微机原理与接口技术(第二版) 教学课件 ppt 作者 马维华 主编第2章 十一五教材讲稿第2章微处理器及其结构

第2章 微处理器及其结构,【本章提要】 本章在概述Intel处理器的性能指标、工作方式以及核心架构之后，从16位的8086，32位的80386到支持64位的Core2，以核心架构为主线，从内部组成到外部引脚和总线时序逐步分析处理器的结构和工作原理。最后详细讨论不同方式下处理器对存储器管理技术。 【学习目标】 1.了解微处理器的性能指标、工作方式及其切换方法。 2.理解流水线及超标量结构，了解Intel处理器核心架构及处理器命名方式。 3.了解IA-32&Intel 64系列处理器结构特点，掌握微处理器内部结构功 能，各处理器的主要特点。 4.掌握IA-32&Intel 64基本程序执行寄存器含义及使用，理解标志寄存器各位含义并能运用到实际中，了解Intel处理器所支持的数据类型。 5.理解IA-32&Intel 64主要引脚信号的含义及总线操作时序。 6.理解存储器管理，熟练掌握实地址方式和保护方式下存储管理机制及物理地址计算方法。,第2章 微处理器及其结构主要内容,2.1 微处理器概述 2.2 微处理器内部结构 2.3 微处理器寄存器结构及数据类型 2.4 微处理器主要引脚信号与总线时序 2.5 微处理器对存储器管理概述 2.6 实地址方式下的存储器管理 2.7 保护方式下的存储器管理,2019年5月20日星期一,2.1 微处理器概述,2019年5月20日星期一,1. 字长：一次处理二进制位数，通常为通用寄存器宽度。 2. 主频：处理器时钟频率，如4GHz等。 3. 外频：通常指处理器外部总线频率，如100MHz等。 4. 工作电压：通常有5V，3.5V, 2.7V, 1.2V等 5. 制造工艺：管间最小线距，通常以um或nm表示。 6. 地址线宽度：指处理器外部地址线引脚条数，如20，32和36条等 7. 数据线宽度：指处理器外部数据线条数，如16，32和64条等 8. 内置协处理器：指处理器内部是否集成了数学协处理器,如80387 9. 流水线技术：是否有流水线技术，有几级流水线 10.超标题结构：是否具有两个及以上指令流水线。 10.Cache：是否集成了高速缓冲存储器，L1、L2.L3等。 11.SIMD等多媒体扩展技术：是否具有多媒体扩展技术,如MMX/SSE/SSE2等 12.核心架构：采用何种微核心架构。 13.功耗：消耗功率的大小，功耗动态电容×电压×电流×频率 性能核心频率×每个周期执行指令的条数 （2-1）,2.1.1 微处理器主要性能指标,2019年5月20日星期一,2.1.2 微处理器工作方式,一、实地址方式 系统启动后，任何处理器（Intel)自动进入实地址方式。在此方式下，采用类似于8086的体系结构，实地址方式下的主要特点如下： 1寻址方式、存储器管理、中断处理与8086一样. 2操作数默认长度为16位，但允许访问32位寄存器（在指令前加前缀）。 3不用虚拟地址，最大地址范围仍限于1MB，只采用分段方式，每段最大64KB。 4存储器中保留两个固定的区域，一个是初始化程序区FFFFFHFFFF0H，另一个为中断向量表003FFH00000H。 54特权级，在实地址方式下，程序在最高级0级上执行，指令集除少数指令外，绝大多数指令在实地址方式下都有效。,2019年5月20日星期一,保护方式,二、保护方式 所谓保护是指在执行多任务操作时，对不同任务使用的虚拟存储器空间进行完全的隔离，保护每个任务顺利执行。保护方式具有如下特点： 1存储器采用虚拟地址空间、线性地址空间和物理地址空间三种方式来描述。 2强大的寻址空间。在保护方式下，80386可以寻址的空间大至64TB（246）（虚拟地址）。 3使用4级保护功能，可实现程序与程序、用户与用户、用户与操作系统之间的隔离和保护，为多任务操作系统提供优化支持。 