1、第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第1页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日第2章 微处理器结构2.1 微处理器的发展历史微处理器的发展历史 2.2 微处理器的功能结构微处理器的功能结构习题习题2 第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第2页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日2.1 微处理器的发展历史微处理器的发展历史2.1.1 微处理器的发展微处理器的发展 由于集成电路工艺和计算机技术的发展，由于集成电路工艺和计算机技术的发展，20世纪世纪60年代末年代末和和70年代初，袖珍计算机得到了普遍的应用。为了研制灵活的年代初，袖珍计算机得到
2、了普遍的应用。为了研制灵活的计算机芯片，计算机芯片，1971年年10月，美国月，美国Intel公司首先推出公司首先推出Intel 4004微微处理器。处理器。这是实现这是实现4位并行运算的单片处理器，构成运算器和控位并行运算的单片处理器，构成运算器和控制器的所有元件都集成在一片大规模集成电路芯片上，是第一制器的所有元件都集成在一片大规模集成电路芯片上，是第一片微处理器。片微处理器。 从从1971年第一片微处理器推出至今年第一片微处理器推出至今30多年的时间里，微处多年的时间里，微处理器经历了理器经历了五代五代的发展。的发展。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第3页共页共79页页2
3、011年年9月月18日星期日日星期日 第一代，第一代，1971年年开始，是开始，是4位微处理器位微处理器和和低档低档8 8位微处理器位微处理器的的时期。典型产品有：时期。典型产品有：1971年年10月，月，Intel 4004(4位微处理器位微处理器) )；1972年年3月，月，Intel 8008(8位微处理器位微处理器)，集成度为，集成度为2000管管/ /片，采片，采用用PMOS工艺，工艺，10 m光刻技术。光刻技术。 第二代第二代，1973年年开始，是开始，是8 8位微处理器位微处理器的时期。典型产品有：的时期。典型产品有：1973年，年，Intel 8080(8位微处理器位微处理器)
4、 )；1974年年3月，月，Motorola的的MC6800；19751976年，年，Zilog公司的公司的Z80；1976年，年，Intel 8085。其中其中Intel 8080的集成度为的集成度为5400管管/ /片，采用片，采用NMOS工艺，工艺，6m光光刻技术。刻技术。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第4页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 第三代第三代，1978年开始，是年开始，是16位微处理器位微处理器的时期。典型产品的时期。典型产品有：有：1978年，年，Intel 8086；1979年，年，Zilog公司的公司的Z8000；1979年，年，M
5、otorola的的MC68000，集成度为，集成度为68 000管管/ /片，采用片，采用HMOS工艺，工艺，3m光刻技术。光刻技术。 第四代第四代，1981年开始，是年开始，是32位微处理器位微处理器的时期。典型产品的时期。典型产品有：有：1983年，年，Zilog公司的公司的Z80000；1984年，年，Motorola的的MC68020，集成度为，集成度为17万管万管/ /片，采用片，采用CHMOS工艺，工艺，2m光刻光刻技术；技术；1985年，年，Intel 80386，集成度为，集成度为27.5万管万管/ /片，采用片，采用CHMOS工艺，工艺，1.2m光刻技术。光刻技术。第第2章章
6、 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第5页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 自自Intel 80386芯片推出以来，又出现了许多高性能的芯片推出以来，又出现了许多高性能的32位位及及64位微处理器，如位微处理器，如Motorola的的MC68030 、MC68040，AMD公司的公司的K6-2、K6-3、K7以及以及Intel的的80486等。等。 第五代：第五代：1993年年3月被称为月被称为Pentium的微处理器面市，的微处理器面市，1996年，一种具有双年，一种具有双CPU，可进行并行处理的，可进行并行处理的Pentium Pro问世、问世、1998年年Penti
