第第2 2章章 微处理器微处理器2.3 CISC与与RISC技术技术2.3.1 2.3.1 CISCCISCCISC(complex instruction set computer) ,复杂指复杂指令集计算机。令集计算机。80286、8086/8088为此设计流派。为此设计流派。特点：特点：1、复杂指令。复杂指令。2、多种类的内存参考方式（多种寻址方式）多种类的内存参考方式（多种寻址方式） 。3、微程序结构。基于微指令操作，一个处理过程、微程序结构。基于微指令操作，一个处理过程由几个微指令来完成。由几个微指令来完成。第第2 2章章 微处理器微处理器2.3.2 RISC RISCRISC（ reduced reduced instruction instruction set set computer,computer,精精简简指指令令集集计计算算机机）8038680386以以后后的的CPUCPU趋趋于用于用RISCRISC理论设计。理论设计。特点：特点：1、增加通用寄存器数量，减少增加通用寄存器数量，减少CPUCPU对内存的访问。对内存的访问。 2 2、缩短并统一指令长度，简化、缩短并统一指令长度，简化取指取指及及指令译码指令译码电电路和操作。路和操作。3 3、采用指令流水处理技术。、采用指令流水处理技术。4 4、采用、采用装入装入/ /存储存储体系结构。体系结构。5 5、内置高性能的浮点运算部件。、内置高性能的浮点运算部件。第第2 2章章 微处理器微处理器2.4 80X86至至Pentium系列微处理器技术概述系列微处理器技术概述 潮流和未来潮流和未来-飞速发展的飞速发展的CPU 奔腾奔腾4的时代的时代 走近走近64位位CPU第第2 2章章 微处理器微处理器2.4.1 802862.4.1 80286微处理器微处理器 按多任务特性设计。按多任务特性设计。 采采采采用用用用1.51.51.51.5 m m m m工工工工艺艺艺艺，集集集集成成成成了了了了134,000134,000134,000134,000个个个个晶晶晶晶体体体体管管管管，工工工工作作作作频频频频率率率率为为为为6MHz6MHz6MHz6MHz。80286802868028680286的的的的数数数数据据据据总总总总线线线线仍仍仍仍然然然然为为为为16161616位位位位，但但但但是是是是地地地地址址址址总总总总线线线线增增增增加加加加到到到到24242424位，使存储器寻址空间达到位，使存储器寻址空间达到位，使存储器寻址空间达到位，使存储器寻址空间达到16MB16MB16MB16MB。 19851985年年年年IBMIBM公公公公司司司司推推推推出出出出以以以以8028680286为为为为 CPUCPU的的的的 微微微微 型型型型 计计计计 算算算算 机机机机 IBM IBM PC/ATPC/AT，并并并并制制制制定定定定了了了了一一一一个个个个新新新新的的的的开开开开放放放放系系系系统统统统总总总总线线线线结结结结构构构构，这这这这就就就就是是是是的的的的工工工工业业业业标标标标准准准准结结结结构构构构（ISAISA）。该该该该结结结结构构构构提提提提供供供供了了了了一一一一个个个个1616位位位位、高高高高性性性性能能能能的的的的I/OI/O扩展总线。扩展总线。扩展总线。扩展总线。第第2 2章章 微处理器微处理器2.4.2 80386 2.4.2 80386 微处理器微处理器1 1、8038680386微处理器的主要特点微处理器的主要特点全全3232位体系：位体系：3232位地址线，位地址线，3232位位DBDB，实模式寻址实模式寻址4 4GBGB。功能结构：功能结构：6 6个逻辑单元，流水线方式工作。个逻辑单元，流水线方式工作。片内有存储器管理单元，支持分段与分页两级管理。