分析Intel公司Pentium系列CPU结构设计_图文

1、 课程设计(大作业报告课程名称:计算机组成原理设计题目:分析 Pentium 系列 CPU 结构设计 院 系:班 级:2011级 3班设 计 者:王宏斌学 号:201111010322指导教师:华 瑞信 息 技 术 学 院昆明学院课程设计(大作业任务书 目录一、课题分析 . 4二、 Pentium 系列 CPU 总体概况分析 . 4 1核心技术 . 42发展进程 . 63 Pentium的结构框图 . 11三、详细分析 . 131 Pentium性能简介 . . 132 Pentium的原理结构 . . 13四、侧重点分析与研究 . 141 多 Cache 技术 . 142 超标量流水线 .

2、15五、存在问题及改进建议 . 15六、实验器材 . 15七、附录 . 16八、参考文献及相关网址 . 16课程设计(大作业报告一、课题分析承接着 80486大获成功的东风,赚大笔美金的 Intel 在 1993年推出了全新一代的 高性能处理器 Pentium 。 Pentium CPU 它是世界上第一款与数字无关的处理器,堪 称为当代 CISC 机器的经典之作。由运算器和控制器组成中央微处理器即 CPU 。要分 析 Intel 公司 Pentium CPU结构设计 , 首先我们要对 Pentium CPU的结构和功能进行深刻 的了解,进而对它的优点和缺点进行分析,最后针对缺点进行假想,从而写

3、出一份针 对 Pentium CPU的改进方案。我将从以下几个方面对其进行分析:1. 核心技术 2. 发展进程 3. Pentium的结构框图 4. Pentium性能简介 5. 原理结构 6. 多 Cache 技术 7. 超标量流水线 8. 问题及建议 工作安排: 二、 Pentium 系列 CPU 总体概况分析奔腾商标Pentium 是英特尔的第五代 x86架构之微处理器,于 1993年 3月 22日开始出货,是 486产 品线的后代。 Pentium 本应命名为 80586或 i586, 后来命名为“Pentium” (通常认为“ pentium ” 是希腊文“五(penta ”加拉丁文

4、中代表名词的接尾语“ium”的造词,是因为阿拉伯数字无 法被用作注册商标。 i586被使用在英特尔竞争对手所制造的类 80586的微处理器。1核心技术Tualatin这也就是大名鼎鼎的“图拉丁”核心,是 Intel 在 Socket 370架构上的最后一种 CPU 核心, 采用 0.13m 制造工艺,封装方式采用 FC-PGA2和 PPGA ,核心电压也降低到了 1.5V 左右,主频 范围从 1GHz 到 1.4GHz ,外频分别为 100MHz (赛扬和 133MHz (Pentium III,二级缓存分别为 512KB (Pentium III-S 和 256KB (Pentium III

5、 和赛扬,这是最强的 Socket 370核心,其 性能甚至超过了早期低频的 Pentium 4系 CPU 。WillametteNetburst 微架构是 P6微架构的后继者,第一个使用这架构的是 Willamette 核心,于 2000年推出。Willamette 核心制造工艺落后,发热量大,性能低下,已经被淘汰掉,而被 Northwood 核心 所取代。Northwood第二个 Pentium4核心,代号为 Northwood ,改用了更为精细的 0.13微米制程,集成了更大 的 512KB 二级缓存, 性能有了大幅的提高。 按照 Intel 的规划, Northwood 核心会很快被

6、Prescott 核心所取代。PrescottPrescott 核心的 P4处理器发热量要比 Northwood 核心的大很多。性能接近。这是目前高端 的 Pentium 4 EE 、 主流的 Pentium 4和低端的 Celeron D 所采用的核心。 Prescott 核心与 Northwood 核心最大的区别是采用了 90nm 制造工艺, L1 数据缓存从 8KB 增加到 16KB ,流水线结构也从 20级增加到了 31级, 并且开始支持 SSE3指令集。 按照 Intel 的规划, Prescott 核心会被 Cedar Mill 核心取代。Smithfield这是 Intel 公司

7、的第一款双核心处理器的核心类型,于 2005年 4月发布,基本上可以认为 Smithfield 核心是简单的将两个 Prescott 核心松散地耦合在一起的产物,这是基于独立缓存的 松散型耦合方案,其优点是技术简单,缺点是性能不够理想。其数据延迟问题比较严重,性能并 不尽如人意。按照 Intel 的规划, Smithfield 核心将会很快被 Presler 核心取代。Cedar Mill这是 Pentium 4 6X1系列和 Celeron D 3X2/3X6系列采用的核心,从 2005末开始出现。其 与 Prescott 核心最大的区别是采用了 65nm 制造工艺,其它方面则变化不大,基本