7、um被推向市场、后继被推向市场、后继Pentium、Pentium 4面面市。市。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第6页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第7页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日4G16M1M64K第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第8页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日64G2001年，年， HP与与Intel携手研发的携手研发的安腾安腾（ItaniumItanium）处处理器理器 问世，问世，64位位2007英特尔英特尔安腾安腾2处理器处理器,
8、 ,专为世界上最复杂的高端计专为世界上最复杂的高端计算平台而设计。算平台而设计。 第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第9页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 2 2微处理器的发展趋势微处理器的发展趋势 目前微型计算机基本上是沿着两个方向发展：目前微型计算机基本上是沿着两个方向发展： 一是生产性能更好的单片机及一是生产性能更好的单片机及4位、位、8位微型计算机，位微型计算机，主要是面向要求低成本的家电、传统工业改造及普及教育主要是面向要求低成本的家电、传统工业改造及普及教育等，其特点是等，其特点是专用化、多功能、可靠性好专用化、多功能、可靠性好； 二是发展二是发展
9、16位、位、32位、位、64位微型计算机，面向更加复位微型计算机，面向更加复杂的数据处理、杂的数据处理、OA、DA科学计算等，其特点是大量采用科学计算等，其特点是大量采用最新技术成果，在最新技术成果，在IC技术、体系结构等方面，技术、体系结构等方面，向高性能、向高性能、多功能的方向发展多功能的方向发展。下面主要介绍一下高档微处理器技术。下面主要介绍一下高档微处理器技术发展的一些趋势。发展的一些趋势。 第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第10页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日早期的早期的4位或位或8位微处理器中，位微处理器中，CPU和总线是和总线是串行串行工作的
10、工作的这种模式总线利用率低，命令执行速度慢这种模式总线利用率低，命令执行速度慢第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第11页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 1)1)多级流水线结构多级流水线结构 在一般的微处理器中，在一个总线周期在一般的微处理器中，在一个总线周期( (或一个机器或一个机器周期周期) )未执行完以前，地址总线上的地址是不能更新的。未执行完以前，地址总线上的地址是不能更新的。在流水线结构情况下，如在流水线结构情况下，如8086以上的总线周期中，当前一以上的总线周期中，当前一个指令周期正执行命令时，下一条指令的地址已被送到地个指令周期正执行命令时，下一
11、条指令的地址已被送到地址线，这样从宏观来看两条指令执行在时间上是重叠的。址线，这样从宏观来看两条指令执行在时间上是重叠的。这种流水线结构可大大提高微处理器的处理速度。这种流水线结构可大大提高微处理器的处理速度。8086两级流水两级流水第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第12页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日80468五级流水五级流水第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第13页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 2)2)芯片上存储管理技术芯片上存储管理技术 该技术是把存储器管理部件与微处理器集成在一该技术是把存储器管理部件与微处理器
12、集成在一个芯片上。目前把个芯片上。目前把数据高速缓存、指令高速缓存数据高速缓存、指令高速缓存与与MMU( (存储器管理单元存储器管理单元) )结合在一起结合在一起的趋势已十分明显，的趋势已十分明显，这样可以这样可以减少减少CPU的访问时间，减轻总线的负担的访问时间，减轻总线的负担。例。例如，摩托罗拉的如，摩托罗拉的MC68030将将256个字节的指令高速缓存、个字节的指令高速缓存、256个字节的数据高速缓存与个字节的数据高速缓存与MMU做在一起构成做在一起构成CacheMemoryUnit。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第14页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星
