第5章 Pentium系统原理.ppt

1、第5章，奔腾系统原理，本章要点：在本章中，将奔腾微处理器芯片作为平台，将芯片内的例如寄存器组、总线接口部、存储器管理部、指令Cache、数据Cache、分支传送缓冲器解释并分析了奔腾所采用的超标量执行技术、分支预测技术、流水线操作技术、虚拟存储技术、浮点流水线技术等先进技术。 51 CISC和RISC，1复杂指令系统纠正机CISC各微处理器的CPU有自己的指令系统。 CPU通过执行一系列特定指令来实现应用程序的功能。 像英特尔x86系列一样，为了添加新功能，必须添加新命令，而为了保持向上兼容性，必须保留现有指令。 每个命令都有几个不同的操作字段，指示要使用的数据类型和存储位置。 这意味着大的命

2、令系统和复杂的寻址技术。 以这样的微处理器为平台的修正机系统是“复杂指令系统修正机”(CISC )。 CISC还具有许多优点，如编译指令生成的指令程序越小，执行速度越快，节省硬件资源等。 访问命令的次数少、内存少等。 2精简命令系统计算机RISC，“精简命令系统计算机”(RISC )的核心思想是通过简化命令使计算机的结构更加简单合理，提高CPU的运算速度。 解决方案是减少微处理器指令的总数并减少指令操作的时钟周期数。 根据当时的技术比较测试，处于相同工艺级别的芯片的RISC工作速度是CISC工作速度的35倍。 特征： (1)在每个计算机周期执行指令；(2)在寄存器和寄存器之间进行操作；(3)地

3、址方式简单；(4)指令格式简单，52奔腾体系结构， 521Pentium寄存器Pentium微处理器具备的寄存器按类可以分类如下的指令指针寄存器标志寄存器段寄存器(2)系统级寄存器：系统寄存器系统地址寄存器()调试浮点寄存器：浮点寄存器有数据寄存器、标签字寄存器状态字寄存器指令和数据指针寄存器控制字寄存器，注意：图中的深色部分只有32位的80386、80486 另外，基本架构寄存器、(1)通用寄存器8个通用寄存器也称为多功能寄存器，其全部为32位寄存器，用户可自由使用这8个32位通用寄存器。 在这些寄存器内配置有逻辑运算和算术运算用的操作数，除了堆栈指针寄存器ESP不能作为索引寄存器以外，其馀

4、7个通用寄存器可以存储在进行地址纠正运算时与运算有关的操作数。 () 段寄存器、奔腾微处理器具有6个16位段寄存器，分别为代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、堆栈段寄存器SS、附加数据段寄存器FS 这6个段寄存器与80386个段寄存器同宗、同名、同功能。 段寄存器的另一个称呼称为段选择器，有时也称为段选择器。 ()标记寄存器、奔腾微处理器标记寄存器的作用是存储奔腾微处理器的状态标记信息、控制标记信息和系统标记信息。 每个条件代码(例如，进位、符号、溢出)和方法位都存储在的标志寄存器EFLAGS中，如图所示。 这些标记发射机中的标记不仅指示微处理器的某些操作，还指示微处理器在随时随地的状态。在标

5、志寄存器内，除了状态和控制标志，还有几个是系统标志位。 状态标志比特表示s，控制标志比特表示c，系统标志比特表示。 () 指令指针寄存器指令指针寄存器EIP中存储了在当前代码段之后执行的指令的偏移量。 指令指针寄存器不是由程序员直接使用，而是由控制转移指令(转移、复位等指令)、中断、异常隐含地控制。 3系统寄存器() 系统地址寄存器全局描述符表寄存器GDTR中断描述符表寄存器IDTR本地描述符表寄存器LDTR任务寄存器TR、(2)控制寄存器奔腾微处理器根据控制管理的需要，还需要5个CR0、CR1、CR2、CR3和CR4。 控制寄存器CR0、控制寄存器CR1 :奔腾微处理器的CR1控制寄存器没有

