第2章微处理器与指令系统课件.ppt
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1、2-1第二章第二章 微处理器和指令系统微处理器和指令系统2.1 2.1 IntelIntel系列微处理器概述系列微处理器概述2.2 2.2 8086/8088微处理器微处理器2.3 2.3 Pentium微处理器微处理器2.4 2.4 PentiumPentium微处理器指令系统微处理器指令系统2-22.1.12.1.1 Intel 8086/8088 Intel 8086/8088 微处理器微处理器2.1.2 Intel 2.1.2 Intel 80486 80486 微处理器微处理器2.1.3 2.1.3 Pentium Pentium 微处理器微处理器(80586)(80586)2.1.
2、4 2.1.4 Pentium Pro Pentium Pro 微处理器微处理器2.1.5 2.1.5 Pentium Pentium 微处理器微处理器2.1.6 2.1.6 Pentium Pentium 微处理器微处理器2.1.7 2.1.7 Pentium 4 Pentium 4 微处理器微处理器2.1 2.1 IntelIntel系列微处理器概述系列微处理器概述2-32.1.1 2.1.1 Intel 8086/8088 Intel 8086/8088 微处理器微处理器 8086 8086是是19781978年推出的全年推出的全1616位微处理器位微处理器,8088,8088是是197
3、1979 9年推出的年推出的准准1616位微处理器。二者除位微处理器。二者除外外数据总线位数(数据总线位数(80868086为为1616位,位,80888088为为8 8位)及与此相关的部分逻辑稍有差别外位)及与此相关的部分逻辑稍有差别外,内部结构和基本性能相同(地址总线内部结构和基本性能相同(地址总线2020位)位),指令系统完指令系统完全兼容。全兼容。在在8086/80888086/8088的设计中,引入了两个重要的结构概念:的设计中,引入了两个重要的结构概念:指令流水线指令流水线 存储器分段存储器分段 这两个概念在以后升级的这两个概念在以后升级的IntelIntel系列微处理器中一直被沿
4、用和发系列微处理器中一直被沿用和发展。正是这两个概念的引入,使展。正是这两个概念的引入,使8086/80888086/8088比原来的比原来的8 8位位MPUMPU在运行速在运行速度、处理能力和对存储空间的访问等性能方面有很大提高。度、处理能力和对存储空间的访问等性能方面有很大提高。2-42.1.2 2.1.2 8048680486微处理器微处理器 1.1.内部寄存器的容量都扩充到了内部寄存器的容量都扩充到了3232位或以上,具有全位或以上,具有全3232 位数据处理能力,并可进行位数据处理能力,并可进行6464位的数据运算。位的数据运算。2.2.片内存储管理部件可实现段页式存储管理片内存储管
5、理部件可实现段页式存储管理,比比8028680286可可 提供更大的虚拟存储空间和物理存储空间。提供更大的虚拟存储空间和物理存储空间。3.3.新增了一种保护模式下的工作方式新增了一种保护模式下的工作方式,即虚拟即虚拟80868086方式。方式。4.4.指令流水线增加到了指令流水线增加到了6 6级。级。5.5.提供了提供了3232位外部总线接口,最大数据传输速率显著提位外部总线接口,最大数据传输速率显著提 高。高。8048680486是继是继8038680386之后推出的第二代之后推出的第二代3232位高性能微处理器位高性能微处理器,它以提高性能和面向多处理器系统为主要目标。它以提高性能和面向多
6、处理器系统为主要目标。8048680486继承了继承了8038680386的各种优点,表现在以下几方面:的各种优点,表现在以下几方面:2-5 1.1.片片内集成了一个浮点运算单元内集成了一个浮点运算单元FPU FPU。2.2.内含一个内含一个8 8KBKB的数据与指令合用的的数据与指令合用的CacheCache。3 3.采用采用RISCRISC技术技术。使芯片内的不规则控制部分减少,同使芯片内的不规则控制部分减少,同时常用基本指令采用硬件逻辑控制执行,使基本指令可以用时常用基本指令采用硬件逻辑控制执行,使基本指令可以用一个时钟周期完成。一个时钟周期完成。4.4.采用一种突发总线(采用一种突发总