13、期日 3)虚拟存储管理技术虚拟存储管理技术 该技术已成为当前微处理器存储器管理中的一个重要该技术已成为当前微处理器存储器管理中的一个重要技术，它技术，它允许用户将外存看成是主存储器的扩充，即模拟允许用户将外存看成是主存储器的扩充，即模拟一个比实际主存储器大得多的存储系统一个比实际主存储器大得多的存储系统，而且它的操作过，而且它的操作过程是完全透明的。程是完全透明的。 4)并行处理的哈佛并行处理的哈佛( (HarVard)结构结构 为了克服为了克服MPU数据总线宽度的限制，尤其是在单处理数据总线宽度的限制，尤其是在单处理器情况下，进一步提高微处理器的处理速度，采用高度并器情况下，进一步提高微处理
14、器的处理速度，采用高度并行处理技术行处理技术HarVard结构结构己成为引人注目的趋势。己成为引人注目的趋势。 哈佛结构的基本特性是：采用多个内部数据地址总哈佛结构的基本特性是：采用多个内部数据地址总线；将数据和指令缓存的存取分开；使线；将数据和指令缓存的存取分开；使MMU和转换后援和转换后援缓冲存储器缓冲存储器( (TLB) )与与CPU实现并行操作。该结构是一种非实现并行操作。该结构是一种非冯冯诺依曼结构诺依曼结构。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第15页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 5)RISC结构结构 RISC结构就是结构就是简化指令集简化指令集
15、的微处理器结构。其指导思的微处理器结构。其指导思想是在微处理器芯片中，将那些不常用的由硬件实现的复杂想是在微处理器芯片中，将那些不常用的由硬件实现的复杂指令改由软件来实现，而硬件只支持常用的简单指令。指令改由软件来实现，而硬件只支持常用的简单指令。 这种方法可以大大减少硬件的复杂程度，并显著地减少这种方法可以大大减少硬件的复杂程度，并显著地减少处理器芯片的逻辑门个数，从而提高处理器的总性能。这种处理器芯片的逻辑门个数，从而提高处理器的总性能。这种结构更适合于当前微处理器芯片新半导体材料的开发和应用。结构更适合于当前微处理器芯片新半导体材料的开发和应用。但是，这些材料与硅相比，其加工技术难于掌握
16、，技术还不但是，这些材料与硅相比，其加工技术难于掌握，技术还不成熟，芯片的集成度还远远满足不了传统的成熟，芯片的集成度还远远满足不了传统的复杂指令系统复杂指令系统计计算机算机( (CISC) )的要求。的要求。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第16页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 6）整片集成技术整片集成技术（Wafer scale Integration) 目前高档微处理器已基本转向目前高档微处理器已基本转向CMOS VLS工艺，集成工艺，集成度已突破千万晶体管大关。一个令人瞩目的动向是新一代度已突破千万晶体管大关。一个令人瞩目的动向是新一代的微处理器芯
17、片已将更多的功能部件集成在一起，并做在的微处理器芯片已将更多的功能部件集成在一起，并做在一个芯片上。一个芯片上。目前在一个目前在一个MPU的芯片上己实现了芯片上的的芯片上己实现了芯片上的存储管理、高速缓存、浮点协处理器部件、通信存储管理、高速缓存、浮点协处理器部件、通信I/O接口、接口、时钟定时器等时钟定时器等。同时，单芯片多处理器并行处理技术也己。同时，单芯片多处理器并行处理技术也己由不少厂家研制出来。由不少厂家研制出来。 另外，从微型计算机系统角度来看，采用多机系统结另外，从微型计算机系统角度来看，采用多机系统结构、增强图形处理能力、提高网络通信性能等方面都是当构、增强图形处理能力、提高网
18、络通信性能等方面都是当前微型计算机系统所追求的目标。前微型计算机系统所追求的目标。 第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第17页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日提高微处理器能力主要办法：提高微处理器能力主要办法：1 1、提高芯片的时钟频率、提高芯片的时钟频率 缺点：频率越高功耗越大，处理器和主板设计越困缺点：频率越高功耗越大，处理器和主板设计越困难，成本越高。难，成本越高。2 2、增加数据总线宽度、增加数据总线宽度 DIP封装价格昂贵，现采用封装价格昂贵，现采用PAG封装封装3 3、改变微处理器结构，使尽可能多的指令并行工作。、改变微处理器结构，使尽可能多的指令
