分析Intel公司Pentium系列CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計.doc

分析Intel公司Pentium系列CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計一、課題分析承接著80486大獲成功的東風，賺大筆美金的Intel在1993年推出了全新一代的高性能處理器Pentium。Pentium CPU它是世界上第一款與數(shù)字無關(guān)的處理器，堪稱為當代CISC機器的經(jīng)典之作。由運算器和控制器組成中央微處理器即CPU。要分析Intel公司Pentium CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計,首先我們要對Pentium CPU的結(jié)構(gòu)和功能進行深刻的了解，進而對它的優(yōu)點和缺點進行分析，最后針對缺點進行假想，從而寫出一份針對Pentium CPU的改進方案。我將從以下幾個方面對其進行分析： 1. 核心技術(shù) 2. 發(fā)展進程 3. Pentium的結(jié)構(gòu)框圖 4. Pentium性能簡介 5. 原理結(jié)構(gòu) 6. 多Cache技術(shù) 7. 超標量流水線 8. 問題及建議工作安排：分工表王宏斌分析Pentium及早期Pentium cpu殷賢波分析Pentium II 與Pentium VI 比較金小敏分析Pentium III 與Pentium VI 比較匯總總結(jié)分析Pentium 系列機結(jié)構(gòu)特點二、Pentium系列CPU總體概況分析 奔騰商標Pentium是英特爾的第五代x86架構(gòu)之微處理器，于1993年3月22日開始出貨，是486產(chǎn)品線的后代。Pentium本應命名為80586或 i586，后來命名為“Pentium”（通常認為“pentium”是希臘文“五（penta）”加拉丁文中代表名詞的接尾語“ium”的造詞），是因為阿拉伯數(shù)字無法被用作注冊商標。i586被使用在英特爾競爭對手所制造的類80586的微處理器。1核心技術(shù)Tualatin這也就是大名鼎鼎的“圖拉丁”核心，是Intel在Socket 370架構(gòu)上的最后一種CPU核心，采用0.13m 制造工藝，封裝方式采用FC-PGA2和PPGA，核心電壓也降低到了1.5V左右，主頻范圍從1GHz到1.4GHz，外頻分別為100MHz（賽揚）和133MHz（Pentium III），二級緩存分別為512KB（Pentium III-S）和256KB（Pentium III和賽揚），這是最強的Socket 370核心，其性能甚至超過了早期低頻的Pentium 4系CPU。WillametteNetburst微架構(gòu)是P6微架構(gòu)的后繼者，第一個使用這架構(gòu)的是Willamette核心，于2000年推出。Willamette核心制造工藝落后，發(fā)熱量大，性能低下，已經(jīng)被淘汰掉，而被Northwood核心所取代。Northwood第二個Pentium4核心，代號為Northwood，改用了更為精細的0.13微米制程，集成了更大的512KB二級緩存，性能有了大幅的提高。按照Intel的規(guī)劃，Northwood核心會很快被Prescott核心所取代。PrescottPrescott核心的P4處理器發(fā)熱量要比Northwood核心的大很多。性能接近。這是目前高端的Pentium 4 EE、主流的Pentium 4和低端的Celeron D所采用的核心。Prescott核心與Northwood核心最大的區(qū)別是采用了90nm制造工藝，L1 數(shù)據(jù)緩存從8KB增加到16KB，流水線結(jié)構(gòu)也從20級增加到了31級，并且開始支持SSE3指令集。按照Intel的規(guī)劃，Prescott核心會被Cedar Mill核心取代。Smithfield這是Intel公司的第一款雙核心處理器的核心類型，于2005年4月發(fā)布，基本上可以認為Smithfield核心是簡單的將兩個Prescott核心松散地耦合在一起的產(chǎn)物，這是基于獨立緩存的松散型耦合方案，其優(yōu)點是技術(shù)簡單，缺點是性能不夠理想。