《微机原理与接口技术（第2版）》第13章高档微处理器

第13章

高档微处理器本章知识要点：

本章仍然以Intel系列微处理器为平台，追踪微机技术的发展。从科学发展观的角度，认知高能奔腾—PentiumPro、多能奔腾—PentiumMMX、二代奔腾—PentiumII、多能奔腾二代—PentiumIII、Pentium4、以及Intel于2005年4月推出的存储器扩展的64位微处理器技术、以及最近采用的双核技术。它们代表了目前世界上微机领域内的先进理念、先进知识、先进理论和先进技术。本章重点是微机技术的发展过程、64位微处理器技术和双核技术。难点是64位微处理器技术和双核技术。13.1高能奔腾—PentiumPro1996年后，Intel又相继推出了高能奔腾—PentiumPro、多能奔腾—PentiumMMX、二代奔腾—PentiumII、多能奔腾二代—PentiumIII

等Pentium系列高档微处理器1．

RISC技术

Intel在开发PentiumPro微处理器高性能过程中也采用了RISC技术。PentiumPro微处理器不仅是一代卓越的超标量微处理器，而且是超流水线型的，在同样的时钟速率下比Pentium快三分之一。

2．PentiumPro新技术

Intel的PentiumPro微处理器的“DynamicExecution(动态执行)”使得PentiumPro微处理器在大多数情况下处理指令的效率比Pentium更高一些。3．事务总线

PentiumPro微处理器采用的是事务总线设计，可以支持多个特殊的总线请求。4．PentiumPro内部结构

PentiumPro微处理器采用的是一种特殊的总线结构。二级Cache被设计成与PentiumPro微处理器同处一个芯片内，同被封装在一起5．PentiumPro流水线

PentiumPro微处理器使用是一种被划分为按序、乱序和退出这样三个操作部分的14级深的流水线，13.2多能奔腾—PentiumMMX

1996年底推出的Pentium微处理器系列的改进版本—PentiumMMX微处理器（多能奔腾），所采用的MMX技术是Intel最新发明的一项多媒体增强指令技术。它的指令系统新增加了57条为丰富和加速PC机上多媒体和通信而设计的新指令，所以被称之为“多媒体扩展指令系统”。

1．MMX技术

PentiumMMX使用了一种叫做单指令流、多数据流（SIMD）的技术，该技术能够使CPU同时对二个、四个甚至八个数据元素进行计算，且不会降低操作速度。

2．体系结构的改进

PentiumMMX功能的增强会简化系统中其他子系统。PentiumMMX提高了处理机分担多媒体计算的能力，这将使图形加速、声频、视频的设计和实现变得简单，从而降低了整个系统的成本。3．简单的乘—累加操作（1）在PentiumMMX上的操作方法（2）在经典Pentium上操作的方法13.3二代奔腾—PentiumII

1997年5月，Intel推出了与PentiumPro同一个级别的微处理器PentiumII。

PentiumII虽然采用了原有PentiumPro相同的核心体系结构，但它加快了对段寄存器写操作的速度，还增加了MMX指令，从而加速了操作系统的执行速度。由于PentiumII又增加了可重命名的段寄存器，因此PentiumII有能力可以猜测地执行写操作。在总线方面，PentiumII采用了双独立总线结构，即其中的一条总线被连接到了二级Cache，另一条总线主要是负责主存储器的信息传送操作。1．体系结构的增强

PentiumII微处理器又新配备了八个64位的MMX寄存器，以加速多媒体任务的执行。并且配置了可重命名的段寄存器，用以加速操作系统的执行速度。采用了MMX多媒体增强技术的PentiumII微处理器与多能PentiumMMX微处理器相比，体系结构又有新意，结合双独立总线结构，即其中一条总线连接到二级Cache，另一条总线主要负责与主存储器之间的信息传送。2．PentiumII流水线

超标量技术被Intel巧妙地移植到CISC类的PentiumII微处理器上。超标量组织的主要部件是指令预取和译码部件、调度发送和执行部件、指令缓冲部件恢复部件。3.PentiumII的Cache

将PentiumII上的一级Cache的容量从16KB加倍到32KB

4.分支转移预测

PentiumII使用的是基于转移指令近期执行历史的动态转移预测策略。由一个分支转移目标缓冲存储器（BTB）负责控制着它的运行，BTB进行的是高速缓冲存储操作，其内保存着近期所遇到的有关转移指令的相关信息。

13.4多能奔腾二代—PentiumIII

1.PentiumⅢ的高性能

1999年2月，推出了PentiumIII芯片。它是为提高用户的互联网计算而设计的微处理器。

PentiumIII芯片所带来的最重要的技术创新之一就是它新增加的71条被称之为互联网的指令和处理机的序列号。2．SSE指令

PentiumⅢ新增添的71条互联网SSE指令，SSE指令集中包含有以下三类指令：八条高速缓冲存储器控制指令；

50条单指令多数据浮点运算指令；

12条新的多媒体指令等；3．

PentiumIII的微体系结构

PentiumⅢ是基于Intel的P6微体系结构，其中包括增加带宽的快速100MHz系统总线、大小规模为512KB的二级Cache和使微处理器效率更高的动态执行技术。微处理器的核心逻辑有所扩展，增加了一个新的微处理器状态、一个新的数据类型，和能够进行并行浮点和整数操作的8个128位的寄存器。总线速度扩展到450MHz、500MHz。（1）二级CachePentiumⅢ把全速256KB的二级Cache集成进了其核心芯片之内，（2）更高的后端总线传输带宽

PentiumⅢ的“高级传输高速缓冲存储器”除了运行主频与核心频率一样外，它与PentiumⅢ核心运算部件之间的数据通路也从原来的64位提高到现在的256位，仅数据通路的带宽就提高了4倍。

