微机原理02.ppt

微机原理 马洪兵hoganma 62785531 O 62775255 H 答疑时间 星期一下午答疑地点 东主楼9区314 第二章Pentium微处理器的体系结构 2 1计算机体系结构的含义2 2Pentium微处理器的内部结构2 3实模式软件体系结构2 4保护模式软件体系结构2 5浮点部件软件体系结构 2 1计算机体系结构的含义 计算机体系结构 computerarchitecture 计算机系统结构 计算机体系结构是程序员所看到的系统的一些属性 概念性的结构和功能上的表现 这些属性既不同于数据流和控制的组织 也不同于逻辑设计和物理实现 Amdahl 1964 计算机体系结构是连接硬件和软件的一门学科 它研究的内容不但涉及计算机硬件 也涉及计算机软件 计算机体系结构与计算机组成 区别在于关心的问题不同 计算机体系结构关心的是怎样合理地进行软硬件功能分配 为软件人员提供适用的计算机计算机组成关心的是怎样合理地实现分配给硬件的功能和指标 提高性能价格比 兼容性 针对系列计算机要求所有机种间能够保持向上兼容和向后兼容 向上兼容 为某个档次机种编制的软件能够不加修改地运行在比它高档的机种上 向后兼容 为某个时期生产的机种编制的软件能够不加修改地运行在它之后生产的机种上 兼容性针对 软件 体系结构 非硬件实现 Pentium微处理器的运行模式 实模式 保护模式 2 2Pentium微处理器的内部结构 1 Pentium微处理器的外形和封装 1993年开始推出 共生产三代 P5 Pentium60 66 0 8 m 5V电压P54C Pentium75 90 100 120 133 150 166 200 0 6 m 3 8V电压P55C PentiumMMX166 200 233 0 35 m 2 8V电压 集成度 310万晶体管 片 采用296引脚的引脚栅格阵列 PGA 陶瓷封装技术 2 Pentium微处理器的功能结构 3 超标量与流水线 超标量和流水线的概念 超标量 配置多个执行部件和指令译码电路 能同时执行多条指令 Pentium由三个执行单元组织而成 一个执行浮点指令 另两个执行整型指令 U流水线和V流水线 这意味着Pentium同时可以执三条指令 超标量 流水线 在CPU中把一条指令分解成多个可单独处理的操作 使每个操作在一个专门的硬件站 stage 上执行 这样一条指令需要顺序地经过流水线中多个站的处理才能完成 但是前后相连的几条指令可以依次流入流水线中 在多个站间重叠执行 因此可以实现指令的并行处理 80486的指令分PF D1 D2 EX WB五个操作步骤 0 1 2 3 4 5 6 8 7 时间 i1 i2 i3 i4 整数流水线 五个阶段的整数流水线 PF 预取 处理器从代码cache中预取指令D1 译码阶段1 处理器对指令译码确定操作码和寻址信息 在这个阶段还进行指令的成对性检查和分支预测D2 译码阶段2 产生访问存储器的地址EX 执行 处理器或者访问数据cache 或者利用ALU 筒型移位器或其他功能单元计算结果WB 写回 利用指令运行结果更新寄存器和标志寄存器 时间 i1 i2 i3 i4 0 1 2 3 4 5 6 8 7 i5 i6 i7 i8 U V U V U V Pentium的超标量流水线 指令配对 U V两条流水线并行执行的要满足一些前提条件 Pentium数据手册定义了配对规则 1 两条指令都是简单指令2 没有写后读和写后写的依赖关系3 一条指令不能同时既包含位移量又包含立即数4 带前缀的指令只能出现在U流水线中 此外 条件分支转移指令和非条件分支转移指令和 只有当它们作为配对中的第二条指令出现时才可以配对 简单指令 完全由硬件执行而无需任何微码控制 在一个时钟周期内执行的指令movreg reg mem immmovmem reg immalureg reg mem immalumem reg immincreg memdecreg mempushreg mempopregleareg memjmp call jccnearnop 例 MOVAX 5INCBXMOVAX 5INCAX 分支预测P 310 浮点流水线 八个阶段的浮点流水线 PF预取D1译码阶段1D2译码阶段2EX取操作数X1浮点执行步骤1X2浮点执行步骤2WT写浮点数ER出错报告 浮点流水线中的前五个步骤与整数流水线中的五个步骤是同步执行的 只是多出三个步骤 4 CacheP 309 2 3实模式软件体系结构 1 寄存器结构 指令指针IP段寄存器CS DS SS ES FS GS通用寄存器EAX EBX ECX EDX变址寄存器ESI EDI指针寄存器EBP ESP标志寄存器FLAGS控制寄存器0 CR0 CR0的第0位叫保护允许位 PE PE用于对实模式和保护模式进行切换 PE置0时选择实模式运行 2 存储器地址空间和数据组织 220 1MB 地址由00000 FFFFF H 编码若存放的信息是字节 则按顺序存放若存放的信息是字 则将字的低位字节存放在低地址 高位字节存放在高地址若存放的信息是双字 则将双字的低位字存放在低地址 高位字存放在高地址 对准双字界域 对应地址是4的倍数 例1 双字A00055FF如何存储在地址为0210C的存储器中例2 双字0123ABCD如何存储在地址为02102的存储器中 1MB存储空间分通用和专用两个区域00000 003FF专用 存放中断向量表00400 FFFFF通用 中断向量表表内指针用来指出相应的中断服务程序的起始点 表内每个指针占2个字 占据较高地址的是段基址 占据较低地址的是偏移量 中断向量表可以包含个中断指针 3 段寄存器和存储器分段 1MB的存储空间被分成段 每段64KB段是可独立寻址的存储器部分 6个段寄存器 保存16位段基址CS代码段SS堆栈段DS数据段ES附加段FS数据段FGS数据段G 4 通用寄存器 在程序执行时暂时保存中间结果 在进行算术运算和逻辑运算时 通用寄存器任何一个都可以作为源操作数或目的操作数A累加器寄存器B基址寄存器C计数寄存器D数据寄存器 5 指针和变址寄存器ESP EBP ESI EDI 作通用数据寄存器用 作指针和变址寄存器用时为16位 SP BP SI DI P 52 6 堆栈P 65 7 标志寄存器P 53 8 实际地址和逻辑地址P 64 例3 假设段寄存器内容为002A 偏移量为0023 求构成的物理地址 9 I O地址空间 Pentium存储器和I O地址空间是分离的 I O地址空间安放I O接口 如打印机 终端接口 PentiumI O地址空间为64KB 地址范围0000 FFFF每一个地址对应一个字节宽的I O端口 习题 1 什么是计算机体系结构 2 Pentium微处理器的整数流水线是怎样工