計算機組成原理與匯編語言課件第4章

計算機的基本工作主要體現(xiàn)為執(zhí)行指令。一臺計算機所能執(zhí)行的全部指令，稱為該機的指令系統(tǒng)或指令集，具體內(nèi)容包括指令格式、尋址方式、指令類型與功能。相對微體系結構層，指令系統(tǒng)層是一個抽象的層次，它是硬件和軟件之間的接口，其主要特征就是指令系統(tǒng)。本章將以80x86為背景討論指令系統(tǒng)層，主要內(nèi)容包括：80x86系列CPU的結構特點；80x86主存儲器和寄存器組織；80x86指令系統(tǒng)。第4章

指令系統(tǒng)層4.1 80x86CPU80x86

CPU概況如下表所示：型號發(fā)布年代字長（位）晶體管數(shù)（萬個）主頻（MHz)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度（位）外部數(shù)據(jù)總線寬度（位）地址總線寬度（位）尋址空間片內(nèi)高速緩存80861978162.94.771616201MB無80881979162.94.77168201MB無8028619821613.46~2016162416MB無8038619863227.512.5~333232324GB無80486198932120~16025~503232324GB8KB型號發(fā)布年代字長（位）晶體管數(shù)（萬個）主頻（MHz)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度（位）外部數(shù)據(jù)總線寬度（位）地址總線寬度（位）尋址空間片內(nèi)高速緩存Pentium(586)199332310~33060~1666464324GB8KB數(shù)據(jù)8KB指令PentiumPro

(P6)199532550160~20064643664GB8KB數(shù)據(jù)8KB指令256KB

二級高級緩存PentiumII199732750233~33364643664GB32KB512KB

二級高速緩存，有獨立封裝和獨立總線本節(jié)主要介紹8086/8088、80386/80486、Pentium、PentiumPro和PentiumⅡCPU的內(nèi)部結構及特點。4.1.1 8086/8088

CPU8086

CPU是16位微處理器，即CPU的內(nèi)外數(shù)據(jù)總線為16位，一個總線周期可以傳送一個字（16位）數(shù)據(jù)。而8088是準16位微處理器，其CPU的內(nèi)部總線為16位，外部

數(shù)據(jù)總線為8位，因此一個總線周期只能傳送一個字節(jié)。但是兩者的內(nèi)部結構基本上是相同的，其地址引腳均為20位，可尋址1MB主存空間。8086/8088的指令系統(tǒng)完全相同，在軟件上是完全兼容的。1．8086/8088

CPU內(nèi)部結構模型機CPU的指令之間的銜接采用串行的順序處理方式，即必須在一條指令執(zhí)行完后，才能從主存中讀取下一條指令。在CPU執(zhí)行指令時，系統(tǒng)總線與主存可能空閑，因此程序執(zhí)行效率不高。下圖（a）給出了3條指令的執(zhí)行過程：8086/8088

CPU采用了指令流水線結構，將取指令（或取操

作數(shù)）與執(zhí)行指令的功能分別由兩個獨立部件實現(xiàn)，即總線接口部件BIU（Bus

Interface

Unit）與執(zhí)行部件EU（Execute

Unit）。因此，當EU執(zhí)行某條指令時，BIU同時完成從主存中預取后繼指令，兩個部件并行地工作，使指令的讀取與執(zhí)行可以部分重疊，從而提高了指令的執(zhí)行速度。8086/8088

CPU的指令執(zhí)行過程如

圖（b）所示。8086

CPU內(nèi)部結構如下圖所示:下面討論EU和BIU的功能:執(zhí)行部件EU包括一個16位算術邏輯運算部件ALU、一組通用寄存器、暫存器、標志寄存器，以及EU控制器。各寄存器和內(nèi)部數(shù)據(jù)通路都是16位。EU的主要任務是執(zhí)行指令，其功能為：從指令隊列中取出指令代碼，由EU控制器進行譯碼后產(chǎn)生對應的控制信號到各部件以完成指令規(guī)定的操作。對操作數(shù)進行算術和邏輯運算，并將運算結果的特征狀態(tài)存放在標志寄存器中。由于EU不直接與系統(tǒng)總線連接，因此當需要與主存儲器或I/O端口傳送數(shù)據(jù)時，EU向BIU發(fā)出命令，并提供給BIU

16位有效地址與傳送的數(shù)據(jù)?？偩€接口部件BIU

包括一組段寄存器、指令指針、6字節(jié)的指令隊列（8088是4字節(jié)）、20位總線地址形成部件，以及總線控制邏輯。BIU的主要任務是完成CPU與主存儲器或I/O端口之間的信息傳送，其功能為：從主存取出指令送到指令隊列中排隊。從主存或I/O端口取操作數(shù)或存放運算結果。計算并形成訪問主存的20位物理地址。段基址：將1

