微机原理与接口技术_11高档微处理器的新特性

1、第11章 高档微处理器的新特性 本章主要内容 11.1 80X86微处理器发展历程 11.2 典型微处理器的基本结构 11.3 80X86微处理器的编程结构 11.4 典型微处理器的引脚结构 11.5 典型微处理器的基本时序 11.6 典型微处理器的指令系统11.1 80X86微处理器发展历程11.1.1 Intel 8086及80286微处理器 Intel 8086微处理器有16位寄存器和16位外部数据总线，具有20位地址总线，寻址1MB地址空间。Intel 8088微处理器除了有较小的8位外部数据总线外，其他与8086微处理器是相同的。 Intel 80286微处理器在IA-32结构中引进

2、了保护方式操作。这种新的操作方式用段寄存器的内容作为选择子或描述符表的指针。描述符提供24位基地址，允许最大的物理存储器的尺寸至16MB，支持在段对换基础上的虚拟存储器管理和各种保护机制。 11.1.2 Intel 80386微处理器 Intel 80386微处理器是IA-32结构微处理器系列中的第一个32位处理器。它在结构中引入了32位寄存器用于容纳操作数和地址。每个32 位寄存器的后一半保留两个早期处理器版本（Intel 8086和80286）的16为寄存器的特征，以提供完全的后向兼容。提供了一种新的虚拟8086方式，以在新的32位处理器上最有效地执行为8086和8088微处理器建立的程序

3、。 IA-32结构已经考虑到维护在目标码级后向兼容的任务，以保护Intel公司客户在软件上的大量投资。同时，在结构的每一代上，最有效的微结构和硅片制造技术已经用于生产高性能的处理器。在IA-32微处理器的每一代中，Intel公司已经构思并采用不断发展的技术到它的微结构中以追求速度更快的计算机。各种形式的并行处理已经使这些技术得到最大的性能增强，Intel 80386微处理器是包括若干并行操作部件的第一个IA-32结构微处理器。 11.1.3 Intel 80486微处理器 Intel 80486微处理器由把Intel 80386微处理器的指令译码和执行单元扩展为五个流水线段，增加了更多的并行执

4、行能力，其中每个段（当需要时）与其他的并行操作最多可在不同段上同时执行五条指令。每个段以能在一个时钟周期内执行一条指令的方式工作，所以Intel 80486微处理器能每个时钟周期执行一条指令。在芯片上增加了一个8KB的一级缓存（Cache）大大增加了每个时钟执行一条指令的百分比，包括操作数在一级Cache中的存储器访问指令。 11.1.4 Intel Pentium（奔腾）处理器 Intel Pentium处理器增加了第二个执行流水线以达到超标量性能（两个已知的流水线u和v一起工作，实现每个时钟执行两条指令）。片上的一级Cache也加倍了，8KB用于代码，另外8KB用于数据。数据Cache 使

5、用MESI协议以支持更有效的回写方式，以及由Intel 80486处理器使用的写通方式。11.1.5 Intel P6系列处理器 Intel Pentium Pro处理器是基于P6微结构的第一个处理器。P6处理器系统随后的成员是Intel Pentium 、Intel Pentium Xeon（至强）、Intel Celeron（赛扬）、Intel Pentium、Intel Pentium Xeon（至强）处理器。 Pentium Pro处理器是三路超标量结构，允许每个时钟周期执行三条指令。它也引入了在超标量实现中的动态执行的概念（微数据流分析、超顺序执行、出众的分支预测和推理执行）。三个指

6、令译码单元并行工作把目标码译码为微结构操作码micro-ops（micro-architecture op-codes）。 11.1.6 Intel Pentium处理器 Intel Pentium 处理器把MMX技术加至P6系列处理器具有新的包装和若干硬件增强。处理器核心包装在SECC上，允许容易设计和灵活的母板结构。第一级数据和指令Caches每个扩展至16KB，支持二级Ccache的尺寸为256KB、512KB和1MB。半速的后沿总线连接二级Cache至处理器。 11.1.7 Intel Pentium 处理器 Pentium 处理器引进流SIMD扩展（SSE）至IA-32结构。SSE扩