4在保护方式下，32位处理器既可以进行16位操作，又可进行32位操作。,2019年5月20日星期一,三种地址描述方法,1.线性地址空间：指示由段转换得到地址 2m字节(如Pentium m=32 为4GB） 2.物理地址空间：指示实际内存地址 2m字节(大小与线性地址空间一样） 3.虚拟地址空间：指示通过所有段描述符描述的整个地址空间（包括超出物理地址的部分）对于32位地址有： 段描述符个数2 最大段大小 =213 2 232字节=246字节=64TB,2019年5月20日星期一,虚拟8086方式,所谓虚拟8086模式是指一个多任务的环境，即模拟多个8086的工作方式。虚拟8086方式的主要特点如下： 1可执行原来采用8086书写的应用程序 。 2段寄存器的用法与实地址方式一样。 3可以使用分页方式，将1MB分为256个页面，每页4KB。 4在虚拟8086方式中，应用程序在最低特权级3级上运行，因此80386指令系统中的特权指令不能使用。,2019年5月20日星期一,实方式与V86方式区别,1内存管理方式不同 实地址方式只采用分段管理，而不采用分页管理，而虚拟8086方式既分段又分页。 2存储空间不同 实地址下的最大寻址空间为1MB，而虚拟8086方式下每个任务尽管最大1MB，但可以在整个内存空间浮动，因此V86方式实际寻址空间为4GB。 3保护机制不同 实地址方式下无保护机制，而虚拟8086方式既可以运行8086程序，又支持多任务操作。,2019年5月20日星期一,系统管理方式,系统管理方式SMM与实地址方式、保护方式和虚拟86方式处于同一级别。 SMM功能主要包括电源管理以及为操作系统和正在运行的程序提供安全性。 SMM最显著的应用就是电源管理，例如自动关机等。 用于台式机支持SMM的处理器有Pentium之后的处理器；另外用于笔记本电脑的处理器从80386DL开始就支持SMM，目的是降低系统功耗。 说明：以上四种方式是IA-32处理器所具有的工作方式。,2019年5月20日星期一,IA32E方式,为支持64位扩展技术引入的工作方式 在IA-32E工作方式，处理器支持两种模式(1)兼容的工作方式（兼容IA-32处理器的方式）(2)64位工作方式。 特点（1）在兼容模式下，允许在64位操作系统下运行原来的16位和32位应用程序，可使用前缀REX访问64位数据，最大支持的32位地址空间；（2）在64位方式下，采用EM64T技术，支持64位操作，同时支持36位的地址，支持64位线性地址，默认的地址空间为64位，默认的数据宽度为32位，指令允许32/64地址和32/64数据的混合使用。 必须说明的是，具有64位扩展技术的处理器可以工作于IA-32模式，也可工作于IA-32E模式。但IA-32E方式只能在64位操作系统中使用，并不支持32位操作系统。,2019年5月20日星期一,工作方式间的相互转换,2019年5月20日星期一,2.1.3 流水线及超标量技术,流水线技术 流水线技术包括指令流水线技术和地址流水线技术。通常所说的流水线是指指令流水线。传统处理器指令的执行是取指令、执行指令的串行操作过程。为了提高微处理器指令的执行效率，引入流水线(Pipeline) 技术。采用这一技术将指令的执行过程分成几步(级) ，硬件上需要处理器内部有几个能并行独立工作的部件。 超标量技术 超标量(Superscalar)是指在 CPU中有一条以上的超级流水线，并且每时钟周期内可以执行一条及以上的指令，这种设计技术称为超标量技术，对应处理器的结构，称为超标量结构。