19、并行工作。 超流水、超标量。结构复杂超流水、超标量。结构复杂第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第18页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日2.1.2 微处理器简介微处理器简介 1、Intel 8086微处理器微处理器 8086微处理器是美国微处理器是美国Intel公司公司1978年推出的一种高性能的年推出的一种高性能的16位微处理器，它采用硅栅位微处理器，它采用硅栅HMOS工艺制造，在工艺制造，在1.45 cm2单个单个硅片上集成了硅片上集成了29 000个晶体管。它一问世就显示出了强大的生个晶体管。它一问世就显示出了强大的生命力，以它为核心组成的微机系统，其性能
20、已达到中、高档小命力，以它为核心组成的微机系统，其性能已达到中、高档小型计算机的水平。型计算机的水平。 它具有丰富的指令系统，采用它具有丰富的指令系统，采用多级中断技术、多重寻址多级中断技术、多重寻址方式、多重数据处理形式、段式存储器结构方式、多重数据处理形式、段式存储器结构和和硬件乘除法运算硬件乘除法运算电路电路，增加了，增加了预取指令的队列寄存器预取指令的队列寄存器等，使其性能大为增强。等，使其性能大为增强。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第19页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 与其他几种与其他几种16位微处理器相比，位微处理器相比，8086的内部结构
21、规模较的内部结构规模较小，仍采用小，仍采用40引脚的双列直插式封装。引脚的双列直插式封装。 8086的一个突出特点是多重处理能力，的一个突出特点是多重处理能力，用用8086 CPU与与8087协处理器以及协处理器以及8089I/O处理器组成的多处理器系统，可大处理器组成的多处理器系统，可大大提高其数据处理和输入大提高其数据处理和输入/ /输出能力。另外，与输出能力。另外，与8086配套的各配套的各种外围接口芯片非常丰富，方便用户开发各种系统种外围接口芯片非常丰富，方便用户开发各种系统。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第20页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日2
22、、 Intel 80386微处理器微处理器 1985年，年，Intel公司推出了第一个公司推出了第一个32位微处理器位微处理器80386DX，它是对它是对808680286微处理器的彻底改进，它的微处理器的彻底改进，它的数据总线和数据总线和内存地址都是内存地址都是32位的位的，寻址空间可达寻址空间可达4 GB。1988年，年，Intel l公司推出了外部总线为公司推出了外部总线为16位的微处理器位的微处理器80386SX，寻址空间，寻址空间为为16 MB，含，含16位数据总线位数据总线和和24位地址总线位地址总线。 80386还有一些版本，如还有一些版本，如80386SL/80386SLC，寻
23、址空间，寻址空间为为16 MB，含，含16位数据总线和位数据总线和25位地址总线，位地址总线，80386SLC还还包含了一个内部高速缓冲存储器，以便于高速处理数据。包含了一个内部高速缓冲存储器，以便于高速处理数据。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第21页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 1995年，年，Intel公司推出了公司推出了80386EX，也叫，也叫嵌入式嵌入式PC，它在一个集成芯片上包囊了，它在一个集成芯片上包囊了AT类类PC的所有部件，的所有部件，它还有它还有24根输入根输入/ /输出数据线、输出数据线、26位的地址总线、位的地址总线、16位位的
24、数据总线、一个的数据总线、一个DRAM刷新控制器，以及可编程的刷新控制器，以及可编程的芯片选择逻辑。芯片选择逻辑。 80386的指令系统和早期的指令系统和早期8086、8088、80286的指的指令系统是令系统是向下兼容向下兼容的，附加的指令涉及到的，附加的指令涉及到32位的寄存位的寄存器，还可以管理内存系统器，还可以管理内存系统。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第22页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 3、 Intel 80486微处理器微处理器 80486是是Intel公司公司1989年推出的一种与年推出的一种与80386完全兼容但功完全兼容但功能更强的
25、能更强的32位微处理器，它采用了一系列新技术来增强微处理位微处理器，它采用了一系列新技术来增强微处理功能。功能。 例如，对例如，对80386核心硬件进行改进，采用核心硬件进行改进，采用RISC( (精简指令精简指令系统计算机系统计算机) )技术技术来加快指令的执行速度；来加快指令的执行速度；增强总线接口部件增强总线接口部件，加快加快CPU从主存中存取信息的速度；把从主存中存取信息的速度；把浮点运算协处理器浮点运算协处理器部件、部件、高速缓存高速缓存及其及其控制器部件控制器部件集成到主处理器芯片内集成到主处理器芯片内加快信息的传加快信息的传送与处理性能。由于在上述功能上的各种改进，使得送与处理性
