[计算机硬件及网络]微机原理与接口技术第三章

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1、第三章32位微处理器及其指令系统Pentium的原理结构、内部工作过程、先进技术与流水线结构本章内容1Pentium的工作方式、寄存器和相关机制、保护技术和管理存储器的方法、引脚信号和总线状态2Itanium的技术特点32掌握Pentium的原理结构、先进技术和工作方式学习目的1理解Pentium的保护技术和管理存储器的方法、内部工作过程与流水线结构2了解Itanium的技术特点33第一节Pentium的原理结构及特点一、Pentium的芯片内核45一、Pentium的芯片内核总线接口部件U流水线和V流水线数据Cache和代码Cache指令预取部

2、件、指令译码器、控制ROM和分支目标缓冲器控制部件浮点处理部件分段部件和分页部件第一节Pentium的原理结构及特点6二、体系结构及其特点1、超标量流水线两条指令流水线，U流水线和V流水线。每条流水线都有自己的ALU、地址生成器和数据Cache的接口。U：能执行所有操作指令V：只能执行整数操作指令指令并行，V总是接受U的下一条指令2、独立的指令Cache和数据Cache均为8KB，数据Cache有两个端口，分别通向两条流水线，独立的数据接口和ALU。第一节Pentium的原理结构及特点7二、体系结构及其特点3、重新设计的浮点单元FPU其执行过程分

3、为8级流水线，使每个时钟周期能完成一个浮点操作（某些情况下可以完成两个）。4、分支目标缓冲器BTB分支目标缓冲器BTB（小Cache）用来动态地预测程序分支，当一条指令导致程序分支时，BTB记忆下这条指令和分支目标的地址，并用这些信息预测这条指令再次产生分支时的路径，预先从此处预取，保证流水线的指令预取步骤不会空置。循环越多，BTB的效益越明显。第一节Pentium的原理结构及特点81、先进的体系结构（NetBurst微架构）增强的数据总线独立的片内指令Cache和数据Cache技术两条指令流水线增强型FPU指令固化存储体管理分段分页保护技术增强

4、的准确性检测能力和异常事件处理能力系统扩展能力第二节Pentium的技术特点92、RISC和CISC相结合的技术保留部分复杂指令，并用指令固化技术来提高复杂指令的执行效率。3、超标量流水线技术技术保证：⑴RISC技术⑵V总能接受U的下一条指令4、先进的分支预测技术⑴1KB的BTB可容纳256条转移指令的目标地址和历史状态。⑵两个预取缓冲存储器，分别存放按预测结果预取的指令和按预测排除方向预取的指令。第二节Pentium的技术特点10第三节Pentium的指令流水线技术1、指令水线的组成总线接口部件：读取指令和存取数据，读取指令的优先级最低。指令预

5、取部件：利用BIU在总线空闲时读取后继指令放入指令预取队列。指令译码器：从指令预取部件中取出指令译码后生成微指令，并送入译码指令队列等待执行。执行部件：执行指令112、流水线技术原理传统指令执行过程取指令指令译码执行指令Pentium整数运算流水线的组成预取级PF、首次译码级D1、二次译码级D2、执行级EX、回写级WBPentium浮点运算流水线的组成预取级PF、首次译码级D1、二次译码级D2、执行级EX、一次浮点操作级X1、二次浮点操作级X2、写浮点运算结果级WF、出错报告级ER第三节Pentium的指令流水线技术123、指令流水线的运行以整数

6、运算流水线为例CP1指令I1PFCP2指令I2PFD1CP3指令I3PFD1D2CP4指令I4PFD1D2EXCP6指令I6PFD1D2EXWBCP5指令I5PFD1D2EXWBCP7指令I7D1PFD2EXWB第三节Pentium的指令流水线技术134、超标量流水线的运行前提U：任何指令，V：和U当前执行的指令符合配对规则的指令。配对规则：两条RISC指令没有寄存器关联性（“写后读”或“读后写”）U受阻使V受阻退出，V受阻允许U继续执行。第三节Pentium的指令流水线技术14实地址方式保护方式虚拟8086方式系统管理方式第四节Pentium的

7、工作方式1、工作方式及特点（1）实地址方式Pentium复位或开机时，即进入实地址方式。特点：①存储器管理与8086基本相同②32位数据总线一次可传送32位数据，但默认16位151、工作方式及特点（2）保护方式在实地址方式下修改控制寄存器CR0中的PE位，使其置1，就进入保护方式。特点：①存储器进行分段、分页管理②指令中使用的逻辑地址需经二级变换，才能形成物理地址。③允许使用虚拟存储器第四节Pentium的工作方式161、工作方式及特点（3）虚拟8086方式在保护方式下，将CPU状态标志寄存器中的虚拟方式标志VM置1，即进入虚拟8086方式。特点

8、：既有保护方式功能，又能按8086的语义执行程序代码。（4）系统管理方式在保护方式下增强对系统的管理，包括OS管理、运行的程序管理、电源