计算机硬件技术第三章-微型机内部结构和技术

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1、第三章微型机内部结构和技术1实地址模式存储器只能采用物理地址空间描述，1MB物理空间；只能使用分段管理；所有程序全为0级。2保护模式支持多任务操作；存储器采用虚拟/线性/物理地址空间方式描述，虚拟地址空间64TB，具有存储保护(空间和操作)功能；可使用分段和分页技术管理存储空间；采用分级(4级)管理，用户程序一般在3级。一Pentium的地址方式3虚拟8086模式实地址模式虚拟8086模式内存管理分段管理既分段又分页存储空间1MB每个8086程序任务寻址1MB，总寻址空间4GB多任务不支持支持，利益是Pentium保护模式中多任务的一个任务4系统管理模式为操作系统和正在运行的应用程序提供透明

2、的电源管理和系统安全平台功能；进入本模式时，系统将转到一个独立的地址空间运行，并保存当前程序或任务的基本环境。5工作模式转换实地址模式CPU复位CR0.PE=1CR0.PE=0RSM指令中断SMI#RSM指令中断返回任务切换(修改EFLAG中的VM位）SMI#SMI#RSM指令保护模式SMM模式V8086模式说明：SMI#是来自外部系统管理中断引脚的信号RSM指令是从系统管理中断服务程序中返回的指令微处理器80386/80486总线控制器Cache控制器Cache主存80387（386微机才有）集成外围控制器扩展总线控制器实时时钟/日历CMOSRAMISA总线CPU局部总线二386/486

3、结构PentiumII处理器PentiumII处理器CPU总线82443BX（北桥）主存支持SDRAM66/100MHz2×AGP总线图形设备82371EB（PIIX4E）（南桥）ISA插槽2个IDE接口2个USB接口I/OAPICPCI总线PCI插槽系统BIOSISA总线三南北桥结构的PentiumII四中心结构的PentiumIII键盘鼠标串行口并行口处理器8XX系列存储控制中心中心高速接口I/O控制中心固件中心PCI槽PCI总线IDE驱动器USB端口AC’97编码SuperI/OLPCI/FAGP图形控制器主存储器处理器CPU总线LAN连接五CPU中的新技术1)指令的执行过程取指令分析

4、指令执行指令保存结果2）超标量与流水线①超标量技术超标量：配置多个执行部件和指令译码电路，能同时执行多条指令。Pentium由三个执行单元组织而成，一个执行浮点指令，另两个执行整型指令（U流水线和V流水线），这意味着Pentium同时可以执三条指令流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理的技术。程序中的指令仍是一条条顺序执行，但可以预先取若干条指令，并在当前指令尚未执行完时，提前启动后续指令的另一些操作步骤。这样显然可加速一段程序的运行过程。市场上推出的各种不同的16位/32位微处理器基本上都采用了流水线技术。如80486和Pentium均使用了6步

5、流水线结构，流水线的6步为：(1)取指令。CPU从高速缓存或内存中取一条指令。(2)指令译码。分析指令性质。(3)地址生成。很多指令要访问存储器中的操作数，操作数的地址也许在指令字中，也许要经过某些运算得到。②流水线技术(4)取操作数。当指令需要操作数时，就需再访问存储器，对操作数寻址并读出。(5)执行指令。由ALU执行指令规定的操作。(6)存储或“写回”结果。最后运算结果存放至某一内存单元或写回累加器A。在理想情况下，每步需要一个时钟周期。当流水线完全装满时，每个时钟周期平均有一条指令从流水线上执行完毕，输出结果，就像轿车从组装线上开出来一样。Pentium、PentiumPro和Pe

6、ntiumII处理器的超标量设计更是分别结合了两条和三条独立的指令流水线，每条流水线平均在一个时钟周期内执行一条指令，所以它们平均一个时钟周期分别可执行2条和3条指令。流水线技术是通过增加计算机硬件来实现的。例如要能预取指令，就需要增加取指令的硬件电路，并把取来的指令存放到指令队列缓存器中，使MPU能同时进行取指令和分析、执行指令的操作。因此，在16位/32位微处理器中一般含有两个算术逻辑单元ALU，一个主ALU用于执行指令，另一个ALU专用于地址生成，这样才可使地址计算与其它操作重叠进行。流水线：在CPU中把一条指令分解成多个可单独处理的操作，使每个操作在一个专门的硬件站（stage）上执

7、行，这样一条指令需要顺序地经过流水线中多个站的处理才能完成，但是前后相连的几条指令可以依次流入流水线中，在多个站间重叠执行，因此可以实现指令的并行处理。80486的指令分PF、D1、D2、EX、WB五个操作步骤012345687时间i1PFD1D2EXWBPFD1D2EXWBPFD1D2EXWBPFD1D2EXWBi2i3i4I整数流水线五个阶段的整数流水线：PF(预取)：处理器从代码cache中预取指令D1