第二章 Pentium微處理器的體系結(jié)構(gòu)

1、馬洪兵馬洪兵62785531(O), 62775255(H)答疑時間：星期一下午答疑時間：星期一下午答疑地點：東主樓答疑地點：東主樓9區(qū)區(qū)3142.1 計算機體系結(jié)構(gòu)的含義計算機體系結(jié)構(gòu)的含義2.2 Pentium微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.3 實模式軟件體系結(jié)構(gòu)實模式軟件體系結(jié)構(gòu)2.4 保護模式軟件體系結(jié)構(gòu)保護模式軟件體系結(jié)構(gòu)2.5 浮點部件軟件體系結(jié)構(gòu)浮點部件軟件體系結(jié)構(gòu)2.1 2.1 計算機體系結(jié)構(gòu)的含義計算機體系結(jié)構(gòu)的含義計算機體系結(jié)構(gòu)計算機體系結(jié)構(gòu) = computer architecture(計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu))計算機體系結(jié)構(gòu)是程序員所看到的系統(tǒng)的一些屬性：

2、計算機體系結(jié)構(gòu)是程序員所看到的系統(tǒng)的一些屬性：概念性的結(jié)構(gòu)和功能上的表現(xiàn)，這些屬性既不同于數(shù)概念性的結(jié)構(gòu)和功能上的表現(xiàn)，這些屬性既不同于數(shù)據(jù)流和控制的組織，也不同于邏輯設計和物理實現(xiàn)。據(jù)流和控制的組織，也不同于邏輯設計和物理實現(xiàn)。Amdahl,1964計算機體系結(jié)構(gòu)是連接硬件和軟件的一門學科，它研計算機體系結(jié)構(gòu)是連接硬件和軟件的一門學科，它研究的內(nèi)容不但涉及計算機硬件，也涉及計算機軟件。究的內(nèi)容不但涉及計算機硬件，也涉及計算機軟件。計算機體系結(jié)構(gòu)與計算機組成計算機體系結(jié)構(gòu)與計算機組成區(qū)別在于關心的問題不同：區(qū)別在于關心的問題不同：計算機體系結(jié)構(gòu)關心的是怎樣合理地進行軟硬計算機體系結(jié)構(gòu)關心的是怎

3、樣合理地進行軟硬件功能分配，為軟件人員提供適用的計算機件功能分配，為軟件人員提供適用的計算機計算機組成關心的是怎樣合理地實現(xiàn)分配給硬計算機組成關心的是怎樣合理地實現(xiàn)分配給硬件的功能和指標，提高性能價格比件的功能和指標，提高性能價格比兼容性兼容性針對系列計算機針對系列計算機要求所有機種間能夠保持向上兼容和向后兼容要求所有機種間能夠保持向上兼容和向后兼容向上兼容：為某個檔次機種編制的軟件能夠不加修向上兼容：為某個檔次機種編制的軟件能夠不加修改地運行在比它高檔的機種上改地運行在比它高檔的機種上向后兼容：為某個時期生產(chǎn)的機種編制的軟件能夠向后兼容：為某個時期生產(chǎn)的機種編制的軟件能夠不加修改地運行在它之

4、后生產(chǎn)的機種上不加修改地運行在它之后生產(chǎn)的機種上兼容性兼容性 針對（軟件）體系結(jié)構(gòu)，非硬件實現(xiàn)針對（軟件）體系結(jié)構(gòu)，非硬件實現(xiàn)Pentium微處理器的運行模式：實模式、保護模式微處理器的運行模式：實模式、保護模式2.2 2.2 PentiumPentium微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1. Pentium微處理器的外形和封裝微處理器的外形和封裝1993年開始推出，共生產(chǎn)三代：年開始推出，共生產(chǎn)三代：P5(Pentium 60/66) 0.8 m, 5V電壓電壓P54C(Pentium 75/90/100/120/133/150/166/200), 0.6 m, 3.8V電壓電壓P55C(

