微機(jī)接口技術(shù)第一章

第1章微處理器導(dǎo)論微處理器

微處理器又稱為“中央處理單元”（CentralProcessorUnit），簡(jiǎn)稱CPU。

采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)將算術(shù)邏輯部件ALU、控制部件CU和寄存器組三個(gè)基本部分，以及內(nèi)部總線集成在一塊半導(dǎo)體芯片上構(gòu)成的電子器件。

分類通用微處理器PC、筆記本電腦、工作站和服務(wù)器。專用微處理器

專用微處理器面向特定的應(yīng)用，包括單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）等。通用微處理器4位微處理器1971年，Intel40044位字長(zhǎng)，2300個(gè)晶體管108kHz第一個(gè)通用微處理器8位微處理器M6800、Z80和Intel8080/8085Apple公司蘋果機(jī)16位微處理器Intel8086/808816位個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC：PersonalComputer）Intel4004通用微處理器32位微處理器80386，80486，Pentium～Pentium432位PC機(jī)，APPLE公司的Macintosh機(jī)64位微處理器IA-64結(jié)構(gòu)：Itanium（安騰）x86結(jié)構(gòu)：AMD的64位處理器、Intel64處理器英特爾32位結(jié)構(gòu)：IA-32（IntelArchitecture-32）IA-32微處理器：80386，80486，Pentium系列64位微處理器和8位微處理器Intel4004Intel8008Intel80801971年，4004：尋址4k個(gè)4bit存儲(chǔ)單元位，45條指令，50KIPS的速度。1971年，8008：4004的8位擴(kuò)展型微處理器，16k存儲(chǔ)空間，48條指令。1973年，8080：現(xiàn)代第一個(gè)8位微處理器。

速度十倍于8008。78086/80881978年推出第一款16位CPU，第二年推出8088。16位結(jié)構(gòu)的微處理器：數(shù)據(jù)總線為16位主存容量1MB：地址總線為20位時(shí)鐘頻率5MHz（IBMPC使用4.77MHz）準(zhǔn)16位微處理器8088：外部數(shù)據(jù)總線為8位8087數(shù)字協(xié)處理器IBM使用Intel8088CPU推出了第一代IBMPC8802861983年推出。16位數(shù)據(jù)總線，24位地址總線（16MB主存）實(shí)方式（RealMode）與8086工作方式一樣保護(hù)方式（ProtectedMode）提供存儲(chǔ)管理、保護(hù)機(jī)制和多任務(wù)管理的硬件支持80287數(shù)字協(xié)處理器9803861986年推出，32位結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)總線32位，地址總線32位，可尋址4GB主存虛擬8086方式（Virtual8086Mode）保護(hù)方式下的8086工作方式內(nèi)存分頁(yè)機(jī)制80387數(shù)字協(xié)處理器10804861989年80486＝80386＋80387＋8KBCacheGUI（GraphicUserInterface）廣泛應(yīng)用倍頻技術(shù)的應(yīng)用L1Cache11準(zhǔn)64位CPUPentium1993年推出，俗稱80586或者P5，奔騰微處理器32位結(jié)構(gòu)，尋址空間4GB，連接主存的外部數(shù)據(jù)總線64位超標(biāo)量（Superscalar）技術(shù)兩條可以并行工作的整數(shù)處理流水線，每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行2條彼此獨(dú)立的指令。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移預(yù)取技術(shù)，加速了循環(huán)的執(zhí)行。雙路高速緩沖結(jié)構(gòu)8KB代碼和8KB數(shù)據(jù)高速緩沖存儲(chǔ)器12PentiumPro原稱P6，中文名稱為“高能奔騰”36位地址總線，尋址范圍64GB兩個(gè)芯片組CPU＋一級(jí)（L1）Cache（8KB代碼和8KB數(shù)據(jù)）二級(jí)（L2）Cache（256KB或512KB）擴(kuò)展的超標(biāo)量技術(shù)12級(jí)指令流水線三個(gè)指令執(zhí)行部件，能同時(shí)執(zhí)行3條指令。動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)分支預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)流分析和推測(cè)執(zhí)行13PentiumII1997年推出，多個(gè)芯片模組，單邊接觸盒封裝形式。片內(nèi)32KBCache，L2為512KB多媒體擴(kuò)展指令（MMX指令）MMX（MutliMediaeXtension）整數(shù)運(yùn)算多媒體指令對(duì)圖像、音頻、視頻和通信方面的程序進(jìn)行優(yōu)化提升微機(jī)對(duì)多媒體的處理能力PentiumMMX（多能奔騰）：MMX指令應(yīng)用于Pentium處理器PentiumII：MMX指令應(yīng)用于PentiumPro賽揚(yáng)（Celeron）系列：PentiumII去掉L2Cache14PentiumIII1999年推出。數(shù)據(jù)流SIMD擴(kuò)展指令（SSE指令）SSE（StreamingSIMDExtensions）浮點(diǎn)單精度多媒體運(yùn)算指令提高浮點(diǎn)3D數(shù)據(jù)的處理能力。SSE指令類似于AMD公司發(fā)布的3DNow!指令內(nèi)核速度比PentiumII更快。128位唯一的處理器序號(hào)單指令多數(shù)據(jù)SIMD（SingleInstructionMultipleData）表示一條指令具有同時(shí)處理多組數(shù)據(jù)的能力。15Pentium42000年末推出，芯片組支持用RAMBUS存儲(chǔ)總線技術(shù)或者DDR替代曾經(jīng)的SDRAM技術(shù)。超線程HT（HyperThreading）線程級(jí)并行TLP（Thread-LevelParallel）發(fā)掘程序中的并行性一個(gè)物理處理器形成兩個(gè)邏輯處理器SSE2指令增強(qiáng)浮點(diǎn)雙精度多媒體運(yùn)算能力SSE3指令增強(qiáng)和完善MMX，SSE和SSE2指令1664位CPUIA-642001年英特爾發(fā)布了Itanium(安騰)處理器。Itanium處理器是英特爾第一款64位的產(chǎn)品。AMD64位技術(shù)AMD皓龍?處理器、AMD速龍?處理器系列和AMD炫龍?64移動(dòng)技術(shù)EM64T技術(shù)Xeon系列等CPU的微結(jié)構(gòu)（Micro-Architecture）

