《微機(jī)原理與接口技術(shù)（第2版）》第02章微處理器-CPU

第2章微處理器-CPU本章知識(shí)要點(diǎn)：

本章從科學(xué)發(fā)展的角度逐步地、由淺入深地引導(dǎo)讀者認(rèn)識(shí)微處理器的組成和發(fā)展。以微處理器領(lǐng)域內(nèi)具有代表性的16位的8086和32位的Pentium為平臺(tái)，以新-舊對(duì)比的方式介紹微處理器的組成，以及各部件的結(jié)構(gòu)、功能、操作原理等。對(duì)Pentium所采用的超標(biāo)量執(zhí)行技術(shù)、分支轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)技術(shù)、流水線(xiàn)操作技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行了說(shuō)明和剖析。本章是微機(jī)系統(tǒng)知識(shí)的核心、是重點(diǎn)、難點(diǎn)所在。重點(diǎn)是Pentium體系結(jié)構(gòu)、超標(biāo)量執(zhí)行技術(shù)、分支轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)技術(shù)、流水線(xiàn)操作技術(shù)、浮點(diǎn)流水線(xiàn)操作等先進(jìn)技術(shù)。2.1

寄存器

寄存器，從某種意義上說(shuō)，它是一個(gè)容量非常小、速度非常快、放置在CPU芯片內(nèi)的用于“暫時(shí)存放”信息的存儲(chǔ)器。除特殊用途的寄存器外，像16位的8086微處理器、32位的Pentium微處理器的8個(gè)通用寄存器，用來(lái)“暫時(shí)存放”當(dāng)前參與運(yùn)算的值或累加結(jié)果。2.1.116位寄存器

8086含14個(gè)16位寄存器，按功能可分為三類(lèi)：通用寄存器，8個(gè)段寄存器，4個(gè)控制寄存器，2個(gè)8086/8088的16位寄存器SPIPFLAGSAHALBHBLCHCLDHDLAXBXCXDXBPSIDICSDSESSS通用寄存器控制寄存器段寄存器16位16位1、通用寄存器

數(shù)據(jù)寄存器（AX，BX，CX，DX）

地址指針寄存器（SP，BP）

變址寄存器（SI，DI）地址指針寄存器SP：堆棧指針寄存器其內(nèi)容為堆棧棧頂?shù)钠频刂?；任何堆棧操作后，SP都會(huì)自動(dòng)增/減量。BP：基址指針寄存器在間接尋址中用于存放操作數(shù)的基地址；常用于訪問(wèn)存放在堆棧中的數(shù)據(jù)。變址寄存器SI：源變址寄存器，用于訪問(wèn)源操作數(shù)DI：目標(biāo)變址寄存器，用于訪問(wèn)目的操作數(shù)常用于操作數(shù)的間接尋址或變址尋址。在串操作指令中，SI存放源操作數(shù)的偏移地址，而DI存放目標(biāo)操作數(shù)的偏移地址。段寄存器用于存放邏輯段的段基地址（簡(jiǎn)稱(chēng)段地址）CS：代碼段寄存器。代碼段存放指令代碼DS：數(shù)據(jù)段寄存器ES：附加段寄存器SS：堆棧段寄存器：指示堆棧區(qū)域的位置這兩個(gè)段存放操作數(shù)堆棧段SS數(shù)據(jù)段DS/ES代碼段CS控制寄存器IP：指令指針寄存器其內(nèi)容為下一條要執(zhí)行的指令的偏移地址。FLAGS：標(biāo)志寄存器存放指令執(zhí)行結(jié)果的特征：有些指令（如算術(shù)指令）要改變FLAGS的內(nèi)容(影響FLAGS)；有些指令對(duì)FLAGS無(wú)影響。6個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位（CF，SF，AF，PF，OF，ZF）3個(gè)控制標(biāo)志位（IF，TF，DF）ODITSZAPC1502467891011FLAGS2.1.232位寄存器下面以32位的Pentium微處理器配備的寄存器為例，介紹32位的寄存器。Pentium配備的寄存器按類(lèi)可分為如下幾類(lèi)：（1）基本體系結(jié)構(gòu)寄存器：