7、线(Burst BusBurst Bus)的技术。的技术。使取得一使取得一个地址后,与该地址相关的一组数据可以连续输入个地址后,与该地址相关的一组数据可以连续输入/输出输出,有有效地解决了微处理器同内存储器之间的数据交换问题。效地解决了微处理器同内存储器之间的数据交换问题。5.5.面向多处理器结构面向多处理器结构,增加了支持多机操作的指令。增加了支持多机操作的指令。2.1.2 2.1.2 8048680486微处理器微处理器 除以上除以上8038680386、8048680486共有的特点之外,共有的特点之外,8048680486也采用了也采用了许多新技术:许多新技术:2-62.1.2.1.3
8、 Pentium3 Pentium微处理器(微处理器(8058680586)1.1.采用超标量体系结构。采用超标量体系结构。2.2.内置的浮点运算部件采用超流水线技术。内置的浮点运算部件采用超流水线技术。3.3.增加了分支指令预测。增加了分支指令预测。4.4.内置了指令和数据两个独立的超高速缓存器,内置了指令和数据两个独立的超高速缓存器,避免了预取指令和数据可能发生的冲突。避免了预取指令和数据可能发生的冲突。Pentium Pentium是一种高性能的是一种高性能的3232位微处理器。其对位微处理器。其对8048680486作了下列重大改进:作了下列重大改进:2-7 5.5.采用采用6464位
9、外部数据总线。位外部数据总线。6.6.引入了大型机中采用的引入了大型机中采用的内部错误检测、功能冗余检验内部错误检测、功能冗余检验和错误报告等自诊断功能。和错误报告等自诊断功能。7.7.进行了更多的可测性设计。进行了更多的可测性设计。8.8.提供了独特的性能监察功能,以利于软、提供了独特的性能监察功能,以利于软、硬件产品的优化和升级。硬件产品的优化和升级。9.9.提供了灵活的存储器页面管理。提供了灵活的存储器页面管理。2.1.2.1.3 Pentium3 Pentium微处理器(微处理器(8058680586)2-8n精简指令集技术。精简指令集技术。n二级缓冲结构。二级缓冲结构。n乱序执行和预
10、测执行技术。乱序执行和预测执行技术。n三级超标量和三级超标量和1414级超流水线结构。级超流水线结构。n寄存器重命名技术寄存器重命名技术 2.1.2.1.4 Pentium Pro4 Pentium Pro微处理器微处理器 简称简称P6P6,中文名为中文名为“高高能奔腾能奔腾”。在体系结构中采在体系结构中采用了许多新的思想和新的技用了许多新的思想和新的技术:术:2-92.1.2.1.5 Pentium 5 Pentium 微处理器微处理器 P6P6级微处理器的第二代产品,级微处理器的第二代产品,从从系统结构角度看,主要采用了以下几系统结构角度看,主要采用了以下几种先进技术:种先进技术:n采用了
11、由三种创新处理技巧结合的采用了由三种创新处理技巧结合的动态执行技术动态执行技术,即:多分支预测、数据流分析和推测执行。即:多分支预测、数据流分析和推测执行。n双重独立总线技术(双重独立总线技术(DIB,Dual Independent BusDIB,Dual Independent Bus)多媒体增强技术(多媒体增强技术(MMXMMX技术)技术)采用采用单指令流多数据流单指令流多数据流SIMDSIMD技术技术 新增加了新增加了5757条功能强大的条功能强大的MMXMMX指令指令2-102.1.2.1.6 Pentium 6 Pentium 微处理器微处理器 Pentium Pentium 是第
12、三代是第三代P6P6级微处级微处理器产品。与理器产品。与PentiumPentium相比相比,有如有如下改进:下改进:n前端总线的时钟频率为前端总线的时钟频率为100MHz 100MHz(采用采用0.180.18mm新工艺的新工艺的Pentium Pentium,其前端总线达到其前端总线达到133133MHzMHz)。n将将256256KBKB的的L2 CacheL2 Cache集成到了芯片内。集成到了芯片内。n增加了增加了 7070条流式单指令多数据扩展条流式单指令多数据扩展SSESSE指令。指令。n首次设置了处理器序列号首次设置了处理器序列号PSNPSN。2-112.1.2.1.7 Pen
