1、微機(jī)原理,馬洪兵 62785531(O), 62775255(H) 答疑時(shí)間：星期一下午 答疑地點(diǎn)：東主樓9區(qū)314,第二章 Pentium微處理器的體系結(jié)構(gòu),2.1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的含義 2.2 Pentium微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2.3 實(shí)模式軟件體系結(jié)構(gòu) 2.4 保護(hù)模式軟件體系結(jié)構(gòu) 2.5 浮點(diǎn)部件軟件體系結(jié)構(gòu),2.1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的含義,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) = computer architecture (計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)),計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是程序員所看到的系統(tǒng)的一些屬性： 概念性的結(jié)構(gòu)和功能上的表現(xiàn)，這些屬性既不同于數(shù)據(jù)流和控制的組織，也不同于邏輯設(shè)計(jì)和物理實(shí)現(xiàn)。,Amdahl,1964,

2、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是連接硬件和軟件的一門學(xué)科，它研究的內(nèi)容不但涉及計(jì)算機(jī)硬件，也涉及計(jì)算機(jī)軟件。,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)組成,區(qū)別在于關(guān)心的問(wèn)題不同： 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)關(guān)心的是怎樣合理地進(jìn)行軟硬件功能分配，為軟件人員提供適用的計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)組成關(guān)心的是怎樣合理地實(shí)現(xiàn)分配給硬件的功能和指標(biāo)，提高性能價(jià)格比,兼容性,針對(duì)系列計(jì)算機(jī) 要求所有機(jī)種間能夠保持向上兼容和向后兼容,向上兼容：為某個(gè)檔次機(jī)種編制的軟件能夠不加修改地運(yùn)行在比它高檔的機(jī)種上,向后兼容：為某個(gè)時(shí)期生產(chǎn)的機(jī)種編制的軟件能夠不加修改地運(yùn)行在它之后生產(chǎn)的機(jī)種上,兼容性 針對(duì)（軟件）體系結(jié)構(gòu)，非硬件實(shí)現(xiàn),Pentium微處理器的運(yùn)行模式：實(shí)模式

3、、保護(hù)模式,2.2 Pentium微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),1. Pentium微處理器的外形和封裝,1993年開(kāi)始推出，共生產(chǎn)三代： P5(Pentium 60/66) 0.8m, 5V電壓 P54C(Pentium 75/90/100/120/133/150/166/200), 0.6m, 3.8V電壓 P55C(Pentium MMX 166/200/233), 0.35m, 2.8V電壓,集成度：310萬(wàn)晶體管/片,采用296引腳的引腳柵格陣列（PGA）陶瓷封裝技術(shù),2. Pentium微處理器的功能結(jié)構(gòu),3. 超標(biāo)量與流水線, 超標(biāo)量和流水線的概念,超標(biāo)量：配置多個(gè)執(zhí)行部件和指令譯碼電路，

4、能同時(shí)執(zhí)行多條指令。,Pentium由三個(gè)執(zhí)行單元組織而成，一個(gè)執(zhí)行浮點(diǎn)指令，另兩個(gè)執(zhí)行整型指令（U流水線和V流水線），這意味著Pentium同時(shí)可以執(zhí)三條指令,超標(biāo)量,流水線：在CPU中把一條指令分解成多個(gè)可單獨(dú)處理的操作，使每個(gè)操作在一個(gè)專門的硬件站（stage）上執(zhí)行，這樣一條指令需要順序地經(jīng)過(guò)流水線中多個(gè)站的處理才能完成，但是前后相連的幾條指令可以依次流入流水線中，在多個(gè)站間重疊執(zhí)行，因此可以實(shí)現(xiàn)指令的并行處理。,80486的指令分PF、D1、D2、EX、WB五個(gè)操作步驟,0,1,2,3,4,5,6,8,7,時(shí)間,i1,i2,i3,i4, 整數(shù)流水線,五個(gè)階段的整數(shù)流水線： PF(預(yù)取

5、)：處理器從代碼cache中預(yù)取指令 D1(譯碼階段1)：處理器對(duì)指令譯碼確定操作碼和尋址信息。在這個(gè)階段還進(jìn)行指令的成對(duì)性檢查和分支預(yù)測(cè) D2(譯碼階段2)：產(chǎn)生訪問(wèn)存儲(chǔ)器的地址 EX(執(zhí)行)：處理器或者訪問(wèn)數(shù)據(jù)cache，或者利用ALU、筒型移位器或其他功能單元計(jì)算結(jié)果 WB(寫回)：利用指令運(yùn)行結(jié)果更新寄存器和標(biāo)志寄存器,時(shí)間,i1,i2,i3,i4,0,1,2,3,4,5,6,8,7,i5,i6,i7,i8,U,V,U,V,U,V,Pentium的超標(biāo)量流水線,指令配對(duì),U、V兩條流水線并行執(zhí)行的要滿足一些前提條件，Pentium數(shù)據(jù)手冊(cè)定義了配對(duì)規(guī)則： 1. 兩條指令都是簡(jiǎn)單指令 2

