第二章80X86微处理器的结构张德煌第二章80X86微处理器的结构张德煌80286支持两种工作
方式:实地址方式(简称实方式)和虚地址方式(又称保护方式)。2.5.9Pentium4微处理器Pentium
4微处理器由Intel公司于2000年11月发布，中文名为“奔腾4”，简称P4。该处理器采用了全新的设计，包括等效于40
0MHz(100×4)前端总线、SSE2指令集、256KB～512KB的L2缓存、全新的超线程技术及NetBurst架构，最低工作
频率为1.3GHz。P4最重要的一个特点就是在CPU中引入了超线程技术（HyperThreading，简称“HT”)
。超线程技术是在一颗CPU中可以同时执行两个线程的技术。2.5.10新一代64位处理器及多核处理器2003年以后
AMD公司和Intel公司陆续推出64位个人电脑用的微处理器芯片，个人电脑开始进入64位计算时代。Intel64位微
处理器主要特点：采用扩展64位内存技术，提供对64位数据处理支持采用两种模式，可支持标准32位和64位处理2005年
以后AMD公司和Intel公司又陆续推出双核64位微处理器，接着又在随后的几年提出了三核、四核甚至八核的微处理器芯片。使
用多核最重要的一个原因在于功率问题。由于受到半导体工艺限制，单纯依靠提高CPU的工作频率来提高CPU性能的方式，已经非常困难。
Intel最新CPU2.5Intel80X86微处理器X86系列微机是目前个人桌面处理和便携处理系统的主流，8
0X86微处理器的发展对微型计算机系统的发展起着决定性的作用。Intel8086微处理器的基本结构16位处理器、40脚的DI
P(双列直插)封装。时钟频率：5MHz、8MHz和10MHz。20条地址线，有220=1024KB=1MB寻址能力。缺口
1脚20脚40脚Intel8086微处理器内部由两个独立的功能部件组成：执行部件EU、总线接口部件BIU。AH
ALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDICSDSSSESIP124653标志寄存器
总线控制逻辑指令队列EU控制ALU地址加法器∑BIU单元EU单元AXBXCXDX内存接口EU
和BIU独立并行工作，可以大大提高系统效率。2.5.1Intel80286微处理器的基本结构16位处理器，指令与8086
兼容时钟频率：最高25MHz，24条地址线，有224(16MB)物理寻址能力集成存储管理和保护机构，四层特权支持操作系统和
多任务管理实地址方式：兼容8086的全部功能，有20位地址线，220(1MB)寻址能力。虚地址方式：可以支持虚拟存储器、地址空
间的保护，可靠地支持多用户和多任务系统。有224字节(16MB)物理寻址能力，每个任务可以有230字节(1GB)的虚地址空间，每个
虚地址空间通过转换映射到224(16MB)字节的物理地址中。80286微处理器内部功能部件由8086的两个发展成了四个，这四
个部件分别是地址部件AU、指令部件IU、执行部件EU和总线部件BU。地址部件AU(AddressUnit)：从EU的寄存器中取
出地址，产生物理存储器地址或I／O端口地址。总线部件BU(BusUnit)：读取指令代码、读/写操作数据。M/IO、BHE
INTA、……寄存器ALU控制器地址加法器段基地址段容量段限检查6字节指令队列已译码3字节指令队列指令
译码器NMIINTRBUSYERRORD0~D15A0~A23总线部件BU地址部件AU数据收发地址锁存总
线控制预取器协处理器接口指令部件IU(InstructionUnit)：从BU取出指令、译码、送入已被译码的指令队列，I
U与EU可并行操作。执行部件EU(ExecutionUnit)：EU负责执行指令。四个部件并行操作，提高了信息吞吐率，加快了
处理速度。M/IO、BHEINTA、……寄存器ALU控制器地址加法器段基地址段容量段限检查已译码3字节
指令队列指令译码器NMIINTRBUSYERRORD0~D15A0~A23指令部件IU执行部件EU6字节指
令队列数据收发地址锁存总线控制预取器协处理器接口2.5.2Intel80386微处理器的基本结构32位处理器，
指令与8086、80286相兼容32位地址线，直接寻址4GB（1GB为230字节）物理地址空间虚拟存储空间为64TB(1TB为
240字节)最高工作频率为40MHz多用户、多任务操作系统芯片。存储器管理部件（MMU）和保护机构，数据线、寄存器、运算操作为
32位。80386的功能部件增加到了6个：总线接口部件、指令预取部件、指令预译码部件、执行部件、分段部件和分页部件，它们能相对独
立工作。总线接口部件BIU(BusInterfaceUnit)：CPU与系统之间的接口。产生存储器、I／O端口地址、传送数据
和命令。总线周期为2个时钟。指令预取部件IPU(InstructionPrefectUnit)：16个字节的预取队列寄存器，
读取4字节指令流，存到指令预取队列寄存器中。可存放5条指令。指令预译码部件IDU(InstructionPredecodeU
nit)：指令预译码，完成指令到微指令的转换，存放在已译码的指令队列中，供EU执行。执行部件EU(ExecutionUnit)
：8个32位通用寄存器，64位桶形移位寄存器和乘除法器。1个时钟周期内移动任意位、完成1位的乘除法。分段部件SU(Segment
ationUnit)：有效地址的计算，从逻辑地址到线性地址。线性地址连同总线周期事务处理信息发送到分页部件PU。SU通过提供一个