其數(shù)據(jù)延遲問題比較嚴重，性能并不盡如人意。按照Intel的規(guī)劃，Smithfield核心將會很快被Presler核心取代。Cedar Mill這是Pentium 4 6X1系列和Celeron D 3X2/3X6系列采用的核心，從2005末開始出現(xiàn)。其與Prescott核心最大的區(qū)別是采用了65nm制造工藝，其它方面則變化不大，基本上可以認為是Prescott核心的65nm制程版本。Cedar Mill核心也是Intel處理器在NetBurst架構(gòu)上的最后一款單核心處理器的核心類型，按照Intel的規(guī)劃，Cedar Mill核心將逐漸被Core架構(gòu)的Conroe核心所取代。Presler這是Pentium D 9XX和Pentium EE 9XX采用的核心，Intel于2005年末推出。基本上可以認為Presler核心是簡單的將兩個Cedar Mill核心松散地耦合在一起的產(chǎn)物，是基于獨立緩存的松散型耦合方案，其優(yōu)點是技術(shù)簡單，缺點是性能不夠理想。按照Intel的規(guī)劃，Presler核心從2006年第三季度開始將逐漸被Core架構(gòu)的Conroe核心所取代。Yonah目前采用Yonah核心CPU的有雙核心的Core Duo和單核心的Core Solo，另外Celeron M也采用了此核心，Yonah是Intel于2006年初推出的。這是一種單/雙核心處理器的核心類型，其在應用方面的特點是具有很大的靈活性，既可用于桌面平臺，也可用于移動平臺；既可用于雙核心，也可用于單核心。Yonah核心來源于移動平臺上大名鼎鼎的處理器Pentium M的優(yōu)秀架構(gòu)，具有流水線級數(shù)少、執(zhí)行效率高、性能強大以及功耗低等等優(yōu)點。Yonah核心是共享緩存的緊密型耦合方案，其優(yōu)點是性能理想，缺點是技術(shù)比較復雜。不過，按照Intel的規(guī)劃，以后Intel各個平臺的處理器都將會全部轉(zhuǎn)移到Core架構(gòu)，Yonah核心其實也只是一個過渡的核心類型，從2006年第三季度開始，其在桌面平臺上將會被Conroe核心取代，而在移動平臺上則會被Merom核心所取代。2發(fā)展進程Pentium的由來繼承著80486大獲成功的東風，賺大筆美金的Intel在1993年推出了全新一代的高性能處理器Pentium。由于市場競爭越來越趨向于激烈化，Intel覺得不能再讓AMD和其他公司用同樣的名字來搶自己的飯碗了，于是提出了商標注冊，由于在美國的法律里是不允許用阿拉伯數(shù)字注冊的，于是Intel玩了個花樣，用拉丁文去注冊商標?！皃entium”在拉丁文里面就是“五”的意思。Intel公司還替它起了一個相當好聽的中文名字奔騰。 Intel 奔騰處理器 486后的改版 超標量(Superscalar) 架構(gòu) - Pentium 擁有兩個資料路徑 (管線, pipelines)，可以達到在一個時鐘周期內(nèi)完成一個以上的指令。一個管線 (稱為U) 可以處理任何的指令，而另外一個 (稱為V) 可以處理簡單，最共同的指令。使用一個以上的管線是傳統(tǒng) RISC處理器設(shè)計的特色，這也是在許多 x86 平臺上第一個實作出來的，顯示有將兩種技術(shù)合并的可能性，創(chuàng)造出幾乎“混合在一起”的處理器。Pentium MMX接著，P55C 也以 Pentium with MMX Technology 推出 (通常只稱為 Pentium MMX)；他是以 P5 核心為基礎(chǔ)，0.35 µm 制程也在這個系列中使用，但是擁有新的 57 個 MMX 指令集來增進多媒體工作的效率，像是媒體的編碼跟解壓縮。然而，軟體必須明確地對於使用 MMX 做最佳化，以及 P55C 顯示出速度增加的幻象主要是來自於內(nèi)部快取(cache)的容量變成兩倍為 32 KB。 Intel奔騰MMX處理器PentiumPro初步占據(jù)了一部分CPU市場的INTEL并沒有停下自己的腳步，在其他公司還在不斷追趕自己的奔騰之際，又在1996年推出了最新一代的第六代X86系列CPU棗P6。