26、能。由于在上述功能上的各种改进，使得80486微微处理器的性能要比带一个处理器的性能要比带一个80387浮点运算协处理器的浮点运算协处理器的80386DX微处理器速度提高近微处理器速度提高近4倍。倍。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第23页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 在在Intel 80486微处理器系列中，拥有微处理器系列中，拥有不同档次不同档次的产品：的产品： (1) Intel 80486DX。它是。它是Intel 80486微处理器系列的一微处理器系列的一个最初成员，具有个最初成员，具有80486微处理器体系结构的各种基本特点。微处理器体系结构
27、的各种基本特点。该芯片除包含该芯片除包含CPU部件外，还集成了一个浮点运算协处理器部件外，还集成了一个浮点运算协处理器部件、一个部件、一个8 KB的高速缓冲存储器部件及高速缓存控制器部的高速缓冲存储器部件及高速缓存控制器部件。件。 (2) Intel 80486SX。它是。它是80486系列的一个低价格微处理系列的一个低价格微处理器芯片，内部结构与器芯片，内部结构与80486DX基本相同，但不包含浮点运算基本相同，但不包含浮点运算协处理器部件，外部数据总线引脚也只有协处理器部件，外部数据总线引脚也只有16位。位。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第24页共页共79页页2011年年
28、9月月18日星期日日星期日 (3) Intel 80486DX2。它是一个。它是一个增强型增强型80486芯片，内部芯片，内部结构与结构与80486DX相同，但内部采用了单倍频时钟技术，使得相同，但内部采用了单倍频时钟技术，使得微处理器能以外部时钟振荡器频率速度来工作微处理器能以外部时钟振荡器频率速度来工作( (而以前则为分而以前则为分频速度工作频速度工作) )。这一技术使。这一技术使80486DX2的工作频率比的工作频率比80486DX提高了近一倍。提高了近一倍。 (4) Intel 80486DX4。它也是一个。它也是一个增强型的增强型的80486芯片。芯片。它不但以它不但以80486DX
29、的的4倍工作频率来运行，而且采用了容量更倍工作频率来运行，而且采用了容量更大的片内大的片内高速缓冲存储器高速缓冲存储器(16KB)，芯片的工作电压也可降低，芯片的工作电压也可降低为为3.3 V。这样使得。这样使得80486的运行速度更快，的运行速度更快，Cache的命中率更的命中率更高，高，CPU与主存信息的交换速度更快，而芯片功耗则大大降与主存信息的交换速度更快，而芯片功耗则大大降低。低。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第25页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日4、 Intel奔腾奔腾(Pentium)微处理器微处理器 Pentium微处理器是微处理器是In
30、tel公司公司1993年推出的年推出的80 x86系列微系列微处理器的处理器的第五代第五代产品，其性能比它的前一代产品又有较大幅产品，其性能比它的前一代产品又有较大幅度的提高，但它仍保持与度的提高，但它仍保持与8086、80286、80386、80486兼容。兼容。 Pentium微处理器芯片规模在微处理器芯片规模在80486芯片的基础上大大提芯片的基础上大大提高，除了基本的高，除了基本的CPU电路外，还集成了电路外，还集成了16 KB的高速缓存的高速缓存和和浮浮点协处理器点协处理器，集成度高达，集成度高达310万个晶体管。芯片管脚增加到万个晶体管。芯片管脚增加到270多条，其中多条，其中外部
31、数据总线为外部数据总线为64位位，在一个总线周期内，数，在一个总线周期内，数据传输量比据传输量比80486增加了一倍；增加了一倍；地址总线为地址总线为36位位，可寻址的，可寻址的物物理地址空间理地址空间可达可达64 GB。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第26页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 Pentium微处理器具有比微处理器具有比80486更快的运算速度和更高的更快的运算速度和更高的性能。微处理器的工作时钟频率可达性能。微处理器的工作时钟频率可达66200MHz。在。在66MHz频率下，指令平均执行速度为频率下，指令平均执行速度为112MIPS，与相同