额外的寻址器件对逻辑地址空间进行管理。实现任务之间的隔离，实现指令和数据区的再定位。分页部件PU(PagingUnit)：P
U把由SU或IPU产生的线性地址转换成物理地址，管理物理地址空间。一页为4KB，每一段可以是一页，也可以是若干页。PU是80386
芯片新增的部件，又是个可选件，若不使用PU，80386的线性地址即是物理地址。SU和PU合称为存储器管理部件MMU(Memory
ManagementUnit)2.5.3Intel80486微处理器的基本结构Cache(高速缓冲存储器)FPU(F
loatingPointUnit，浮点部件)32位处理器，最高工作频率120MHzRISC(ReducedInstr
uctionSetComputer，精简指令集计算机)技术80486功能部件达到8个：执行部件控制部件存储器管理部件
超高速缓冲存储部件(Cache)总线接口部件指令预取部件指令译码部件浮点处理部件1、增强型的80387FPU协处理器，处
理速度比80387提高了3~5倍2、8KB的数据和指令Cache3、采用RISC技术，使芯片内的不规则控制部分减少，指令以较短
的周期执行。4、以布线逻辑直接控制代替微代码控制，缩短可变长指令的译码时间，基本的指令一个时钟周期完成。5、采用单倍的时钟频率
，提高电路稳定性。6、内部数据总线的宽度为64位，在其Cache与浮点部件之间采用了二条32位总线连线。7、Cache与FPU
浮点寄存器之间可直接进行数据交换，大大减少了中间开销。这也是80486缩短指令周期的重要途径之一。80486结构上的主要特点：
1）超标量流水线：由“U”和“V”两条指令流水线构成超标量流水线结构每条流水线都有自己的ALU、地址生成逻辑和Cache接口
在每个时钟周期内可执行两条整数指令每条流水线分为指令预取、指令译码、地址生成、指令执行和回写5个步骤。2.5.4Inte
lPentium微处理器的基本结构Pentium中文译名为“奔腾”，简称P5。同80486相比，Pentium在结构上
有如下特点：2）重新设计的浮点部件：分为8级流水，使每个时钟周期能完成一个浮点操作。3）独立的指令Cache和数据Cache：
Pentium片内有两个8KB的Cache，双路Cache结构，一个是指令Cache，一个是数据Cache。4）分支预测：BTB
(BranchTargetBuffer，分支目标缓冲器)的小Cache来动态地预测程序的分支操作。5）采用64位外部数据总线
：ALU和通用寄存器仍是32位，所以还是32位微处理器，同内存储器进行数据交换的外部数据总线采用64位总线，两者之间的数据传输速度
可达528MB／s。1、一个封装内安装了两个芯片。一个是CPU内核，包括两个8KB的L1Cache(一级高速缓存)，集成度为5
50万个晶体管。另一个是L2Cache(二级高速缓存)容量为256KB，集成度为1550万个晶体管。这一L2Cache由全速
总线同CPU内核相连，从而提高了程序的运行速度。2、指令分解为微操作（CISC-->RISC）。3、乱序执行和推测执行。4、
超级流水线（14级）和超标量（3路）技术。2.5.5PentiumPro微处理器PentiumPro名为“高能奔
腾”，简称P6。P6增加了如下新内容：2.5.6PentiumMMX微处理器PentiumMMX，中文名为“多
能奔腾”。针对处理多媒体和通信能力推出的新一代处理器技术，是对IA—32(IntelArchitecture32位Intel体
系结构)指令系统的扩展，它是通过在奔腾处理器中增加4种新的数据类型、8个64位寄存器和57条新指令来实现的。主要特点有：引入新的
数据类型（紧缩字节、紧缩字、紧缩双字和四字），实现对SIMD（单指令流多数据流）支持采用饱和运算，避免环绕运算的上溢和下溢增加
积和运算功能，提高多媒体指令性能1.多媒体增强技术(MMX技术)2.动态执行技术多分支跳转预测数据流分析推测执行3
.双重独立总线结构(DIB，DualIndependentBus)2.5.7PentiumⅡ微处理器
PentiumⅡ微处理器，简称PⅡ，中文名为“奔腾Ⅱ”。多媒体增强技术(MMX技术)，使“奔腾Ⅱ”芯片既保持了“高能奔腾”原有的
强大处理功能，又增强了PC机在三维图形、图像和多媒体方面的可视化计算功能和交互功能。1.增加了70条SSE(Streaming
SIMDExtensions，流式单指令多数据扩展)指令集2.新一代PⅢ处理具有：二级缓存达256KB，采用256位数据
通路，工作于核心频率采用0.18μm工艺，集成度高，功耗小采用新的先进缓冲器提高数据交换性能采用移动SpeedStep技术，
提高系统灵活性2.5.8PentiumIII微处理器PentiumⅢ微处理器，简称PⅢ，中文名为“奔腾Ⅲ”。该处理器在PentiumⅡ的基础上又增加了70条浮点多媒体指令，主频也进行了大幅提升。主要特点：2004年10月INTEL公司CEO贝瑞特因4GHz产品无法问世而下跪道歉，从此INTEL开始转向多核处理器。提高CPU性能和运行速度的主要途径：增加功能部件，使各个部件并行操作；扩展指令集，增强指令的功能；增加总线的宽度，提高处理速度；采用新技术提高其数据处理能力；增加主时钟工作频率加快运行速度；增加位宽，提高微处理器单次数据处理能力；采用多核技术，增加单片处理器的处理能力。 |
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