第五章 CPU实例课件

1、第第5章章CPU实例实例5.18086/8088微处理器的功能结构微处理器的功能结构5.28086的存储器结构的存储器结构5.6 Pentium 微处理器系列及相关技术的发展微处理器系列及相关技术的发展5.4 8086/8088 总线周期总线周期5.18086/8088微处理器的功能结构微处理器的功能结构Intel 公司于公司于1978年推出了年推出了16位微处理器位微处理器8086。8086CPU内外部数据总线均为内外部数据总线均为16条，条，20条地址线，主存容量达到了条地址线，主存容量达到了1MB。 1979年年Intel公司又推出了公司又推出了8086的简化版的简化版本本8088，其内

2、部数据总线按照，其内部数据总线按照16位设计，而位设计，而外部数据总线减少至外部数据总线减少至8条，主要是为了与当时条，主要是为了与当时的其他的其他8位外围接口芯片直接兼容。位外围接口芯片直接兼容。它由两个独立单元组成，一个称为它由两个独立单元组成，一个称为总线接总线接口单元口单元BIU(Bus Interface Unit)，另一个称为，另一个称为执行单元执行单元EU(Execution Unit)。 执行单元执行单元 AH ALBH BL CLCH DH DL SP BP DI SI 通 用 寄 存 器 CSDS SS ES I P 内部暂存器 总线 控制 逻辑 1 234 AX BX C

3、X DX数据总线暂存器 A L U 标志寄存器 外部总线 8088 8位 8086 16位 指令对列 8086为 6 字节16 位 执行 控制 电路总线接口单元总线接口单元 地址加法器20 位 16 位 段寄存器指令指针（EU） （BIU） 8086CPU功能框图功能框图 总线接口单元总线接口单元(BIU)它的任务是取指令时，从存储器指定地址它的任务是取指令时，从存储器指定地址取出指令取出指令送入指令队列排队；执行指令时，根送入指令队列排队；执行指令时，根据据EU命令对指定存储单元或命令对指定存储单元或I/O端口端口存取数据存取数据。 执行单元执行单元(EU)其任务是其任务是执行指令执行指令，

4、进行，进行全部的算术逻辑全部的算术逻辑运算运算，完成偏移地址的计算，向，完成偏移地址的计算，向BIU提供指令提供指令执行的结果和地址，并对通用寄存器和标志寄执行的结果和地址，并对通用寄存器和标志寄存器进行管理。存器进行管理。5.28086的寄存器结构的寄存器结构.（ ）（ 2 2 ） 地址指针和变址寄存器地址指针和变址寄存器地址指针和变址寄存器包括地址指针和变址寄存器包括SP、BP、SI和和DI。这组寄存器在功能上的共同点是，对寄。这组寄存器在功能上的共同点是，对寄存器操作数寻址时，用于形成存器操作数寻址时，用于形成20位物理地址码位物理地址码的组成部分。由于它们都是的组成部分。由于它们都是1

5、6位的寄存器，访位的寄存器，访问存储器的地址码由问存储器的地址码由段地址段地址和和段内偏移地址段内偏移地址两两部分构成。部分构成。 SP(Stack Pointer)堆栈指针。用于存放堆栈操作堆栈指针。用于存放堆栈操作(入栈和出栈入栈和出栈)地址的地址的段内偏移地址段内偏移地址。 BP(Base Pointer)基址指针。在某些间接寻址方基址指针。在某些间接寻址方式中，式中，BP用来存放段内偏移地址的部分。特别需用来存放段内偏移地址的部分。特别需要注意的是，凡含有要注意的是，凡含有BP的寻址方式中，无特别说的寻址方式中，无特别说明，其段地址由段寄存器明，其段地址由段寄存器SS提供。提供。 SI

6、(Source Index)和和DI(Destination Index)变址寄变址寄存器。在某些间接寻址方式中，存器。在某些间接寻址方式中，SI 和和DI用来存放用来存放段内偏移地址的全部或部分。在字符串操作指令中，段内偏移地址的全部或部分。在字符串操作指令中，SI用作用作源变址寄存器源变址寄存器，DI用作用作目的变址寄存器目的变址寄存器。 这组寄存器主要用来这组寄存器主要用来存放地址存放地址，也可以，也可以存放数据存放数据。2. 段寄存器段寄存器访问存储器的地址码由段地址和段内偏移访问存储器的地址码由段地址和段内偏移地址两部分组成。段寄存器用来地址两部分组成。段寄存器用来存放段地址存放段地