微結(jié)構(gòu)也叫做叫做計(jì)算機(jī)組織，它包含處理器內(nèi)部的構(gòu)成以及這些構(gòu)成起來(lái)的部分如何執(zhí)行指令集。同一個(gè)微結(jié)構(gòu)下可能有多款CPU。同一個(gè)名稱的CPU也可對(duì)應(yīng)不同的微結(jié)構(gòu)。如Corei7就包括Nehalem微結(jié)構(gòu)和Westmere微結(jié)構(gòu)。單片機(jī)（微控制器，嵌入式控制器，MCU）Intel的MCS-48，MCS-51，MCS-96/98系列愛(ài)特梅爾（Atml）公司的AT89系列（與MCS-51兼容），AT91系列（基于ARM內(nèi)核）MicrochipTechnology公司的PIC系列數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）專注于數(shù)字信號(hào)的高速處理美國(guó)德州儀器TI公司TMS320各代產(chǎn)品主要應(yīng)用：嵌入式系統(tǒng)專用微處理器通用微處理器發(fā)展史參考資源Intel微處理器BarryB.brey著，金惠華等譯，機(jī)械工業(yè)出版社Themicroprocessors:abiographyMalone&ShawnM.(1995).Intel公司的網(wǎng)上博物館/cn/museum1.3微處理器性能指標(biāo)1.主頻、外頻和倍頻