6、为将来定义。 控制寄存器CR2: Pentium的CR2控制寄存器内保存有页故障线性地址。 控制寄存器CR3: Pentium的CR3控制寄存器是页目录基本地址寄存器，存储有页目录表的物理基本地址。 与80386、80486微处理器相比，控制寄存器CR4具备新的CR4控制寄存器。 其中设有合订6个控制位。 其目的是扩展奔腾的一些体系结构。 522奔腾架构奔腾包括总线接口部(64比特)、存储管理部(段、页管理部)、命令Cache、数据Cache、分支转发目的地缓冲器、控制ROM部、控制部、预提取缓冲器部如果访问Cache失败，需要更改系统存储内容，或者需要向Cache写入任何信息，请通过总线接口

7、从外部存储系统检索数据。 ()预提取缓冲单元取得指令是指，从高速缓冲存储器Cache内或内部存储器取出指令代码，准备解码的操作。 ()指令解码单元的解码操作是检查一个指令的格式和决定它是什么种类的操作的指令，对该指令赋予必要的操作数。 ()控制部Pentium微处理器控制部负责来自指令解码部的指令语的解释和控制ROM的微代码的解释。 控制零件的输出控制整数管线零件和浮点零件。 (5)执行单元是CPU的核心硬件部分，用于使微处理器执行由指令规定的具体操作。 这些非常具体的操作是指数值运算、逻辑操作、分支迁移处理等。 (6)段部件奔腾的存储管理是通过段存储管理技术和页面存储管理技术来实现的。 段是

8、指受保护的独立奔腾所使用的存储器中的存储器空间。 段部件的功能是将程序提供的逻辑地址转换为线性地址。 (7)寻呼部奔腾微处理器的寻呼存储管理部在整个存储管理系统中采用了二次寻呼管理机构。 寻呼机制的使用使得程序能够访问远大于实际存储区域的数据结构，并采用寻呼技术，该寻呼技术将这样大的数据结构的一部分保存在主存储器中，并将其它部分保存在盘中。 1 .奔腾采用的新技术(1)超标量执行超标量是指，具有多个指令管线，能够在每一时钟周期内执行一个以上的指令(理想地)的微处理器处理指令的动作方式。 奔腾超标量体系结构包括三个管线，一个是执行浮点指令的浮点部件内的浮点管线，另一个是在整数运算部件内执行整数指

9、令的u管线和v管线。 因此，奔腾具有可以同时执行3个指令的能力。采用超标量执行、2分支迁移预测技术分支迁移预测和推定执行技术分支迁移预测和动态推定执行的主要目的是为了提高CPU的运转速度。 推测执行是一种基于分支迁移预测的技术。 推测执行是指允许CPU处理不一定执行的命令，例如跳过条件的分支转移。 在经过分支迁移预测程序的预测判断后，决定是否进行分支迁移，接下来进行的处理是推定执行。 2 .在芯片中提供两个预提取缓冲器存储器，以支持在分支转变预测器奔腾中采用的分支转变预测更新技术，一个线性地预提取代码，而另一个基于分支转变目的地缓冲器(BTB )预提取代码。 这确保在执行前从内存中预先取出必要

10、的指令。 奔腾采用了这一技术，可以准确预测各种迁移，不会出现延迟。 另外，v线上的条件转变命令可以与一个比较系数命令成对执行，当然也可以与u线上的标志设定命令一起执行。 但是，奔腾与现有软件完全兼容，因此不需要修改现有软件。 三流水线技术流水线操作(Pipeline )类似于大工业生产的“装配线”设置修订，所谓奔腾微处理器的流水线操作是指将指令的操作处理分解成多个小操作步骤和操作阶段，从而使各操作步骤和操作阶段分别进行在一个命令执行一个操作步骤之后，它依次进入管线操作的下一个操作步骤，前一个操作步骤继续处理后续命令。 2 .奔腾整数流水线奔腾的整数流水线操作由预取PF、初次解码D1、二次解码D

