32位微处理器的结构
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计算机体系结构 = computer architecture (计算机系统结构) 计算机体系结构是程序员所看到的系统的一些属性： 概念性的结构和功能上的表现，这些属性既不同于数 据流和控制的组织，也不同于逻辑设计和物理实现。
Amdahl,1964
计算机体系结构是连接硬件和软件的一门学科，它研 究的内容不但涉及计算机硬件，也涉及计算机软件。
i7 U
i8 V
•指令配对 U、V两条流水线并行执行的要满足一些前提条件， Pentium数据手册定义了配对规则： 1. 两条指令都是简单指令 2. 没有写后读和写后写的依赖关系 3. 一条指令不能同时既包含位移量又包含立即数 4. 带前缀的指令只能出现在U流水线中 此外，条件分支转移指令和非条件分支转移指令和， 只有当它们作为配对中的第二条指令出现时才可以配 对。
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 0 i1 i2 i3 i4 i5 1 2 3 4 5 6 7 8 时间
0 AX BX CX DX SP BP SI DI FLAGS
CR0
标志寄存器
2. 段寄存器和存储器分段 1MB的存储空间被分成段，每段64KB 段是可独立寻址的存储器部分 6个段寄存器：保存16位段基址 CS 代码段 SS 堆栈段 DS 数据段 ES 附加段 FS 数据段F GS数据段G
1. 寄存器结构
指令指针IP 段寄存器CS,DS,SS,ES,FS,GS 通用寄存器EAX,EBX,ECX,EDX 变址寄存器ESI,EDI 指针寄存器EBP,ESP 标志寄存器FLAGS
31 EAX EBX ECX EDX ESP EBP ESI EDI
16
15 8 7 AH BH CH DH AL BL CL DL
第二章
32位微处理器的结构
2.1 计算机体系的几种含义 2.2 Pentium的先进技术 2.3 Pentium的指令流水线 2.4 Pentium微处理器的内部结构 2.5 Pentium微处理器的寄存器 2.6 Pentium微处理器的引脚功能 2.7Pentium的总线周期
2.1 计算机体系的几种含义
2.4 Pentium微处理器的内部结构
1. Pentium微处理器的外形和特性 1993年开始推出，共生产三代： •P5(Pentium 60/66) 0.8m, 5V电压 •P54C(Pentium 75/90/100/120/133/150/166/200), 0.6m, 3.8V电压 •P55C(Pentium MMX 166/200/233), 0.35m, 2.8V电压 集成度：310万晶体管/片
15个NC/INC引脚,必须保持在非连接状态
Pentium微处理器的电气特性
以P54C为例
电源要求
所有Vcc输入都是3.3V 输入和输出都是3.3V的JEDEC标准电平，两者均 为TTL兼容的 CLK和PICCLK输入可允许接收5V的输入信号， 因而可以使用5V或3.3V的时钟驱动器
直流特性
Pentium的原理结构
总线接口部件 U流水线和V流水线 数据Cache 指令Cache 指令预取部件 指令译码器 控制ROM 分支目标缓冲器BTB 控制部件 浮点处理部件FPU 分段部件和分页部件 寄存器组
总线接口部件完成如下总线功能
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ 地址驱动和传输。 数据驱动。 数据总线宽度控制。 数据缓冲。 总线操作的控制功能 奇/偶校验告示功能 Cache操作控制
采用296引脚的引脚栅格阵列（PGA）陶瓷封装技术
2. Pentium微处理器的封装与电气特性 1993年开始推出，共生产三代： •P5(Pentium 60/66) •P54C(Pentium 75/90/100/120/133/150/166/200), •P55C(Pentium MMX 166/200/233
计算机原理与应用研究的内容不但涉 及计算机硬件，也涉及计算机软件。
兼容性
针对系列计算机 要求所有机种间能够保持向上兼容和向后兼容 向上兼容：为某个档次机种编制的软件能够不加修 改地运行在比它高档的机种上 向后兼容：为某个时期生产的机种编制的软件能够 不加修改地运行在它之后生产的机种上 Pentium微处理器的运行模式：实模式、保护模式
4 Pentium的三种工作方式
实地址方式
保护方式 虚拟8086方式
实地址方式的特点