①通用寄存器；

②指令指針寄存器；

③標(biāo)志寄存器；

④段寄存器；

（2）系統(tǒng)級(jí)寄存器：

①系統(tǒng)寄存器；

②系統(tǒng)地址寄存器；（３）調(diào)試和測(cè)試寄存器：（４）浮點(diǎn)寄存器：AXBXCXDXBPSIDISPEAXEBXECXEDXEBPESIEDIESP累加寄存器基地址寄存器計(jì)數(shù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器基地址指針寄存器源變址寄存器目標(biāo)變址寄存器堆棧指針寄存器32位寄存器名稱(chēng)中間是16位寄存器名稱(chēng)AHBHCHDHALBLCLDL斜體表示8位寄存器名稱(chēng)163115078通用寄存器代碼段寄存器CS堆棧段寄存器SS數(shù)據(jù)段寄存器DS附加數(shù)據(jù)段寄存器ES附加數(shù)據(jù)段寄存器FS附加數(shù)據(jù)段寄存器GS段寄存器代碼段寄存器CS堆棧段寄存器SS015310

標(biāo)志寄存器FLAGS

指令指針寄存器IP標(biāo)志和指令指針寄存器下面展示出Pentium配備的通用寄存器、指令指針寄存器、標(biāo)志寄存器以及段寄存器

01234576891011121314151617181920213122CFPFAF00ZF1SFTFIFDFOFNTIOPL0RFVMACVIFVIPID00ID：標(biāo)識(shí)標(biāo)志(X)VIP：虛擬中斷掛起標(biāo)志(X)VIF：虛擬中斷標(biāo)志(X)AC：對(duì)準(zhǔn)檢查(X)VM：虛擬8086模式(X)RF：恢復(fù)標(biāo)志(X)NT：嵌套任務(wù)標(biāo)志(X)IOPL：I/O特權(quán)級(jí)標(biāo)志(X)OF：溢出標(biāo)志(S)DF：方向標(biāo)志(C)IF：允許中斷標(biāo)志(X)TF：自陷標(biāo)志(X)SF：符號(hào)標(biāo)志(S)ZF：零標(biāo)志(S)AF：輔助進(jìn)位標(biāo)志(S)PF：奇偶校驗(yàn)標(biāo)志(S)CF：進(jìn)位標(biāo)志(S)這些標(biāo)志不僅控制著微處理器的某些操作，且隨時(shí)隨地的指示出微處理器的狀態(tài)。標(biāo)志寄存器內(nèi)不僅有狀態(tài)和控制標(biāo)志，而且還有幾位是系統(tǒng)標(biāo)志位。

0000000000000000000000000

E

頁(yè)故障線(xiàn)性地址寄存器

保留VMEPVITSDPSEMCEDE0PWTPCDO123456731CR4CR3CR2CR103412113116151615313100控制寄存器Pentium由于控制管理的需要，又配備了5個(gè)控制寄存器。在這5個(gè)控制寄存器中保存著全局性的和任務(wù)無(wú)關(guān)的機(jī)器狀態(tài)。這5個(gè)控制寄存器連同存儲(chǔ)管理寄存器一起，保存著影響系統(tǒng)中所有任務(wù)的機(jī)器狀態(tài)

CR0不寫(xiě)貫穿禁止Cache允許分頁(yè)P(yáng)EMPEMTSETNEWPAMNWCDPG對(duì)準(zhǔn)屏蔽寫(xiě)保護(hù)數(shù)值錯(cuò)擴(kuò)展類(lèi)型任務(wù)切換模擬浮點(diǎn)部件監(jiān)控浮點(diǎn)部件允許保護(hù)

從功能上劃分，8086分為兩大部分，總線(xiàn)接口部件BIU

執(zhí)行部件EU兩個(gè)部件各自獨(dú)立工作

EU部件負(fù)責(zé)執(zhí)行指令。BIU負(fù)責(zé)指令和數(shù)據(jù)傳送，為EU提供要執(zhí)行的指令。2．2微處理器的組成原理2．2．116位微處理器的組成原理16位ALUFLAGS內(nèi)部總線(xiàn)指令隊(duì)列緩沖器外部總線(xiàn)總線(xiàn)接口單元(BIU)執(zhí)行單元(EU)AHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISIAXBXCXDX通用寄存器EU控制電路Q(chēng)總線(xiàn)CSDSSSESIP內(nèi)部暫存器16位8位總線(xiàn)

控制邏輯地址加法器數(shù)據(jù)總線(xiàn)512346暫存寄存器20位段寄存器2．2．2．8086／8088的不足

微機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展、日新月異，新技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)，層出不窮，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了64位雙核的微處理器時(shí)代。從現(xiàn)實(shí)的角度，回頭再看16位的8086，并與當(dāng)前32微處理器比較后發(fā)現(xiàn)：在以下幾個(gè)方面。1．存儲(chǔ)器容量小。2．時(shí)鐘頻率低。3．計(jì)算精度低。4．技術(shù)含量低。5．存取速度低。2．2．332位微處理器組成原理

