单元A处理器架构

1、單元 2: ia-32 處理器架構 基本概念基本概念 ia-32處理器架構 ia-32記憶體管理 ia-32微電腦的元件 輸出入系統基本概念 基本的微電腦設計 指令執行週期 讀取記憶體 程式如何執行基本的微電腦設計 時脈器 用於讓 cpu 內部運算與其他系統元件能同步運作。 控制單元 負責在執行機器指令時，協調所有相關步驟的順序。 算術邏輯單元 負責執行所有的算術運算和邏輯運算，其中算術運 算包括加法與減法運算，邏輯運算包括 and、or 和 not 運算。 時脈器 (clock) 每一個與 cpu 和系統匯流排相關的運算都是藉著一個內部時脈器，以固 定速率送出脈衝來進行同步 機器指令的最基本

2、時間單位稱為機器週期 (machine cycle) 或 時脈週期 (clock cycle)。 時脈器是用來觸發動作的。 基本概念 ia-32處理器架構處理器架構 ia-32記憶體管理 ia-32微電腦的元件 輸出入系統指令執行週期 擷取解碼擷取運算元 執行 儲存輸出i-1i-2i-3i-4pc programi-1instructionregisterop1op2memoryfetchaluregisterswritedecodeexecutereadwrite(output)registersflags多重管線操作pipelining makes it possible for proc

3、essor to execute instructions in parallelinstruction execution divided into discrete stages六階段無管線化的指令執行過程 more efficient use of cycles, greater throughput of instructions:六個階段都一直處於使用狀態中。一般 而言，對於 k 階段的執行程序而言，n 個指令須要 k + (n - 1) 個時脈週期的執行時間。浪費掉的時脈週期 ( 陰影部份 ) 當階段之一需要二或者更多的時脈周期的時候，時脈周期再一次被浪費。當階段數有 k 個 (

4、其中一個階段須要 2 個週期 ) 時，n 個指令將須要 (k + 2n - 1）個週期來完成指令的執行超純量架構超純量架構處理器可以讓多個指令同時進入執行階段。這裡假設階段 s4 須要兩個時脈週期。其中編號為奇數的指令進入u管線，編號為偶數的指令則進入v管線。n 個指令可以在 (k + n) 個時脈週期內完成，其 中 k 代表管線的階段數。 讀取記憶體從記憶體讀取指令或資料須要幾個步驟，而這是由處理器內部時脈所控制，其步驟是：週期 1：記憶體運算元的位址位元被送到位址匯流排 (addr) 上。週期 2：讀取線路 (rd) 設定在低位狀態 (0)，以便告知記憶體要讀取一個儲存值。週期 3： cp

5、u 等待一個時脈週期讓記憶體回應。在此週期期間，記憶體控制器將運算 元放 到資料匯流排 (data)。週期 4：讀取線路變成 1，告知 cpu 去讀取在資料匯流排上的資料。 快取記憶體 高速的和靜止的隨機存取記憶體兩者都在中央處理器內外。 level-1 cache: 在中央處理器裡 level-2 cache: 在中央處理器外 cache hit：當是閱讀的資料在快取記憶中的時候 cache miss：當是閱讀的資料不在快取記憶中的時候程式如何執行operatingsystemusercurrentdirectorysystempathdirectoryentrysends programn

6、ame togets startingcluster fromsearches forprogram inloads andstartsprogramreturns to多工 作業系統能夠同時執行多個任務。. 相同任務裡同時執行多條線。 將 cpu 時間切割以後分配給每個執行緒。 任務的迅速切換。 所有程式同時執行的錯覺。 處理器一定要支援切換的任務。ia-32處理器架構 運作模式 基本執行環境 浮點運算單元 ntel微處理器沿革 保護模式 windows、 linux 實體位址模式 ms-dos 系統管理模式 系統管理模式提供作業系統額外的機 制，用於增加像電源管理和系統安全等功能。 虛擬8

