第12章 高性能微处理器

第12章高性能微处理器,12.180286微处理器12.280386微处理器12.380486微处理器12.4Pentium处理器,12.180286微处理器,80286主要由总线部件(BU)、指令部件(IU)、执行部件(EU)和地址部件(AU)四个独立的处理部件构成一个有机的整体，并加强它们之间的并行操作程序，有效地加快处理速度。,12.1.180286的内部结构分析,(1)BU是微处理器与系统之间的一个高速接口，负责管理、控制总线操作。它有效地管理、控制80286与存储器、外部设备的联系。以最高的速率传送数据和预取指令的操作，实现零等待状态，完成对外的读/写。(2)IU负责从存储区域中取出指令，送入预取指令队列。该队列是预取器和指令译码器之间的一个缓冲。指令译码器将指令从队列中取出、译码后送入已译码指令队列，并作好供EU执行的准备。IU连续译码，与此同时，EU执行的总是事先由IU译好的指令。这样译码和执行并行操作，改善了流水线功能，从而大大提高了80286的工作速度。(3)EU负责执行已译码的指令，按照所需步骤完成微处理器的算术、逻辑运算以及其他数据加工等操作。(4)AU由偏移量加法器、段界限值检查器、段基地址寄存器、段长度寄存器和物理地址加法器等部件构成，完成执行指令过程中的有关寻址操作。它实施存储器管理及保护功能，计算出操作数据的物理地址，同时检查保护权。在保护方式下，AU提供完全的存储管理、保护和虚拟存储等支持。AU内部有一个高速缓冲寄存器，该寄存器保存着段的基地段、段长界限和当前正在执行的任务所用的全部虚拟存储段的访问权。,12.1.280286的寄存器,80286的寄存器组与8086基本相同。同样有8个16位数据寄存器AX，BX，CX，DX，SP，BP，SI，DI。80286的4个段寄存器CS，DS，ES，SS各包括16位段选择器和与之相对应的48位段高速缓冲器（8位存取权域、24位基地址域和16位界限域），共64位，用于逻辑地址到物理地址的转换。80286的标志寄存器增设了两个标志位段寄存器字段。其中，IOPL字段为特权标志，用来定义当前任务的特权层，即优先权（有03四级）；NT位为任务嵌套标志，NT1，表示当前执行的任务嵌套于另一任务中，否则NT0。80286新设了16位的机器状态字（MSW），只使用其中的低4位。80286还增设了4个系统表寄存器：全局描述符表寄存器GDTR、局部描述符表寄存器LDTR、中断描述符表寄存器IDTR、任务状态表寄存器TR。这4个系统表寄存器只在保护方式下使用。80286的保护方式在存储器中设置了三种类型的描述符表：全局描述符表（GDT，GlobalDescriptorTable）、局部描述符表（LDT，LocalDescriptorTable）和中断描述符表（IDT，InterruptDescriptorTable）。与8086比较，80286芯片引脚功能最大的差别是不采用地址、数据线复用方式，因此有68条引脚，封装成四面都有引脚的正方形管壳方式。,12.1.380286的存储器组织,80286是在芯片内部最早实现存储管理和保护的微处理器。80286有实地址管理方式和保护虚拟地址管理方式。保护虚拟地址管理方式可对多任务操作提供可靠的支持。80286在加电或复位时自动进入实地址方式。可以通过使用指令LMSW和SMSW置机器状态字MSW中的PE位，使CPU进行实地址方式（PE0）和保护虚拟地址方式（PE1）的切换。,新增寻址寄存器,保护模式下的存储器寻址,段描述符,实例,12.280386微处理器,如果说，微处理器从8位到16位主要是总线的加宽，那么，从16位到32位，则是从体系结构设计上的概念性的革新。32位微处理器的问世是微处理器发展史的又一里程碑。32微处理器普遍采用流水线技术、指令重叠技术、虚拟存储技术、片内存储管理技术、存储器分段、分页保护技术。这些技术的应用，使32位微机可以更有效地处理数据、文字、图像、图形、语音等各种信息，为实现多用户、多任务操作系统提供了有力的支持。,12.2.180386的内部结构,80386采用流水工作方式，其内部结构按功能划分由六大部件组成：总线接口部件(BIU)、指令预取部件(IPU)、指令译码部件(IDU)、指令执行部件(EU)、分段部件(SU)和分页部件(PU)。