7、展把由Intel MMX引进的SIMD执行模式，扩展为新的128微寄存器和能在组合的单精度浮点数上执行SIMD操作。 Pentium Xeon（至强）处理器用Intel的0.18微米处理技术的全速在模高级传送缓存（Advanced Transfer Cache）扩展了IA-32处理器的性能级。 11.1.8 Intel Pentium 4处理器 Intel Pentium 4处理器是第一个基于Intel NetBurst微结构的处理器。Intel NetBurst微结构是新的32位微结构，它允许处理器操作在比以前的IA-32结构微处理器更高的时钟速度和性能等级上。 11.1.9 Intel 6

8、4位处理器 1Core 2 Core 2中文名为酷睿2，是英特尔公司于2006年推出的X86架构微处理器，它采用全新的Intel Core微架构，取代了自2000年起大多数英特尔处理器采用的NetBurst架构。Core 2采用0.0650.045mm的制作工艺，处理器的速度为1.063.33GHz。 2Core i7 Core i7处理器是英特尔公司于2008年推出的64位四核心CPU。它沿用x86-64指令集，并以Intel Nehalem微架构为基础，取代了Intel Core 2系列处理器。Core i7采用0.0450.032mm的制作工艺，处理器的速度为2.533.46GHz。Co

9、re i7的名称并没有特别的含义，更不是指第7代产品。 3Core i5 英特尔公司于2009年9月1日正式发布了Core i5处理器。该处理器是Core i7派生系列中的低级版本，同样基于Intel Nehalem微架构。与Core i7支持三通道存储器不同，Core i5只会集成双通道DDR3存储器控制器。4Core i3Core i3处理器是英特尔推出的首款CPUGPU产品。它是基于Intel Westmere微架构，采用0.0320.032mm的制作工艺，处理器的速度为2.503.33GHz。Core i3与Core i5类似，只集成双通道DDR3存储器控制器，也集成了一些北桥的功能和

10、PCI-Express控制器，接口亦采用了LGA 1156。处理器核心方面，Core i3的代号为Clarkdale，采用32纳米制程的Core i3有两个核心，支持超线程技术。在L3缓冲存储器方面，Core i3的两个核心共享4MB。Core i3在芯片组方面，也采用了Intel P55。11.2 典型微处理器的基本结构11.2.1 80286微处理器 Intel 80286微处理器是Intel 公司1982年推出的产品。80286芯片内含13.5万个晶体管，内部和外部数据总线都是16位，地址总线为24位，可寻址224B即16MB内存。80286片内具有存储器管理和保护机构，它有实模式和保护

11、模式两种工作方式。 80286将8086中BIU和EU两个处理单元进一步分离成四个处理单元，分别是执行部件EU、总线部件BU、指令部件IU和地址部件AU。 整个80286采用流水线作业方式，使各部件能同时并行地工作。 1总线部件EU 总线部件由地址锁存器和驱动器、协处理器扩展接口、总线控制器、数据收发器、预取器和6字节预取队列组成。 2指令部件IU 指令部件中设有指令译码器和译码指令队列，用来指令译码，并为执行部件执行做好准备。 3执行部件EU 由寄存器、控制部件、算术逻辑运算单元ALU和微程序只读存储器组成，负责执行指令，即完成算术运算、逻辑运算以及其他数据加工操作。 4地址部件AU 地址部

12、件由偏移量加法器、段界限检查器、段基地址寄存器、段长度寄存器和物理地址加法器等组成。 11.2.2 80386微处理器 80386是Intel公司1985年推出的一种高性能32位微处理器，80386内部和外部数据总线都是32位的，地址总线为32位，可寻址4GB。它是对808680286微处理器的彻底改进。其主要特点如下。 180386 CPU内部结构由6个逻辑单元组成。 280386可以按实模式、保护模式以及虚拟8086三种模式对存储器进行访问。11.2.3 80486微处理器 80486是Intel公司于1989年推出的第二代32位微处理器。集成度是80386的4倍以上，168个引脚，PGA

