第2章_3 80x86系统微处理器

2.5Intel80X86微处理器,X86系列微机是目前个人桌面处理和便携处理系统的主流，80X86微处理器的发展对微型计算机系统的发展起着决定性的作用。,Intel8086微处理器内部由两个独立的功能部件组成：执行部件EU、总线接口部件BIU。,EU和BIU独立并行工作，可以大大提高系统效率。,2.5.1Intel80286微处理器的基本结构16位处理器，指令与8086兼容时钟频率：最高25MHz，24条地址线，有224(16MB)物理寻址能力集成存储管理和保护机构，四层特权支持操作系统和多任务管理,80286支持两种工作方式:实地址方式(简称实方式)和虚地址方式(又称保护方式)。,实地址方式：兼容8086的全部功能，有20位地址线，220(1MB)寻址能力。,虚地址方式：可以支持虚拟存储器、地址空间的保护，可靠地支持多用户和多任务系统。有224字节(16MB)物理寻址能力，每个任务可以有230字节(1GB)的虚地址空间，每个虚地址空间通过转换映射到224(16MB)字节的物理地址中。,80286微处理器内部功能部件由8086的两个发展成了四个，这四个部件分别是地址部件AU、指令部件IU、执行部件EU和总线部件BU。,地址部件AU(AddressUnit)：从EU的寄存器中取出地址，产生物理存储器地址或IO端口地址。总线部件BU(BusUnit)：读取指令代码、读/写操作数据。,指令部件IU(InstructionUnit)：从BU取出指令、译码、送入已被译码的指令队列，IU与EU可并行操作。执行部件EU(ExecutionUnit)：EU负责执行指令。,四个部件并行操作，提高了信息吞吐率，加快了处理速度。,2.5.2Intel80386微处理器的基本结构32位处理器，指令与8086、80286相兼容32位地址线，直接寻址4GB（1GB为230字节）物理地址空间虚拟存储空间为64TB(1TB为240字节)最高工作频率为40MHz多用户、多任务操作系统芯片。存储器管理部件（MMU）和保护机构，数据线、寄存器、运算操作为32位。,80386的功能部件增加到了6个：总线接口部件、指令预取部件、指令预译码部件、执行部件、分段部件和分页部件，它们能相对独立工作。,分页部件PU(PagingUnit)：PU把由SU或IPU产生的线性地址转换成物理地址，管理物理地址空间。一页为4KB，每一段可以是一页，也可以是若干页。PU是80386芯片新增的部件，又是个可选件，若不使用PU，80386的线性地址即是物理地址。SU和PU合称为存储器管理部件MMU(MemoryManagementUnit),2.5.3Intel80486微处理器的基本结构,Cache(高速缓冲存储器),FPU(FloatingPointUnit，浮点部件),32位处理器，最高工作频率120MHzRISC(ReducedInstructionSetComputer，精简指令集计算机)技术,80486功能部件达到8个：,1、增强型的80387FPU协处理器，处理速度比80387提高了35倍2、8KB的数据和指令Cache3、采用RISC技术，使芯片内的不规则控制部分减少，指令以较短的周期执行。4、以布线逻辑直接控制代替微代码控制，缩短可变长指令的译码时间，基本的指令一个时钟周期完成。5、采用单倍的时钟频率，提高电路稳定性。6、内部数据总线的宽度为64位，在其Cache与浮点部件之间采用了二条32位总线连线。7、Cache与FPU浮点寄存器之间可直接进行数据交换，大大减少了中间开销。这也是80486缩短指令周期的重要途径之一。,80486结构上的主要特点：,1）超标量流水线：由“U”和“V”两条指令流水线构成超标量流水线结构每条流水线都有自己的ALU、地址生成逻辑和Cache接口在每个时钟周期内可执行两条整数指令每条流水线分为指令预取、指令译码、地址生成、指令执行和回写5个步骤。,2.5.4IntelPentium微处理器的基本结构Pentium中文译名为“奔腾”，简称P5。