,2019年5月20日星期一,2.1.4 微处理器核心架构,核心架构 (1)80X86架构（8086/8088、80286、80386、80486） 基本采用CISC（复杂指令集计算机）技术 (2)P5架构（Pentium、MMX Pentium） 采用RISC与CISC相结合的技术，采用两条指令流水线 (3)P6架构（Pentium Pro、Pentium和Pentium ） 采用三条指令流水线，Cache扩大，并引入二级Cache，大大地加快了数据读取和命中率，提高了性能，支持多媒体扩展技术MMX (4)NetBurst架构（Pentium 4） 首次采用快速执行引擎，使简单ALU速度加倍 (5)Core架构（Pentium Dual-Core、Core 2 Duo、Core 2 Quad和Core 2 Extreme等）。 Core 微架构拥有双核心、64位指令集、4发射的超标量体系结构和乱序执行机制等技术，支持36位的物理寻址,2019年5月20日星期一,2.1.5 Intel处理器的命名方法,Pentium 处理器号 处理器号如3XX（赛扬系列处理器）、5XX（Pentium 4系列）和7XX（Pentium M系列）等。 处理器号描述了处理器的体系架构、高速缓存、主频、前端总线以及其它技术。处理器号用于区分某一处理器家族内部的相关总体特性。 Cure 2 Duo Xnmmm X:热功耗E(50W);T(25-49W)L(15-24)U(14) n:处理器类型(奇数为移动机,偶数为台式机用) mmm:产品型号 如Intel Core 2 Duo E6600;Core 2 Duo T7600,2019年5月20日星期一,2.2 微处理器内部结构,2.2.1 8086/8088微处理器 2.2.2 80286微处理器 2.2.3 80386微处理器 2.2.4 80486微处理器 2.2.5 P5架构微处理器 2.2.6 P6架构微处理器 2.2.7 NetBurst架构微处理器 2.2.8 Core架构微处理器 2.2.9 Itanium微处理器,2019年5月20日星期一,2.2.1 8086/8088微处理器,BIU及EU功能,2019年5月20日星期一,BIU与EU的主要功能,BIU完成内外信息交换，即： 取指令 传送数据 形成物理地址 EU执行全部指令，即： 指令译码 执行指令 向BIU传送偏移地址信息 管理通用寄存器和标志寄存器,2019年5月20日星期一,物理地址形成,物理地址=段地址*16+偏移地址,2019年5月20日星期一,80286主要特点 1地址线的增加，使内存容量提高到224字节=16MB。 280286可以使用虚拟内存。 380286可以同时运行多个任务，在80286的微机中，可使处理器在各任务之间迅速方便地进行切换。 4时钟频率提高，80286最大时钟频率高达20MHz，比5MHz的8086高4倍。 5比8086多一种工作模式，8086只有实模式，而80286有实模式和保护模式。,2.2.2 80286微处理器,功能模块,内部结构,2019年5月20日星期一,80286功能模块,2019年5月20日星期一,80286微处理器内部结构,2019年5月20日星期一,80286部件功能,BU功能：完成内外信息交换。具体任务是锁存和驱动地址总线；预取指令；控制各外部总线；收发数据等。 BU组成：总线部件BU包括地址锁存和驱动器、预取器、协处理器接口、总线控制器、数据收发器以及指令预取器。 IU功能：指令部件IU负责从预取队列中取源代码并译码，然后放入3条指令的指令队列中。 IU组成：指令部件IU包括指令译码器和已译码指令队列。 AU功能：计算物理地址。 AU组成：地址部件BU包括偏移量加法器、段界校验器以及物理地址加法器等。 EU功能：执行全部指令。包括执行指令；进行算术和逻辑运算；向AU提供逻辑地址（段选择子、段内偏移量等）；管理通用寄存器等。 EU组成：执行部件EU包括运算器ALU、控制器以及寄存器组等。,2019年5月20日星期一,一、80386主要特点 1时钟频率提高 20MHz以上，远远高于80286的时钟频率。 2寻址能力增强 80386提供了32位地址总线，使得寻