13、封装，体系结构与80386几乎相同，但在相同的工作频率下处理速度比80386提高了24倍，80486的工作频率最低为25MHz，最高达到132MHz。 从总的情况看，80486有如下特点。 （1）80486在Intel微处理器历史上首次采用了RISC技术。 （2） 80486采用了突发总线同外部RAM进行高速数据交换。 （3）80486微处理器中配置了8KB的高速缓存器（Cache）。 （4）80486微处理器内部还设置了一个数值协处理器，这就使得80486不再需要片外80387的支持而直接具有浮点数据处理能力。 （5）80486在其高速缓存部件与协处理器之间设置有两条高速数据总线，这两条32

14、位总线也可作为一条64位总线使用。 11.2.4 Pentium系列微处理器 1Pentium微处理器 Pentium微处理器的主要特点如下。 1）超标量流水线设计是Pentium处理器的核心。 2）Pentium采用双Cache结构。 3）Pentium微处理器中还设置有分支目标缓存器BTB。 4）浮点运算部件。 2Pentium Pro微处理器 Pentium Pro主要有三大特点。 （1）Pentium Pro采用了RISC技术，超标量与流水线相结合的核心结构实现了动态执行技术。 （2）Pentium Pro处理器使用的是一种387管脚网格阵列（PGA）的陶瓷封装技术，片内除CPU外，集

15、成了256或512KB L2 Cache。 （3）Pentium Pro处理器支持不加附加逻辑的对称多处理，即不需要额外的逻辑电路就可支持多达四个CPU，这一结构对服务器、工作站实现多处理器系统特别有利。 3Pentium微处理器 Pentium 的优异性能与先进结构主要体现在以下三方面。 1）动态执行技术与MMX技术 2）双重独立的总线结构 3）SEC单边接触封装技术 4Pentium 微处理器 Pentium 微处理器与Pentium 的最大不同在于如下三点。 （1）Pentium 也是采用双重独立总线结构，但是前端总线的时钟频率至少为100MHz，处理器核心与L2 Cache之间专用的后

16、端总线时钟频率最初是主频的一半，后来的产品也有与主频同速。 （2）Pentium 处理器首次采用了Intel公司自行开发的流式单指令多数据扩展SSE技术。 （3）Pentium 微处理器首次设置了处理器序列号PSN（Processor Serial Number）。11.3 80X86微处理器的编程结构11.3.1 基本结构寄存器组 1通用寄存器（8个） 80486共有8个32位的通用寄存器，包括累加器EAX、基址寄存器EBX、计数寄存器ECX、数据寄存器EDX、源变址寄存器ESI、目的变址寄存器EDI、基址指针寄存器EBP和堆栈指针寄存器ESP，这些通用寄存器用于保存数据或地址位移量。 2指

17、令指针寄存器（1个） 指令指针寄存器是一个32位寄存器，命名为EIP。 3标志寄存器（1个） 标志寄存器是一个32位的寄存器，命名为EFLAGS。 4段寄存器（6个） 与8086相比，80286以上的微处理器除具有CS、DS、SS、ES寄存器外，又增加了FS和GS两个新的16位寄存器，以支持对附加数据段的访问。 11.3.2 系统级寄存器组 1系统地址寄存器（4个） 80X86的4个系统地址寄存器，用来保存系统描述符表所在存储段的基址、界限和段属性信息。系统描述符表主要有如下四种。 （1）全局描述符表GDT（Global Descriptor Table） （2）局部描述符表LDT（Local

18、 Descriptor Table） （3）中断描述符表IDT（Interrupt Descriptor Table） （4）任务状态段TSS（Task State Segment） 2控制寄存器（5个） 1）CR0控制寄存器 2）CR1控制寄存器 3）CR2控制寄存器 4）CR3控制寄存器 5）CR4控制寄存器 3测试寄存器（5个） 80X86有5个测试寄存器，TR3TR5用于高速缓存的测试操作（测试数据、测试状态、测试控制），TR6TR7则用于页部件的测试操作（测试控制、测试状态）。 4调试寄存器（8个） 80X86有8个32位的调试寄存器，这8个调试寄存器支持80486微处理器的调试功能