7、址，总线接口单元设置总线接口单元设置4个段寄存器，个段寄存器，CPU可以通可以通过过4个段寄存器访问存储器中个段寄存器访问存储器中4个不同的段个不同的段(每每段段64KB)。4个段寄存器个段寄存器,保存保存16位位段基址段基址:CS 代码段代码段SS 堆栈段堆栈段DS 数据段数据段ES 附加段附加段指向数据段指向数据段 状态标志位状态标志位 控制标志控制标志地址地址EA数据数据存储器存储器寄存器寄存器基址寄存器基址寄存器 变址寄存器变址寄存器变址值变址值EA数据数据存储器存储器寄存器寄存器基址寄存器基址寄存器 变址寄存器变址寄存器基地址基地址寄存器寄存器位移量位移量5.4 8086/8088

8、总线周期总线周期 CPU每执行一条指令，每执行一条指令， 至少要通过总线对存储至少要通过总线对存储器访问一次器访问一次(取指令取指令)。8086 CPU通过总线对外部通过总线对外部(存储器或存储器或I/O接口接口)进行一次访问所需的时间称为一进行一次访问所需的时间称为一个总线周期。一个基本的总线周期由个总线周期。一个基本的总线周期由 4 个时钟周个时钟周期即期即T1, T2, T3和和T4组成，处在这些基本时钟周期组成，处在这些基本时钟周期中的总线状态称为中的总线状态称为T状态。状态。 随着计算机应用领域的扩展，对个人电脑的随着计算机应用领域的扩展，对个人电脑的微处理器的处理能力要求越来越高。

9、微处理器的处理能力要求越来越高。Intel公司从公司从80年代初相继推出了年代初相继推出了80286、80386、80486和和Pentium系列微处理器，不断地将系列微处理器，不断地将PC推向新的发推向新的发展阶段。下面简要介绍一下展阶段。下面简要介绍一下80286Pentium几几种微处理器的种微处理器的特点特点。 80386微处理器微处理器1985年，英特尔公司已经成为了第一流的年，英特尔公司已经成为了第一流的芯片公司，它决心全力开发新一代的芯片公司，它决心全力开发新一代的32位核心位核心的的CPU80386。80386的内部和外部数据总的内部和外部数据总线是线是32位，地址总线也是位，

10、地址总线也是32位，可以寻址到位，可以寻址到4GB内存，并可以管理内存，并可以管理64TB的虚拟存储空间的虚拟存储空间。它的运算模式除了具有实模式和保护模式以外，它的运算模式除了具有实模式和保护模式以外，还增加了一种还增加了一种“虚拟虚拟86”的工作方式，可以通的工作方式，可以通过同时模拟多个过同时模拟多个8086微处理器来提供微处理器来提供多任务能多任务能力力。 80486微处理器微处理器1989年，年，80486芯片由英特尔推出。这款芯片由英特尔推出。这款经过四年开发和经过四年开发和3亿美元资金投入的芯片的伟大亿美元资金投入的芯片的伟大之处在于它首次实破了之处在于它首次实破了100万个晶体

11、管万个晶体管的界限，的界限，集成了集成了120万个晶体管，使用万个晶体管，使用1微米的制造工艺。微米的制造工艺。 80486的时钟频率从的时钟频率从25MHz逐步提高到逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。 80486在在80 x86系列中首次采用了系列中首次采用了RISC（精（精简指令集）技术。简指令集）技术。 Pentium体系结构中的新技术特点体系结构中的新技术特点(一一) 超标量流水线超标量流水线 超标量流水线超标量流水线(Superscalar)设计是设计是Pentium处理器处理器技术的核心。它由技术的核心。它由U与与V两条指令流水线构成。两条指令流水线构成。 与与8048

12、6不同的是，由于不同的是，由于Pentium是双流水是双流水线结构线结构,它可以一次执行两条指令它可以一次执行两条指令,每条流水线每条流水线中执行一条。这个过程称为中执行一条。这个过程称为“指令并行指令并行”。 (二二) 独立的指令独立的指令Cache和数据和数据Cache 80486片内有片内有8KB Cache,而而Pentium片内则有片内则有2个个8KB Cache,一个作为指令一个作为指令Cache,另一个作为数据另一个作为数据Cache,即双即双路路Cache结构。结构。 ( (三三) ) 重新设计的浮点单元重新设计的浮点单元 Pentium的浮点单元在的浮点单元在486的基础上进

13、行了彻的基础上进行了彻底的改进底的改进,其执行过程分为其执行过程分为8级流水级流水,使每个时钟周期使每个时钟周期能完成一个浮点操作能完成一个浮点操作(某些情况下可以完成两个某些情况下可以完成两个)。 Pentium的的CPU对一些常用指令如对一些常用指令如ADD,MUL和和LOAD等采用了新的算法等采用了新的算法,同时同时,用电路进行了固化用电路进行了固化,用硬件来实现用硬件来实现,其速度的提高是显而易见的。其速度的提高是显而易见的。 在运行浮点密集型程序时在运行浮点密集型程序时,66MHz Pentium运算运算速度为速度为33MHz的的80486DX的的5倍倍6倍。倍。( (四四) ) 分