32、工作频率下的，与相同工作频率下的80486相比，整数运算性能提高一倍，浮点运算性能提高近相比，整数运算性能提高一倍，浮点运算性能提高近4倍。倍。常用的整数运算指令与浮点运算指令采用硬件电路实现，不再常用的整数运算指令与浮点运算指令采用硬件电路实现，不再使用微码解释执行，使指令的执行速度进一步加快。使用微码解释执行，使指令的执行速度进一步加快。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第27页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 Pentium微处理器是第一个实现系统管理方式的高性能微微处理器是第一个实现系统管理方式的高性能微处理器，它能很好地实现处理器，它能很好地实现PC
33、机系统的能耗与安全管理。机系统的能耗与安全管理。 Pentium微处理器之所以有如此高的性能，在于该微处理微处理器之所以有如此高的性能，在于该微处理器体系结构器体系结构采用了一系列新的设计技术采用了一系列新的设计技术，如，如双执行部件、超标双执行部件、超标量体系结构、集成浮点部件、量体系结构、集成浮点部件、64位数据总线、指令动态转移预位数据总线、指令动态转移预测、回写数据高速缓存、错误检测与报告测、回写数据高速缓存、错误检测与报告等。等。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第28页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日5、 Intel Pentium微处理器微处理器
34、 Pentium系列系列CPU是是Intel公司在推出公司在推出Pentium MMX系系列后又一个新的系列产品，它是列后又一个新的系列产品，它是Pentium Pro的改进型的改进型，它的核，它的核心其实就是心其实就是Pentium Pro+MMX，它，它支持支持MMX技术技术，同时将，同时将L1 Cache提高到提高到32 KB，并采用了，并采用了独立双重总线结构独立双重总线结构，在速度上大，在速度上大幅度提高了运行频率。幅度提高了运行频率。 Pentium另外一个另外一个重大改进重大改进是抛弃了原来的是抛弃了原来的Socket7接口，接口，采用了新的采用了新的Slot1插槽接口、插槽接口
35、、SEC板卡封装，这不但使其获得了板卡封装，这不但使其获得了更大的内部总线宽度，也使其他产品无法与其兼容。更大的内部总线宽度，也使其他产品无法与其兼容。 PentiumCPU内部的电路板上装有内部的电路板上装有CPU核心芯片、核心芯片、L2 Cache和和Cache控制器，其控制器，其L2 Cache的工作频率为主频的一半，的工作频率为主频的一半，这使其性能受到一点损失。这使其性能受到一点损失。Pentium采用采用0.25m、2.0 V核心电核心电压、压、4.4 ns Cache和和100 MHz总线等设计。其主频多是总线等设计。其主频多是350450 MHz。第第2章章 微处理器结构微处理
36、器结构第第2章第章第29页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日6、 Intel Pentium微处理器微处理器 Pentium CPU是是Intel公司公司1999年第一季度新产品，首批年第一季度新产品，首批产品代号为产品代号为“Katmai”，产品设计上仍保持了，产品设计上仍保持了0.25 m、半速、半速512 KB Cache和和Slot1接口技术。它最重要的改进是采用了接口技术。它最重要的改进是采用了SSE(Streaming SIMD Extensions，数据流单指令多数据扩展数据流单指令多数据扩展) )指令，以增强三维和浮点的运算能力，并在设计中指令，以增强三维和浮
37、点的运算能力，并在设计中考虑了互联考虑了互联网的应用。网的应用。 它的它的另一个特点是处理器中包含了序列另一个特点是处理器中包含了序列号，每个号，每个Pentium 处理器都有一个特定的号码，用户既可以用它对机器进行认处理器都有一个特定的号码，用户既可以用它对机器进行认证，也可以用它进行加密，证，也可以用它进行加密，以提高应用的保密性以提高应用的保密性。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第30页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 在在1999年年10月，月，Intel公司正式发布了代号为公司正式发布了代号为“Coppermine”的新一代的新一代Pentium
38、处理器，在继处理器，在继“Katmai”CPU特性的基础上，特性的基础上，扩展并提高了一些新的功能。扩展并提高了一些新的功能。Coppermine e采用了采用了0.18 m设计，设计，降低了发热和功耗，提高了系统的效率。降低了发热和功耗，提高了系统的效率。 由于采用新工艺，由于采用新工艺，Coppermine的集成度大大的提高，其内的集成度大大的提高，其内置有置有2800万个晶体管，而万个晶体管，而Katmai只有只有900万个，万个，Coppermine采采用用133 MHz前端总线设计，扩展了系统带宽，它内置前端总线设计，扩展了系统带宽，它内置256 KB全全速速L2Cache，并采用了