主頻也叫時(shí)鐘頻率，表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號(hào)振蕩的速度。

外頻是CPU與主板之間同步運(yùn)行的速度。目前外頻有66MHz、100MHz和133MHz。

倍頻是指CPU和系統(tǒng)總線之間工作頻率相差的倍數(shù)。

計(jì)算公式為：主頻=外頻×倍頻。20例題1?1假定購(gòu)買了一顆CPU，它的工作頻率是2.4GHz，倍頻系數(shù)設(shè)定為18，請(qǐng)問(wèn)外頻是多少？解答：2.4GHz/18≈133MHz，因此在設(shè)置主板跳線時(shí)應(yīng)將主板頻率置為133MHz。消失的前端總線前端總線（FrontSideBus，F(xiàn)SB）是指處理器到北橋之間的總線。前端總線的數(shù)據(jù)帶寬＝（總線頻率×數(shù)據(jù)位寬）÷8。PentiumII北橋內(nèi)存FSB前端總線L2Cache后端總線例1-2IntelPentium4處理器中采用了四倍傳輸率的前端總線，當(dāng)主頻為3.2GHz，外頻為200MHz時(shí)，試問(wèn)倍頻是多少？已知數(shù)據(jù)位寬為64位，則前端總線頻率為多少？前端總線的數(shù)據(jù)傳輸性能峰值為多少？解答：倍頻=3.2GHz/200MHz=16FSB頻率=200MHz×4=800MHz峰值傳輸性能200M×4×64÷8=6.4G/sFSB的替代品AMD速龍64系列（K8）以后，Intel微處理器酷睿i系列以后，兩大CPU公司在處理器集成了內(nèi)存控制器，前端總線消失。AMD公司采用HT（HyperTransport）總線，Intel公司采用QPI（QuickPathInterconnect）總線。二者原理相同。2、高速緩沖存儲(chǔ)器Cache目的是協(xié)調(diào)主頻和內(nèi)存總線頻率之間的差異。高速緩存的容量和工作速率對(duì)提高計(jì)算機(jī)的性能有著重要的作用。CPU的緩存分為：

LlCache(一級(jí)緩存)

L2Cache(二級(jí)緩存)

L3Cache(三級(jí)緩存)25高速緩沖存儲(chǔ)器示意圖L1L23.制造工藝線寬是IC生產(chǎn)工藝可達(dá)到的最小導(dǎo)線寬度。芯片制造工藝在1995年以后，從0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、0.09微米（90納米）、65納米、45納米，到最新的14納米，將來(lái)還會(huì)進(jìn)一步縮小。274.核心電壓工作電壓即CPU正常工作所需的電壓：核心電壓：驅(qū)動(dòng)CPU核心芯片的電壓。I/O電壓：驅(qū)動(dòng)I/O電路的電壓。

通常CPU的核心電壓小于等于I/O電壓。降低電壓是CPU主頻提高的重要因素之一。285.封裝形式

封裝是采用特定的材料將CPU芯片或CPU模塊固化在其中以防損壞的保護(hù)措施，一般必須在封裝后CPU才能交付用戶使用。CPU的封裝方式取決于CPU安裝形式和器件集成設(shè)計(jì)。291.4軟件特性1.工作模式CPU工作模式是指各種影響CPU可以執(zhí)行的指令和芯片功能的操作環(huán)境。不同的工作模式?jīng)Q定了CPU如何看到并管理內(nèi)存。傳統(tǒng)的IA-32模式：從80386開(kāi)始，CPU具有三種工作模式：實(shí)模式、保護(hù)模式和虛擬實(shí)模式。31IA-32e模式：IA-32e模式是處理器在運(yùn)行64位操作系統(tǒng)的時(shí)候使用的一種模式。2指令系統(tǒng)1、復(fù)雜指令集CISC（ComplexInstructionSetComputing）指令集。在CISC微處理器中，程序的各條指令是按順序串行執(zhí)行的，每條指令中的各個(gè)操作也是按順序串行執(zhí)行的。順序執(zhí)行的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，但計(jì)算機(jī)各部分的利用率不高，執(zhí)行速度慢。英特爾生產(chǎn)的x86系列（也就是IA-32架構(gòu)）CPU及其兼容CPU，如AMD、VIA，包括X86-64都屬于CISC的范疇。

1）.多媒體增強(qiáng)指令集技術(shù)Multi-MediaExtension，MMX技術(shù)增加了單指令多數(shù)據(jù)(SIMD,SimpleInstruction,MultiData)。SIMD功能使一條指令可以對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行操作，從而提高程序的運(yùn)行速度。MMX技術(shù)包括57條新增加的指令，專門處理視頻，音頻和圖形數(shù)據(jù)。34傳統(tǒng)的串行結(jié)構(gòu)SISD傳統(tǒng)的串行結(jié)構(gòu)SIMD2）單指令的數(shù)據(jù)流式擴(kuò)展技術(shù)StreamingSIMDExtensions，SSE技術(shù)

MMX只支持整數(shù)運(yùn)算，SSE支持對(duì)單精度浮點(diǎn)數(shù)的SIMD操作，加快3D圖形處理速度，如三維幾何變換，裁減等。一條SSE指令可以同時(shí)對(duì)四個(gè)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

Intel公司在SSE的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)一系列的指令包括SSE2，SSE3，SSSE3，SSE4.1，SSE4.2等。363）3DNOW！技術(shù)3DNOW技術(shù)是由AMD開(kāi)發(fā)的一套SIMD多媒體指令集，支持單精度浮點(diǎn)數(shù)的矢量運(yùn)算，用于增強(qiáng)x86架構(gòu)的計(jì)算機(jī)在三維圖像處理上的性能。作為MMX技術(shù)的擴(kuò)展，3DNOW和SSE技術(shù)相似，但指令格式不同，互不兼容。372、精簡(jiǎn)指令集（RISC）ReducedInstructionSetComputing

