàn)在已經(jīng)進入了64位雙核的微處理器時代。從現(xiàn)實的角度，回頭再看16位的8086，并與當前32微處理器比較后發(fā)現(xiàn)：在以下幾個方面。1．存儲器容量小。2．時鐘頻率低。3．計算精度低。4．技術含量低。5．存取速度低。2．2．332位微處理器組成原理

以Pentium為平臺，對32位微處理器的組成原理進行討論。Pentium擁有32位微處理器的全部特征，這些先進的技術配置包括：

⑴超標量體系結構、⑵動態(tài)預測轉移、⑶流水線操作的浮點部件、⑷改進了性能的指令執(zhí)行計時、⑸分離式的8KB的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache、⑹數(shù)據(jù)Cache中采用了寫回的MESI協(xié)議、⑺64位數(shù)據(jù)總線、⑻總線周期的流水線技術、⑼地址奇偶校驗、⑽內部奇偶校驗等。

Pentium結構

Pentium是由總線接口部件（64位的）、存儲管理部件（分段、分頁管理部件）、指令Cache、數(shù)據(jù)Cache、分支轉移目標緩沖存儲器、控制ROM部件、控制部件、預取緩沖部件、指令譯碼部件、整數(shù)運算部件、整數(shù)及浮點數(shù)寄存器組、浮點運算部件等功能組成。見圖2-9Pentium微處理器邏輯

（１）總線接口部件（２）預取緩沖部件（３）指令譯碼部件譯碼操作，一是檢查一條指令的格式，二是確定它是哪種類型操作的指令，并給出這條指令所需的操作數(shù)。（４）控制部件

負責解釋來自指令譯碼部件的指令字和控制ROM的微代碼。控制部件的輸出控制著整數(shù)流水線部件和浮點部件。

（5）執(zhí)行部件

是微處理器用于執(zhí)行指令所規(guī)定的具體操作的CPU的核心硬件部分。這些非常具體的操作是指諸如數(shù)值運算、邏輯操作以及分支轉移處理等。（6）分段部件

Pentium的存儲管理是采用了分段存儲管理技術和分頁存儲管理技術實現(xiàn)的。分段部件的功能是，將由程序提供的邏輯地址轉換成一種線性地址。（7）分頁部件

Pentium微處理器的分頁存儲管理部件，在整個存儲管理系統(tǒng)內采用的是二級分頁管理機制。（8）浮點部件（9）Cache部件

2．3

Pentium采用的新技術

2.3.1超標量執(zhí)行超標量是指那種擁有多條指令流水線，并在每個時鐘周期中可執(zhí)行一條以上的指令（在理想情況下）的微處理器處理指令的操作方式。

Pentium的超標量體系結構，配備有三條流水線，一條是執(zhí)行浮點指令的浮點部件內的浮點流水線，而另兩條則是整數(shù)運算部件內執(zhí)行整數(shù)指令的U流水線和V流水線。這樣就使得Pentium擁有了可同時執(zhí)行3條指令的能力。

控制字譯碼生成存儲器地址

控制字譯碼生成存儲器地址訪問數(shù)據(jù)Cache

或ALU計算

訪問數(shù)據(jù)Cache

或ALU計算

寫結果

寫結果

取指令且對準

指令譯碼生成控制字PFD1D2EXWBV流水線U流水線超標量執(zhí)行

2．3．2

分支轉移預測技術

分支轉移預測和推測執(zhí)行技術

為了提高CPU的運行速度。推測執(zhí)行是建立在分支轉移預測基礎上的一項技術。推測執(zhí)行是指允許CPU去處理那些不一定總能被執(zhí)行的指令，例如，跳過條件的分支轉移。在經(jīng)分支轉移預測程序預測判斷之后，決定是否進行分支轉移，接下來所要進行的處理就是推測執(zhí)行。

2.分支轉移預測判斷

由于Pentium采用了這項技術，可以在無延遲的情況下正確地預測各種轉移。另外，V流水線中的條件轉移指令可以與一條比較類指令成對執(zhí)行，當然也可以與U流水線中的置標志指令配合執(zhí)行。但Pentium作到了與現(xiàn)有軟件是完全兼容，所以不必修改現(xiàn)有軟件。2.3.3流水線技術

流水線操作(Pipeline)，類似于大工業(yè)生產(chǎn)的“裝配線”設計，Pentium微處理器的流水線操作是指把指令的操作處理分解成許多更小的操作步驟或操作階段，每個操作步驟或操作階段都由各自獨立的電路來實現(xiàn)的。當一條指令執(zhí)行完了一個操作步驟之后，它就按順序進入到流水線操作的下一個操作步驟，而前一個操作步驟則會繼續(xù)處理后續(xù)的指令。