13、tium 47 Pentium 4微处理器微处理器 1.1.采用了超级管道技术,使用长采用了超级管道技术,使用长达达2020级的分支预测级的分支预测/恢复管道,而恢复管道,而P6P6只有只有1010级。级。2.2.它的简单算术逻辑单元它的简单算术逻辑单元(ALU)(ALU)采用采用2 2倍的处理器倍的处理器核心频率运行。核心频率运行。3.3.动态执行技术中的指令池能容下动态执行技术中的指令池能容下126126条指令。条指令。4.4.内含一个内含一个4KB4KB的分支目标缓冲。的分支目标缓冲。5 5.增加了由增加了由144144条新指令组成的条新指令组成的SSE2SSE2。它是第一个非它是第一个
14、非P6P6核心结构的全新核心结构的全新3232位微处理器,与位微处理器,与P6P6级微处理器相比,级微处理器相比,主要结构特点如下:主要结构特点如下:2-122.2 2.2 Intel8086/8088Intel8086/8088微处理器微处理器内部结构内部结构指令流水线指令流水线存储器分段存储器分段 8086 8086是全是全1616位微处理器,位微处理器,80888088是准是准1616位微处理器。二位微处理器。二者除了外数据总线位数及与此相关的部分逻辑稍有差别外,者除了外数据总线位数及与此相关的部分逻辑稍有差别外,内部结构和基本性能相同,指令系统完全兼容。内部结构和基本性能相同,指令系统
15、完全兼容。2-131.1.内部结构内部结构2.2 2.2 Intel 8086/8088Intel 8086/8088微处理器微处理器20位位ABEU控制电路控制电路总线总线控制电路控制电路通用寄存器通用寄存器累加器累加器基址寄存器基址寄存器计数寄存器计数寄存器数据寄存器数据寄存器堆栈指针堆栈指针基址指针基址指针目的变址目的变址源变址源变址指针寄存器指针寄存器变址寄存器变址寄存器 地址地址加法器加法器运算暂存器运算暂存器ALU标志寄存器标志寄存器指令指针指令指针内部暂存器内部暂存器指令队列指令队列总线接口单元总线接口单元(BIU)BIU)执行单元执行单元(EU)EU)外部总线外部总线8086/
16、8088DB8088:8位位8086:16位位C CS S DSDSSSSSESESI IP P1 2 3 4 5 61 2 3 4 5 68 8位位80888086AX AH ALBX BH BLCX CH CLDX DH DL SPBPDISIALU DB1616位位段寄存器段寄存器2-14 这种流水线操作并没有减少每条指令的执行步骤与这种流水线操作并没有减少每条指令的执行步骤与时间,但由于各指令的不同步骤之间并行执行,从而极时间,但由于各指令的不同步骤之间并行执行,从而极大地提高了指令流(程序)的执行速度。大地提高了指令流(程序)的执行速度。流水线操作的优点:指令队列的存在使流水线操作的
17、优点:指令队列的存在使EUEU和和BIUBIU并行工并行工作作,取指令和分析、执行指令操作可重叠进行,形成了两级取指令和分析、执行指令操作可重叠进行,形成了两级指令流水线结构,减少了指令流水线结构,减少了CPUCPU等待时间,提高了等待时间,提高了CPUCPU的利用率,的利用率,加快了整机运行速度,降低了对存储器存取速度的要求。加快了整机运行速度,降低了对存储器存取速度的要求。2.2.指令流水线指令流水线取指令取指令1 1 取指令取指令2 2 取数据取数据1 1 取指令取指令3 3 存结果存结果1 1 取指令取指令4 4 取指令取指令5 5 等待等待 译码译码1 1 执行执行1 1 译码译码2
18、 2 执行执行2 2 译码译码3 3 BIUBIUEUEU 8086/8088 8086/8088的指令的指令“流水流水”操作操作2.2 2.2 Intel 8086/8088Intel 8086/8088微处理器微处理器2-15 将将1 1MBMB的物理存储空的物理存储空间分成若干个逻辑段间分成若干个逻辑段,每每段大小为段大小为6464KBKB。64KB30000H(段基址段基址)段的起始单元地址段的起始单元地址叫叫段基址段基址,存放在段寄,存放在段寄存器中。通过存器中。通过4 4个段寄个段寄存器,存器,CPUCPU每次可同时每次可同时对对4 4个段进行寻址。个段进行寻址。3.3.存储器分段
19、存储器分段2.2 2.2 Intel 8086/8088Intel 8086/8088微处理器微处理器内存内存 00000H00001H00002H00003HFFFFFH2-16 分段方式不分段方式不唯一,各段之间唯一,各段之间可以连续、分离、可以连续、分离、部分重叠或完全部分重叠或完全重叠,这主要取重叠,这主要取决于对各个段寄决于对各个段寄存器的预置内容。存器的预置内容。2.2 2.2 Intel 8086/8088Intel 8086/8088微处理器微处理器1000H2000H3100H3100H代码段代码段(64KB)堆栈段堆栈段(64KB)数据段与数据段与附加数据附加数据段重叠段重