同80486相比，Pentium在结构上有如下特点：,2）重新设计的浮点部件：分为8级流水，使每个时钟周期能完成一个浮点操作。3）独立的指令Cache和数据Cache：Pentium片内有两个8KB的Cache，双路Cache结构，一个是指令Cache，一个是数据Cache。4）分支预测：BTB(BranchTargetBuffer，分支目标缓冲器)的小Cache来动态地预测程序的分支操作。5）采用64位外部数据总线：ALU和通用寄存器仍是32位，所以还是32位微处理器，同内存储器进行数据交换的外部数据总线采用64位总线，两者之间的数据传输速度可达528MBs。,1、一个封装内安装了两个芯片。一个是CPU内核，包括两个8KB的L1Cache(一级高速缓存)，集成度为550万个晶体管。另一个是L2Cache(二级高速缓存)容量为256KB，集成度为1550万个晶体管。这一L2Cache由全速总线同CPU内核相连，从而提高了程序的运行速度。2、指令分解为微操作（CISC-RISC）。3、乱序执行和推测执行。4、超级流水线（14级）和超标量（3路）技术。,2.5.5PentiumPro微处理器PentiumPro名为“高能奔腾”，简称P6。P6增加了如下新内容：,2.5.6PentiumMMX微处理器PentiumMMX，中文名为“多能奔腾”。针对处理多媒体和通信能力推出的新一代处理器技术，是对IA32(IntelArchitecture32位Intel体系结构)指令系统的扩展，它是通过在奔腾处理器中增加4种新的数据类型、8个64位寄存器和57条新指令来实现的。主要特点有：,引入新的数据类型（紧缩字节、紧缩字、紧缩双字和四字），实现对SIMD（单指令流多数据流）支持采用饱和运算，避免环绕运算的上溢和下溢增加积和运算功能，提高多媒体指令性能,1.多媒体增强技术(MMX技术)2.动态执行技术多分支跳转预测数据流分析推测执行3.双重独立总线结构(DIB，DualIndependentBus),2.5.7Pentium微处理器Pentium微处理器，简称P，中文名为“奔腾”。多媒体增强技术(MMX技术)，使“奔腾”芯片既保持了“高能奔腾”原有的强大处理功能，又增强了PC机在三维图形、图像和多媒体方面的可视化计算功能和交互功能。,1.增加了70条SSE(StreamingSIMDExtensions，流式单指令多数据扩展)指令集2.新一代P处理具有：二级缓存达256KB，采用256位数据通路，工作于核心频率采用0.18m工艺，集成度高，功耗小采用新的先进缓冲器提高数据交换性能采用移动SpeedStep技术，提高系统灵活性,2.5.8PentiumIII微处理器Pentium微处理器，简称P，中文名为“奔腾”。该处理器在Pentium的基础上又增加了70条浮点多媒体指令，主频也进行了大幅提升。主要特点：,2.5.9Pentium4微处理器Pentium4微处理器由Intel公司于2000年11月发布，中文名为“奔腾4”，简称P4。,该处理器采用了全新的设计，包括等效于400MHz(1004)前端总线、SSE2指令集、256KB512KB的L2缓存、全新的超线程技术及NetBurst架构，最低工作频率为1.3GHz。P4最重要的一个特点就是在CPU中引入了超线程技术（HyperThreading，简称“HT”)。超线程技术是在一颗CPU中可以同时执行两个线程的技术。,2.5.10新一代64位处理器及多核处理器2003年以后AMD公司和Intel公司陆续推出64位个人电脑用的微处理器芯片，个人电脑开始进入64位计算时代。,Intel64位微处理器主要特点：采用扩展64位内存技术，提供对64位数据处理支持采用两种模式，可支持标准32位和64位处理,2005年以后AMD公司和Intel公司又陆续推出双核64位微处理器，接着又在随后的几年提出了三核、四核甚至八核的微处理器芯片。使用多核最重要的一个原因在于功率问题。由于受到半导体工艺限制，单纯依靠提高CPU的工作频率来提高CPU性能的方式，已经非常困难。,2004年10月INTEL公司CEO贝瑞特因4GHz产品无