第十章 高性能微处理器

第十章高性能微处理器本章结构第一节：80286微处理器第二节：80386、80486与Pentium微处理器第三节：当前流行的微处理器及发展趋势10.1:80286微处理器1982年，Intel公司推出了划时代的80286微处理器,。80286微处理具有实模式与保护模式两种工作方式.10.1.1:实模式下的微处理器1971年，微机中的关键部件微处理器MP（Microprocessor），也称中央处理单元CPU（CentralProcessorUnit）在美国问世。1974年Intel公司推出了第二代微处理器Intel80801978年，Intel公司推出的8086微处理器是第三代微处理器。10.1.1:实模式下的微处理器1978年，Intel公司推出的8086微处理器是第三代微处理器。1979年，Intel公司推出的8088CPU1981年，以8088微处理器为核心首次组成了IBMPC微型计算机这些处理器都只能工作在实模式下10.1.2:80286微处理器80286微处理器属于第四代微处理器，突破了CPU只能工作在实模式下的局限，可工作在保护模式下。处于保护模式的CPU在硬件上支持存储器管理、虚拟地址、分页、保护等功能，具有多任务切换机制。10.1.2:80286微处理器80286微处理器采用QFP（PlasticQuadFlatPackage）封装，共68个引脚，下图为芯片引脚封装示意图。80286还具有高效的任务转换功能，可以适应多任务、多用户要求。10.1.2:80286微处理器10.1.2:80286微处理器80286芯片内含13.5万个晶体管，集成了存储管理和存储保护机构，80286将8086中BIU和EU两个处理单元进一步分离成四个处理单元，它们分别是总线单元BU、地址单元AU、指令单元IU和执行单元EU。结构图如下页图所示。10.1.2:80286微处理器10.1.2:80286微处理器总线部件由地址所存器和驱动器、预取器、协处理器扩展接口、总线控制器、数据收发器和六字节预取队列组成。总线部件是系统和微处理器之间的一个高速接口，负责管理、控制总线的操作，管理控制微控制器和存储器、外部设备之间的联系。10.1.2:80286微处理器指令部件由三译码指令队列和指令译码器组成，这个部件用来对指令进行译码，并做好执行部件执行所需的准备工作。指令部件以每个时钟周期1字节的速度接收数据。10.1.2:80286微处理器执行部件由算术与逻辑运算单元（ALU）、寄存器、控制器和微程序只读存储器构成，它负责执行指令。所有的逻辑运算、算术运算以及数值加工操作等都在执行部件完成，在进行这些工作的同时，它还必须和其他的逻辑部件交换时序信息和控制信息。10.1.2:80286微处理器地址部件由偏移量加法器、段界检查器、段基地址寄存器、段长度寄存器和物理地址加法器等部件组成。地址部件在检查访问权的同时可以完成地址转换，在这个部件内有一个高速缓冲寄存器，它里面保存着段的基地址、段长界限和当前正在执行的任务所用的全部虚拟存储段的访问权。10.1.2:80286微处理器80286微处理器内部的4个部件组成一个有机的整体，其内部的并行操作如如图所示。10.1.2:80286微处理器80286系统总线有3种基本状态：空闲状态Ti、传送状态Ts和执行状态Tc。还有一种局部总线状态，也称保持状态Th，它表示的是在响应总线请求HOLD后，已经把局部总线的控制权转让给其他的总线设备。÷这四种总线状态间的关系如图所示。10.1.2:80286微处理器10.1.2:80286微处理器80286的每一个基本总线周期包含着两个处理器时钟周期，或称作两个总线状态。图为基本总线周期的信号状况10.1.2:80286微处理器由图可见，80286采用了流水线控制方式，其地址输出的定时也是流水线的。在任何一个Tc的节拍2（ф2）期间，可发出下一个总线操作的地址，而在Tc节拍1（ф1）期间现行地址有效，即下一个总线操作的第一个时钟周期与现行总线操作的最后一个时钟周期是重叠的。10.1.2:80286微处理器在保护模式下，80286有许多8086所不具有的功能。①虚拟地址管理。在保护模式下，80286具有16MB的存储器寻址能力。通过微处理器内的保护虚地址结构，80286为每个任务提供了最大为1024MB的虚拟存储空间。10.1.2:80286微处理器②特权保护。在存储器访问中拥有优先权叫做特权。特权保护包括数据段与堆栈段访问的授权保护和代码段的特权维护。80286设置了4级特权，分别编号0~3。0级是操作系统的核心，也是最高级；1级是I/O驱动程序；2级是操作系统的扩展，比如数据库系统等；3级是用户程序，为最低级优先权。10.1.2:80286微处理器③多任务系统。80286本身并不能同时执行多个程序，在操作系统的调度可以把80286的执行时间进行划分，分别分配给不同的任务，这样各任务就可以分时、间隔的运行，达到了多任务操作的目的。10.1.2:80286微处理器80286系统采用多用途的总线结构，一整套的支持组件使得系统在大范围内有灵活的结构。总的来说，80286系统由微处理器、RAM、ROM、中断控制器、DMA控制电路以及I/O等逻辑部件组成。图为80286CPU构成的基本系统结构10.1.2:80286微处理器10.1.2:80286微处理器包括80286微处理器、一个82284时钟发生器、一个82288总线控制器以及两个8259A中断控制器等。82288是专门为80286系统设计的总线控制器，它由状态信号译码电路、控制信号输入电路、命令输出电路和控制信号输出电路等部件组成，能为系统提供具有灵活时序选择的命令和控制信号。10.1.2:80286微处理器执行读周期和写周期时82288相关信号波形图10.2:80386、80486与Pentium微处理器80386处理器。