14、支预测分支预测 循环操作在软件设计中使用十分普遍循环操作在软件设计中使用十分普遍,而每次在循环而每次在循环当中对循环条件的判断占用了大量的当中对循环条件的判断占用了大量的CPU时间。为时间。为此此,Pentium提供一个称为分支目标缓冲器提供一个称为分支目标缓冲器BTB (Branch Target Buffer)的小的小Cache来动态地预测程序分支。来动态地预测程序分支。 除了以上几个特点外除了以上几个特点外,Pentium微处理器在微处理器在80486体系体系结构基础上结构基础上,还作了一些增强性的改进还作了一些增强性的改进,归结为以下几点归结为以下几点: (一一) 工作频率提高工作频率

15、提高; (二二) 指令固化指令固化; (三三) 页尺寸增加页尺寸增加; (四四) 增强的微码增强的微码; (五五) 增强的总线增强的总线 5.6 Pentium 5.6 Pentium 微处理器系列及相关技术的发展微处理器系列及相关技术的发展Intel自推出第自推出第5代微处理器代微处理器Pentium和增强型和增强型Pentium Pro之后，之后，一直主导着微处理器的技术发展方向。一直主导着微处理器的技术发展方向。1996年底推出了具有多媒体专用指令集的年底推出了具有多媒体专用指令集的MMX CPU;1997年年5月推出了更高性能的月推出了更高性能的PentiumCPU;1999年又推出年

16、又推出Pentium CPU;2000年推出年推出Pentium CPU,这样，它以最先进的技术将个人计算机推向一个新的发展阶段。这样，它以最先进的技术将个人计算机推向一个新的发展阶段。一、一、 Pentium微处理器（微处理器（P或奔腾或奔腾） Pentium是是Pentium Pro的改进型产品，它采用了的改进型产品，它采用了一种称之为双独立总线结构（即二级高速缓存总线和处理一种称之为双独立总线结构（即二级高速缓存总线和处理器器-主内存系统总线）的技术。主内存系统总线）的技术。 这种结构使微机的总体性能比单总线结构的处理器提这种结构使微机的总体性能比单总线结构的处理器提高了两倍。高了两倍。

17、 同时，它还保留了原有同时，它还保留了原有Pentium Pro处理器优秀的处理器优秀的32位性能，并融合了位性能，并融合了MMX技术。近十年来，技术。近十年来，Intel的的MMX技技术提升了视频的加压和解压术提升了视频的加压和解压,图像处理，编码及图像处理，编码及I/O处理能处理能力。力。 P仍采用了同仍采用了同P一样的一样的P6内核，制造工艺为内核，制造工艺为0.25m或或0.18m的的CMOS技术，有技术，有950万个晶体管，主频从万个晶体管，主频从450MHz和和500MHz开始，最高达开始，最高达850MHz以上。以上。 P处理器具有片内处理器具有片内32KB非锁定一级高速缓存和非

18、锁定一级高速缓存和512KB非锁定二级高速缓存，可访问非锁定二级高速缓存，可访问4GB64GB内存（双处理内存（双处理器）。器）。 为了进一步提高为了进一步提高CPU处理数据的功能，处理数据的功能，P增加了被称为增加了被称为SSE的新指令集。的新指令集。二、二、 Pentium（P，奔腾，奔腾） Intel公司于公司于1999年推出年推出Pentium微处理器芯微处理器芯片，共有片，共有3个系列个系列15种产品。种产品。三、三、 Pentium4 CPU简介简介 2000年年11月，月， Intel公司推出公司推出P4，它是，它是Intel新新一代高性能一代高性能32为微处理器。为微处理器。P

19、4采用的技术主要包括：采用的技术主要包括： Rapid Execution Engine(快速执行引擎快速执行引擎) Double Pumped ALU(双倍算术逻辑单元架构双倍算术逻辑单元架构) 它是奔腾它是奔腾4处理器英特尔处理器英特尔NetBurst微体系结构的一部分。微体系结构的一部分。它意味着在处理器主频中采用两组独立运作的算术逻辑单它意味着在处理器主频中采用两组独立运作的算术逻辑单元元(ALU)，从而使得基本整数指令如加、减、逻辑与以及，从而使得基本整数指令如加、减、逻辑与以及逻辑或能够在半个时钟周期内完成。例如，在逻辑或能够在半个时钟周期内完成。例如，在1.50GHz奔奔腾腾4处理器上的快速执行引擎能够以处理器上的快速执行引擎能够以3GHz速度运行。速度运行。 Quad Pumped Bus（高速系统总线）（高速系