① 寻址机构、存储器管理、中断处理机构均和 8086一样。 ② 操作数默认长度为16位。 ③ 存储器容量最大为1MB，采用分段方式，每段 大小固定为64KB。 ④ 存储器中保留两个固定区域 FFFF0H～FFFFFH， 00000～003FFH。
输入特性： 低电平 0.8V 高电平 2.0V 输出特性： 低电平 0.4V 高电平 2.4V ——输入/输出特性与标准逻辑元件是一致的
ห้องสมุดไป่ตู้
3. Pentium微处理器的功能结构
·Ö Ö §Ä ¿ ± ê º ³ » å Æ ÷ Ô È ¤ ¡ × Ö µ · TLB 8KB´ ú  ë Cache 256 ¤È Ô ¡ » º ³ å ´ æ ´ ¢ Æ ÷ · Á Ö î Ö · Õ ë 64» Î ý ¾ Ê Ý × Ü Ï ß 36» Î × Ö µ ·× Ü Ï ß × Ö ¿ Æ ª Ò × Æ Ð £ Ñ é Í º ¿ ± Ä ê µ × Ö · ·Ò Ö ³ ¿ ¼ ² þ · Á Ö î Ò ë Â ë ¿ Ö × Æ ROM
Ü × ß Ï ¿ ² þ ¼
× Ö ¿ Æ ² ¿ ¼ þ ¡ µ · ã ² ¿ ¼ þ ¿ Æ × Ö ¼ ´ Ä æ Æ ÷é × Ó · ¼ ¨Æ ÷ ý · ³ ¨Æ ÷ Ë · ³ ¨Æ ÷ 80
µ Ö × ·É ú É ³ (UÁ ÷Ë ® Ï ß )
µ Ö × ·É ú É ³ (UÁ ÷Ë ® Ï ß )
P5
0.8m生产工艺，集成度310万个晶体管 封装在273引脚的陶瓷PGA管壳内
P5的引脚分布
P5
168个信号引脚 50个Vcc引脚——5V电源 49个Vss引脚——接地 6个NC引脚,必须保持在非连接状态
Socket 4插座 ——ZIF插座 273引脚
P54C
0.6m 生产工艺，集成度330万个晶体管 296引脚的交错式引脚栅格阵列(SPGA)封装 陶瓷管壳
例：
MOV AX, 5 INC BX MOV AX, 5 INC AX
③ 浮点流水线 八个阶段的浮点流水线： •PF 预取 •D1 译码阶段1 •D2 译码阶段2 •EX 取操作数 •X1 浮点执行步骤1 •X2 浮点执行步骤2 •WT 写浮点数 •ER 出错报告 浮点流水线中的前五个步骤与整数流水线中的五个 步骤是同步执行的，只是多出三个步骤
保护方式的特点
① 存储器用逻辑地址空间、线性地址空间 和物理地址空间三种方式来描述。 ② 映像机制使逻辑地址空间大大超过实际 的内存空间 ③ 既能进行16位运算，也能进行32位运算。
虚拟8086方式特点
① 可以执行8086的应用程序。 ② 段寄存器的用法和实地址方式时一样， 即段寄存器内容左移4位加上偏移量为线 性地址。 ③ 存储器寻址空间为1MB，在分段基础上 又分页，每页4KB。
PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX PF D1 D2 PF D1 PF WB EX WB D2 EX WB D1 D2 EX WB
② 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(译码阶段1)：处理器对指令译码确定操作码 和寻址信息。在这个阶段还进行指令的成对性检 查和分支预测 •D2(译码阶段2)：产生访问存储器的地址 •EX(执行)：处理器或者访问数据cache，或者利 用ALU、筒型移位器或其他功能单元计算结果 •WB(写回)：利用指令运行结果更新寄存器和标 志寄存器
计算机体系结构与计算机组成
区别在于关心的问题不同： •计算机体系结构关心的是怎样合理地进行软硬 件功能分配，为软件人员提供适用的计算机 •计算机组成关心的是怎样合理地实现分配给硬 件的功能和指标，提高性能价格比
计算机接口技术及应用（原理与应用）
主要研究计算机处理器原理结构、各关键接口的原 理、设计技术和实际应用系统开发。为实际的应用进行 系统开发，要合理地进行硬件设计和软件编程。
Socket 7插座 ——ZIF插座 321个引脚
P55C——Pentium MMX
P55C与P54C在信号引脚上保持兼容 区别： Y35——NC（P55C），FRCMC#（P54C） AL10——VCC2DEF# （P55C），INC（P54C） Pentium MMX要求两个分开的操作电压，一个用来 驱动处理器内核，一个用来向处理器的I/O引脚供电 28个VCC3引脚——3.3V(I/O电源) 23个VCC2引脚——2.8V(核心电源) 53个Vss引脚——接地
实地址方式和虚拟8086方式区别：
① 多任务问题 ② 寻址空间问题。 ③ 内存管理问题
2.5 Pentium的 寄存器组
Pentium的寄存器组包括