P6只是它的研究代號，上市之后P6有了一個非常響亮的名字棗PentimuPro。 Intel奔騰 Pro處理器PentimuPro的內(nèi)部含有高達550萬個的晶體管，內(nèi)部時鐘頻率為133MHZ，處理速度幾乎是100MHZ的PENTIUM的2倍。PentimuPro的一級(片內(nèi))緩存為8KB指令和8KB數(shù)據(jù)。 Pentium II為英特爾推出的一枚X86架構(gòu)的處理器，基于PentiumPro使用的P6微處理架構(gòu)，但另一方面它的16位元處理能力獲得優(yōu)化，并加入MMX指令集。與Pentium及PentiumPro處理器不同，PentiumII使用一種插槽式設(shè)計。處理器芯片與其他相關(guān)芯片皆在一塊類似子卡的電路板上，而電路板上有一塊塑膠蓋，有時亦有一風扇。PentiumII亦把L2放到這電路板上，但只運行處理器時脈一半的速度。此舉增加處理器的良率，從而減低制作成本。 Intel奔騰處理器Pentium III同年，英特爾又發(fā)布了Pentium III處理器。從Pentium III開始，英特爾又引入了70條新指令(SIMD，SSE)，主要用于因特網(wǎng)流媒體擴展(提升網(wǎng)絡(luò)演示多媒體流、圖像的性能)、3D、流式音頻、視頻和語音識別功能的提升。Pentium III可以使用戶有機會在網(wǎng)絡(luò)上享受到高質(zhì)量的影片，并以3D 的形式 參觀在線博物館、商店等。 第一代Pentium III處理器 (Katmai)Pentium IV2000年英特爾發(fā)布了Pentium 4處理器。用戶使用基于Pentium 4處理器的個人電腦，可以創(chuàng)建專業(yè)品質(zhì)的影片，透過因特網(wǎng)傳遞電視品質(zhì)的影像，實時進行語音、影像通訊，實時3D渲染，快速進行MP3編碼解碼運算，在連接因特網(wǎng)時運行多個多媒體軟件。這是目前空前強大的個人電腦處理器產(chǎn)品，仍然在繼續(xù)銷售中。Pentium 4處理器集成了4200萬個晶體管，到了改進版的Pentium 4(Northwood)更是集成了5千5百萬個晶體管；并且開始采用0.18微米進行制造，初始速度就達到了1.5GHz。Pentium 4還提供的SSE2指令集，這套指令集增加144個全新的指令，在128bit壓縮的數(shù)據(jù)，在SSE時，僅能以4個單精度浮點值的形式來處理，而在SSE2指令集，該資料能采用多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來處理：4個單精度浮點數(shù)(SSE)對應2個雙精度浮點數(shù)(SSE2)；對應16字節(jié)數(shù)(SSE2)；對應8個字數(shù)(word)；對應4個雙字數(shù)(SSE2)；對應2個四字數(shù)(SSE2)；對應1個128位長的整數(shù)(SSE2) 。 第一代的Pentium4（Socket423）處理器 Pentium MPentiumM：由以色列小組專門設(shè)計的新型移動CPU，Pentium M是英特爾公司的x86架構(gòu)微處理器，供筆記簿型個人電腦使用，亦被作為Centrino的一部分，于2003年3月推出。Pentium D2005年Intel推出的雙核心處理器有Pentium D和Pentium Extreme Edition，同時推出945/955/965/975芯片組來支持新推出的雙核心處理器，采用90nm工藝生產(chǎn)的這兩款新推出的雙核心處理器使用是沒有針腳的LGA 775接口，但處理器底部的貼片電容數(shù)目有所增加，排列方式也有所不同。桌面平臺的核心代號Smithfield的處理器，正式命名為Pentium D處理器，除了擺脫阿拉伯數(shù)字改用英文字母來表示這次雙核心處理器的世代交替外，D的字母也更容易讓人聯(lián)想起Dual-Core雙核心的涵義。Pentium EE同出自Intel之手，而且Pentium D和Pentium Extreme Edition兩款雙核心處理器名字上的差別也預示著這兩款處理器在規(guī)格上也不盡相同。