80486处理器Pentium处理器。10.2.1:80386处理器1985年，英特尔再度发力推出了80386处理器，如图所示10.2.1:80386处理器80386集成了27万5千只晶体管，超过了4004芯片的一百倍。并且386还是英特尔第一种32位处理器，同时也是第一种具有“多任务”功能的处理器,这标志着处理器进入了32位时代。10.2.1:80386处理器80386CPU内部结构由6个逻辑单元组成，它们分别是：总线接口部件BIU（BusInterfaceUnit）指令预取部件IPU（InstructionPrefetchUnit）指令译码部件IDU（InstructionDecodeUnit）执行部件EU（ExecutionUnit）段管理部件SU（SegmentUnit）页管理部件PU（PagingUnit）。10.2.2:80486处理器Intel公司于1989年推出了第二代32位微处理器80486。集成度是386的4倍以上，168个引脚，PGA封装，体系结构与386几乎相同80486相对80386的处理速度提高了2~3倍。其主要特点如下：10.2.2:80486处理器①采用精简指令系统计算机RISC（ReducedInstructionSetComputer）技术②内含8KB的高速缓存（Cache），用于对频繁访问的指令和数据实现快速的存取③80486芯片内包含浮点运算部件（FPU）10.2.2:80486处理器④采用了猝发式总线（BurstBus）技术⑤80486CPU与8086/8088的兼容性是以实地址方式来保证的。⑥80486CPU的开发目标是实现高集成化，并支持多处理机系统。10.2.3:Pentium处理器1993年3月，Intel公司推出Pentium微处理器，后又相继推出了高能奔腾PentiumPro、PentiumMMX、奔腾第二代（PⅡ）、第三代（PⅢ）和P4。奔腾机主频也从最初的60MHz提高到1GHz以上。Pentium芯片内含310万个晶体管，原来被置于片外的单元如数学协助处理器和Cache等，被集成到片内，速度得到显著的提高10.2.3:Pentium处理器图为第一代Pentium芯片的具体外形10.2.3:Pentium处理器Pentium新型体系结构可以归纳为以下四个方面：①超标量流水线（Superscalar）设计是Pentium处理器技术的核心，它由u与v两条指令流水线构成。每条流水线都拥有自己的ALU、地址生成电路和数据Cache接口。10.2.3:Pentium处理器②独立的指令Cache和数据Cache，这样的结构可允许两个操作同时进行。③重新设计的浮点运算单元。④分支预测。10.2.3:Pentium处理器Pentium是x86系列一大革新。其中晶体管数大幅提高、增强了浮点运算功能、并把十年未变的工作电压降至3.3V。此后不断有更高主频的Pentium处理器推出。1995年2月，Intel公司推出了PentiumPro（译名为“高能奔腾”），简称P6，主时钟频率166MHZ以上10.2.3:Pentium处理器1997年1月，Intel公司推出了PentiumMMX芯片，如图所示10.2.3:Pentium处理器1997年6月2日，英特尔发布MMX指令技术的PentiumII233MHz处理器，采用了0.35微米工艺技术,核心提升到750万个晶体管组成。1998年4月15日，英特尔发布PentiumII350MHz、PentiumII400MHz和第一款Celeron266MHz处理器10.2.3:Pentium处理器1998年8月24日，英特尔发布PentiumII450MHz处理器。1999年2月26日，英特尔发布PentiumIII450MHz、PentiumIII500MHz处理器，从此INTEL开始踏上了PIII旅程。10.3:目前流行的微处理器及发展趋势第一节：微处理器的新纪元第二节：微处理器的发展趋势。10.3.1:微处理器的新纪元2000年，Intel推出Pentium4处理器，这也是英特尔市场策略进入新纪元的开始。采用了0.13μm制造工艺，内含4200万个晶体管，外部多达478根引脚。它采用了全新的NetBurst微处理器体系结构10.3.1:微处理器的新纪元①增加了超标量流水线的深度，显著提高了处理器的处理速度②由于采用了先进的400MHZ系统总线，可提供三倍于PⅢ系统总线的带宽，此总线在P4与内存控制器之间提供了3.2GB/S的传输速度10.3.1:微处理器的新纪元③P4处理器采用了全新的指令高速缓存（L1Cache）技术，并采用了512KB3D全速L2Cache，有利于提高系统的整体性能。为了满足处理器所需要的巨大电能，它需要在主板上附设额外的电源接口来满足处理器的供电需要10.3.1:微处理器的新纪元③P4处理器采用了全新的指令高速缓存（L1Cache）技术，并采用了512KB3D全速L2Cache，有利于提高系统的整体性能。为了满足处理器所需要的巨大电能，它需要在主板上附设额外的电源接口来满足处理器的供电需要10.3.1:微处理器的新纪元2002年11月14日，英特尔在全新英特尔奔腾4处理器3.06GHz上推出创新超线程（HT）技术。2003年，英特尔发布了支持超线程(HT)技术的P4处理器至尊版3.20GHz。2004年6月，英特尔发布了P43.4GHz处理器10.3.1:微处理器的新纪元2005年4月，英特尔的第一款双核处理器平台包括采用英特尔955X高速芯片组、主频为3.2GHz的英特尔奔腾处理器至尊版840推出此款产品的问世标志着一个新时代来临了10.3.1:微处理器的新纪元双核和多核处理器设计用于在一枚处理器中集成两个或多个完整执行内核，以支持同时管理多项活动。2005年5月，带有两个处理内核的英特尔奔腾D处理器随英特尔945高速芯片组家族一同推出10.3.