① 基本寄存器组。 ② 系统寄存器组； ③ 浮点寄存器组
基本寄存器组
通用寄存器
指令指针寄存器和标志寄存器
31
16
15 15
0 IP 0 CS DS SS ES FS GS
û Ê Õ ý ¼ Ä ´ æ Æ ÷× é ALU (UÁ ÷Ë ® Ï ß ) ² Ð Í Í Ò Æ Î » Æ ÷ 64 64» Î ¶ Á × Ü Ï ß 32Î » µ × Ö ·× Ü Ï ß 32 32 32 TLB 8KBÊ ý ¾ Ý Cache 32 80 32 32 ALU (UÁ ÷Ë ® Ï ß )
简单指令：完全由硬件执行而无需任何微码控制， 在一个时钟周期内执行的指令 •mov reg, reg/mem/imm •mov mem,reg/imm •alu reg, reg/mem/imm •alu mem, reg/imm •inc reg/mem •dec reg/mem •push reg/mem •pop reg •lea reg, mem •jmp/call/jcc near •nop
P54C的引脚分布
P54C
P54C与P5的引脚外观完全不同 175个信号引脚 53个Vcc引脚——3.3V电源 53个Vss引脚——接地 15个NC/INC引脚,必须保持在非连接状态 Socket 7插座 ——ZIF插座 321个引脚
P55C——Pentium MMX
0.35m 生产工艺，集成度450万个晶体管 塑料管壳交错引脚栅格阵列(PPGA)封装 296引脚
兼容性 针对（软件）体系结构，非硬件实现
2.2 Pentium的先进技术
1. 先进的体系结构 2．CISC和RISC相结合的技术 3. 超标量流水线技术 4. 先进的分支预测技术
2.3 Pentium的指令流水线
1 .指令流水线的组成：
总线接口部件、 指令预取部件、 指令译码部件 执行部件
2. 超标量与流水线 ① 超标量和流水线的概念 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 超标量
Pentium的超标量流水线 0 1 2 3 4 5 6 7 8 时间 i1 U PF D1 D2 EX WB i2 V PF D1 D2 EX WB i3 U i4 V i5 U i6 V PF D1 D2 EX WB
PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX WB
PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX WB
Amdahl,1964
计算机体系结构是连接硬件和软件的一门学科，它研 究的内容不但涉及计算机硬件，也涉及计算机软件。
i7 U
i8 V
•指令配对 U、V两条流水线并行执行的要满足一些前提条件， Pentium数据手册定义了配对规则： 1. 两条指令都是简单指令 2. 没有写后读和写后写的依赖关系 3. 一条指令不能同时既包含位移量又包含立即数 4. 带前缀的指令只能出现在U流水线中 此外，条件分支转移指令和非条件分支转移指令和， 只有当它们作为配对中的第二条指令出现时才可以配 对。
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 0 i1 i2 i3 i4 i5 1 2 3 4 5 6 7 8 时间
0 AX BX CX DX SP BP SI DI FLAGS
CR0
标志寄存器
2. 段寄存器和存储器分段 1MB的存储空间被分成段，每段64KB 段是可独立寻址的存储器部分 6个段寄存器：保存16位段基址 CS 代码段 SS 堆栈段 DS 数据段 ES 附加段 FS 数据段F GS数据段G
1. 寄存器结构
指令指针IP 段寄存器CS,DS,SS,ES,FS,GS 通用寄存器EAX,EBX,ECX,EDX 变址寄存器ESI,EDI 指针寄存器EBP,ESP 标志寄存器FLAGS
31 EAX EBX ECX EDX ESP EBP ESI EDI
16
15 8 7 AH BH CH DH AL BL CL DL
第二章
32位微处理器的结构
2.1 计算机体系的几种含义 2.2 Pentium的先进技术 2.3 Pentium的指令流水线 2.4 Pentium微处理器的内部结构 2.5 Pentium微处理器的寄存器 2.6 Pentium微处理器的引脚功能 2.7Pentium的总线周期
2.1 计算机体系的几种含义
2.4 Pentium微处理器的内部结构