39、先进的缓存转换架构。总之，并采用了先进的缓存转换架构。总之，Coppermine在结构技术和速度性能上都有很大的提高。在结构技术和速度性能上都有很大的提高。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第31页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 进入进入2000年后，年后，Intel发布了新一代代号为发布了新一代代号为“Willamette”的的IA-32系列终极处理器：该系列系列终极处理器：该系列CPU采用采用0.18 m铜技术制造工铜技术制造工艺，其艺，其L1 Cache为为64 KB，L2 Cache从从256512 KB不等，其主不等，其主频可达频可达1.5 GHz
40、。Willamette的最大改进是使用了的最大改进是使用了SSE2指令集。指令集。 此外，此外，Intel出于成本和面向低端市场的考虑，还推出了以出于成本和面向低端市场的考虑，还推出了以Coppermine为核心的为核心的FC-PGA封装的封装的Socket370处理器。这种处处理器。这种处理器采用理器采用100 MHz总线频率，使用了与总线频率，使用了与Celeron Socket370结构结构类似的接口，但并不兼容类似的接口，但并不兼容Celeron Socket370接口，需接一个特接口，需接一个特殊的连接器转接后才能使用。殊的连接器转接后才能使用。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第
41、第2章第章第32页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日7、 Intel Pentium 4微处理器微处理器 Intel公司于公司于2000年年11月月20日正式推出日正式推出Pentium 4微处理器。微处理器。Pentium 4的运行速度为的运行速度为1.4 GHz或或1.5 GHz，目前已提升到，目前已提升到3.0 GHz以上。以上。Pentium 4采用采用0.18 m工艺的半导体制造技术，晶工艺的半导体制造技术，晶体管数为体管数为4200万个，是万个，是Pentium 的的1.5倍。这种新型的处理器倍。这种新型的处理器主要是针对互联网应用而设计主要是针对互联网应用而设计
42、的，其的，其L1 Cache为为8 KB，L2 Cache为为256 KB，采用，采用423针的新型针的新型PC-BGA封装。封装。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第33页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 Pentium 4处理器第一次改变了自处理器第一次改变了自Pentium Pro以来以来Pentium、Pentium 、Celeron等处理器一直采用的等处理器一直采用的“P6”结结构，而采用了被称为构，而采用了被称为“Net Burst”的新结构。其的新结构。其流水线流水线(Pipe Line)的级数的级数(Stage)增加到增加到20级级(Penti
43、um 为为10级级) )，使速度极，使速度极限大大提高。其限大大提高。其内部的算术逻辑运算电路内部的算术逻辑运算电路(ALU)的工作频率为的工作频率为CPU内核频率的两倍内核频率的两倍，通过使整数运算指令以两倍于，通过使整数运算指令以两倍于CPU内核内核的速度运行，的速度运行，提高了执行时的吞吐量，缩短了等待时间提高了执行时的吞吐量，缩短了等待时间。 Pentium 4新增加了新增加了144条称为条称为SSE2的指令集，使浮点运算的指令集，使浮点运算的准确度提高了一倍。的准确度提高了一倍。Pentium 4的总线速度可达到的总线速度可达到400 MHz，而而Pentium仅为仅为133 MHz
44、，由于总线速度的提升可加速处理器，由于总线速度的提升可加速处理器与内存之间的数据传输，因此，与内存之间的数据传输，因此，Pentium 4可以提供更好的视频、可以提供更好的视频、音频及三维图形功能。音频及三维图形功能。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第34页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日2.2 微处理器的功能结构微处理器的功能结构2.2.1 微处理器的典型结构微处理器的典型结构 一个典型的也是原始意义上的微处理器的结构如图一个典型的也是原始意义上的微处理器的结构如图2.1所所示。由图可见，微处理器主要由三部分组成，它们是：示。由图可见，微处理器主要由三部分
