第12章 高性能微处理器

1、第12章高性能微处理器，12.180286微处理器12.2800386微处理器12.4奔腾处理器，12.180286微处理器，80286主要是总线部件(BU)、指令部件(IU)、可执行部件(EU)和地址部件(address parts)，12.1.180286的内部结构分析，(1)BU管理和控制总线操作，作为微处理器和系统之间的高速接口。有效管理和控制80286与存储、外部设备的关联。以最高速度发送数据和预取指令的操作将导致等待状态为零，并完成外部读/写。(2)IU负责从存储区域中提取指令，并将它们发送到预取指令队列。队列是预取和指令解码器之间的缓冲区。dereger将指令从队列中提出，解码，

2、将其发送到解码的指令队列，并准备执行欧盟。iu在连续解码的同时，欧盟正在执行iu预先翻译的指令。这种解码和并行操作提高了管线功能，大大提高了80286的工作速度。(3)欧盟负责执行解密的指令，并按照所需步骤完成微处理器的算术运算、逻辑运算和其他数据处理等任务。(4)AU由偏移加法器、段边值检查器、段基准地址寄存器、段长度寄存器和物理地址加法器等部分组成，在命令执行过程中完成寻址操作。实施存储管理和保护以计算生产数据的物理地址并验证保护权限。在保护方面，AU提供了完整的存储管理、保护和虚拟存储等支持。AU内部具有高速缓冲区寄存器，该寄存器可以访问段的基本段、段长度边界和当前正在执行的操作中使用的

3、所有虚拟存储段。12.1.28086的寄存器，80286的寄存器组基本上等于8086。还有8个16位数据寄存器AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI和DI。80286的四段寄存器CS、DS、ES、SS共64位，包含16位段选择器和相应的48位段高速缓冲区(8位访问域、24位默认地址域和16位边界域)。80286的标志寄存器中添加了两个标志位段寄存器字段。其中IOPL字段是定义当前操作的权限级别的权限标志，即优先级(03 4)。NT位是任务嵌套标志NT1，表示当前正在执行的任务嵌套在另一个任务中。否则为NT0。80286新增了16位机器状态words(MSW)，其中仅使用了低4位。80286还

4、添加了四个系统表寄存器：全局描述符表寄存器GDTR、本地描述符表寄存器LDTR、中断描述符表寄存器IDTR和任务状态表寄存器TR。这四个系统表寄存器仅用于保护模式。80286的保护方法包括三种类型的描述符表：全局描述符表(GDT、GlobalDescriptorTable)、本地描述符表(LDT、locldesccriptable)和中断描述符表(IDT、IDT与8086相比，8086芯片针脚功能的主要区别在于没有地址、数据电缆多路复用方案，因此封装在具有68个针脚、4面有针脚的方形外壳中。12.1.380286存储组织80286是芯片内第一个用于存储管理和保护的微处理器。80286有物理地址

5、管理方法和保护虚拟地址管理方法。保护虚拟地址管理方法可为多任务操作提供可靠的支持。打开或重置电源时，80286自动进入物理地址。通过使用LMSW和SMSW命令在系统状态单词MSW中放置PE位，可以将CPU切换到物理地址方法(PE0)并保护虚拟地址方法(PE1)。12.28038微处理器，如果微处理器主要是从8位扩展到16位的总线，则是从16位到32位的体系结构设计的概念创新。32位微处理器的出现成为微处理器发展史上的又一个里程碑。32微处理器广泛使用流水线技术、指令叠加技术、虚拟存储技术、片上存储管理技术、存储分段、寻呼保护技术。这些技术的应用使32位计算机能够更有效地处理数据、文字、图像、图

6、形、语音等各种信息，为多用户、多任务操作系统提供了强大的支持。12.2.180386的内部结构、流水工作方式80386的内部结构取决于功能，包括总线接口部件(BIU)、命令预取部件(IPU)、命令解码部件(IDU)、命令可执行部件(EU)和分段部件(SU)，8086(具有12.2.380386的工作方式和高性能存储管理部件MMU)强烈支持三种工作方式：物理地址方式、虚拟地址方式和虚拟8086方式。(1)物理地址方法：可以通过在开机或重置初始化时80386进入物理地址的方法来设置保护方法。与8086，80286一样，通过将16位段选择单词向左移动4位和16位偏移地址相加，获得寻址1MB存储空间的

7、20位物理地址。区段的预设位址是4GB实体储存空间的前1MB以内。(2)虚拟地址保护。80386是在正常引导或重置后进入物理地址、完成初始化后立即进入虚拟地址保护方式的最常见方法，只能通过虚拟地址保护方式提供强大的功能。(3)虚拟8086(V86)方法。虚拟8086方法也称为V86方法。80386在标志寄存器中运行VM标志位置“1”，即进入v386后运行8086程序并重置VM，即退出v386，然后进入保护模式的80386程序。12.2.480386的存储管理，80386以虚拟地址保护方式分区，使用分页两阶段统一存储管理对组织的逻辑地址空间结构进行分区管理，使用分页管理对物理存储进行管理。803

8、86的分段部件将程序的逻辑地址转换为线性地址，从寻呼部件转换为物理地址。基于这些段管理的寻呼管理是80386支持的最全面、最强大的存储管理方法。微处理器中还设置了缓存和其他功能部件，因此这些两级地址将快速转换。(1)段管理，80386段管理类似于80286。80386的段描述符也为8Byte，段基地址扩展到32位，段限制扩展到1MB，从而添加了4位语义控制字段。80386段描述符的格式如图12.4所示。(2)管理分页，80386分页是页面目录表、页面表级别2页面转换机制、低级页面表是由多个页面描述符组成的页面图像，每个页面描述符代表物理页面。一级页面目录表是由多个页面目录描述符组成的页面表的图