片内有存储器管理单元，支持分段与分页两级管理。引入多任务、任务切换概念。引入多任务、任务切换概念。引入四级特权机制。引入四级特权机制。有类型、内存越限等保护特性检查。有类型、内存越限等保护特性检查。硬件支持硬件支持DEBUGDEBUG功能，可设置数据断点和功能，可设置数据断点和ROMROM断点。断点。2 2、8038680386的体系结构（略）的体系结构（略） P60P60第第2 2章章 微处理器微处理器2.4.3 804862.4.3 80486微处理器微处理器特点特点: :1 1、采用、采用RISCRISC技术，比技术，比386386增加了高速缓冲单元和浮点增加了高速缓冲单元和浮点运算单元。运算单元。2 2、CPUCPU内增加内增加8 8K K高速缓存。高速缓存。3 3、CPUCPU内有浮点运算单元（协处理器）。内有浮点运算单元（协处理器）。4 4、采用了猝发式总线的总线技术。、采用了猝发式总线的总线技术。5 5、以实模式与、以实模式与8086/80888086/8088兼容。兼容。6 6、支持多处理器系统。、支持多处理器系统。第第2 2章章 微处理器微处理器2.4.4 2.4.4 Pentium Pentium 微处理器微处理器 在体系结构上，在体系结构上， Pentium在内核中采用了在内核中采用了RISC技术，可以技术，可以说它是说它是CISC和和RISC技术相结合的产物。技术相结合的产物。64位数据线，位数据线，32位地址线。位地址线。内部有两条指令流水线。内部有两条指令流水线。第第2 2章章 微处理器微处理器2.4.5 2.4.5 Pentium Pentium 微处理器微处理器 P65P65采用双独立总线的结构。采用双独立总线的结构。大宽带总线、高处理性能。大宽带总线、高处理性能。 PentiumPentium微处理器微处理器3 3个系列个系列1515种产品，采用了种产品，采用了100100MHzMHz和和133133MHzMHz的的FSBFSB总线。片内有总线。片内有3232K K非锁定一级高速缓存和非锁定一级高速缓存和512512K K非锁非锁定二级高速缓存，增加了定二级高速缓存，增加了SSESSE新指令集新指令集第第2 2章章 微处理器微处理器2.4.7 Pentium IV 微处理器微处理器 2000年下半年，年下半年，Intel推出了代号推出了代号Willamette的处理器，的处理器，它是英特尔它是英特尔IA-32 CPU家族中最新的成员，也是英特家族中最新的成员，也是英特尔尔P6系列的终结者。这就是系列的终结者。这就是Pentium IV（P4）。）。P4 CPU基于新的基于新的32位微结构，在许多方面超过了奔腾位微结构，在许多方面超过了奔腾/等上两代的等上两代的IA-32 CPU。 NetBurst微架构微架构是是Pentinum 4处理器的基石。这里解处理器的基石。这里解释一下处理器的架构与微架构：释一下处理器的架构与微架构：处理机的架构处理机的架构指的是指的是指令集、寄存器和程序员公用的内存驻留的数据结构，指令集、寄存器和程序员公用的内存驻留的数据结构，它们在处理器的发展进程中得到继承和增强。处理机它们在处理器的发展进程中得到继承和增强。处理机的的微架构微架构指的是处理机架构在硅片上的实现。指的是处理机架构在硅片上的实现。 第第2 2章章 微处理器微处理器NetBurst微架构特点细节微架构特点细节：超流水线技术超流水线技术执行追踪执行追踪Cache快速执行引擎快速执行引擎REE 400MHz 系统总线系统总线 先进的动态执行先进的动态执行 流式流式SIMD扩充扩充2 （SSE2） Pentium IV 处理器及搭配的处理器及搭配的RDRAM内存条内存条第第2 2章章 微处理器微处理器2.4.8 新一代微处理器新一代微处理器走近走近64位位CPU 64位处理器位处理器针对的主要对象是目前对针对的主要对象是目前对32位系统感觉受位系统感觉受限制的用户。