19、。 11.3.3 浮点寄存器组 1数据寄存器（8个） 这是一组80位的寄存器，8个80位的数据寄存器中的每一个都分成同FPU的扩展精度数据类型对应的字段。 2标记寄存器（1个） 用来标记每个数值寄存器的内容，每两位标记表示8个数据寄存器中的一个，共16位。 3指令和数据指针寄存器（2个） 包含一个指令指针和一个数据指针，以提供发生故障的指令的地址及其数据存储器操作数的地址。 4控制字寄存器（1个） FPU提供若干选择项，这些选择项是通过将存储器的控制字装入控制寄存器进行选择的。 11.4 典型微处理器的引脚结构11.4.1 80386微处理器 80386采用PGA（管脚栅格阵列）封装技术，芯片

20、封装在正方形管壳内，管壳每边三排引脚，共132根。 11.4.2 80486DX微处理器 1地址总线和数据总线 2控制总线 1）奇偶校验信号 2）总线周期定义信号表示正在操作的总线周期类型 3）总线控制信号 4）成组传送控制 5）高速缓存控制信号 6）高速缓存使无效控制信号 7）页面高速缓存控制信号 8）数据出错报告信号 9）第20位地址A20屏蔽信号 10）总线仲裁信号 11）总线宽度控制信号 12）中断/复位信号 3时钟信号 CLK时钟信号（输入）。CLK为80486提供基本的定时和内部工作频率。所有外部定时与计数操作都是相对于CLK的上升沿而制定的。11.4.3 Pentium微处理器

21、1数据线及其控制信号 2地址线及控制信号 3系统控制信号 4总线周期定义信号（输出） 5总线控制信号 6总线仲裁信号11.5 典型微处理器的基本时序11.5.1 80386时序 80386的总线周期可分为两类：基本总线周期和地址流水线方式的总线周期。 180386的基本总线周期 每个周期由两个总线状态组成，命名为T1和T2。如果外部硬件的速度足够快，任何存储器或I/O地址都可由一个两状态的总线周期存取。 280386的流水线方式总线周期 这是一种对总线周期定时方式的选择。流水线方式或非流水线方式可以在逐个周期上使用信号进行选择。 11.5.2 Pentium时序 1Pentium CPU的基本

22、总线操作 Pentium CPU可以形成两种时序类型的总线周期：非流水线周期和流水线周期。 2Pentium总线状态定义 Ti：总线空闲状态。 T1：总线周期的第一个时钟。 T2：第一个待完成的总线周期的第二个及后续的时钟。 T12：有两个待完成的总线周期，处理器在为第一个总线周期传送数据的同时启动第二个总线周期。 TP：有两个待完成的总线周期，且都在第二个及后续的时钟里。 TD：有一个待完成的总线周期，其地址、状态和ADS#已被驱动，而数据和BRDY#引脚未被采样。 3Pentium CPU的总线周期类型 除了非流水线周期和流水线周期这两种最基本的总线周期类型外，Pentium CPU还有单

23、次非突发式数据传送与突发式数据传送总线周期、非缓存式与缓存式总线周期。在非突发式总线周期中，每次只能传送一个数据单元，且至少需要两个时钟周期。突发式总线周期是一种特殊的总线周期，在突发式总线周期中，传送第一个数据单元需要两个时钟周期，以后每个数据单元只需一个时钟周期。 11.6 典型微处理器的指令系统11.6.1 实地址方式下的32位微处理器指令系统 80386以上的32位微处理器有三种基本工作方式，即实地址方式、保护方式和虚拟8086方式。这一系列的32位微处理器的指令系统包含了8086微处理器的全部指令系统，同时针对各32位微处理器的硬件结构，扩充和增加了许多指令。 11.6.2 32位微处理器的扩充指令 80386以上的微处理器还扩充了某些指令的功能，这些指令如下。 1）IMUL dest，src1，src2 2）CDQ 3）CWDE 4）SAL/SHL/SAR/SHR dest，count 5）RCL/RCR/ROL/ROR dest，count 6）SHLD dest，src，count 7）SHRD dest，src，count 8）MOVSD/CMPSD/LODSD/STOSD/SCASD 9）INS dest，DX 10）INSB/INSW/