5、Pentium MMX 166/200/233), 0.35 m, 2.8V電壓電壓集成度：集成度：310萬晶體管萬晶體管/片片采用采用296引腳的引腳柵格陣列（引腳的引腳柵格陣列（PGA）陶瓷封裝技術）陶瓷封裝技術2. Pentium微處理器的功能結(jié)構(gòu)微處理器的功能結(jié)構(gòu) 預取緩沖存儲器指令譯碼256控制ROM控制部件地址生成(U流水線)地址生成(U流水線)整數(shù)寄存器組ALU(U流水線)ALU(U流水線)筒型移位器8KB數(shù)據(jù)Cache浮點部件控制寄存器組加法器除法器乘法器80808KB代碼Cache分支目標緩沖器預取地址指令指針轉(zhuǎn)移校驗和目標地址分頁部件323232323232總線部件6464

6、位讀總線64位數(shù)據(jù)總線36位地址總線控制TLBTLB32位地址總線3. 超標量與流水線超標量與流水線 超標量和流水線的概念超標量和流水線的概念超標量：配置多個執(zhí)行部件和指令譯碼電路，能同超標量：配置多個執(zhí)行部件和指令譯碼電路，能同時執(zhí)行多條指令。時執(zhí)行多條指令。Pentium由三個執(zhí)行單元組織而成，一個執(zhí)行浮點指由三個執(zhí)行單元組織而成，一個執(zhí)行浮點指令，另兩個執(zhí)行整型指令（令，另兩個執(zhí)行整型指令（U流水線和流水線和V流水線），流水線），這意味著這意味著Pentium同時可以執(zhí)三條指令同時可以執(zhí)三條指令超標量超標量流水線：在流水線：在CPU中把一條指令分解成多個可單獨處中把一條指令分解成多個可單

7、獨處理的操作，使每個操作在一個專門的硬件站（理的操作，使每個操作在一個專門的硬件站（stage）上執(zhí)行，這樣一條指令需要順序地經(jīng)過流水線中多上執(zhí)行，這樣一條指令需要順序地經(jīng)過流水線中多個站的處理才能完成，但是前后相連的幾條指令可個站的處理才能完成，但是前后相連的幾條指令可以依次流入流水線中，在多個站間重疊執(zhí)行，因此以依次流入流水線中，在多個站間重疊執(zhí)行，因此可以實現(xiàn)指令的并行處理。可以實現(xiàn)指令的并行處理。80486的指令分的指令分PF、D1、D2、EX、WB五個操作步驟五個操作步驟012345687時間時間i1PF D1 D2 EX WBPF D1 D2 EX WBPF D1 D2 EX WB

8、PF D1 D2 EX WBi2i3i4 整數(shù)流水線整數(shù)流水線五個階段的整數(shù)流水線：五個階段的整數(shù)流水線：PF(預取預取)：處理器從代碼：處理器從代碼cache中預取指令中預取指令D1(譯碼階段譯碼階段1)：處理器對指令譯碼確定操作碼：處理器對指令譯碼確定操作碼和尋址信息。在這個階段還進行指令的成對性檢和尋址信息。在這個階段還進行指令的成對性檢查和分支預測查和分支預測D2(譯碼階段譯碼階段2)：產(chǎn)生訪問存儲器的地址：產(chǎn)生訪問存儲器的地址EX(執(zhí)行執(zhí)行)：處理器或者訪問數(shù)據(jù)：處理器或者訪問數(shù)據(jù)cache，或者利，或者利用用ALU、筒型移位器或其他功能單元計算結(jié)果、筒型移位器或其他功能單元計算結(jié)果