8、上可以认为是 Prescott 核心的 65nm 制程版本。 Cedar Mill核心也是 Intel 处理器在 NetBurst 架构上的最后 一款单核心处理器的核心类型, 按照 Intel 的规划, Cedar Mill 核心将逐渐被 Core 架构的 Conroe 核心所取代。Presler5这是 Pentium D 9XX和 Pentium EE 9XX采用的核心, Intel 于 2005年末推出。基本上可以 认为 Presler 核心是简单的将两个 Cedar Mill核心松散地耦合在一起的产物,是基于独立缓存 的松散型耦合方案,其优点是技术简单,缺点是性能不够理想。按照 Inte

9、l 的规划, Presler 核 心从 2006年第三季度开始将逐渐被 Core 架构的 Conroe 核心所取代。Yonah目前采用 Yonah 核心 CPU 的有双核心的 Core Duo和单核心的 Core Solo,另外 Celeron M也采用了此核心, Yonah 是 Intel 于 2006年初推出的。这是一种单 /双核心处理器的核心类型, 其在应用方面的特点是具有很大的灵活性,既可用于桌面平台,也可用于移动平台;既可用于双 核心,也可用于单核心。 Yonah 核心来源于移动平台上大名鼎鼎的处理器 Pentium M 的优秀架构, 具有流水线级数少、执行效率高、性能强大以及功耗低

10、等等优点。Yonah 核心是共享缓存的紧密型耦合方案, 其优点是性能理想, 缺点是技术比较复杂。 不过, 按照 Intel 的规划, 以后 Intel 各个平台的处理器都将会全部转移到 Core 架构, Yonah 核心其实 也只是一个过渡的核心类型, 从 2006年第三季度开始, 其在桌面平台上将会被 Conroe 核心取代, 而在移动平台上则会被 Merom 核心所取代。2发展进程Pentium 的由来继承着 80486大获成功的东风,赚大笔美金的 Intel 在 1993年推出了全新一代的高性能处 理器 Pentium 。 由于市场竞争越来越趋向于激烈化, Intel 觉得不能再让AMD

11、 和其他公司用同样的名字来抢自己的饭碗了,于是提出了商标注册,由于在美国的法律里是不允许用阿拉伯数字注册的,于是 Intel 玩了个花样,用拉丁文去注册商标。“ pentium ”在拉丁文里面就是“五”的意思。Intel 公司还替它起了一个相当好听的中文名字奔腾。 Intel 奔腾处理器 6 7 486后的改版超标量 (Superscalar 架构 - Pentium 拥有两个资料路径 (管线 , pipelines,可以达到 在一个时钟周期内完成一个以上的指令。一个管线 (称为 "U" 可以处理任何的指令,而另外一 个 (称为 "V" 可以处理简单,

12、最共同的指令。 使用一个以上的管线是传统 RISC处理器设计的特 色,这也是在许多 x86 平台上第一个实作出来的,显示有将两种技术合并的可能性,创造出几 乎“混合在一起”的处理器。Pentium MMX接著, P55C 也以 Pentium with MMX Technology 推出 (通常只称为 Pentium MMX;他是 以 P5 核心为基础, 0.35µm 制程也在这个系列中使用,但是拥有新的 57 个 "MMX" 指令集来增进多媒体工作的效率,像是媒体的编码跟解压缩。然而,软体必须明确地对於使用 MMX 做最佳化,以及 P55C 显示出速度增加的幻象

13、主要是来自於内部快取 (cache的容量变成两倍为 32 KB。 Intel 奔腾 MMX 处理器PentiumPro初步占据了一部分CPU 市场的 INTEL 并没有停下自己的脚步,在其他公司还在不断追赶自己的奔腾之际, 又在 1996年推出了最新一代的第六代X86系列 CPU 枣 P6。 P6只是它的研究代号,上市之后 P6有了一个非常响亮的名字枣 PentimuPro 。 Intel 奔腾 Pro 处理器 8 PentimuPro 的内部含有高达 550万个的晶体管, 内部时钟频率为 133MHZ , 处理速度几乎是 100MHZ 的 PENTIUM 的 2倍。 PentimuPro 的

14、一级 (片内 缓存为 8KB 指令和 8KB 数据。Pentium II为英特尔推出的一枚 X86架构的处理器,基于 PentiumPro 使用的 P6微处理架构,但另一方 面它的 16位元处理能力获得优化, 并加入 MMX 指令集。与 Pentium 及PentiumPro 处理器不同,PentiumII 使用一种插槽式设计。处理器芯片与其他相关芯片皆在一块类似子卡的电路板上,而电路板上有一块塑胶盖,有时亦有一风扇。 PentiumII 亦把 L2放到这电路板上,但只运行处理器时脉一半的速度。此举增加处理器的良率,从而减低制作成本。Intel 奔腾处理器Pentium III同年,英特尔又发