以Pentium為平臺(tái)，對(duì)32位微處理器的組成原理進(jìn)行討論。Pentium擁有32位微處理器的全部特征，這些先進(jìn)的技術(shù)配置包括：

⑴超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)、⑵動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移、⑶流水線(xiàn)操作的浮點(diǎn)部件、⑷改進(jìn)了性能的指令執(zhí)行計(jì)時(shí)、⑸分離式的8KB的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache、⑹數(shù)據(jù)Cache中采用了寫(xiě)回的MESI協(xié)議、⑺64位數(shù)據(jù)總線(xiàn)、⑻總線(xiàn)周期的流水線(xiàn)技術(shù)、⑼地址奇偶校驗(yàn)、⑽內(nèi)部奇偶校驗(yàn)等。

Pentium結(jié)構(gòu)

Pentium是由總線(xiàn)接口部件（64位的）、存儲(chǔ)管理部件（分段、分頁(yè)管理部件）、指令Cache、數(shù)據(jù)Cache、分支轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩沖存儲(chǔ)器、控制ROM部件、控制部件、預(yù)取緩沖部件、指令譯碼部件、整數(shù)運(yùn)算部件、整數(shù)及浮點(diǎn)數(shù)寄存器組、浮點(diǎn)運(yùn)算部件等功能組成。見(jiàn)圖2-9Pentium微處理器邏輯

（１）總線(xiàn)接口部件（２）預(yù)取緩沖部件（３）指令譯碼部件譯碼操作，一是檢查一條指令的格式，二是確定它是哪種類(lèi)型操作的指令，并給出這條指令所需的操作數(shù)。（４）控制部件

負(fù)責(zé)解釋來(lái)自指令譯碼部件的指令字和控制ROM的微代碼?？刂撇考妮敵隹刂浦麛?shù)流水線(xiàn)部件和浮點(diǎn)部件。

（5）執(zhí)行部件

是微處理器用于執(zhí)行指令所規(guī)定的具體操作的CPU的核心硬件部分。這些非常具體的操作是指諸如數(shù)值運(yùn)算、邏輯操作以及分支轉(zhuǎn)移處理等。（6）分段部件

Pentium的存儲(chǔ)管理是采用了分段存儲(chǔ)管理技術(shù)和分頁(yè)存儲(chǔ)管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。分段部件的功能是，將由程序提供的邏輯地址轉(zhuǎn)換成一種線(xiàn)性地址。（7）分頁(yè)部件

Pentium微處理器的分頁(yè)存儲(chǔ)管理部件，在整個(gè)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)內(nèi)采用的是二級(jí)分頁(yè)管理機(jī)制。（8）浮點(diǎn)部件（9）Cache部件

2．3

Pentium采用的新技術(shù)

2.3.1超標(biāo)量執(zhí)行超標(biāo)量是指那種擁有多條指令流水線(xiàn)，并在每個(gè)時(shí)鐘周期中可執(zhí)行一條以上的指令（在理想情況下）的微處理器處理指令的操作方式。

Pentium的超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)，配備有三條流水線(xiàn)，一條是執(zhí)行浮點(diǎn)指令的浮點(diǎn)部件內(nèi)的浮點(diǎn)流水線(xiàn)，而另兩條則是整數(shù)運(yùn)算部件內(nèi)執(zhí)行整數(shù)指令的U流水線(xiàn)和V流水線(xiàn)。這樣就使得Pentium擁有了可同時(shí)執(zhí)行3條指令的能力。

控制字譯碼生成存儲(chǔ)器地址

控制字譯碼生成存儲(chǔ)器地址訪問(wèn)數(shù)據(jù)Cache

或ALU計(jì)算

訪問(wèn)數(shù)據(jù)Cache

或ALU計(jì)算

寫(xiě)結(jié)果

寫(xiě)結(jié)果

取指令且對(duì)準(zhǔn)

指令譯碼生成控制字PFD1D2EXWBV流水線(xiàn)U流水線(xiàn)超標(biāo)量執(zhí)行

2．3．2

分支轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)技術(shù)

分支轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)和推測(cè)執(zhí)行技術(shù)

