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第2章微处理器及其管理计算机系统的硬件核心部分是中央处理器(CPU,CentralProcessingUnit),在微型机系统中,中央处理器又称为微处理器(Micro-Processor)。在计算机系统中,CPU是决定其性能的标志性部件,是评判计算机性能的主要指标。通常人们以CPU的类型来判断计算机的档次,例如:装有Pentium4CPU的是P4计算机、装有PentiumIIICPU的是P3计算机等等。虽然这种方法有些失于偏颇,但也从侧面说明了CPU对计算机性能指标起着决定性作用。本章要点2.1微处理器概述2.2IntelCPU技术结构2.3精简指令集RISC2.4Pentium处理器的多媒体和超线程技术2.5实例:微处理器的性能测试习题2本章逻辑结构2.1微处理器概述2.1.1微处理器的功能结构2.1.2微处理器的指令系统2.1.3微处理器的接口2.2IntelCPU技术结构2.2.1提高计算机处理能力的基本思路2.2.2指令流水线结构2.2.3Pentium超标量流水线技术2.2.4PentiumIII的动态执行技术本章逻辑结构2.3精简指令集RISC2.3.1CISC与RISC2.3.1CISC与RISC2.3.3PowerPC2.4Pentium处理器的多媒体和超线程技术2.4.1MMX技术2.4.2SSE技术2.4.3超线程技术2.5实例微处理器的性能测试2.5.1CPU的编号2.5.2微处理器性能测试2.1微处理器概述2.1.1微处理器的功能结构在计算机的系统结构中,CPU是计算机的核心,主要由控制器、运算器和寄存器三部分组成。1.控制器控制器主要功能是接受和分析指令,根据指令要求,对各部件发送相应的控制信息,并对微型计算机的各个部件进行总体控制,使得各部件能够协调一致地进行工作。控制器主要由以下三个基本部分组成:(1)指令寄存器用于暂存将要进行译码处理的指令。(2)指令译码器可对指令进行译码,获知指令的功能。(3)时序和逻辑控制器可根据指令要求,按一定的时序发出和接收各种信号,控制计算机系统完成指令。2.1微处理器概述2.1.1微处理器的功能结构2.运算器运算器又称为算术逻辑单元(ALU,ArithmeticLogicUnit),其主要功能是进行算术运算和逻辑运算。在CPU原理图示中,运算器的图形如图2.1所示。ALU主要由加法器组成,它可以对两个操作数进行操作,输出运算结果。图2.1运算器ALU2.1微处理器概述2.1.1微处理器的功能结构3.寄存器寄存器主要用于存放程序运行过程中所使用的各种数据。寄存器是CPU内部的高速存储单元,主要有两类:一类是用户不可访问的,称为“透明”寄存器,对于它们的工作,用户不需要知道;另一类则是面向用户,供编程使用的,被称为“可编程”寄存器,这一类是学习的重点。在应用方面,“可编程”寄存器又可分为下面几种:(1)通用寄存器通用寄存器既可以用于存放数据,也可用于存放数据的地址,它们在CPU中数量多,使用频率高,是数据调度的主要部件。(2)地址寄存器地址寄存器主要用于存放地址,用于存储器的寻址操作,也称为地址指针寄存器。(3)标志寄存器标志寄存器用于保存程序的运行状态。程序的运行状态用程序状态字(PWS)来表示,因此,标志寄存器也称为“PWS寄存器”。2.1微处理器概述2.1.1微处理器的功能结构控制器、运算器和寄存器等三部分相互协作,对程序指令进行分析、判断、运算,并控制计算机的其他部分协调工作,计算机的一切工作都是在CPU的控制下完成的。在Intel的8086/8088芯片中,CPU分为两大功能模块:执行单元和总线接口单元。图2.2给出了8086CPU内部结构图示。执行单元(EU,ExecutionUnit)由ALU、通用寄存器、地址寄存器、标志寄存器(FLAGS)和指令译码器等构成,它负责分析、执行指令。执行单元没有直接对外的接口,它所执行的指令从总线接口单元的指令队列中获取。