15、布了Pentium III处理器。从Pentium III开始,英特尔又引入了 70条新指令(SIMD, SSE ,主要用于因特网流媒体扩展 (提升网络演示多媒体流、图像的性能 、 3D 、流式音频、视频和语音识别功能的提升。Pentium III可以使用户有机会在网络上享受到高质量的影片,并以 3D 的形式参观在线博物馆、商店等。第一代 Pentium III处理器 (Katmai 9 Pentium IV2000年英特尔发布了 Pentium 4处理器。用户使用基于 Pentium 4处理器的个人电脑,可以 创建专业品质的影片,透过因特网传递电视品质的影像,实时进行语音、影像通讯,实时 3

16、D 渲 染,快速进行 MP3编码解码运算,在连接因特网时运行多个多媒体软件。这是目前空前强大的个 人电脑处理器产品,仍然在继续销售中。Pentium 4处理器集成了 4200万个晶体管,到了改进版的 Pentium 4(Northwood更是集成了 5千5百万个晶体管; 并且开始采用 0.18微米进行制造,初始速度就达到了 1.5GHz 。Pentium 4还提供的 SSE2指令集,这套指令集增加 144个全新的指令, 在 128bit 压缩的数据, 在SSE 时,仅能以 4个单精度浮点值的形式来处理,而在 SSE2指令集, 该资料能采用多种数据结构来处理:4个单精度浮点数 (SSE对应 2个

17、双精度浮点数(SSE2;对应 16字节数 (SSE2;对应 8个字数(word;对应 4个双字数 (SSE2;对应 2个四字数(SSE2;对应 1个 128位长的整数 (SSE2 。 第一代的 Pentium4(Socket423处理器Pentium MPentiumM :由以色列小组专门设计的新型移动 CPU , Pentium M是英特尔公司的 x86架构微 处理器,供笔记簿型个人电脑使用,亦被作为 Centrino 的一部分,于 2003年 3月推出。 Pentium D2005年 Intel 推出的双核心处理器有 Pentium D和 Pentium Extreme Edition,同

18、时推出 945/955/965/975芯片组来支持新推出的双核心处理器, 采用 90nm 工艺生产的这两款新推出的双 核心处理器使用是没有针脚的 LGA 775接口,但处理器底部的贴片电容数目有所增加,排列方式 也有所不同。桌面平台的核心代号 Smithfield 的处理器,正式命名为 Pentium D处理器,除了摆脱阿拉 伯数字改用英文字母来表示这次双核心处理器的世代交替外, D 的字母也更容易让人联想起 Dual-Core 双核心的涵义。Pentium EE同出自 Intel 之手,而且 Pentium D和 Pentium Extreme Edition两款双核心处理器名字上 的差别也

19、预示着这两款处理器在规格上也不尽相同。其中它们之间最大的不同就是对于超线程(Hyper-Threading 技术的支持。 Pentium D不支持超线程技术,而 Pentium Extreme Edition则没有这方面的限制。在打开超线程技术的情况下,双核心 Pentium Extreme Edition处理器能 够模拟出另外两个逻辑处理器,可以被系统认成四核心系统。Pentium E2200经历了 Core2Duo 处理器对高端市场的洗礼之后, Intel 在 07年第二季度推出了新一代的低 端双核心处理器 PentiumE2000系列,主要面向注重性价比的入门级双核处理器市场。首批推出

20、的 PentiumE2000系列包括两款产品,分别为 E2160和 E2140,频率只有 1.8GHz 和 1.6GHz ,但性 能十分强大, 已经能够满足多数用户的需求。 但 Intel 并没有就此作罢, 在稍后除 PentiumE2000系列处理器全部升级到 M0核心之外, 日前正式发布了频率更高的 PentiumE 处理器频率提高 到 2.2GHz 的 PentiumE2200。Pentium G620Pentium G620可以看成 Core i3 2100的进一步精简版, 包括不支持 AVX 指令集等 Sandy Bridge 的新特性。Pentium G620是基于 Sandy B

21、ridge微架构,采用 32nm 制作工艺、 CPU 部分是双核 /双线程 设计、 LGA 1155接口、主频为 2.6GHZ 、外频为 100MHZ (不可超频,内置 HD Graphics核芯显 卡,拥有 6组 EU 执行单元, CPU 与 GPU 共享 3MB 高速缓存。3 Pentium的结构框图 Pentium CPU结构框图 Pentium-4 CPU结构框图 奔腾处理器内部结构三、详细分析1 Pentium性能简介1993年 3月 Intel 公司推出了第五代微处理器 Pentium Pentium是微处理器本质上的一次创新。 Pentium 采用了 0.8m 双极性互补金属氧化