一些用来设计汽车、卫星以及一些其他限制的用户。一些用来设计汽车、卫星以及一些其他的非常复杂的产品的的非常复杂的产品的MCAD软件（机械计算机辅助设软件（机械计算机辅助设计软件）将通过计软件）将通过64位系统得到不少的性能提升。另外，位系统得到不少的性能提升。另外，超大规模的数据库软件也由于超大规模的数据库软件也由于64位的大内存寻址区域位的大内存寻址区域而获得不少优势。可见其企业级应用是相当广泛的。而获得不少优势。可见其企业级应用是相当广泛的。 Intel的的64位结构叫做位结构叫做IA-64。目前，目前，Intel同时推出了同时推出了Pentium 4以及以及Intel第一个从第一个从IA-32到到IA-64架构转换的架构转换的产品产品Itanium。 第第2 2章章 微处理器微处理器图图2-24 Intel的的64位位CPUItanium第第2 2章章 微处理器微处理器（1）IA-64架构的特点 1）更更改改现现有有工工业业标标准准体体系系，建建立立IA-64架架构构后后将将采用并行运算方式的体系；采用并行运算方式的体系；2）单单指指令令简简化化，即即每每条条指指令令执执行行的的功功能能减减少少，但执行效率变高；但执行效率变高；3）由由于于运运行行指指令令并并行行化化，并并且且采采用用了了程程序序控控制制指指令令，使使分分支支预预测测更更加加准准确确，提提高高运运算算的的利利用用效效率；率；4）增增加加程程序序运运行行时时的的并并行行运运算算预预测测能能力力，使使内内存中需要的数据更容易在存中需要的数据更容易在Cache中命中；中命中；第第2 2章章 微处理器微处理器5）增增加加内内存存的的总总容容量量，扩扩展展到到2的的64次次方方，由由原原先先的的4GB内内存存扩扩展展到到惊惊人人的的180亿亿GB容容量量，并并支支持持64位位浮浮点点数数和和32位位浮浮点点数数，高高精精度度的的数数字字计计算算，提提供供高高达达82位位的的数数据宽度。据宽度。6）利利用用GR Stack来来降降低低save/restore需需要要的的调调用用，减减少少寄寄存存 器器 使使 用用 数数 量量 ， 使使 用用 的的 是是 Register Stacker Engine（RSE），使使用用全全新新的的寄寄存存器器，总总共共128个个64位位寄寄存器，其中存器，其中32个是静态的，个是静态的，96个是动态的。个是动态的。7）现现有有流流水水线线采采用用的的是是顺顺序序结结构构，一一条条运运行行结结束束后后进进行行下一条，下一条，IA-64采用并行流水线结构，提高了工作效率。采用并行流水线结构，提高了工作效率。8）高高速速运运算算功功能能，在在平平行行运运算算时时，提提供供了了2倍倍于于运运算算频频率的运算速度。率的运算速度。第第2 2章章 微处理器微处理器（1）IA-64架构的特点 1）64位实地址模式；位实地址模式；2）通过寄存器前缀（）通过寄存器前缀（REX）来达到寄存器扩展；来达到寄存器扩展；3）增增加加8个个新新的的通通用用寄寄存存器器（GPRs），代代号号为为R8到到R15；4）扩展通用寄存器的宽度到扩展通用寄存器的宽度到64位；位；5） 增增 加加 8个个 128位位 的的 SSE寄寄 存存 器器 ， 标标 号号 为为 XMM8到到XMM15；6）新的新的RIP关联数据地址模式；关联数据地址模式；7）单一字节寄存器地址。）单一字节寄存器地址。第第2 2章章 微处理器微处理器表表2-7显显示示的的就就是是x86-64架架构构中中的的模模式式结结构构图图，并并标示了适用情况。