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1、2.2 32 位微处理器位微处理器Pentium主要内容：主要内容：Pentium采用的新技术：RISC技术、超标量流水线技术、分支预测技术（BTB）、浮点处理部件（FPU）和CACHE技术。保护方式下的存储器管理。Pentium的原理结构。1、先进的体系结构 1）Pentium内部总线32位，外部总线64位，使得在一个总线周期内数据传输量提高一倍。另外Pentium支持数据成组传送。2）重新设计的浮点单元（FPU）Pentium的浮点单元在486的基础上进行了彻底的改进，其执行过程分为8级流水，使每个时钟周期能完成一个浮点操作(某些情况下可完成两个)。Pentium还对一些常用指令如ADD、
2、MUL和LOAD等采用了新的算法，同时，用电路进行了固化，用硬件来实现。3）设置了相互独立的代码Cache和数据Cache。4）采用了分段和分页管理机制。5）使用了多流水线作业。2、CISC技术和RISC技术结合，Pentium处理器取2者之长，实现更高的性能。即在流水线作业中使用RISC技术，而对于一些不常用的复杂技术采用硬件电路实现。采用RISC技术的CPU有如下特点：1）指令系统只含简单常用的指令，长度一致。2）利于流水线作业机制。3）大多数指令利用内部寄存器来执行。Pentium处理器中少量的CISC指令一般采用硬件来实现。3、超标量流水线 超标量流水线设计是Pentium处理器技术的
3、核心。它由U与V两条指令流水构成，其中，每条流水线都拥有自己的ALU、地址生成电路和Cache的接口。这种流水线结构允许Pentium在单个时钟周期内执行两条整数指令，并且每一条流水线也分为指令预取、指令译码、地址生成、指令执行和回写五个步骤。当一条指令完成预取步骤，流水线就可以开始对另一条指令的操作，极大地提高了指令的执行速度。超标量流水线机制的条件：（1）所有指令都是简化指令（RISC）；（2）V流水线总是能够接受U流水线的下一条指令。4、分支预测技术 Pentium提供了一个称为分支目标缓冲器BTB(Branch Target Buffer)的小Cache来动态地预测程序分支。当一条指令
4、导致程序分支时，BTB记忆下这条指令和分支目标的地址，并用这些信息预测这条指令再次产生分支时的路径,预先从此处预取，保证流水线的指令预取步骤不会空置。Cache的容量为1KB，能容纳256条转移指令的目标地址和历史状态，历史状态用2个二进制位表示4种状态：必定转移、可能转移、可能不转移和必定不转移。分支预测在预测循环指令时有很高的预测精度，因为循环体只有一次转移不同，那就是退出循环。5、独立的指令Cache和数据Cache Pentium有两个8KB Cache、一个作为指令Cache、另一个作为数据Cache、即双路Cache结构。TLB的作用是将线性地址翻译成物理地址。指令Cache和数据
5、Cache采用328线宽、是对Pentium 64位总线的有力支持。Pentium的数据Cache有两个接口、分别通向U和V两条流水线、以便能在相同时刻向两个独立工作的流水线进行数据交换。当向已被占满的数据Cache写数据时、将移走一部分当前使用频率最低的数据、并同时将其写回主存，这个技术称为Cache回写技术。由于处理器向Cache写数据和将Cache释放的数据写回主存是同时进行的，所以，采用Cache回写技术大大节省了处理时间。指令和数据分别使用不同的Cache，使Pentium的性能大大超过以往的微处理器。2.3 Pentium的超标量流水线的超标量流水线 Pentium具有两条关于指令