9、像，每个页面目录描述符表示不同的页面表，80386的页面目录默认地址寄存器CR3表示内存中页面目录表的位置。80386的页面表格和页面目录表格最多可以包含210个页面描述符和页面目录描述符，每个描述符包含4Byte(32位)，其格式基本相同。80386的分页机构80386的页面和页面表都从存储空间的4KB边界开始，因此页面地址和页面表地址的低12位都是0。在80386寻呼系统中，CR3提供页面目标表的默认地址，使用32位线性地址的前10个字符从页面目录表的1024页面目录描述符中选择一个来获取该页面表的默认地址。选择相应页面表的页面描述符1024中的一个，以使用线性地址的中间10个字符获取页面

10、地址。通过使用线性地址中的至少12位，您可以从指定页面的4KB中选择物理存储单元，从而实现从线性地址到物理地址的转换。此地址转换是标准的辅助查找表代理。(3)为了管理80386的高速缓冲存储，80386芯片上有缓存(Cache)，因此可以缓存当前段描述符，以后的地址转换将不再访问描述符表，仅处理缓存，从而大大提高地址转换速度。12.380486微处理器，Intel80486是Intel corporation于1989年推出的下一代32位微处理器，是80386的升级产品。80486相当于以80386为核心，采用了除片中包含的8KB高速缓存(Cache)和80387对应的数字辅助处理器外，轻松配

11、置多处理器系统结构的机制。这是80486结构上的重大变革，整体性能有了很大提高。以比80386快24倍的相同操作频率实现和支持多处理器系统设计目标。12.3.180486的内部结构，12.3.2800486的技术特性，80486是英特尔微处理器历史上第一个采用RISC技术的处理器，有效优化了微处理器的性能。80486采用RISC技术并不意味着它与80386等CPU不兼容。实际上，指示也不简洁，只强调RISC技术，以便80486在一个时钟周期中执行一个指令。目前，80486超过了这个设计目标，在平均1时钟周期中发出了12个命令。80486使用突发总线(BurstBus)与外部RAM进行高速数据交

12、换。CPU与RAM交换数据时，通常会获得一个地址、交换数据、获取地址和交换数据。每次导入每个地址时，该地址和后续地址中的数据都会参与交换，从而显着提高CPU和RAM之间的数据传输速度。此技术特别适用于图形显示和网络使用。这是因为在这两种情况下，相关的地址空间通常是连续的。80486配置了8KB高速缓冲内存高速缓存。高速缓存使用4路连接实现方法，命中率高(约92%)。80486芯片安装了数字辅助处理器，80486不再需要带外数字处理器80387的支持，直接使用浮点数据处理功能，从而缩短了CPU和数字辅助处理器之间的通信时间，提高了浮点处理能力。Intel80486提供了多种产品，包括486SX、

13、486DX、486DX2和OverDrive升级芯片。12.4 Pentium处理器，1993年3月。Intel corporation发行了名为Pentium的新一代微处理器(P5)。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，支持安全工作电压为5V的60和66MHz前端总线速度(FSB)。全新设计的Pentium处理器与80486相比，其内部结构有很大的改善，但是维持与80X86系列的二进位相容性，可让您在相同的作业模式下执行所有80X86程序。此外，单一存储管理单元(MMU)可兼容386和486，并可以在保护模式和虚

14、拟86模式下启动。命令集包含80486中的所有命令，并添加了新的说明。下一代产品是P54，它支持3.3V的核心电压，使用0.50微米或0.35微米制造工艺，处理器时钟频率为75200MHz，总线频率为5066MHz。P5具有16KB的1级高速缓存。特别是，Intel首次针对资料使用了8KB和8KB两个独立层级的快取记忆体，以供准则使用。使用插槽5和IA32体系结构。Intel下一个最重要的变化是P55处理器的推出，它是第一个新增了57个MMX指令集(主要用于多媒体和网路通讯)的CPU。随着CPU制造过程的不断发展，处理器已转换到0.35微米制造工艺，工作电压为2.8V，因此必须相应地更改主板以

15、支持此新CPU电压。也就是说，必须在主板上添加一个电压调节器。新CPU的主缓存也增加了一倍，以前为32KB。Pentium MMX处理器在汇流排频率为166233MHz、12 . 4 . 1 Pentium处理器内部结构、12 . 4 . 2 Pentium处理器技术特色socket 7的架构上运作。(1)奔腾的片上缓存基于RISC的技术(2)奔腾的高性能浮点计算部件(4)分支命令预测功能(5)数据总线宽度增加(6)公共命令固化(7)系统管理(SMM)PentiumProPentiumPro是第一个属于第六代CPU的产品。从第六代微处理器开始，有36个地址行，可以寻址64G的地址空间。Pent

16、ium pro具有16KB的等级快取记忆体，其时脉速度为150200MHz，系统汇流排为60或66MHz，使用插槽8结构。2.Pentium ii Pentium ii的核心是Pentium pro MMX。3.Pentium iii Pentium iii仍然是32位元Intel架构(IA-32)CPU，最重要的技术特性是采用KNI(MMX2)架构，新增了70个指令，并且新增了4 .Pentium 4 Pentium 4 Pentium 4处理器是Intel的新IA-32架构处理器，使用与先前不同的新NetBurst架构。5.Celeron(Celeron)Intel的Celeron系列是适用于低端市场的Intel产品，是Pentium ii的简化版本，唯一的差异是整合式L2快取记忆体6。减少Xeon处理器。此处理器专为中端和高端服务器和工作站而设计。摩尔定律，从1965年开始，英特尔公司创始人之一戈登摩尔提出的摩尔定律(CPU决定更换18个月)一次又一