标示了适用情况。第第2 2章章 微处理器微处理器2.5 802.5 80X86X86至至PentiumPentium系列微处理器的程序设计模型系列微处理器的程序设计模型2.5.1 2.5.1 通用寄存器通用寄存器1 1、数据寄存器：、数据寄存器：EAX EBX ECX EDX EAX EBX ECX EDX 2 2、指针寄存器和变址寄存器：指针寄存器和变址寄存器：ESP EBP ESI EDIESP EBP ESI EDI2.5.2 2.5.2 专用寄存器专用寄存器1 1、专用指针寄存器：、专用指针寄存器：EIP EFLAG EIP EFLAG 2 2、段寄存器：段寄存器：CS DS SS ES CS DS SS ES FS GSFS GS（奔腾附加段）奔腾附加段）第第2 2章章 微处理器微处理器2.6 2.6 实模式存储器寻址实模式存储器寻址 实模式实模式: :对物理存储器对物理存储器( (实际存储器实际存储器) )的的1 1M M空间进空间进行访问的寻址方式。行访问的寻址方式。2.6.1 2.6.1 段和偏移段和偏移实模式存储单元的地址实模式存储单元的地址= =段基址段基址+ +偏移地址偏移地址2.6.2 2.6.2 默认段寄存器和偏移寄存器默认段寄存器和偏移寄存器 段段 偏移偏移 主要用途主要用途 CS IP CS IP 指令地址指令地址 SS SPSS SP或或BP BP 堆栈地址堆栈地址 DS BXDS BX、DIDI、SI SI 数据地址数据地址 ES DI ES DI 串目标地址串目标地址第第2 2章章 微处理器微处理器2.6.3 2.6.3 段加偏移寻址机制允许重定位段加偏移寻址机制允许重定位 重定位重定位:完整的程序可以在存储器所允许的空间完整的程序可以在存储器所允许的空间浮动，重定位到一个新的可寻址区域。浮动，重定位到一个新的可寻址区域。 原因：原因：段地址改变，段内偏移地址不变，程序段地址改变，段内偏移地址不变，程序中的转移目标地址（偏移地址）不变。中的转移目标地址（偏移地址）不变。第第2 2章章 微处理器微处理器2.7 2.7 保护模式存储器寻址保护模式存储器寻址 P79P79 保护模式保护模式: :一种不同于实模式存储器寻址的机制，一种不同于实模式存储器寻址的机制，利用选择子（选择字）和描述符指定段基地址，具有保利用选择子（选择字）和描述符指定段基地址，具有保护性能。护性能。 选择子：选择子：存放在段寄存器，利用选择子到存储器中存放在段寄存器，利用选择子到存储器中选择描述表内的一个描述符。选择描述表内的一个描述符。 描述符：描述符：一种新的数据结构，用不同的字段描述待一种新的数据结构，用不同的字段描述待访问的存储器段的访问的存储器段的段基址、段区间的长度、访问权限段基址、段区间的长度、访问权限。 实模式和保护模式的寻址都可归结为段基址实模式和保护模式的寻址都可归结为段基址+ +偏移，偏移，但机制不同，对段寄存器的内容的解释和处理不同。但机制不同，对段寄存器的内容的解释和处理不同。第第2 2章章 微处理器微处理器2.8 2.8 内存分页内存分页 386 386以后引入的重要技术，将内存按一定的大小以后引入的重要技术，将内存按一定的大小（以（以4 4K K为为1 1页）进行分页。页）进行分页。线性地址：线性地址：程序运行时经过分段之后产生的地址。程序运行时经过分段之后产生的地址。实际上是从程序中的逻辑经过分段部件转换来的。实际上是从程序中的逻辑经过分段部件转换来的。内存分页：内存分页：通过分页机制，将线性地址透明地转换通过分页机制，将线性地址透明地转换为寻址内存的物理地址。为寻址内存的物理地址。第第2 2章章 微处理器微处理器THANK YOU VERY MUCH ! 本章到此结束，本章到此结束，谢谢您谢谢您！