微型计算机原理及应用学习笔记 从8086到PentiumⅢ

自从1978年6月推出8086微处理器以后，到1999年初PentiumⅢ芯片问世，80x86系列微处理器不仅在PC机市场占有主流地位，同时正向计算机各个应用领域发展。本节简要介绍8086以后各种x86芯片的主要特点，使读者对整个80X86系列的发展有一个全面了解。前一单元fix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />
一、Inel 80286 微处理器的基本情况
80286是美国Intel公司于1982年推出的一种高性能的16位微处理器。片内集成有存储管理和保护机构，能用四层特权支持操作系统和任务的分离，同时也支持任务中的程序和数据的保密。80286是8086向上兼容的微处理器，它有两种工作方式——实方式（又称实地址方式）和保护方式（又称保护虚地址方式）。在实方式中，80286兼容了8086的全部功能，8086的汇编语言源程序不做任何修改可以在80286中运行。在保护方式中，80286把实方式的能力和存储器管理，对虚拟存储器的支持以及对地址空间的保护集为一体，使80286能可靠地支持多用户和多任务系统。80286有24条地址线，在实方式下只使用20条地址线，有220字节（1MB）的寻址能力，这与8086相同；在保护方式下，使用24条地址线，有224字节（16MB）寻址能力，它能将每个任务的230字节（1024MB即1GB）的虚地址映射到224字节的物理地址中去。
 
二、Intel 80386微处理器的基本结构
80386是Intel公司于1985年1月推出的一种高性能的32位微处理器它与8086、80286相兼容，是为高性能的应用领域与多用户、多任务操作系统而设计的一种高集成度的芯片。80386具有片内集成的存储器管理部件和保护机构，它的数据线是32位，内部的寄存器结构和操作也是 32位，具有32位地址线，能直接寻址4GB（1GB为10243B ）的物理地址空间。它的虚拟存储空间为64TB （1TB为10244B）。
 