7、086模式 混合著保護模式 每個程式都是各別執行的基本執行環境 位址空間 通用暫存器 基本的程式執行暫存器 特殊用途 狀態旗標 浮點運算單元 , mmx, xmm registers 保護模式 4 gb 32位元位址 真實位址與虛擬8086模式 1 mb的記憶體區域 20位元位址通用暫存器cpu 內部的高速儲存空間，它是設計用來以遠高於一般記憶體的 速度進行存取的動作。 use 8-bit name, 16-bit name, or 32-bit name applies to eax, ebx, ecx, and edx 通常都會使用到下圖所示的 16 位元暫存器： 特殊用途 泛用型 eax

8、 累加器 ecx 回圈計數器 esp 址疊指標 esi, edi 索引暫存器 ebp 延伸框架指標暫存器。 區段 cs 密碼區段 ds 資料區段 ss 堆疊區段 es, fs, gs 附加區段 eip 指令指標 eflags 控制和狀態旗標 每個旗標是二進位的位元進位在無號數算術運算的結果值大於目的位址所能儲存的值時，此旗 標會被設定。 溢位在有號數的算術運算結果值太大或太小，因而無法正確儲存 於目的位址時，此旗標將會被設定。 符號在算術或邏輯運算後產生負值的結果時，此旗標會被設定。 零值在算術或邏輯運算後產生零值的結果時，此旗標會被設定。 輔助進位當一個 8 位元運算元在算術運算中，其第三位

9、元 有進位到第四位元時，此旗標會被設定。 同位如果在結果中的最小有效位元組含有偶數個 1 的位元數，則此旗 標會被設定。浮點運算單元eight 80-bit floating-point data registers st(0), st(1), . . . , st(7) 安排於堆疊中 全部使用浮點運算 mmx 指令集配合使用的八個 64 位元暫存器八個 128 位元 xmm 暫存器，供單指令多資料 (single-instruction multiple-data, simd) 運算使 用。intel微處理器沿革 intel 8086, 80286 ia-32處理器族系 p6處理器族系 ci

10、sc和riscintel 8080 64k 位址記憶體 8-bit 暫存器 cp/m 操作系統 s-100 匯流排構造 8吋 磁片intel 8086/8088 ibm電腦使用8088 1 mb 位址記憶體 16-bit 暫存器 16-bit 資料匯流排 (8088是8-bit) 單獨的浮點運算單元 (8087) intel 80286 16 mb 的定址記憶體 protected memory 快速的超越過8086 介紹 ide 匯流排的架構 80287 浮點運算單元 intel386 4 gb 定址記憶體, 32-bit 暫存器, 分頁 (虛擬記憶體) intel486 具備運用管線操作技

11、術的微架構指令集 pentium 超純量架構, 32-bit 定址匯流排, 64-bit內部資料路徑p6處理器族系 pentium pro 使用先進的技術來改善指令執行的方式。 pentium ii 加入 mmx 技術。 pentium iii 將 simd 引入 ia-32 族系，它具有設計用於快速搬移大量的資料的特殊 128 位元暫存器， 其中 simd 是一種資料流延伸方式。 pentium 4 和 xeon 使用的是 netburst 微架構，它讓處理器可以在比以往 ia- 32 處理器更快的速度下運作。cisc 複雜指令集 指令集是很大 高階層的操作 需要微碼寫成的直譯器 例如: i

12、ntel 80 x86 族群risc 精簡指令集 以快速執行的簡短指令所組成 小的指令集 由硬體直接解碼和執行指令。 例如： arm (高等 risc 機器) dec alpha (now compaq) 基本概念 ia-32處理器架構 ia-32記憶體管理記憶體管理 ia-32微電腦的元件 輸出入系統ia-32記憶體管理 實體位址模式 計算線性位址 保護模式 多區段模式 分頁 最大 1 mb 定址記憶體 應用程式能存取於記憶體的任何區域 單一任務 藉著 ms-dos 操作系統支援區段記憶體位址: 16 位元區段值，此數值會放置在區段暫存器 (cs，ds，es，ss) 其中一個。 16 位元位