6、. 沒(méi)有寫后讀和寫后寫的依賴關(guān)系 3. 一條指令不能同時(shí)既包含位移量又包含立即數(shù) 4. 帶前綴的指令只能出現(xiàn)在U流水線中,此外，條件分支轉(zhuǎn)移指令和非條件分支轉(zhuǎn)移指令和，只有當(dāng)它們作為配對(duì)中的第二條指令出現(xiàn)時(shí)才可以配對(duì)。,簡(jiǎn)單指令：完全由硬件執(zhí)行而無(wú)需任何微碼控制，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)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

7、,例： MOV AX, 5 INC BX MOV AX, 5 INC AX,分支預(yù)測(cè) P. 310, 浮點(diǎn)流水線,八個(gè)階段的浮點(diǎn)流水線： PF 預(yù)取 D1 譯碼階段1 D2 譯碼階段2 EX 取操作數(shù) X1 浮點(diǎn)執(zhí)行步驟1 X2 浮點(diǎn)執(zhí)行步驟2 WT 寫浮點(diǎn)數(shù) ER 出錯(cuò)報(bào)告,浮點(diǎn)流水線中的前五個(gè)步驟與整數(shù)流水線中的五個(gè)步驟是同步執(zhí)行的，只是多出三個(gè)步驟,4. Cache P. 309,2.3 實(shí)模式軟件體系結(jié)構(gòu),1. 寄存器結(jié)構(gòu),指令指針I(yè)P 段寄存器CS,DS,SS,ES,FS,GS 通用寄存器EAX,EBX,ECX,EDX 變址寄存器ESI,EDI 指針寄存器EBP,ESP 標(biāo)志寄存器F

8、LAGS 控制寄存器0(CR0),CR0的第0位叫保護(hù)允許位(PE)， PE用于對(duì)實(shí)模式和保護(hù)模式進(jìn)行 切換，PE置0時(shí)選擇實(shí)模式運(yùn)行,2. 存儲(chǔ)器地址空間和數(shù)據(jù)組織,220=1MB， 地址由00000-FFFFF(H)編碼 若存放的信息是字節(jié)，則按順序存放 若存放的信息是字，則將字的低位字節(jié)存放在低地址，高位字節(jié)存放在高地址 若存放的信息是雙字，則將雙字的低位字存放在低地址，高位字存放在高地址,對(duì)準(zhǔn)雙字界域：對(duì)應(yīng)地址是4的倍數(shù),例1. 雙字A00055FF如何存儲(chǔ)在地址為0210C的存儲(chǔ)器中 例2. 雙字0123ABCD如何存儲(chǔ)在地址為02102的存儲(chǔ)器中,1MB存儲(chǔ)空間分通用和專用兩個(gè)區(qū)域

9、 00000-003FF 專用，存放中斷向量表 00400-FFFFF通用,中斷向量表表內(nèi)指針用來(lái)指出相應(yīng)的中斷服務(wù)程序的起始點(diǎn)，表內(nèi)每個(gè)指針占2個(gè)字，占據(jù)較高地址的是段基址，占據(jù)較低地址的是偏移量,？中斷向量表可以包含 個(gè)中斷指針,3. 段寄存器和存儲(chǔ)器分段,1MB的存儲(chǔ)空間被分成段，每段64KB 段是可獨(dú)立尋址的存儲(chǔ)器部分,6個(gè)段寄存器：保存16位段基址 CS 代碼段 SS 堆棧段 DS 數(shù)據(jù)段 ES 附加段 FS 數(shù)據(jù)段F GS數(shù)據(jù)段G,4. 通用寄存器,在程序執(zhí)行時(shí)暫時(shí)保存中間結(jié)果。 在進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算時(shí)，通用寄存器任何一個(gè)都可以作為源操作數(shù)或目的操作數(shù) A 累加器寄存器 B 基

10、址寄存器 C 計(jì)數(shù)寄存器 D 數(shù)據(jù)寄存器,5. 指針和變址寄存器ESP,EBP,ESI,EDI,作通用數(shù)據(jù)寄存器用,作指針和變址寄存器用時(shí)為16位，SP,BP,SI,DI,P.52,6. 堆棧 P. 65,7. 標(biāo)志寄存器 P.53,8. 實(shí)際地址和邏輯地址 P.64,例3. 假設(shè)段寄存器內(nèi)容為002A,偏移量為0023，求構(gòu)成的物理地址,9. I/O地址空間,Pentium存儲(chǔ)器和I/O地址空間是分離的。 I/O地址空間安放I/O接口，如打印機(jī)、終端接口,PentiumI/O地址空間為64KB,地址范圍0000-FFFF 每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)寬的I/O端口,習(xí)題,1. 什么是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)？ 2. Pentium微處理器的整數(shù)流水線是怎樣工作的？