9、WB(寫回寫回)：利用指令運行結(jié)果更新寄存器和標：利用指令運行結(jié)果更新寄存器和標志寄存器志寄存器時間時間i1PF D1 D2 EX WBPF D1 D2 EX WBPF D1 D2 EX WBPF D1 D2 EX WBi2i3i4012345687PF D1 D2 EX WBPF D1 D2 EX WBPF D1 D2 EX WBPF D1 D2 EX WBi5i6i7i8UVUVUVUVPentium的超標量流水線的超標量流水線指令配對指令配對U、V兩條流水線并行執(zhí)行的要滿足一些前提條件，兩條流水線并行執(zhí)行的要滿足一些前提條件，Pentium數(shù)據(jù)手冊定義了配對規(guī)則：數(shù)據(jù)手冊定義了配對規(guī)則：

10、1. 兩條指令都是簡單指令兩條指令都是簡單指令2. 沒有寫后讀和寫后寫的依賴關系沒有寫后讀和寫后寫的依賴關系3. 一條指令不能同時既包含位移量又包含立即數(shù)一條指令不能同時既包含位移量又包含立即數(shù)4. 帶前綴的指令只能出現(xiàn)在帶前綴的指令只能出現(xiàn)在U流水線中流水線中此外，條件分支轉(zhuǎn)移指令和非條件分支轉(zhuǎn)移指令和，此外，條件分支轉(zhuǎn)移指令和非條件分支轉(zhuǎn)移指令和，只有當它們作為配對中的第二條指令出現(xiàn)時才可以配只有當它們作為配對中的第二條指令出現(xiàn)時才可以配對。對。簡單指令：完全由硬件執(zhí)行而無需任何微碼控制，簡單指令：完全由硬件執(zhí)行而無需任何微碼控制，在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的指令在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的指令mov

11、 reg, reg/mem/immmov mem,reg/immalu reg, reg/mem/immalu mem, reg/imminc reg/memdec reg/mempush reg/mempop reglea reg, memjmp/call/jcc nearnop例：例：MOV AX, 5INC BXMOV AX, 5INC AX分支預測分支預測P. 310 浮點流水線浮點流水線八個階段的浮點流水線：八個階段的浮點流水線：PF 預取預取D1 譯碼階段譯碼階段1D2 譯碼階段譯碼階段2EX 取操作數(shù)取操作數(shù)X1 浮點執(zhí)行步驟浮點執(zhí)行步驟1X2 浮點執(zhí)行步驟浮點執(zhí)行步驟2WT 寫

12、浮點數(shù)寫浮點數(shù)ER 出錯報告出錯報告浮點流水線中的前五個步驟與整數(shù)流水線中的五個浮點流水線中的前五個步驟與整數(shù)流水線中的五個步驟是同步執(zhí)行的，只是多出三個步驟步驟是同步執(zhí)行的，只是多出三個步驟4. CacheP. 3092.3 2.3 實模式軟件體系結(jié)構(gòu)實模式軟件體系結(jié)構(gòu)1. 寄存器結(jié)構(gòu)寄存器結(jié)構(gòu)0151631015015163178ALBLCLDLAXBXCXDXAHBHCHDHEAXEBXECXEDXIPCSDSSSESFSGSSPBPSIDIESPEBPESIEDIFLAGSCR0指令指針指令指針I(yè)P段寄存器段寄存器CS,DS,SS,ES,FS,GS通用寄存器通用寄存器EAX,EBX,E

13、CX,EDX變址寄存器變址寄存器ESI,EDI指針寄存器指針寄存器EBP,ESP標志寄存器標志寄存器FLAGS控制寄存器控制寄存器0(CR0)CR0的第的第0位叫保護允許位位叫保護允許位(PE)，PE用于對實模式和保護模式進行用于對實模式和保護模式進行切換，切換，PE置置0時選擇實模式運行時選擇實模式運行2. 存儲器地址空間和數(shù)據(jù)組織存儲器地址空間和數(shù)據(jù)組織220=1MB， 地址由地址由00000-FFFFF(H)編碼編碼若存放的信息是字節(jié)，則按順序存放若存放的信息是字節(jié)，則按順序存放若存放的信息是字，則將字的低位字節(jié)存放在低地址，若存放的信息是字，則將字的低位字節(jié)存放在低地址，高位字節(jié)存放在