為了提高CPU的運(yùn)行速度。推測(cè)執(zhí)行是建立在分支轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上的一項(xiàng)技術(shù)。推測(cè)執(zhí)行是指允許CPU去處理那些不一定總能被執(zhí)行的指令，例如，跳過(guò)條件的分支轉(zhuǎn)移。在經(jīng)分支轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)程序預(yù)測(cè)判斷之后，決定是否進(jìn)行分支轉(zhuǎn)移，接下來(lái)所要進(jìn)行的處理就是推測(cè)執(zhí)行。

2.分支轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)判斷

由于Pentium采用了這項(xiàng)技術(shù)，可以在無(wú)延遲的情況下正確地預(yù)測(cè)各種轉(zhuǎn)移。另外，V流水線(xiàn)中的條件轉(zhuǎn)移指令可以與一條比較類(lèi)指令成對(duì)執(zhí)行，當(dāng)然也可以與U流水線(xiàn)中的置標(biāo)志指令配合執(zhí)行。但Pentium作到了與現(xiàn)有軟件是完全兼容，所以不必修改現(xiàn)有軟件。2.3.3流水線(xiàn)技術(shù)

流水線(xiàn)操作(Pipeline)，類(lèi)似于大工業(yè)生產(chǎn)的“裝配線(xiàn)”設(shè)計(jì)，Pentium微處理器的流水線(xiàn)操作是指把指令的操作處理分解成許多更小的操作步驟或操作階段，每個(gè)操作步驟或操作階段都由各自獨(dú)立的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)一條指令執(zhí)行完了一個(gè)操作步驟之后，它就按順序進(jìn)入到流水線(xiàn)操作的下一個(gè)操作步驟，而前一個(gè)操作步驟則會(huì)繼續(xù)處理后續(xù)的指令。

2.Pentium整數(shù)流水線(xiàn)

Pentium的整數(shù)流水線(xiàn)操作是由

預(yù)取PF、

首次譯碼D1、

二次譯碼D2、

執(zhí)行EX、

寫(xiě)回WB

共五個(gè)操作步驟組成。非流水線(xiàn)操作

為了更好地說(shuō)明流水線(xiàn)操作技術(shù)，以及更好地認(rèn)識(shí)流水線(xiàn)操作的技術(shù)進(jìn)步，先從非流水線(xiàn)操作認(rèn)識(shí)起

當(dāng)一條指令在執(zhí)行的過(guò)程之中時(shí)，其他指令則要眼吧吧地看著這條指令的執(zhí)行，等待著這條指令的完成。只有前一條指令經(jīng)歷了這五個(gè)操作步驟，完成了這條指令的操作，下一條指令才可得以進(jìn)入指令的執(zhí)行，同樣又是五個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)間，同樣又是其他指令的等待。這種非流水線(xiàn)操作方式并沒(méi)有把計(jì)算機(jī)執(zhí)行的時(shí)間資源有效地利用起來(lái)指令流水線(xiàn)操作

Pentium整數(shù)指令的執(zhí)行要經(jīng)過(guò)指令預(yù)取PF、指令首次譯碼D1、二次譯碼D2、指令執(zhí)行EX和寫(xiě)回WB這五個(gè)操作步驟。

在流水線(xiàn)內(nèi)會(huì)有5條指令同時(shí)執(zhí)行。

指令流水線(xiàn)操作

Pentium微處理器是一種能夠以并行方式同時(shí)執(zhí)行兩條指令的超標(biāo)量機(jī)器。兩條指令按照流水線(xiàn)操作的5個(gè)操作步驟以并行方式執(zhí)行操作，使得整數(shù)指令能夠在一個(gè)時(shí)鐘里，在兩條流水線(xiàn)上同時(shí)執(zhí)行

指令配對(duì)規(guī)則①配對(duì)兩條指令必須是所謂的“簡(jiǎn)單”指令；②兩條指令之間不得存在“寫(xiě)后讀”或“寫(xiě)后寫(xiě)”這樣的寄存器相關(guān)性；③一條指令不能同時(shí)既包含位移量又包含立即數(shù)；帶前綴(JCC指令的OF除外)的指令只能出現(xiàn)在U流水線(xiàn)中。1．