11、2、执行EX、回写WB这5个操作步骤构成。 非流水线操作，为了更好地说明流水线操作技术，更好地认识流水线操作的技术进步，首先从非流水线操作认识，一个指令正在执行中时，其他指令看着这个指令的执行，等待着这个指令的完成。 只有前一指令经过这五个操作步骤，完成该指令的操作，下一指令能够进入指令的执行，同样是5个时钟周期时间，同样是另一指令的等待时间。 该非流水线操作方式不有效地利用计算机执行的时间资源，指令流水线操作Pentium整数指令的执行经过指令预取PF、指令初次解码D1、二次解码D2、指令执行EX和回写WB这5个操作步骤。 在管线中，五个指令同时执行。 指令管线操作奔腾微处理器是可以并行执行

12、两个指令的超标量机。 该指令对规则的奔腾微处理器的每个时钟可以产生一个或两个指令，使得这两个指令可根据流水线操作的五个操作步骤并行地执行操作，使得整数指令仅一个时钟就可以在两条流水线上同时执行。 要同时发出两个命令，配对的两个命令必须满足所谓的“简单”命令的配对规则。在两个指令之间不能存在“写后读”、“写后写”等寄存器依赖性1 依赖关系或依赖关系是在一个命令完成之前不允许另一个命令执行的条件。 奔腾工作模式、奔腾微处理器有两种主要工作模式和一种系统管理模式。 操作模式决定了可用的命令和体系结构的特性。 (1)保护模式这是微处理器的本机状态，在该模式中，所有的指令和架构特性都可以使用。(2)实地

13、址模式(也称为实模式)这种模式提供8086微处理器的编程环境，并且具有多个增强功能(一旦完成这种模式，可以在复位时使处理器进入实模式，或者只用一个指令就可以使处理器进入保护模式) (3)系统管理模式奔腾微处理器还支持系统存储管理模式(SMM )，SMM是所有新的英特尔微处理器(以80386微处理器开始)特有的标准架构特性5.5存储管理、5.5.1存储系统计算机的存储管理系统采用分层结构，与其顶层CPU最密切的存储部件是微处理器内部的寄存器。 然后，它包括一级高速缓冲存储器(现在位于CPU芯片上的Cache)L1和二级高速缓冲存储器L2。 其次，有必须配置微处理器的主存储器，它们都是微系统的内部

14、存储器。 下一级别的存储是外部存储器，通常是硬盘、光盘等，如图所示，所谓存储管理，实际上是硬件机制，由于其存在，操作系统为了许多要执行的程序而容易管理，是协调的存储它由一组字节(8位二进制)组成，每个字节都有一个唯一的地址，称为物理地址。 像奔腾这样可以访问的物理内存的范围是4GB(232 1 )。 奔腾微处理器芯片内的存储管理部件对物理存储实施安全可靠、高效的存储管理操作。 5.5.2所谓半导体存储器(1)内存储器内存储器，是在微机系统中存储程序和数据的部件，是CPU可以直接进行访问操作的部件，由具有数据存储功能、可以读写操作的大规模集成电路构成。 内存栏。 (2)随机存取存储器RAM RA

15、M是能够读取和写入两者的存储器，适合于存储用户程序和数据。 因为这样的信息会经常变化。 1) RAM的分类在RAM中，分为双极RAM和MOS RAM两种。 (1)双极ram (2)静态ram (static ram ) sram的操作速度非常快，例如CPU中的初级辅助缓冲存储器使用SRAM，并且其操作频率与CPU的时钟同步。 SRAM快速化的特点对系统性能的提高非常有利，但价格高。 在dram (动态ram，动态随机存储器)，第3只读存储器中经常使用的只读存储器是(1) ROM :一般将制造厂生成的程序固化在ROM中。 (2) PROM :是可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory )，与ROM的性能一样，存储的程序不会在处理过程中丢失，也不会被置换(3) EPROM :可删除的ROM是用户可编程删除的东西EPROM中存储的信息可以删除后再写入，其内容可以多次改写，但是写入速度慢(4)EEPROM