总线接口单元(BIU,BusInterfaceUnit)由指令队列、指令指针(IP)、段寄存器、地址加法器和总线控制电路等构成,管理CPU与系统总线的接口,负责取指令、取操作数和写结果,即CPU与外部单元(存储器和外设)进行交互操作。8088CPU的结构与8086类似,只有两点不同:BIU中的指令队列——8086中指令队列为6字节,8088中为4字节;外部数据总线宽度——8086CPU内部和外部数据总线都是16位,而8088CPU内部数据总线为16位,但外部数据总线仅为8位。因此8086被称为16位微处理器,而8088被称为准16位微处理器。2.1微处理器概述2.1.1微处理器的功能结构图2.2Intel8086CPU的内部结构AHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISI暂存器ALU标志寄存器CSDSSSESIP内部通信寄存器EU控制电路1234总线控制电路执行单元EU总线接口单元BIU数据总线地址加法器ALU数据总线(16位)队列总线(8位)(16位数据总线)8086总线数据寄存器地址寄存器AXBXCXDX指令队列56通用寄存器组段寄存器2.1微处理器概述2.1.2微处理器的指令系统为了方便对CPU进行调用,每种CPU都为程序提供了一组可供编程调用的指令集,这组指令集就称为该CPU的指令系统。不同的CPU系列,有着不同的指令系统,如:IntelCPU的SSE、SSE2指令集,AMDCPU的3DNow!指令集。对于X86系列的CPU来说,它们大都与8086/8088的指令系统相兼容。所谓的与X86兼容的CPU,指的是该CPU可运行使用8086/8088指令系统编写的任何程序,即8086/8088指令可以在这些CPU上正确运行。因此,8086/8088指令系统也是X86兼容CPU的共同基础。在程序设计时,指令系统中的指令使用简单的英文缩写标识来表示,称为助记符。1.数据传送指令数据传送指令的功能是将数据从一个位置传送到另一个位置,数据传送是指令中最基本、最重要的一种操作,数据传送指令也是最常使用的一类指令。数据传送指令又可分为通用数据传送指令、输入输出传送指令、目标地址传送指令和标志传送指令等4类。2.1微处理器概述2.算术运算指令算术运算指令用于执行二进制的算术运算,即二进制数据的加、减、乘、除。表2.2给出了算术运算指令。3.逻辑运算和移位指令逻辑运算和移位指令用于对数据字节或字的二进制位进行操作。表2.3给出了逻辑运算和移位指令。4.字符串操作指令字符串可以是存储在存储器中的一组数据块或字节数据(例如,字母、数字),字符串操作指令用于字符串或数据块的处理。5.控制转移指令程序中的指令通常是顺序执行的,在8086/8088中,指令的执行顺序由代码寄存器CS和指令寄存器IP决定,当执行一条指令时,IP的内容就自动进行调整。如果需要改变程序指令的执行顺序,必须改变IP的值(或同时改变CS与IP的值),控制转移指令就是通过改变CS和IP的值来进行程序的转移。2.1微处理器概述6.处理器控制指令处理器控制指令用于控制CPU的状态,使CPU暂停、等待或执行空操作等。表2.6给出了处理器控制指令。2.1.3微处理器的接口CPU与外部的通信是通过CPU的接口引脚来实现的。早期(Inteli386以前)的CPU的引脚较少,大多是直接焊接到主机板上,如图2.3所示。图2.3Inteli386DXCPU2.1微处理器概述从Inteli486以后,由于CPU的引脚增多,也为了方便CPU升级换代的市场需要,Intel推出了Socket(插座)接口的CPU。这种接口CPU的引脚是大量的插针,它需要主板上有与之相配的插座才能插入,如图2.4所示。图2.4Socket接口的CPU及插座2.1微处理器概述1.Socket7Socket7是586CPU时代使用最广泛的CPU接口,Socket7类型的CPU共有321个插针,CPU工作电压为2.5V~3.5V。虽然是Intel发布的Socket7接口规范,但它成为当时事实上的标准,同一时期各个厂家生产的CPU都采用了这一接口规范,当时流行的一些Socket7接口的CPU。