微机原理与接口技术ppt 第2章 IA32结构微处理器与.ppt

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1、第2章IA-32结构微处理与80862.18086/8088CPU2.28086/8088外围电路2.380286CPU2.480386/80486CPU2.5PentiumCPU2.1IA-32微处理器是8086的延伸IA-32结构微处理器的增长基本上按摩尔定律发展，已经经历许多代。但从使用者（包括程序员）的角度来看，它是以8086处理器为基础，是一个兼容的微处理器系列，是8086在功能上和性能上的延伸。2.1.18086功能的扩展1.从16位扩展为32位8086是16位微处理器。它的内部寄存器的主体是16位的。它的主要用于存放操作数的数据寄存器是16位的。它的主要的用作为地

2、址指针的指针寄存器也是16位的。依赖分段机制，用20位段基地址加上16位的偏移量形成了20位的地址，以寻址1MB的物理地址。1985年，Intel公司推出了第一个32位的微处理器--80386，开创了微处理器的32位时代。目前，计算机正从32位向64位转移。32位地址能寻址4GB物理地址。到目前，仍远大于主流计算机的实际内存配置，仍有广阔的应用余地。2.1.18086功能的扩展2.从实模式至保护模式当1981年，IBM公司刚推出IBM-PC时，主频是5MHz，内存是64KB-128KB，没有硬盘，只有单面单密度的软盘，到了PC/XT，才有10MB硬盘。在这样的硬件资源下，采用的

3、操作系统是PC-DOS（MS-DOS）。这是单用户、单任务的磁盘操作系统。2.1.18086功能的扩展从80286开始，在80386中真正完善保护模式。在保护模式下，程序运行于四个特权级。这样，可以实现操作系统核心程序与应用程序的严格的隔离。保护模式支持多任务机制，任务之间完全隔离。2.1.18086功能的扩展3.片内存储管理单元-MMU32位地址，可寻址4GB物理地址。但应用程序却需要庞大的地址空间。因此，在操作系统中提供了虚拟存储器管理机制，而这要求硬件支持。因而，在80386中提供了片内的MMU。提供了4K页、页表等支持。2.1.18086功能的扩展以上三点是80386相

4、对于8086的主要功能扩展。4.浮点支持工程应用、图形处理、科学计算等要求浮点支持（实数运算）。因此，自80486芯片开始，在IA-32微处理器中集成了x87（及其增强）浮点单元。2.1.18086功能的扩展5.MMX技术为支持多媒体技术的应用，如音乐合成、语音合成。语音识别、音频和视频压缩（编码）和解压缩（译码）、2D和3D图形（包括3D结构映像）和流视频等等。IA-32处理器中增加MMX技术及相应的指令。2.1.18086功能的扩展6.数据流SIMD扩展（StreamingSIMDExtensions-SSE）自PentiumIII处理器开始，在IA-32微处理器中引进了数

5、据流SIMD（单指令多数据）扩展（SSE）技术。SSE指令集包括了70条指令，其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD浮点运算指令、12条MMX整数运算增强指令、8条优化内存中连续数据块传输指令。2.1.18086功能的扩展奔腾4处理器又进一步扩展为数据流SIMD扩展2（StreamingSIMDExtensions2-SSE2）。SSE2使用了144个新增指令，扩展了MMX技术和SSE技术，这些指令包含了128位SIMD整数算术指令和128位SIMD双精度浮点指令。2.1.18086功能的扩展在SSE2的基础上又增加了13个额外的SIMD指令。SSE3（Streaming

6、SIMDExtensions3）中13个新指令的主要目的是改进线程同步和特定应用程序领域，例如媒体和游戏。这些新增指令强化了处理器在浮点转换至整数、复杂算法、视频编码、SIMD浮点寄存器操作以及线程同步等五个方面的表现，最终达到提升多媒体和游戏性能的目的。2.1.18086功能的扩展1.利用流水线技术提高操作的并行性提高性能的一个重要方面是利用超大规模集成电路的工艺与制造技术提高芯片的主频。即减少一个时钟周期的时间。提高性能的另一重要方面是缩短执行指令的时钟周期数。在8086中，利用流水线把取指令与执行指令重叠，减少了等待取指令的时间，从而使大部分指令的执行为四个时钟周期。2.

7、1.28086性能的提高80386利用芯片内由6个能并行操作的功能部件组成，从而使执行一条指令缩短为两个时钟周期。2.1.28086性能的提高80486将80386处理器的指令译码和执行部件扩展成五级流水线，进一步增强了其并行处理能力，在五级流水线中最多可有五条指令被同时执行，每级都能在一个时钟周期内执行一条指令，80486微处理器最快能够在每个CPU时钟周期内执行一条指令。到了奔腾处理器增加了第二个执行流水线以达到超标量性能（两个已知的流水线u和v，一起工作能实现每个时钟执行两条指令）。2