這種指令集的特點(diǎn)是指令數(shù)目相對(duì)較少，執(zhí)行時(shí)間短；每條指令都采用標(biāo)準(zhǔn)字長(zhǎng)，方便快速譯碼；大部分的操作數(shù)由寄存器提供，尋址模式簡(jiǎn)單，并且硬件中只支持少數(shù)的數(shù)據(jù)類型，適合流水線操作。

常見(jiàn)的精簡(jiǎn)指令集如MIPS等。3.超線程技術(shù)理論上實(shí)行超線程技術(shù)(Hyper-ThreadingTechnology)后一個(gè)物理處理器核上會(huì)模擬出兩個(gè)邏輯內(nèi)核，每一個(gè)內(nèi)核模擬成一個(gè)CPU芯片，實(shí)現(xiàn)線程級(jí)別上并行處理。對(duì)于操作系統(tǒng)而言，它會(huì)把這個(gè)物理處理器視為兩個(gè)獨(dú)立的邏輯處理器，每個(gè)邏輯處理器可以各自對(duì)請(qǐng)求做出響應(yīng)，運(yùn)行不同的線程。兩個(gè)邏輯處理器共享一組處理器執(zhí)行單元，即每個(gè)CPU執(zhí)行單元同時(shí)為兩個(gè)“處理器”服務(wù)，并行完成各種操作，實(shí)現(xiàn)更高的整體性能。39404.超標(biāo)量和超長(zhǎng)指令字超標(biāo)量技術(shù)指的是CPU在同一時(shí)刻執(zhí)行兩條或兩條以上指令的能力。超標(biāo)量結(jié)構(gòu)使用多個(gè)功能部件同時(shí)執(zhí)行多條指令，實(shí)現(xiàn)指令級(jí)的并行（InstructionLevelParallelism，ILP）。4142超標(biāo)量超標(biāo)量（superscalar）超標(biāo)量和超級(jí)流水線技術(shù)一起使用超長(zhǎng)指令字VLIW體系結(jié)構(gòu)是美國(guó)Multiflow和Cydrome公司于20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)。VLIW使用多個(gè)相同功能部件執(zhí)行一條超長(zhǎng)的指令，從而提高性能。該體系結(jié)構(gòu)要求編譯程序能夠控制所有功能單元，精確地調(diào)度在何處執(zhí)行每個(gè)操作、每個(gè)寄存器、存儲(chǔ)器讀和每個(gè)轉(zhuǎn)移操作等，對(duì)編譯技術(shù)提出了極高的要求。EPIC結(jié)構(gòu)從VLIW中衍生出來(lái)。并行指令代碼（ExplicitlyParallelInstructionCode，EPIC）體系結(jié)構(gòu)。EPIC體系結(jié)構(gòu)是Intel的64位芯片架構(gòu)，本身不能執(zhí)行x86指令，但能通過(guò)譯碼器能兼容舊有的x86指令，只是運(yùn)算速度比真正的32位芯片有所下降。5.動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)動(dòng)態(tài)執(zhí)行是對(duì)多路分支預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)流分析和猜測(cè)執(zhí)行這三種技術(shù)進(jìn)行了革新式的組合。動(dòng)態(tài)執(zhí)行使CPU通過(guò)更符合邏輯的順序而不是簡(jiǎn)單地按指令序列來(lái)執(zhí)行，以獲得更高的效率。這是PentiumPro及以后的芯片和兼容芯片的特征之一。45多路分支預(yù)測(cè)

多路分支預(yù)測(cè)通過(guò)幾個(gè)分支來(lái)預(yù)測(cè)程序的執(zhí)行。CPU通過(guò)特殊的取指/譯碼單元使用優(yōu)化的算法，可以預(yù)測(cè)到指令流中的跳轉(zhuǎn)和分支，并且在多級(jí)分支調(diào)用和返回中預(yù)先執(zhí)行指令。通過(guò)提前預(yù)測(cè)要執(zhí)行的指令，指令就可以不用等待而馬上得到執(zhí)行。數(shù)據(jù)流分析

數(shù)據(jù)流分析是CPU分析和調(diào)度指令，使指令以更優(yōu)的順序