14、高地址高位字節(jié)存放在高地址若存放的信息是雙字，則將雙字的低位字存放在低地若存放的信息是雙字，則將雙字的低位字存放在低地址，高位字存放在高地址址，高位字存放在高地址對準雙字界域：對應地址是對準雙字界域：對應地址是4的倍數(shù)的倍數(shù)例例1. 雙字雙字A00055FF如何存儲在地址為如何存儲在地址為0210C的存儲器中的存儲器中例例2. 雙字雙字0123ABCD如何存儲在地址為如何存儲在地址為02102的存儲器中的存儲器中1MB存儲空間分通用和專用兩個區(qū)域存儲空間分通用和專用兩個區(qū)域00000-003FF 專用，存放中斷向量表專用，存放中斷向量表00400-FFFFF通用通用中斷向量表表內(nèi)指針用來指出相

15、應的中斷服務程序中斷向量表表內(nèi)指針用來指出相應的中斷服務程序的起始點，表內(nèi)每個指針占的起始點，表內(nèi)每個指針占2個字，占據(jù)較高地址的個字，占據(jù)較高地址的是段基址，占據(jù)較低地址的是偏移量是段基址，占據(jù)較低地址的是偏移量？中斷向量表可以包含？中斷向量表可以包含 個中斷指針個中斷指針3. 段寄存器和存儲器分段段寄存器和存儲器分段1MB的存儲空間被分成段，每段的存儲空間被分成段，每段64KB段是可獨立尋址的存儲器部分段是可獨立尋址的存儲器部分6個段寄存器：保存?zhèn)€段寄存器：保存16位段基址位段基址CS 代碼段代碼段SS 堆棧段堆棧段DS 數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段ES 附加段附加段FS 數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段FGS數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段G

16、4. 通用寄存器通用寄存器在程序執(zhí)行時暫時保存中間結(jié)果。在程序執(zhí)行時暫時保存中間結(jié)果。在進行算術運算和邏輯運算時，通用寄存器任何一個在進行算術運算和邏輯運算時，通用寄存器任何一個都可以作為源操作數(shù)或目的操作數(shù)都可以作為源操作數(shù)或目的操作數(shù)A 累加器寄存器累加器寄存器B 基址寄存器基址寄存器C 計數(shù)寄存器計數(shù)寄存器D 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器015163178ALBLCLDLAXBXCXDXAHBHCHDHEAXEBXECXEDX5. 指針和變址寄存器指針和變址寄存器ESP,EBP,ESI,EDI作通用數(shù)據(jù)寄存器用作通用數(shù)據(jù)寄存器用SPBPSIDIESPEBPESIEDI0151631作指針和變址寄

17、存器作指針和變址寄存器用時為用時為16位，位，SP,BP,SI,DIP.526. 堆棧堆棧P. 657. 標志寄存器標志寄存器P.538. 實際地址和邏輯地址實際地址和邏輯地址P.64例例3. 假設段寄存器內(nèi)容為假設段寄存器內(nèi)容為002A,偏移量為偏移量為0023，求構(gòu)成的物理地，求構(gòu)成的物理地址址9. I/O地址空間地址空間Pentium存儲器和存儲器和I/O地址空間是分離的。地址空間是分離的。I/O地址空間安放地址空間安放I/O接口，如打印機、終端接口接口，如打印機、終端接口PentiumI/O地址空間為地址空間為64KB,地址范圍地址范圍0000-FFFF每一個地址對應一個字節(jié)寬的每一個地址對應一個字節(jié)寬的I/O端口端口習題習題1. 什么是計算機體系結(jié)構(gòu)？什么是計算機體系結(jié)構(gòu)？2. Pentium微處理器