MB主存空間劃分為若干段，每個段的最大長度為64KB。段的20位段起始地址稱為段基址。段基值：20位段起始地址的高16位，稱為段基值（SegmentBase

Value），存放在BIU的相應段寄存器中。偏移地址（偏移量）：一個主存單

元與所在段的段基址之間的字節(jié)距離。當CPU訪問某個主存單元時，

必須指明由哪個段寄存器提供段基值，同時又給出偏移地址。然后由BIU將

16位段基值左移4位后與16位偏移地址相加，形成20位主存單元的物理地址。2.

8086/8088

主存地址的形成4.1.2 80386/80486

CPU1．Intel

803861985年Intel公司推出了其第一片32位微處理器80386。它的主要性能如下：32位地址，可直接尋址的物理存儲空間為4

GB。具有片內(nèi)存儲管理部件，使虛擬存儲空間（邏輯地址空間）可達64TB。字長32位，系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)通路寬度32位。采用多級流水線結構。平均運算速度約為4

MIPS。2．Intel

804861989年Intel公司又推出了80486。它相當于一個增強型的80386、一個增強型的80387數(shù)值協(xié)處理器（也稱浮點部件FPU）、一個8

KB的高速緩存（Cache）的集成，基本上沿用了80386的體系結構，內(nèi)部結構如下圖。下面分別簡單介紹各部件的功能：①總線接口部件BIU

：BIU包含地址驅(qū)動器、數(shù)據(jù)收發(fā)器、總線控制器。它是CPU與存儲器及I/O設備之間的高速接口。其功能是：當取指令、取數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)、響應分頁部件或分段部件請求時，能有效地滿足CPU對系統(tǒng)總線的傳送要求。②指令部件：它包含指令預取部件、指令譯碼部件、產(chǎn)生微命令的控制部件、高速緩存Cache。它完成預取指令、分析指令，然后產(chǎn)生指令所需的微命令去控制相應部件操作。③執(zhí)行部件：執(zhí)行部件包含數(shù)據(jù)部件和浮點部件FPU。數(shù)據(jù)部件包括通用寄存器、一個有乘除功能的ALU、一個64位的桶形移位器。它執(zhí)行控制部件所指定的數(shù)據(jù)操作。由于浮點部件FPU和浮點寄存器組集成在80486芯片內(nèi)，縮短了

FPU與處理器各部件之間的距離，因此FPU的執(zhí)行速度比80386和80387組成的系統(tǒng)快3倍。④存儲器管理部件MMU在80486中，將存儲器按段來組織，以適應用戶程序的邏輯結構。段的大小可變，最大可達到4GB。針對主存物理空間的組織，又將存儲器劃分為頁，每頁大小均為4

KB。存儲器管理部件設置了分段部件與分頁部件：分段部件按控制部件的要求計算有效地址，并且將邏輯地址（由段基值和偏移地址組成）轉換成線性地址，即：線性地址=段基址+有效地址（即偏移地址）分頁部件通過頁變換，將來自分段部件或指令預取部件的線性地址轉換成主存的物理地址。上述9個部件可以獨立操作，也能與其他部件并行工作。在取指令和執(zhí)行指令的過程中，每個部件都完成一部分功能，因此80486可以同時對不同指令進行操作。80486具有5級流水線，使不同指令的操作重疊程度更高，從而允許一些常用指令在一個時鐘周期內(nèi)完成。盡管這些指令的讀取、譯碼和執(zhí)行實際上占用了多個時鐘周期，但由于這些指令與其他指令的譯碼和執(zhí)行相重疊，因此平均每條指令的執(zhí)行時間只占一個時鐘周期。4.1.3 Pentium系列CPU1．Pentium

CPU（1）概述PentiumCPU是Intel80x86系列微處理器的第五代產(chǎn)品，其性能比它的前一代產(chǎn)品又有較大的提高，但它仍保持與Intel

8086、80286、80386、80486兼容。PentiumCPU是第一個實現(xiàn)系統(tǒng)管理方式的高性能微處理器，它能很好地實現(xiàn)PC機系統(tǒng)的能耗與安全管理。

PentiumCPU之所以有如此高的性能，在于該微處理器體系結構采用了一系列新的設計技術，如超標量體系結構、集成浮點部件、64位數(shù)據(jù)總線、指令動態(tài)轉移預測、回寫數(shù)據(jù)高速緩存、錯誤檢測與報告等。（2）Pentium