1. Pentium微处理器的外形和特性 1993年开始推出，共生产三代： •P5(Pentium 60/66) 0.8m, 5V电压 •P54C(Pentium 75/90/100/120/133/150/166/200), 0.6m, 3.8V电压 •P55C(Pentium MMX 166/200/233), 0.35m, 2.8V电压 集成度：310万晶体管/片
15个NC/INC引脚,必须保持在非连接状态
Pentium微处理器的电气特性
以P54C为例
电源要求
所有Vcc输入都是3.3V 输入和输出都是3.3V的JEDEC标准电平，两者均 为TTL兼容的 CLK和PICCLK输入可允许接收5V的输入信号， 因而可以使用5V或3.3V的时钟驱动器
直流特性
Pentium的原理结构
总线接口部件 U流水线和V流水线 数据Cache 指令Cache 指令预取部件 指令译码器 控制ROM 分支目标缓冲器BTB 控制部件 浮点处理部件FPU 分段部件和分页部件 寄存器组
总线接口部件完成如下总线功能
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ 地址驱动和传输。 数据驱动。 数据总线宽度控制。 数据缓冲。 总线操作的控制功能 奇/偶校验告示功能 Cache操作控制
采用296引脚的引脚栅格阵列（PGA）陶瓷封装技术
2. Pentium微处理器的封装与电气特性 1993年开始推出，共生产三代： •P5(Pentium 60/66) •P54C(Pentium 75/90/100/120/133/150/166/200), •P55C(Pentium MMX 166/200/233
计算机原理与应用研究的内容不但涉 及计算机硬件，也涉及计算机软件。
兼容性
针对系列计算机 要求所有机种间能够保持向上兼容和向后兼容 向上兼容：为某个档次机种编制的软件能够不加修 改地运行在比它高档的机种上 向后兼容：为某个时期生产的机种编制的软件能够 不加修改地运行在它之后生产的机种上 Pentium微处理器的运行模式：实模式、保护模式
4 Pentium的三种工作方式
实地址方式
保护方式 虚拟8086方式
实地址方式的特点
① 寻址机构、存储器管理、中断处理机构均和 8086一样。 ② 操作数默认长度为16位。 ③ 存储器容量最大为1MB，采用分段方式，每段 大小固定为64KB。 ④ 存储器中保留两个固定区域 FFFF0H～FFFFFH， 00000～003FFH。
输入特性： 低电平 0.8V 高电平 2.0V 输出特性： 低电平 0.4V 高电平 2.4V ——输入/输出特性与标准逻辑元件是一致的
ห้องสมุดไป่ตู้
3. Pentium微处理器的功能结构
·Ö Ö §Ä ¿ ± ê º ³ » å Æ ÷ Ô È ¤ ¡ × Ö µ · TLB 8KB´ ú  ë Cache 256 ¤È Ô ¡ » º ³ å ´ æ ´ ¢ Æ ÷ · Á Ö î Ö · Õ ë 64» Î ý ¾ Ê Ý × Ü Ï ß 36» Î × Ö µ ·× Ü Ï ß × Ö ¿ Æ ª Ò × Æ Ð £ Ñ é Í º ¿ ± Ä ê µ × Ö · ·Ò Ö ³ ¿ ¼ ² þ · Á Ö î Ò ë Â ë ¿ Ö × Æ ROM
Ü × ß Ï ¿ ² þ ¼
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µ Ö × ·É ú É ³ (UÁ ÷Ë ® Ï ß )
µ Ö × ·É ú É ³ (UÁ ÷Ë ® Ï ß )
P5
0.8m生产工艺，集成度310万个晶体管 封装在273引脚的陶瓷PGA管壳内
P5的引脚分布
P5
168个信号引脚 50个Vcc引脚——5V电源 49个Vss引脚——接地 6个NC引脚,必须保持在非连接状态
Socket 4插座 ——ZIF插座 273引脚
P54C
0.6m 生产工艺，集成度330万个晶体管 296引脚的交错式引脚栅格阵列(SPGA)封装 陶瓷管壳
例：
MOV AX, 5 INC BX MOV AX, 5 INC AX
③ 浮点流水线 八个阶段的浮点流水线： •PF 预取 •D1 译码阶段1 •D2 译码阶段2 •EX 取操作数 •X1 浮点执行步骤1 •X2 浮点执行步骤2 •WT 写浮点数 •ER 出错报告 浮点流水线中的前五个步骤与整数流水线中的五个 步骤是同步执行的，只是多出三个步骤
保护方式的特点
① 存储器用逻辑地址空间、线性地址空间 和物理地址空间三种方式来描述。 ② 映像机制使逻辑地址空间大大超过实际 的内存空间 ③ 既能进行16位运算，也能进行32位运算。
虚拟8086方式特点