13、移值。一部份 會先將區段值乘以 16，亦即乘以十六進位的 10，然後 再將此乘積值加上變數的位移值： 例如: 轉換 08f1:0100 成一個線性位址位移式位址是028f:0030，相當於線性位址的多少?028f0 + 0030 = 02920總是使用十六進位表示法作為位址。線性位址是 28f30h 相當於多少的區段位址?許多不同的區段-位移式位址可產生線性址為 28f30h.例如:28f0:0030, 28f3:0000, 28b0:0430, . . . 4 gb 位址記憶體 (其位址從00000000 至 ffffffffh) each program assigned a memory

14、 partition which is protected from other programs 多工化設計 支援 linux & ms-windows 區段描述符表 程式結構 編碼,資料和堆疊區域 cs, ds, ss 描述符表 全域描述符表 (gdt) masm 程式使用微軟平直記憶體模式 平直分段模式 全域描述符表 (gdt). 所有的區段都會映射到電腦中的整個 32 位元實體位址空間多區段模式每個任務或程式都會擁有自己的局部描述符表 每個描述符所指向的區段，會不同於其他行程所用的 區段。 直接被中央處理器所支援 以將記憶體區段切分成若干個 4,096 位元組的區塊，即所謂的頁

15、面 分頁可以讓在同一時間執行的全部程式，使用的記憶體總和遠大於電腦的實體記憶體。 當任務在執行時，目前沒有使用到的部份可以儲存在硬碟上。 虛擬記憶體管理員 (vmm) 處理資料或程式碼頁面的載入載出。 分頁錯誤 當資料或程式碼的頁面載入回到記憶體中時，中央處理器會發出分頁錯誤的訊號 基本概念 ia-32處理器架構 ia-32記憶體管理 ia-32微電腦的元件微電腦的元件 輸出入系統ia-32微電腦的元件 主機板 視訊輸出 記憶體 輸出入埠和裝置介面 cpu 插座 外部快取記憶體插槽 主記憶體的插槽 bios 晶片 聲音合成器晶片 (可選擇) 影像控制晶片 (可選擇) ide,平行、序列連接器,

16、usb, video,鍵盤, 遊戲操縱桿, 網路和滑鼠連接處 pci 匯流排連接處 (擴充卡)dynamic ram pentium 4 插座揚聲器ide 驅動連接處滑鼠, 鍵盤,平行, 序列和 usb 連接處agp槽電池影像電源連接處記憶控制中樞磁碟機連接處pci槽i/o 控制器固件中樞音效晶片source: intel desktop board d850md/d850mv technical product specification 影像控制器 在主機板上,或在擴充卡。 agp (accelerated graphics port technology)* 影像記憶體(vram) cr

17、t 顯示影像 器使用光柵掃瞄 水平回掃 垂直回掃 數位 lcd 監視器 不須要進行光柵掃瞄。 128-bit rage128pro的3d立體圖形表現裝置 3d立體圖形表現 intelligent tv-tuner with digital vcr tv-on-demand interactive program guide still image and mpeg-2 motion video capture video editing hardware dvd video playback video output to tv or vcr rom 唯讀記憶體eprom 可抹寫程式化唯讀記憶

18、體 動態隨機存取記憶體 (dram) 的價錢不貴，但是必須在小於微秒的週期內加以刷新其內容，否則其儲存的資料會遺失。靜態隨機存取記憶體 (sram) 主要用於當作昂貴的快取記憶體。它不須要持續地刷新 其儲存內容。視訊隨機存取記憶體 (vram) 採用雙埠的設計，當其中一個埠 在持續更新螢幕上的資料的同時，另一個埠則負責寫入即將要顯示的資料。 cmos ram 互補式金屬氧化半導體 系統設定資訊輸出入埠和裝置介面usb (通用序列匯流排 ) 聰明且高速的連接方式 usb 2.0 版支援的資料傳輸速率達到每秒 480 mb 連接具有一個以上的週邊，但卻分享同一個 usb埠的複合裝置。 列舉類型：電腦置於懸置狀態 支援hot的連結平行埠 資料