2.Pentium整數(shù)流水線

Pentium的整數(shù)流水線操作是由

預取PF、

首次譯碼D1、

二次譯碼D2、

執(zhí)行EX、

寫回WB

共五個操作步驟組成。非流水線操作

為了更好地說明流水線操作技術，以及更好地認識流水線操作的技術進步，先從非流水線操作認識起

當一條指令在執(zhí)行的過程之中時，其他指令則要眼吧吧地看著這條指令的執(zhí)行，等待著這條指令的完成。只有前一條指令經(jīng)歷了這五個操作步驟，完成了這條指令的操作，下一條指令才可得以進入指令的執(zhí)行，同樣又是五個時鐘周期時間，同樣又是其他指令的等待。這種非流水線操作方式并沒有把計算機執(zhí)行的時間資源有效地利用起來指令流水線操作

Pentium整數(shù)指令的執(zhí)行要經(jīng)過指令預取PF、指令首次譯碼D1、二次譯碼D2、指令執(zhí)行EX和寫回WB這五個操作步驟。

在流水線內會有5條指令同時執(zhí)行。

指令流水線操作

Pentium微處理器是一種能夠以并行方式同時執(zhí)行兩條指令的超標量機器。兩條指令按照流水線操作的5個操作步驟以并行方式執(zhí)行操作，使得整數(shù)指令能夠在一個時鐘里，在兩條流水線上同時執(zhí)行

指令配對規(guī)則①配對兩條指令必須是所謂的“簡單”指令；②兩條指令之間不得存在“寫后讀”或“寫后寫”這樣的寄存器相關性；③一條指令不能同時既包含位移量又包含立即數(shù)；帶前綴(JCC指令的OF除外)的指令只能出現(xiàn)在U流水線中。1．

8086的兩種操作模式最小模式最大模式2.4

操作模式2.32位微處理器的操作模式32位的Pentium微處理器有兩種主要的操作模式及一種“系統(tǒng)管理模式”。操作模式?jīng)Q定可使用哪些指令及體系結構特性。這些模式如下：（1）保護模式這是微處理器的本機狀態(tài)，在這個模式下所有指令及體系結構特性均可以使用。（2）實地址模式（也稱實模式）這種模式提供了8086微處理器的程序設計環(huán)境，并有一些擴展功能（如退出該模式，復位時把處理器置于實模式，也可以通過一條指令使處理器切換到保護模式。（3）系統(tǒng)管理模式

Pentium微處理器還支持系統(tǒng)存儲管理模式（SMM），SMM是所有新的Intel微處理器（從80386微處理器開始）所特有的一種標準體系結構特性。2.5浮點部件

Pentium通過芯片內的浮點部件把浮點技術表現(xiàn)得淋漓盡致，由于Pentium微處理器把浮點部件與整數(shù)部件、分段部件、分頁部件等都集成到同一芯片之內，而且執(zhí)行的是流水線操作方式。把整個浮點部件設計成每個時鐘周期都能夠進行一次浮點操作，每個時鐘周期可以接受兩條浮點指令，但是其中的一條浮點指令必須是交換類的指令。對程序設計人員來說，可把Pentium芯片內的浮點部件FPU看成是一組輔助寄存器，是數(shù)據(jù)類型的擴展；還可以把浮點部件的指令系統(tǒng)看成是Pentium指令系統(tǒng)的一個子集。

Pentium的浮點部件是在80486浮點部件的基礎上重新設計而成。其整體性能比80486性能會高出5倍之多。2．5．1浮點部件體系結構1．數(shù)值寄存器

Pentium浮點部件的數(shù)值寄存器是由8個80位的數(shù)值寄存器、三個16位的寄存器等構成。其中，這8個80位的能各自獨立進行尋址的數(shù)值寄存器，又可用來構成一個寄存器堆棧。

06463787910標志字段R7R6R5R4R3R2R1R0符號有效數(shù)位指數(shù)

而3個16位的寄存器分別稱之為浮點部件FPU的狀態(tài)字寄存器、浮點部件控制字寄存器和標記字寄存器。150控制字寄存器狀態(tài)字寄存器標記字寄存器

2．狀態(tài)字寄存器

Pentium片內浮點部件狀態(tài)字寄存器內容反映的是浮點部件的全部狀態(tài)和環(huán)境。根據(jù)其作用狀態(tài)字又可以進一步細分成兩個字段：一個是異常事故標志字段，另一個則是狀態(tài)位字段。首先用一條存放在存儲器中的浮點操作指令檢查狀態(tài)字，然后再使用Pentium指令代碼再檢查各位狀態(tài)。條件碼棧頂指針浮點部件正忙無效操作事故非規(guī)格式化操作數(shù)除數(shù)為零溢出標志下溢事故精度事故堆棧故障異常概括出錯狀態(tài)IEDEZEOEUEPESFESC0C1C2C3BTOP012345678910111314153．控制字寄存器控制字內包括有事故屏蔽,允許中斷屏蔽以及若干控制位。圖中示出了控制字格式以及各字段的意義。精度操作圓整操作保留無效操作非規(guī)格式化操作數(shù)除數(shù)為零上溢下溢精度異常事故屏蔽保留IMDMZMOMUMPMRXCPCX0123456789101113141512XXXX（無窮大控制）4．標記字寄存器標記字的功能優(yōu)化了浮點部件的性能，圖中展示出標記字各字段，從圖中可