20、叠(64KB)CS10000H20000H31000HSSDSES1FFFFH2FFFFH40FFFH 存储器分段结构示例2-17 物理地址物理地址是是1 1MBMB存储存储空间中的某一单元地址,空间中的某一单元地址,用用2020位地址码表示位地址码表示,CPUCPU访问存储器时,地址总访问存储器时,地址总线上送出的就是物理地线上送出的就是物理地址。址。逻辑地址逻辑地址在编程时在编程时采用,由段基址和偏移采用,由段基址和偏移地址组成,两者均为地址组成,两者均为1616位。位。内存内存20000H20A00H0A00H物理地址物理地址20A00H逻辑地址逻辑地址2000 物理地址和逻辑地址物理地
21、址和逻辑地址2.2 2.2 Intel 8086/8088Intel 8086/8088微处理器微处理器2-18逻辑地址与逻辑地址与2020位物理地址的变换关系:位物理地址的变换关系:物理地址物理地址=段基址段基址16+16+偏移地址偏移地址偏移地址偏移地址段基址段基址段基址段基址 0000 00002020位物理地址位物理地址逻辑地址逻辑地址15 0 15 015 0 15 0 左移四位左移四位19 019 0地址地址加法器加法器 逻辑逻辑地址与物理地址的变换地址与物理地址的变换2.2 2.2 Intel 8086/8088Intel 8086/8088微处理器微处理器2-19 2.3 2.
22、3 PentiumPentium微处理器微处理器2.3.1 2.3.1 内部结构内部结构与与外部引脚外部引脚2.3.2 2.3.2 内部寄存器内部寄存器2.3.3 2.3.3 PentiumPentium的四种工作方式的四种工作方式2-20 PentiumPentium在结构上由如下功能部件组成:在结构上由如下功能部件组成:整数执行单元整数执行单元 浮点单元浮点单元 指令指令CacheCache和数据和数据CacheCache 指令预取单元指令预取单元 指令译码单元指令译码单元 地址转换与管理单元地址转换与管理单元 总线接口单元总线接口单元 控制单元控制单元 这些功能部件除地址转换与管理单元与
23、这些功能部件除地址转换与管理单元与80386/8048680386/80486保持兼容外,其他都进行了重新设计。保持兼容外,其他都进行了重新设计。2.3.1 2.3.1 内部结构和外部引脚内部结构和外部引脚2-211.内部结构内部结构地址地址转换转换与与存储存储管理管理单元单元APICDP逻辑逻辑控制控制ROM浮点单元浮点单元8KB指令指令高速缓存高速缓存TLB预取预取地址地址指令预取单元指令预取单元指令译码单元指令译码单元总线总线单元单元8KB数据数据高速缓存高速缓存TLB控制单元控制单元地址生成地址生成U流水线流水线地址生成地址生成V流水线流水线整数寄存器组整数寄存器组ALUU流水线流水线
24、ALUV流水线流水线控制控制寄存器组寄存器组加法加法除法除法乘法乘法桶形移位器桶形移位器控制控制指令指令指针指针分支检验分支检验与目标地址与目标地址32位位地址地址总线总线323232326464位数位数据总线据总线数据数据控制控制控制控制64位位数据数据总线总线32位地位地址总线址总线分支目标分支目标缓冲器缓冲器32323280802.2.1 2.2.1 内部结构和外部引脚内部结构和外部引脚1)1)总线接口单元总线接口单元 主要用于管理访问外主要用于管理访问外部存储器和部存储器和 I/OI/O端口必端口必须的地址、数据和控制须的地址、数据和控制总线,完成预取指令、总线,完成预取指令、读读/写
25、数据等总线操作。写数据等总线操作。2)2)整数执行单元整数执行单元 由由“U”U”和和“V”V”两条指两条指令流水线构成超标量流水令流水线构成超标量流水线结构,其中每条流水线线结构,其中每条流水线都有自己的都有自己的ALUALU、地址生地址生成逻辑和成逻辑和CacheCache接口。接口。3)3)预取缓冲单元预取缓冲单元 预取缓冲单元在总线预取缓冲单元在总线接口单元空闲时,负责接口单元空闲时,负责提前去内存或指令提前去内存或指令CacheCache预取指令。其指令预取预取指令。其指令预取缓冲器在前一条指令执缓冲器在前一条指令执行结束之前可以预取多行结束之前可以预取多达达9494个字节的指令代码
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