,寄存器结构,12.2.380386的工作方式,80386有高性能的存储管理部件MMU，有力地支持了三种工作方式：实地址方式、虚拟地址方式和虚拟8086方式。(1)实地址方式：80386在加电或复位初始化时进入实地址方式，这是一种为建立保护方式作准备的方式。它与8086，80286相同，由16位段选择字左移4位与16位偏移地址相加，得到20位物理地址，可寻址1MB存储空间。这时，段的基地址是在4GB物理存储空间的第一个1MB内。(2)保护虚拟地址方式。80386的保护虚地址方式是其最常用的方式，一般开机或复位后，先进入实地址方式完成初始化，然后立即转入保护虚地址方式，也只有在保护虚地址方式下，80386才能充分发挥其强大的功能。(3)虚拟8086（V86）方式。虚拟8086方式又称为V86方式。80386把标志寄存器中的VM标志位置“1”，即进入V86方式，执行一个8086程序，把VM复位，即退出V86方式而进入保护方式，执行保护方式的80386程序。,12.2.480386的存储器管理,80386在保护虚拟地址方式下，采用分段、分页两级综合的存储管理，用分段管理组织其逻辑地址空间的结构，用分页管理来管理其物理存储。80386的分段部件把程序的逻辑地址变换为线性地址，进而由分页部件变换为物理地址。这种段管理基础上的分页管理是80386所支持的最全面、功能最强的一种存储管理方式。由于微处理器内还设置高速缓冲存储器（Cache）和其他功能部件，使得这种两级地址转换的速度很快。,(1)分段管理,80386的分段管理与80286类似。80386的段描述符也为8Byte，段基地址扩大到32位，段限值扩大到1MB，增添了4位语义控制字段。80386的段描述符的格式如图12.4所示：,(2)分页管理,80386分页采用了页目录表、页表两级页变换机制，低一级的页表是页的映像，由若干页描述符组成，每一个页描述符指示一个物理页面；高一级的页目录表是页表的映像，由若干页目录描述符组成，每一个页目录描述符指示着不同页表，由80386的页目录基地址寄存器CR3指示页目录表在存储器中的位置。80386的页表和页目录表中最多可分别包含210个页描述符和页目录描述符，每个描述符均由4Byte（32位）组成，其格式也基本相同。,80386的存储器的分页机构,80386的页面和页表均起始于存储空间的4KB界上，因此，页面地址和页表地址的低12位为全0。在80386分页系统中，由CR3给出页目标表的基地址，利用32位线性地址的高10位在页目录表的1024个页目录描述符中选定1个，从而获得对应页表的基地址；利用线性地址的中间10位，在对应页表的1024个页描述符中选定1个，得到页面地址；利用线性地址的最低12位可在指定页面的4KB中选中一个物理存储单元，实现了从线性地址到物理地址的转换。这种地址转换是标准的二级查表机构。,(3)80386的高速缓冲存储管理,为了加快段内地址转换速度，在80386芯片上有高速缓冲存储器（Cache），可把当前段描述符存入Cache中，在以后进行的地址转换中，就不用再访问描述符表，而只与Cache打交道，这样就大大地提高了地址转换的速度。,12.380486微处理器,Intel80486是Intel公司在1989年推出的新一代32位微处理器，是80386的升级产品。80486相当于以80386为核心，除包含在片内的8KB高速缓存（Cache）和相当于80387的数值协处理器之外，还采用了易于构成多处理器系统结构的机制。这是80486结构上的重大变革，从而使它的整体性能有了很大提高。在相同的工作频率下，其处理速度比80386提高了24倍，实现了高速度化和支持多处理器系统设计目标。,12.3.180486的内部结构,12.3.280486的技术特点,80486在Intel微处理器的历史上首次采用了RISC技术，有效地优化了微处理器的性能。80486采用RISC技术并不意味着与80386等CPU不兼容，实际上指令也并没有精简，强调的只是RISC技术，目的是使80486达到1个时钟周期执行1条指令。目前80486已超过了这一设计目标，平均1个时钟周期执行12条指令。80486采用了突发总线（BurstBus）同外部RAM进行高速数据交换。