CPU的功能結構如下圖所示:①超標量體系結構Pentium

CPU具有三條指令執(zhí)行流水線：兩條獨立的整數(shù)指令流水線（U流水線和V流水線）與一條浮點指令流水線。兩條整數(shù)指令流水線都擁有獨立的算術邏輯運算部件、地址生成邏輯和高速數(shù)據(jù)緩存接口。每一個時鐘周期可以同時執(zhí)行兩條簡單指令，因而相對同一頻率下工作的80486來說，其性能幾乎提高了1倍。通常把這種能一次同時執(zhí)行多條指令的處理器結構稱為超標量體系結構。②浮點指令流水線與浮點指令部件浮點指令流水線具有8級，實際上它是U流水線的擴充。U流水線的前4級用來準備一條浮點指令，浮點部件中的后4級執(zhí)行特定的浮點運算操作并報告執(zhí)行錯誤。此外在浮點部件中，對常用的浮點指令（加、減、除）采用專用硬件電路執(zhí)行，而不像其他指令由微碼來執(zhí)行。因此，大多數(shù)浮點指令都可以在一個時鐘周期內(nèi)完成，這比相同頻率下的80486浮點處理性能提高了4倍。③指令轉移預測部件Pentium

CPU提供了一個小型的1KB高速緩存（稱為轉移目標緩沖器BTB）來預測指令轉移。它記錄正在執(zhí)行的程序最近所發(fā)生的幾次轉移，這就猶如一張指令運行路線圖，指明轉移指令很可能會引向何處。BTB將進入流水線的新指令與它所存儲的有關轉移信息進行比較，以確定是否將再次執(zhí)行轉移。由于程序局部性原則，指令的歷史本身會經(jīng)常重復，因而使轉移預測部件在大多數(shù)情況下的預測是正確的，這就足以將微處理器的性能提高很多。④數(shù)據(jù)和指令高速緩存Pentium芯片內(nèi)部有兩個超高速緩沖存儲器Cache。一個是8KB的數(shù)據(jù)Cache，另一個是8KB的指令Cache，它們可以并行操作。這種分離的高速緩存結構可減少指令預取和數(shù)據(jù)操作之間可能發(fā)生的沖突，提高微處理器的信息存取速度。2．Pentium

Pro

CPUPentium

Pro

CPU即P6，中文名稱為高能奔騰處理器，是Intel公司繼Pentium之后于1995年推出的又一種新型高

性能奔騰微處理器。Pentium

Pro

CPU主要特點如下：（1）三路發(fā)布超標量微結構，14級超流水線，使一個時鐘周期內(nèi)可同時執(zhí)行三條簡單指令。（2）5個并行處理單元：兩個整數(shù)運算部件，一個裝入部件，一個存儲部件，一個浮點運算部件（FPU）。（3）8KB兩路組相關指令高速緩存，8KB四路組相關數(shù)據(jù)高速緩存。專用全速總線上的256KBSRAM使二級高速緩存與微處理器緊密相聯(lián)。事務處理I/O總線和非封鎖高速緩存分級結構。亂序執(zhí)行，動態(tài)分支預測和推理執(zhí)行。3．PentiumⅡ

CPU(1)

概述PentiumⅡ（PⅡ）CPU采用了與PentiumProCPU相同的核心結構。同時，增加了對多媒體的支持和對16位代碼優(yōu)化的特性，它能夠同時處理兩條MMX多媒體指令。PentiumⅡ的顯著特點有：①雙重獨立總線DIB體系結構，能同時使用具有糾錯功能的64位系統(tǒng)總線和具有可選糾錯功能的64位Cache總線。②多重跳轉分支預測。③數(shù)據(jù)流分析。分析哪一條指令依賴于其他指令的結果或數(shù)據(jù)，由此來優(yōu)化指令調(diào)度。根據(jù)分析結果來重排指令，使指令以優(yōu)化的順序執(zhí)行，而與原始程序的順序無關。④指令推測執(zhí)行。使用轉移預測和數(shù)據(jù)流分析，讓指令在程序?qū)嶋H執(zhí)行之前就“推測執(zhí)行”，并把結果暫時存儲起來。通過執(zhí)行可能需要的指令，使處理器的執(zhí)行機制盡可能地保持繁忙。⑤采用Intel

MMX技術。它包括57條增強的MMX指令，可處理視頻、聲頻及圖像數(shù)據(jù)。（2）PentiumⅡCPU的內(nèi)部結構PⅡ有3條指令流水線，每條指令流水線共有14級如右圖所示：PⅡCPU在體系結構上較以前的處理器有很大變化，一個最明