6、的标量流水线，所以称之为超标量流水线。每条指令流水线分为5段，CPU在一个时钟周期内可以执行两条指令。它兼有复杂指令系统计算机（CISC）与精减指令系统计算机两者的特性。两条整数流水线分别称之为U流水线和V流水线。两条指令流水线同时执行先后两条相邻的指令，先一条在U流水线中执行，后一条在V流水线中执行，“U”、“V”有先后顺序及相邻的意思。一、两条指令流水线共用部件 超标量流水结构中有两个预取缓冲器，均为32字节，负责从CPU内部Cache或主存中预先取出指令并缓存。指令译码器要完成对指令的译码、相邻两条指令的配对检查等操作。如果遇到转移指令，要在译码之后，将转移指令地址送到转移目标缓冲器BT
7、B中进行查找。微程序控制器中的控制ROM存储了若干条机器指令的微程序。2.3.1 Pentium的超标量流水线结构的超标量流水线结构二、独立的流水部件 U、V两个地址生成部件，分别用于产生存储器操作数的地址，Pentium工作在不同模式下的逻辑地址都要转换成物理地址以便访问数据Cache，转换后援缓冲器TLB可用来加快这种地址的转换速度。8KB的数据Cache是双端口结构，可同时由U、V两条流水线访问，一个时钟周期内能存取两个32位数据，或者是64位的浮点数。两个32位的ALU对简单指令的运算均只需要一个时钟周期。简单指令指ADD EAX，EBX之类指令，不涉及到访问存储器的运算指令。流水线中
8、还包括8个32位通用寄存器，即EAX、EBX、ECX、EDX、EBP、ESI、EDI、ESP。2.3.2 U、V流水线及其分工策略流水线及其分工策略一、U、V流水线的基本原理U、V流水线都由5段组成，前两段U、V流水线共享，后3段分离进行。U、V流水线工作的基本原理图见图2-3-1所示。第一段是预取段PF，在这一段要从指令Cache中取出指令，并将取出的指令存入预取缓冲器中。第二段是指令译码1段D1，在这一段，要确认指令的操作码、寻址方式以及完成指令的配对检查和转移指令的预测，前后连续的两条指令i1和i2都要被译码完成，最终要判断这两条指令能否并行发射到下一段。第三段是指令译码2段D2，在这一
9、段，要计算并产生存储器操作数的地址，不是所有指令都要计算存储器操作数，但每条指令都必须流经这一段。第四段是执行段EX，此段主要在ALU、桶形移位器和其他功能部件中完成指定的运算。第五段是写回段WB，将计算结果写回到标志寄存器、目的寄存器以及其他目的地方。图2-3-1 U、V流水线工作的基本原理D1段是流水线中的关键段，这一对指令经译码后同时发射到下一段必须要满足下列4个条件：两条指令都是简单指令。相邻两条指令之间不能有数据相关的问题 共计有三类数据相关冲突，即写后读（RAW）、读后写（WAR）以及写后写（WAW）相关。两条指令不同时含有立即数，不同时都是含有偏移量的相对寻址指令。只有i1条指令
10、允许带有前缀。U、V两条流水线的功能是不一样的，U流水线能执行指令系统中的所有指令，而V流水线只能执行与U流水线配套的整数指令和浮点数指令的前五级（或前四级）。2.3.3 地址流水线地址流水线 一、概念 逻辑地址：程序员编程时使用的地址，称逻辑地址，在保护模式下，它由16位选择子和32位偏移地址确定。通过选择子找到描述符表中的一项段描述符得到32位段基址，再加上32位偏移得到实际的线性地址。特别地，Pentium每个任务可以拥有16384（216）段，每段最大长度为4GB（232），所以一个任务的逻辑地址空间可以达：64TB（246）。线性地址：分段部件将选择子和偏移地址转换为32位线性地址，
11、这种转换是通过段描述符表实现的。段描述符表的每一项为64位，包括：32位线性段基址、16位段界限、16位特权级和存取权等地址空间信息。分页部件将线性地址转换为实际的物理地址，如果分页被禁止，则线性地址对应实际的物理地址。二、地址流水线 地址流水线由分段部件、分页部件和总线接口部件组成。地址流水线体现在：有效地址形成、分段部件将逻辑地址转换为线性地址、分页部件将线性地址转换为物理地址这3个工作是重叠进行的。特别地，Pentium将段描述符表、页组目录表、页表存放在MMU的高速缓存中，以提高地址转换效率。2.5 Pentium处理器的原理结构 Pentium处理器外部的数据总线宽度为64位，但内部的数据寄存器仍然是32位的，故称为32位处理器。Pentium处理器内部结构如下图。