通常CPU与RAM进行数据交换时，取得一个地址，交换一个数据，再取得一个地址，又交换一个数据。而采用突发总线后，每取得一个地址，便将这个地址及其后地址中的数据一起参与交换，从而大大加快了CPU与RAM之间的数据传输率。这种技术尤其适用于图形显示和网络运用。因为在这两种情况下，所涉及的地址空间一般都是连续的。80486配置了8KB的高速缓冲存储器Cache。该高速缓存采用4路相连的实现方案，具有较高的命中率（约为92%）。80486片内设置了一个数值协处理器，这就使得80486不再需要片外数值处理器80387的支持，而直接有浮点数据处理能力，从而缩短了CPU与数值协处理器之间的通信时间，提高了浮点处理能力。Intel80486有多种产品，包括486SX，486DX，486DX2和OverDrive升级芯片等。,12.4Pentium处理器,1993年3月。Intel公司推出了新一代名为Pentium的微处理器（P5）。它拥有32位寄存器、64位数据总线和32位地址线、高性能浮点处理部件和多媒体处理MMX部件。采用0.80微米制造工艺，支持60和66MHz前端总线速度（FSB），安全工作电压为5V。Pentium处理器采用了全新的设计，与80486相比内部结构也作了很大改进，但是依然保持了和80X86系列的二进制兼容性，在相同的工作模式上可以执行所有的80X86程序。片内存储管理单元（MMU）也与386和486兼容，可以在实地址模式引导下转入保护模式和虚拟86模式，其指令集包括了80486的所有指令，并增加了新的指令。,其下一代产品是一年后推出的P54，它支持3.3V的内核电压，使用了0.50微米甚至是0.35微米的制造工艺，处理器的时钟频率达到了75200MHz，总线频率5066MHz。P5带有16KB的一级缓存。要特别提到的是，这次英特尔首次运用了两个独立的一级高速缓存：8KB用于数据，另8KB用于指令；采用Socket5和IA32架构。英特尔下一个最重要的转变就是P55处理器的推出，这是第一款采用增加了57条MMX指令集（主要用于多媒体和网络通信）的CPU。随着CPU的制造工艺继续发展，处理器已转向到0.35微米制造工艺上，运行电压变成2.8V，这就要求主板进行相应的结构上的改变以支持此新的CPU电压，也就是说要对主板增加一个电压调整器。新的CPU的一级缓存也增加到了以前的两倍，达到32KB。PentiumMMX处理器在Socket7的架构下工作于166233MHz的时钟频率，它的总线频率为66MHz,12.4.1Pentium处理器的内部结构,12.4.2Pentium处理器的技术特点,（1）Pentium的片内高速缓存采用了分离式结构（2）Pentium采用RISC技术（3）Pentium具有高性能的浮点运算部件（4）具有分支指令预测功能（5）数据总线位宽增加（6）常用指令固化（7）系统管理模式(SMM),12.4.3Pentium处理器的发展,1.PentiumProPentiumPro是第一个属于第六代CPU的产品。从第六代微处理器开始，具有36条地址线，可寻址64G的地址空间。PentiumPro具有16KB的一级缓存,时钟频率为150200MHz,其系统总线为60或66MHz,采用的是socket8结构。2.PentiumIIPentiumII的核心其实就是PentiumPRO+MMX。3.PentiumIIIPentiumIII仍是32位Intel结构（IA-32）CPU，它最重要的技术特点在于采用了KNI（MMX2）构架并添加了70条新指令,4.Pentium4Pentium4处理器是Intel公司全新推出的IA-32结构处理器，而采用了和以往不同的全新NetBurst构架。5.Celeron(赛扬)Intel的赛扬系列是Intel面向低端市场的产品，其实就是PentiumII的简化版，唯一的差别在于减少了集成的L2Cache6.Xeon（至强）该处理器专为满足中高档服务器和工作站而设计的。,摩尔定律,自从1965年起，Intel公司的创办人之一戈登摩尔提出的摩尔定律（即CPU以18个月为一个更新换代周期），已经一次又一次地被证实。自从第一个处理器问世以来，Intel公司已经连续发明制造了10