微机原理微理器.ppt

* * 第二章 第二章 Pentium微处理器的体系结构 2.1 计算机体系结构的含义 2.2 Pentium微处理器的内部结构 2.3 实模式软件体系结构 2.4 保护模式软件体系结构 2.5 浮点部件软件体系结构 2.1 计算机体系结构的含义 计算机体系结构 = computer architecture (计算机系统结构) 计算机体系结构是程序员所看到的系统的一些属性： 概念性的结构和功能上的表现，这些属性既不同于数据流和控制的组织，也不同于逻辑设计和物理实现。 Amdahl,1964 计算机体系结构是连接硬件和软件的一门学科，它研究的内容不但涉及计算机硬件，也涉及计算机软件。 计算机体系结构与计算机组成 区别在于关心的问题不同： 计算机体系结构关心的是怎样合理地进行软硬件功能分配，为软件人员提供适用的计算机 计算机组成关心的是怎样合理地实现分配给硬件的功能和指标，提高性能价格比 兼容性 针对系列计算机 要求所有机种间能够保持向上兼容和向后兼容 向上兼容：为某个档次机种编制的软件能够不加修改地运行在比它高档的机种上 向后兼容：为某个时期生产的机种编制的软件能够不加修改地运行在它之后生产的机种上 兼容性 针对（软件）体系结构，非硬件实现 Pentium微处理器的运行模式：实模式、保护模式 2.2 Pentium微处理器的内部结构 1. Pentium微处理器的外形和封装 1993年开始推出，共生产三代： P5(Pentium 60/66) 0.8?m, 5V电压 P54C(Pentium 75/90/100/120/133/150/166/200), 0.6?m, 3.8V电压 P55C(Pentium MMX 166/200/233), 0.35?m, 2.8V电压 集成度：310万晶体管/片 采用296引脚的引脚栅格阵列（PGA）陶瓷封装技术 2. Pentium微处理器的功能结构 3. 超标量与流水线 ① 超标量和流水线的概念 超标量：配置多个执行部件和指令译码电路，能同时执行多条指令。 Pentium由三个执行单元组织而成，一个执行浮点指令，另两个执行整型指令（U流水线和V流水线），这意味着Pentium同时可以执三条指令 超标量 流水线：在CPU中把一条指令分解成多个可单独处理的操作，使每个操作在一个专门的硬件站（stage）上执行，这样一条指令需要顺序地经过流水线中多个站的处理才能完成，但是前后相连的几条指令可以依次流入流水线中，在多个站间重叠执行，因此可以实现指令的并行处理。 80486的指令分PF、D1、D2、EX、WB五个操作步骤 0 1 2 3 4 5 6 8 7 时间 i1 PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX WB i2 i3 i4 ② 整数流水线 五个阶段的整数流水线： PF(预取)：处理器从代码cache中预取指令 D1(译码阶段1)：处理器对指令译码确定操作码和寻址信息。在这个阶段还进行指令的成对性检查和分支预测 D2(译码阶段2)：产生访问存储器的地址 EX(执行)：处理器或者访问数据cache，或者利用ALU、筒型移位器或其他功能单元计算结果 WB(写回)：利用指令运行结果更新寄存器和标志寄存器 时间 i1 PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX WB i2 i3 i4 0 1 2 3 4 5 6 8 7 PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX WB i5 i6 i7 i8 U V U V U V U V Pentium的超标量流水线 指令配对 U、V两条流水线并行执行的要满足一些前提条件，Pentium数据手册定义了配对规则： 1. 两条指令都是简单指令 2. 没有写后读和写后写的依赖关系 3. 一条指令不能同时既包含位移量又包含立即数 4. 带前缀的指令只能出现在U流水线中 此外，条件分支转移指令和非条件分支转移指令和，只有当它们作为配对中的第二条指令出现时才可以配对。 简单指令：完全由硬件执行而无需任何微码控制，在一个时钟周期内执行的指令 mov reg, reg/mem/imm mov mem,reg/imm alu reg, reg/mem/imm alu mem, reg/imm inc reg/mem dec reg/mem push reg/mem pop reg lea reg, mem jmp/call/jcc near nop 例： MOV AX, 5 INC BX MOV AX, 5 INC AX 分支预测 P. 310 ③ 浮点流