45、组成，它们是： (1) 运算器：运算器：包括算术逻辑单元包括算术逻辑单元(ALU)，用来对数据进行，用来对数据进行算术和逻辑运算，运算结果的一些特征由标志寄存器储存。算术和逻辑运算，运算结果的一些特征由标志寄存器储存。 (2) 控制器：控制器：包括指令寄存器、指令译码器以及定时与控包括指令寄存器、指令译码器以及定时与控制电路。根据指令译码的结果，以一定时序发出相应的控制信制电路。根据指令译码的结果，以一定时序发出相应的控制信号，用来控制指令的执行。号，用来控制指令的执行。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第35页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 (3) 寄存器
46、阵列寄存器阵列：包括一组通用寄存器和专用寄存器。通包括一组通用寄存器和专用寄存器。通用寄存器用来临时存放参与运算的数据，专用寄存器通常有指用寄存器用来临时存放参与运算的数据，专用寄存器通常有指令指针令指针IP( (或程序计数器或程序计数器PC) )和堆栈指针和堆栈指针SP等。等。 在微处理器内部，这三部分之间的信息交换是采用总线结在微处理器内部，这三部分之间的信息交换是采用总线结构来实现的，总线是各组件之间信息传输的公共通路，这里的构来实现的，总线是各组件之间信息传输的公共通路，这里的总线称为总线称为“内部总线内部总线”( (或称或称“片内总线片内总线”) )，用户无法直接控，用户无法直接控制
47、内部总线的工作，因此内部总线是透明的。制内部总线的工作，因此内部总线是透明的。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第36页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日图图2.1 微处理器的典型结构微处理器的典型结构累加器(16位)锁存器(16位)暂 存寄存器标 志寄存器算术逻辑单元(ALU)十进制调整指 令寄存器指 令译码器中断请求INT写WR读RD请求IORQ请求MREQ等待WAIT时钟定时与控制寄存器选择通用寄存器阵列堆线指针SP(16)指令指针IP(16)加1减1地址锁存器地址缓冲器A19A0地址总线多路转换开关内部数据总线数据总线缓冲器/锁存器D15D0双向数据总线
48、RESET第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第37页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日2.2.2 Intel 8086微处理器功能结构微处理器功能结构1. 8086 CPU的内部结构的内部结构AHALBHBLCHCLDHDLSIDISPBPAXBXCXDX运算暂存器ALU标志寄存器执行单元(EU)16位内部总线EU控制电路123456指令队列缓冲器内部暂存器ESSSDSCSIP16位总线20位地址总线总线控制逻辑电路8位8086总线总线接口单元(BIU)通用寄存器组图图2.2 8086 CPU内部结构示意图内部结构示意图第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2
49、章第章第38页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日1) 总线接口单元总线接口单元(BIU) BIU是是8086 CPU在存储器和在存储器和I/O设备之间的接口部件，负设备之间的接口部件，负责对全部引脚的操作，即责对全部引脚的操作，即8086对存储器和对存储器和I/O设备的所有操作设备的所有操作都是由都是由BIU完成的完成的。所有对外部总线的操作都必须有正确的。所有对外部总线的操作都必须有正确的地址和适当的控制信号，地址和适当的控制信号，BIU中的各部件主要是围绕这个目中的各部件主要是围绕这个目标设计的。标设计的。 BIU提供了提供了16位双向数据总线、位双向数据总线、20位地址
50、总线和若干条位地址总线和若干条控制总线控制总线，具体任务是：负责从内存单元中预取指令，并将，具体任务是：负责从内存单元中预取指令，并将它们送到指令队列缓冲器暂存。它们送到指令队列缓冲器暂存。CPU执行指令时，总线接口执行指令时，总线接口单元要配合执行单元，从指定的内存单元或单元要配合执行单元，从指定的内存单元或I/O端口中取出数端口中取出数据传送给执行单元，或者把执行单元的处理结果传送到指定据传送给执行单元，或者把执行单元的处理结果传送到指定的内存单元或的内存单元或I/O端口中。端口中。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第39页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日