其中它們之間最大的不同就是對于超線程（Hyper-Threading）技術(shù)的支持。Pentium D不支持超線程技術(shù)，而Pentium Extreme Edition則沒有這方面的限制。在打開超線程技術(shù)的情況下，雙核心Pentium Extreme Edition處理器能夠模擬出另外兩個邏輯處理器，可以被系統(tǒng)認成四核心系統(tǒng)。Pentium E2200經(jīng)歷了Core2Duo處理器對高端市場的洗禮之后，Intel在07年第二季度推出了新一代的低端雙核心處理器PentiumE2000系列，主要面向注重性價比的入門級雙核處理器市場。首批推出的PentiumE2000系列包括兩款產(chǎn)品，分別為E2160和E2140，頻率只有1.8GHz和1.6GHz，但性能十分強大，已經(jīng)能夠滿足多數(shù)用戶的需求。但Intel并沒有就此作罷，在稍后除PentiumE2000系列處理器全部升級到M0核心之外，日前正式發(fā)布了頻率更高的PentiumE處理器頻率提高到2.2GHz的PentiumE2200。Pentium G620Pentium G620可以看成Core i3 2100的進一步精簡版，包括不支持AVX指令集等Sandy Bridge的新特性。Pentium G620是基于Sandy Bridge微架構(gòu)，采用32nm制作工藝、CPU部分是雙核/雙線程設(shè)計、LGA 1155接口、主頻為2.6GHZ、外頻為100MHZ（不可超頻），內(nèi)置HD Graphics核芯顯卡，擁有6組EU執(zhí)行單元，CPU與GPU共享3MB高速緩存。3 Pentium的結(jié)構(gòu)框圖BTB轉(zhuǎn)移目標緩沖 指令cache 8k欲取緩沖指令譯碼控制ROM頁面部 件控制部件地址 地址產(chǎn)生 產(chǎn)生（U流水線）（V流水線）浮點部件整數(shù)寄存器堆ALU (U) ALU 桶形移位器數(shù)據(jù)cache 8kTLBLB控制加法除法乘法TLB 寄存器堆總線部件 Pentium CPU結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)界面L2 cacher 和 控制BTB及1-TLB轉(zhuǎn)移目標緩沖器取指譯碼跟蹤cacher微指令碼 ROM換名分配微指令隊列調(diào)度器整數(shù)寄存器組浮點寄存器組存數(shù)地址生成取數(shù)地址生成浮點存儲浮點傳送浮點乘浮點除 MMXL1數(shù)據(jù) cacher和D-TLBALUALUALUALU Pentium-4 CPU結(jié)構(gòu)框圖 奔騰處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)三、詳細分析1 Pentium性能簡介1993年3月Intel公司推出了第五代微處理器Pentium Pentium是微處理器本質(zhì)上的一次創(chuàng)新。Pentium采用了0.8m雙極性互補金屬氧化半導體（BiCMOS）技術(shù)，它屬于單芯片超標量流水線微處理器，片內(nèi)集成了多達310萬個晶體管，工作電壓+5V，功耗15W。片內(nèi)時鐘頻率（微處理器主頻）與外片主總線的時鐘頻率相等，均為60MHz或66MHz兩種。 1994年3月之后推出的Pentium（P54C）采用了0.6m的CMOS技術(shù)，工作電壓降為3.3V，功耗降至4W。主總線時鐘頻率有50MHz、60MHz以及66MHz等，經(jīng)倍頻后作為Pentium（P54C）內(nèi)部的時鐘頻率（主頻），表3-1列出了幾種Pentium（P54C）的主頻與工作電壓。幾種Pentium的主頻與工作電壓 型 號 主總線時鐘頻（MHz） 倍數(shù)因子 主頻（MHz） 工作電壓 Pentium90 601.5903.3V或2.9V Pentium100 601.51003.3V Pentium120 6021203.3VPentium133 6021333.3VPentium150 602.51503.3VPentium166 662.51663.3VPentium200 6632003.3VPentium通往外部存儲器的數(shù)據(jù)總線為64位，CPU內(nèi)部主要寄存器的寬度仍然為32位，那么Pentium、Pentium（P54C）應該是32位微處理器。