① 可以执行8086的应用程序。 ② 段寄存器的用法和实地址方式时一样， 即段寄存器内容左移4位加上偏移量为线 性地址。 ③ 存储器寻址空间为1MB，在分段基础上 又分页，每页4KB。
PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX PF D1 D2 PF D1 PF WB EX WB D2 EX WB D1 D2 EX WB
② 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(译码阶段1)：处理器对指令译码确定操作码 和寻址信息。在这个阶段还进行指令的成对性检 查和分支预测 •D2(译码阶段2)：产生访问存储器的地址 •EX(执行)：处理器或者访问数据cache，或者利 用ALU、筒型移位器或其他功能单元计算结果 •WB(写回)：利用指令运行结果更新寄存器和标 志寄存器
计算机体系结构与计算机组成
区别在于关心的问题不同： •计算机体系结构关心的是怎样合理地进行软硬 件功能分配，为软件人员提供适用的计算机 •计算机组成关心的是怎样合理地实现分配给硬 件的功能和指标，提高性能价格比
计算机接口技术及应用（原理与应用）
主要研究计算机处理器原理结构、各关键接口的原 理、设计技术和实际应用系统开发。为实际的应用进行 系统开发，要合理地进行硬件设计和软件编程。
Socket 7插座 ——ZIF插座 321个引脚
P55C——Pentium MMX
P55C与P54C在信号引脚上保持兼容 区别： Y35——NC（P55C），FRCMC#（P54C） AL10——VCC2DEF# （P55C），INC（P54C） Pentium MMX要求两个分开的操作电压，一个用来 驱动处理器内核，一个用来向处理器的I/O引脚供电 28个VCC3引脚——3.3V(I/O电源) 23个VCC2引脚——2.8V(核心电源) 53个Vss引脚——接地
实地址方式和虚拟8086方式区别：
① 多任务问题 ② 寻址空间问题。 ③ 内存管理问题
2.5 Pentium的 寄存器组
Pentium的寄存器组包括
① 基本寄存器组。 ② 系统寄存器组； ③ 浮点寄存器组
基本寄存器组
通用寄存器
指令指针寄存器和标志寄存器
31
16
15 15
0 IP 0 CS DS SS ES FS GS
û Ê Õ ý ¼ Ä ´ æ Æ ÷× é ALU (UÁ ÷Ë ® Ï ß ) ² Ð Í Í Ò Æ Î » Æ ÷ 64 64» Î ¶ Á × Ü Ï ß 32Î » µ × Ö ·× Ü Ï ß 32 32 32 TLB 8KBÊ ý ¾ Ý Cache 32 80 32 32 ALU (UÁ ÷Ë ® Ï ß )
简单指令：完全由硬件执行而无需任何微码控制， 在一个时钟周期内执行的指令 •mov reg, reg/mem/imm •mov mem,reg/imm •alu reg, reg/mem/imm •alu mem, reg/imm •inc reg/mem •dec reg/mem •push reg/mem •pop reg •lea reg, mem •jmp/call/jcc near •nop
P54C的引脚分布
P54C
P54C与P5的引脚外观完全不同 175个信号引脚 53个Vcc引脚——3.3V电源 53个Vss引脚——接地 15个NC/INC引脚,必须保持在非连接状态 Socket 7插座 ——ZIF插座 321个引脚
P55C——Pentium MMX
0.35m 生产工艺，集成度450万个晶体管 塑料管壳交错引脚栅格阵列(PPGA)封装 296引脚
兼容性 针对（软件）体系结构，非硬件实现
2.2 Pentium的先进技术
1. 先进的体系结构 2．CISC和RISC相结合的技术 3. 超标量流水线技术 4. 先进的分支预测技术
2.3 Pentium的指令流水线
1 .指令流水线的组成：
总线接口部件、 指令预取部件、 指令译码部件 执行部件
2. 超标量与流水线 ① 超标量和流水线的概念 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 超标量
Pentium的超标量流水线 0 1 2 3 4 5 6 7 8 时间 i1 U PF D1 D2 EX WB i2 V PF D1 D2 EX WB i3 U i4 V i5 U i6 V PF D1 D2 EX WB
PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX WB
PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX WB PF D1 D2 EX WB