22、半导体(BiCMOS 技术,它属于单芯片超标量 流水线微处理器, 片内集成了多达 310万个晶体管, 工作电压 +5V, 功耗 15W 。 片内时钟频率 (微 处理器主频与外片主总线的时钟频率相等,均为 60MHz 或 66MHz 两种。1994年 3月之后推出的 Pentium (P54C 采用了 0.6m 的 CMOS 技术, 工作电压降为 3.3V , 功耗降至 4W 。 主总线时钟频率有 50MHz 、 60MHz 以及 66MHz 等, 经倍频后作为 Pentium (P54C 内部的时钟频率(主频 ,表 3-1列出了几种 Pentium (P54C 的主频与工作电压。几种 Pent

23、ium 的主频与工作电压 Pentium 通往外部存储器的数据总线为 64位, CPU 内部主要寄存器的宽度仍然为 32位,那 么 Pentium 、 Pentium (P54C 应该是 32位微处理器。外部 64位数据总线(D63-D0每次可同 时传输 8字节的二进制信息,若选用主总线时钟频率 66MHz 计算,即存储器总线的时钟频率也 为 66MHz ,则 Pentium 与主存储器交换数据的速率可为 528MB/S。2 Pentium的原理结构Pentium CPU内部的主要部件:总线接口部件 U 流水线和 V 流水线指令高速缓冲存储器 Cache数据高速缓冲存储器 Cache指令预取部

24、件指令译码器浮点处理部件 FPU 分支目标缓冲器 BTB微程序控制器中的控制 ROM 寄存器组Pentium微处理器的原理结构图如图所示 所以 Pentium CPU堪称为当代 CISC 机器的经典之作。四、侧重点分析与研究1 多 Cache 技术80486 CPU中有 8KB 的指令和数据共用的 cache 。 而奔腾 CPU 则分设指令 cache 和数据 cache , 各 8KB 。 指令 cache 是只读的, 以单端口 256位 (32B向指令预取缓冲器提供超长指令字代码。 数 据 cache 是可读可写的,双端口,每个端口 32位,与 U , V 两条流水线交换整数数据,或组合成

25、 一个 64位端口与浮点运算部件交换浮点数据。两个 cache 与 64位数据、 32位地址的 CPU 内部 总线相连接。两个 cache 都使用物理地址。每个 cache 都有一个后援缓冲器 TLB，负责将 TLB 命中的线性 地址转换成 32 位物理地址。 2 超标量流水线 超标量流水线是 pentium 系统结构的核心。它由 U 和 V 两条指令流水线构成，每条流水线都 有自已的 ALU、地址生成电路、与数据 cache 的接口。 控制 ROM 属于微程序控制器，其中存放一组解释指令操作顺序的微指令代码。 两个地址生成器用于计算存储器操作数地址。各种模式下的逻辑地址最终要转换成物理地址

26、来访问数据 cache，并用转换后援（旁视）缓冲器 TLB 来加速这种地址转换过程。寄存器堆有 8 个 32 位整数寄存器，用于地址计算、保存 ALU 的源操作数和目的操作数。 五、存在问题及改进建议 要讲，就必须先讲指令系统。指令系统指的是一个所能够处理的全部指令的集 合，是一个的根本属性。之所以说指令系统是一个的根本属性，是因为指令系统决 定了一个能够运行什么样的程序，进行什么操作。所有采用高级语言编出的程序，都需要 翻译（编译或解释）成为机器语言后才能运行，这些机器语言就是由一条条的指令组成的。 通常，一条指令包括两个部分：操作码和地址码。操作码其实就是指令序列号，用来告诉 需要执行哪一条指令。地址码则复杂一些，主要包括源操作数地址、目的操作数地址。在某 些指令中，地址码可以部分或全部省略，比如一条空指令 就只有操作码而没有地址码。 从微处理器的指令系统来看， 目前主要有两种发展趋势， 一个是， 一个是。 的产生、发展和现状某一系列，如 系列机，为了增加新 的功能与提高速度，越来越多的复杂指令被加入到指令系统中。但是，这样就导致一个问题：一 个指令系统的指令数是受指令操作码的位数所限制的，如果操作码为位，那么指令数最多 为 条（的次方） 。 那么怎么办呢？指令的宽度是很难增加的， 聪明的设计师们又想出了一种方案： 操作码扩展。 由于操作码的后