2.Slot1出于市场及专利方面的考虑,Intel在推出PentiumII时,使用了Slot1接口。Slot1接口有242个引脚,CPU工作电压为2.8V~3.3V。Slot1是一种插槽式接口,它的CPU采用单边接触卡盒(SECC,Single-EdgeContactCartridge)包装,它是Intel独有的专利,因此使用这种接口的CPU都是Intel公司生产的,其中包括:PentiumII系列,Celeron(赛扬)和PentiumIII的早期产品。3.SlotASlotA是AMD公司推出的与Slot1同一时期的产品,其目的是为了打破Intel的专利垄断。SlotA与Slot1在物理结构上基本相同,但两者的电气性能完全不同,因此二者不能混用,即SlotA的CPU不能插到Slot1的插槽中使用,反之亦然。2.2IntelCPU技术结构2.2.1提高计算机处理能力的基本思路从计算机问世以来,提高计算机的处理能力就一直是人们所期望的,提高计算机处理能力的方法主要有两种:一是提高制作工艺,从半导体元器件上入手,实现计算机处理能力的提高;另一种方法是改进CPU的系统结构,让CPU的工作流程更加合理,提高单位时间内的执行效率。提高计算机性能的另一条出路是改进CPU的系统结构,改进程序的执行效率。计算机在执行程序时,CPU总是有规则地重复如下步骤:从存储器中取出一条指令;分析指令操作码;如果指令需要,从存储器中读取操作数;执行指令;如果指令需要,将结果写入存储器或其他部件。2.2IntelCPU技术结构早期的CPU在执行程序时,总是按照上面的步骤,将程序分解为一串顺序的指令、微指令,按照先后顺序执行,在同一时间段内,处理器只能对一条指令进行分析、执行。当这条指令的作业完成后,再开始下一条指令。如图2.14所示。取指令1取操作数1执行1存结果1取指令2取操作数2执行2取指令3CPUBUS忙忙空闲忙忙忙空闲忙图2.14CPU指令的顺序执行2.2IntelCPU技术结构2.2.2指令流水线结构为了提高计算机的执行效率,Intel从早期的8086/8088CPU中就引入了流水线技术。指令流水线是指将指令的执行过程分为可独立执行的多个子过程,各个子过程都可以在一个专门的操作部件上完成,各个部件可以同时进行工作,这样,就可以实现多条指令在操作时重叠进行,就如同工业生产中的流水线一样。要在处理器中进行指令的流水线作业,通常可以将一条指令分解为取指令、指令译码、取操作数、执行指令、回写(存结果)等5个基本步骤,如果将这些基本步骤放在几个独立的操作部件上执行,且使每个部件的执行时间(t)大致相同,形成一组流水线。若同时有几条指令需要执行,则这些指令的执行时间上就可以重叠,并行执行,从而达到提高CPU执行效率的目的,如图2.16所示。图2.16指令流水线取指令1译码1取操作数1执行1回写1取指令2译码2取操作数2执行2回写2取指令3译码3取操作数3执行3回写3取指令4译码4取操作数4执行4回写4取指令5译码5取操作数5执行5回写50t2t3t4t5t6t7t8t9t2.2IntelCPU技术结构从图中可以看出,当取指令部件完成第一条指令的取操作后,就将该指令交给译码部件进行译码,此时取指令部件开始读取第二条指令。当取指部件完成第二条指令的取指操作时,译码部件也已完成第一条指令的译码,此时由取操作数部件进行第一条指令的取操作数操作,而同时译码部件也开始第二条指令的译码,其它步骤依此类推,最终完成各项指令作业。如果设完成一个步骤的时间为t,则完成一条指令的时间为5t,如果采用流水线方式执行作业,完成五条指令的时间为9t;而如果采用传统的顺序作业方式,则完成五条指令的时间为25t。因此,使用流水线结构大大地节约了系统处理时间,提高了作业效率。上面所讨论的流水线结构只是理想中的流水线作业方式,在这里,各个部件的执
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