外部64位數(shù)據(jù)總線（D63-D0）每次可同時傳輸8字節(jié)的二進制信息，若選用主總線時鐘頻率66MHz計算，即存儲器總線的時鐘頻率也為66MHz，則Pentium與主存儲器交換數(shù)據(jù)的速率可為528MB/S。2 Pentium的原理結(jié)構(gòu)Pentium CPU內(nèi)部的主要部件：總線接口部件U流水線和V流水線指令高速緩沖存儲器Cache數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器Cache指令預取部件指令譯碼器浮點處理部件FPU分支目標緩沖器BTB微程序控制器中的控制ROM寄存器組Pentium微處理器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖所示所以Pentium CPU堪稱為當代CISC機器的經(jīng)典之作。四、側(cè)重點分析與研究1 多Cache技術(shù)80486 CPU中有8KB的指令和數(shù)據(jù)共用的cache。而奔騰CPU則分設(shè)指令cache和數(shù)據(jù)cache，各8KB。指令cache是只讀的，以單端口256位(32B)向指令預取緩沖器提供超長指令字代碼。數(shù)據(jù)cache是可讀可寫的，雙端口，每個端口32位，與U，V兩條流水線交換整數(shù)數(shù)據(jù)，或組合成一個64位端口與浮點運算部件交換浮點數(shù)據(jù)。兩個cache與64位數(shù)據(jù)、32位地址的CPU內(nèi)部總線相連接。 兩個cache都使用物理地址。每個cache都有一個后援緩沖器TLB，負責將TLB命中的線性地址轉(zhuǎn)換成32位物理地址。2 超標量流水線超標量流水線是pentium系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心。它由U和V兩條指令流水線構(gòu)成，每條流水線都有自已的ALU、地址生成電路、與數(shù)據(jù)cache的接口?？刂芌OM屬于微程序控制器，其中存放一組解釋指令操作順序的微指令代碼。兩個地址生成器用于計算存儲器操作數(shù)地址。各種模式下的邏輯地址最終要轉(zhuǎn)換成物理地址來訪問數(shù)據(jù)cache，并用轉(zhuǎn)換后援（旁視）緩沖器TLB來加速這種地址轉(zhuǎn)換過程。寄存器堆有8個32位整數(shù)寄存器，用于地址計算、保存ALU的源操作數(shù)和目的操作數(shù)。五、存在問題及改進建議要講，就必須先講指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)指的是一個所能夠處理的全部指令的集合，是一個的根本屬性。之所以說指令系統(tǒng)是一個的根本屬性，是因為指令系統(tǒng)決定了一個能夠運行什么樣的程序，進行什么操作。所有采用高級語言編出的程序，都需要翻譯（編譯或解釋）成為機器語言后才能運行，這些機器語言就是由一條條的指令組成的。 通常，一條指令包括兩個部分：操作碼和地址碼。操作碼其實就是指令序列號，用來告訴需要執(zhí)行哪一條指令。地址碼則復雜一些，主要包括源操作數(shù)地址、目的操作數(shù)地址。在某些指令中，地址碼可以部分或全部省略，比如一條空指令 就只有操作碼而沒有地址碼。 從微處理器的指令系統(tǒng)來看，目前主要有兩種發(fā)展趨勢，一個是，一個是。 的產(chǎn)生、發(fā)展和現(xiàn)狀某一系列，如 系列機，為了增加新的功能與提高速度，越來越多的復雜指令被加入到指令系統(tǒng)中。但是，這樣就導致一個問題：一個指令系統(tǒng)的指令數(shù)是受指令操作碼的位數(shù)所限制的，如果操作碼為位，那么指令數(shù)最多 為條（的次方）。那么怎么辦呢？指令的寬度是很難增加的，聰明的設(shè)計師們又想出了一種方案