8086的兩種操作模式最小模式最大模式2.4

操作模式2.32位微處理器的操作模式32位的Pentium微處理器有兩種主要的操作模式及一種“系統(tǒng)管理模式”。操作模式?jīng)Q定可使用哪些指令及體系結(jié)構(gòu)特性。這些模式如下：（1）保護(hù)模式這是微處理器的本機(jī)狀態(tài)，在這個(gè)模式下所有指令及體系結(jié)構(gòu)特性均可以使用。（2）實(shí)地址模式（也稱(chēng)實(shí)模式）這種模式提供了8086微處理器的程序設(shè)計(jì)環(huán)境，并有一些擴(kuò)展功能（如退出該模式，復(fù)位時(shí)把處理器置于實(shí)模式，也可以通過(guò)一條指令使處理器切換到保護(hù)模式。（3）系統(tǒng)管理模式

Pentium微處理器還支持系統(tǒng)存儲(chǔ)管理模式（SMM），SMM是所有新的Intel微處理器（從80386微處理器開(kāi)始）所特有的一種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)特性。2.5浮點(diǎn)部件

Pentium通過(guò)芯片內(nèi)的浮點(diǎn)部件把浮點(diǎn)技術(shù)表現(xiàn)得淋漓盡致，由于Pentium微處理器把浮點(diǎn)部件與整數(shù)部件、分段部件、分頁(yè)部件等都集成到同一芯片之內(nèi)，而且執(zhí)行的是流水線(xiàn)操作方式。把整個(gè)浮點(diǎn)部件設(shè)計(jì)成每個(gè)時(shí)鐘周期都能夠進(jìn)行一次浮點(diǎn)操作，每個(gè)時(shí)鐘周期可以接受兩條浮點(diǎn)指令，但是其中的一條浮點(diǎn)指令必須是交換類(lèi)的指令。對(duì)程序設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，可把Pentium芯片內(nèi)的浮點(diǎn)部件FPU看成是一組輔助寄存器，是數(shù)據(jù)類(lèi)型的擴(kuò)展；還可以把浮點(diǎn)部件的指令系統(tǒng)看成是Pentium指令系統(tǒng)的一個(gè)子集。

Pentium的浮點(diǎn)部件是在80486浮點(diǎn)部件的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)而成。其整體性能比80486性能會(huì)高出5倍之多。2．5．1浮點(diǎn)部件體系結(jié)構(gòu)1．?dāng)?shù)值寄存器

Pentium浮點(diǎn)部件的數(shù)值寄存器是由8個(gè)80位的數(shù)值寄存器、三個(gè)16位的寄存器等構(gòu)成。其中，這8個(gè)80位的能各自獨(dú)立進(jìn)行尋址的數(shù)值寄存器，又可用來(lái)構(gòu)成一個(gè)寄存器堆棧。

06463787910標(biāo)志字段R7R6R5R4R3R2R1R0符號(hào)有效數(shù)位指數(shù)

而3個(gè)16位的寄存器分別稱(chēng)之為浮點(diǎn)部件FPU的狀態(tài)字寄存器、浮點(diǎn)部件控制字寄存器和標(biāo)記字寄存器。150控制字寄存器狀態(tài)字寄存器標(biāo)記字寄存器

2．狀態(tài)字寄存器

Pentium片內(nèi)浮點(diǎn)部件狀態(tài)字寄存器內(nèi)容反映的是浮點(diǎn)部件的全部狀態(tài)和環(huán)境。根據(jù)其作用狀態(tài)字又可以進(jìn)一步細(xì)分成兩個(gè)字段：一個(gè)是異常事故標(biāo)志字段，另一個(gè)則是狀態(tài)位字段。首先用一條存放在存儲(chǔ)器中的浮點(diǎn)操作指令檢查狀態(tài)字，然后再使用Pentium指令代碼再檢查各位狀態(tài)。條件碼棧頂指針浮點(diǎn)部件正忙無(wú)效操作事故非規(guī)格式化操作數(shù)除數(shù)為零溢出標(biāo)志下溢事故精度事故堆棧故障異常概括出錯(cuò)狀態(tài)IEDEZEOEUEPESFESC0C1C2C3BTOP012345678910111314153．控制字寄存器控制字內(nèi)包括有事故屏蔽,允許中斷屏蔽以及若干控制位。圖中示出了控制字格式以及各字段的意義。精度操作圓整操作保留無(wú)效操作非規(guī)格式化操作數(shù)除數(shù)為零上溢下溢精度異常事故屏蔽保留IMDMZMOMUMPMRXCPCX0123456789101113141512XXXX（無(wú)窮大控制）4．標(biāo)記字寄存器標(biāo)記字的功能優(yōu)化了浮點(diǎn)部件的性能，圖中展示出標(biāo)記字各字段，從圖中可