13.5Pentium4

1．Pentium4性能最强为Pentium4设计了一种被称之为“NetBurst”的新微体系结构，它可以更好地满足目前互联网用户的需求。Pentium4在数据加密、视频压缩和对等网络等方面的性能都有较大幅度的提高。2．Pentium4的NetBurst

微体系结构所谓NetBurst，顾名思义；Net—即网的意思；Burst—成组传输、突发传输的意思。若在网上传输数据，不传则已，传则即为很大的信息量。如传一幅图片，总不能让用户等半天才能得到信息。这样就要求Pentium4快速地、大量地处理信息和传送信息。系统总线400MHz高速执行引擎高级动态执行机制拥有执行追踪功能的1级Cache性能增强了的浮点部件和多媒体部件超级流水线技术具先进传输机制的2级Cache

图中展示出了Pentium4微处理器内部结构及各功能部件在芯片内的位置

3．超级流水线技术

Pentium4配备了新的超级流水线技术，它把流水线的深度增加到20级，Pentium4的超级流水线上配备有20个基本操作部件，所以Pentium4的操作速度也就快得多。衡量CPU性能的公式是：性能=CPU的主频

IPC4．高速的系统总线（400MHz）

Pentium4在数据传输方面采用了其时钟频率为400MHz新的系统总线。5．拥有执行追踪功能的一级Cache

Pentium4的一级指令Cache被改进成执行追踪的Cache，其容量12KB，但是由于在Pentium4的执行追踪的Cache内存放着已经译好码的微指令(μOPs)，使Pentium4不必每次都要重新给指令译码，从而大大加快了译码速度，6．高级动态执行机制

Pentium4配备的高级动态执行机制，使Pentium4在流水线中所能处理的指令条数比PentiumIII多出3倍以上，并能合理地预测分支转移指令。

7.高速执行引擎在Pentium4中配置了一种时钟缓冲器电路，可以使NetBurst微体系结构下的算术运算和逻辑运算部件ALU能够在２倍于CPU主频的速度下操作，Intel把其称之为高速执行引擎。8．配备有先进传输机制的二级CachePentium4的NetBurst微体系结构使用的二级Cache其大小规模为256KB，又称可进行高级传输的缓冲存储器9．性能增强了的浮点部件和多媒体部件

Pentium4把浮点寄存器扩展成了128位，并且又增加了一个用于数据传送的辅助寄存器，这样就大大改善了浮点部件和多媒体部件的性能。10．单指令多数据扩展的数据流SIMD

(SSE2)指令集

Pentium4引进了为加速执行各种应用程序而设计的、包含144条多媒体及图形指令的单指令多数据扩展的数据流SIMD(SSE2)指令集，其中SIMD是指单指令多数据操作，它们是第二代高级浮点以及多媒体指令集（SSE2）。13.664位技术

2005年4月，Intel推出了她的64位微处理器EM-64T，即存储器扩展64位微处理器技术。存储器扩展64位微处理器技术具体表现在：新的操作模式，新增加和增强的指令多达432条。存储器扩展64位微处理器技术，对传统模式、兼容模式、64位模式等这3种操作模式都给以支持：1．传统模式所谓传统模式，即在32位微处理器使用过的，而在64位微处理器上保留下来的操作模式。在存储器扩展64位微处理器上，像之前的32位操作系统、32位应用程序、32位驱动程序等都是传统模式，64位微处理器技术一如既往地都提供支持。2．兼容模式兼容模式是在代码段基础上的、经操作系统允许的一种操作模式。在存储器扩展的64位微处理器上，不仅对新的64位操作系统、新的64位驱动程序提供支持，而且对以前的32位应用程序也照样提供支持3．64位模式

64位的操作模式是在代码段基础上，由操作系统允许并启动的一种操作模式。在存储器扩展64位微处理器上，对全新的64位操作系统、64位应用程序、64位驱动程序、64位虚拟地址空间给以支持，而且使用全新的64位通用寄存器GPRs。当访问比64位寄存器和64位地址还大的信息时，使用64位的通用寄存器GPRs。

4．通用寄存器在存储器扩展64位微处理器上，把现有的32位的8个通用寄存器都展宽到64位，根据功能的需求又新增加了8个64位通用寄存器。

64位微处理器，还新设置了8个新的128位的、单指令多数据流SIMD扩展寄存器5.不变的寄存器

64位微处理器，它就保留了32位微处理器使用的那个32位的标志寄存器EFLAGS，浮点部件上的那8个80位的浮点数值寄存器ST0～ST7，32位微处理器上使用的8个64位的多媒体寄存器MM0～MM7，也同样保留了下来。6．分支转移技术

64位微处理器的扩展技术，把分支转移机制扩充成二个，以便满足64位线性地址空间中的分支转移需求。（1）近程分支转移，在64位的操作模式中被重新定义。（2）在64位的操作模式和兼容模式下，64位的调用门描述符用于远程调用。在64位的操作模式中，所有的近程分支转移的操作数规模大小，都被强制成64位的。8．超线程技术采用超线程技术HT技术的目的，是在多任务处理环境内，在执行多线程操作系统以及应用程序，或者单线程应用程序时，用来改善32位微处理器的性能。这项技术可以使一个微处理器同时运行两个或多个各自独立的程序。9．高级动态执行机制

64位微处理器上采用的高级动态执行技术包括：（1）较深的流水线技术、乱序执行技术、再加上推测执行引擎：

①可以让126条指令鱼贯执行。

②在流水线内可以执行48个装入操作、以及24个存储操作。（2）增强了的分支转移预测能力

①与较深的流水