三、Intel 80486微处理器的基本结构
Intel公司于1989年4月推出了一种新的32位微处理器80486（简称486），同 80386相比，在相同的工作频率下，其处理速度提高了2～4倍。80846采用了RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令系统计算机）技术，降低了执行每条指令所需要的时钟数，使其能达到1.2条指令/时钟。486以前的处理器执行一条指令是取得一个地址，再进行一个数据的输入/输出，而486采用一种突发式总线（Burst Bus）的技术，使取得一个地址后、与该地址相关的一组数据都可以进行输入/输出，有效地解决了微处理器同内存储器之间的数据交换问题。加上486内部集成有FPU（Floating Point Unit，浮点部件）和Cache（超高速缓冲存储器），以及CPU和FPU、CPU和Cache之间都采用高速总线进行数据传送，使486CPU的处理速度，以及486系统的处理速度都得到了极大提高。
四、Intel Pentium微处理器
Pentium是Intel公司于1993年3月推出的第五代80x86系列微处理器、简称P5或80586，中文名为“奔腾”。
Pentium 芯片具有如下特点。
（一）超标量流水线
Pentium由“U”和“V”两条指令流水线构成超标量流水线结构，其中，每条流水线都有自己的 ALU、地址生成逻辑和Cache接口。在每个时钟周期内可执行两条整数指令，每条流水线分为指令预取、指令译码、地址生成、指令执行和回写等五个步骤。当一条指令完成预取步骤时，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。
（二）重新设计的浮点部件
Pentium的浮点部件在80486的基础上作了重新设计，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（或两个浮点操作）。采用快速算法可使诸如 ADD、MUL和LOAD等运算的速度最少提高3倍，在许多应用程序中利用指令调度和重叠（流水线）执行可使性能提高5倍以上。同时，用电路进行固化，用硬件来实现。
（三）独立的指令Cache和数据Cache
Pentium片内有两个8KB的Cache——双路Cache结构，一个是指令Cache,一个是数据 Cache。TLB（Translation look-aside buffer，转换后备缓冲器）的作用是将线性地址转换为物理地址。这两种Cache采用32×8线宽，是对Pentium 64位总线的有力支持。指令和数据分别使用不同的Cache, 使Pentium中数据和指令的存取减少了冲突 提高了性能。
Pentium的数据Cache有两个接口，分别与U和V两条流水线相连，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。当向已被占有满的数据Cache写数据时，将移走一部分当前使用频率最低的数据，并同时将其写回内存，这种技术称为Cache回写技术。由于CPU向Cache写数据和将Cache释放的数据写回内存是同时进行的，所以，采用Cache回写技术将节省处理时间。
（四）分支预测
Pentium提供了一个称为BTB（Branch Target Buffer，分支目标缓冲器）的小Cache来动态地预测程序的分支操作。当某条指令导致程序分支时，BTB记忆下该条指令和分支目标的地址，并用这些信息预测该条指令再次产生分支时的路径，预先从该处预取，保证流水线的指令预取步骤不会空置。这一机构的设置，可以减少每次在循环操作时对循环条件的判断所占用的CPU的时间。
五、Intel Pentium Pro 微处理器
Pentium Pro是Intel公司于1995年11月推出的80x86系列中又一个新品种，简称P6，中文名为“高能奔腾”。同 Pentium芯片相比，Pentum Pro芯片增加了如下新的内容：
（1）芯片中 CPU内核为 550万个晶体管，二级高速缓冲存储器（L2 Cache）为 1550万个晶体管；
（2）使用三条超标量流水线；
（3）有5个并行的执行部件 用于整型数运算的2个，用于装载、存储和浮点数运算的各1个；
（4）采用事务型的I／O总线和不分块的高速缓存体系；
（5）采用乱序执行、动态转移预测以及风险执行。
Pentium Pro微处理器的主要特点可以从下面 6个方面进行说明。
（一）一个封装内装有两个芯片
Pentium Pro的一个封装内有两个紧密耦合的底座。一个底座放CPU以及两个 8KB的一级（L1）高速缓存；另一个底座放 256KB SRAM二级（L2）高速缓存。两个底座放在同一个387针脚的陶瓷封装里，称为双穴PGA（针脚网格阵列）。把二级高速缓存同CPU封在一起的好处是；①Pentium Pro内藏二级高速缓存解决了同 CPU的协调，使个人机厂家更容易设计出搭载 Pentium Pro的系统；②用64 位宽的、时钟频率同CPU一样的专用总线连接CPU和二级高速缓存有助于提高系统的性能。
(二)精心设计的微结构
Pentium Pro对二级高速缓存使用专用总线（L2总线也称后台总线）它同外部 I/O总线（也称前台总线）完全分开，使得 Pentium Pro的二级高速缓存用不着同内存、外设分时访问总线。另外 为满足超标量 CPU对数据的极大需求，Pentium Pro采用使一级和二级高速缓存用无阻塞方法来提高其性能，设计了一种高速缓存体系，使得能从一个高速缓存流动到另一个高速缓存而不用阻塞执行。在CPU取数时，Pentium Pro采用二种措施来提高其效率，一是使前台总线和后台总线保持独立，因而可以同时工作，二是前台总线为事务处理型的（transctional）。当Pentium Pro在等待完成存储器访问时，它可以开始另一个访问，多达8个这样的事务处理，效果是非常明显的，事务处理可以是装载或存放，每一次事务处理都记录在MOB（存储器次序缓冲区）中，因此CPU不会把它们搞乱。为了保持高速缓存和存储器之间的协调，Pentium Pro采用 NESI（修改、排斥、共享和作废）一致性协议。这保证了在单个和多个处理器系统中的高速缓存协调，它还可以防止由于自修改码引起的潜在事故。
（三）指令分解为微操作
设计Pentium Pro时面临的最大矛盾是要提高性能就要采用RISC（精简指令系统计算机，Reduction Instruction Set Computer）方式使指令能在流水线上并行执行；而要保持同以往的x86微处理器兼容，就要采用CISC（复杂指令系统计算机，Complex Instruction Set Computer）指令，这样才能使x86的庞大软件资源能在 Pentium Pro上运行。为了解决这一矛盾，一方面采用CISC指令以保持兼容性；另一方面在执行时将指令分解为若干像RISC指令的微操作，使其能在流水线上并行地执行，以提高性能。
（四）乱序执行和推测执行
乱序（Out-of-order）执行是指不完全按程序规定的指令顺序依次执行。推测（SPeculative）执行是指遇到转移指令时，不等结果出来便先推测可能往哪里转移便提前执行，由于推测不一定全对故带有一定风险，又称风险执行。乱序执行是P6等具有RISC性能的芯片富有生命力的特点，当它同转移推测和推测执行结合在一起时，允许CPU使指令流最有效地利用内部资源。
（五）保留站的作用
Pentium Pro中的乱序执行由一个名为保留站（Reservation Station）的部件进行管理，保留站起交通警的作用 它调度微操作从ROB（重新排序缓冲器）中取出来分发到多个执行部件中的顺序，以充分发挥流水线的能力。
（六）退离部件的作用
当微操作执行完后 其状态标志便被改变以表示已经完成，执行完的微操作返回到ROB中，微操作在那里等待执行或退移（Retirement），使用退移部件的作用是保持程序的完整，该部件将执行完的微操作组合在一起使其退出，从外部看仍是在执行一条条的CISC指令。
六、Intel Pentium MMX微处理器
1997年1月9日，Intel P55C微处理器芯片正式推出，英文全名为 Pentium with MMX或Pentium MMX，中文名为“多能奔腾”。MMX是“Multi Media extension”的缩写，意为“多媒体扩展”。这是为提高PC机用软件来处理多媒体和通信能力而推出的新一代处理器技术，是对LA-32（Intel Architecture, 32位Intel体系结构）指令系统的扩展，它通过在奔腾处理器中增加4种新的数据类型、8个64位寄存器和57条新指令来实现的。
多能奔腾中的MMX技术是Intel x86微处理器体系结构的重大革新，增加了很多新的技术，主要是：
（一）引入新的数据类型
多能奔腾定义了4种新的64位数据类型及其紧缩（又称“压缩”）表示，它们是紧缩字节（8个字节紧缩在一个64位数据中）、紧缩字（4个字紧缩在一个64位数据中）、紧缩双字（2个双字紧缩在一个64位数据中）和4字（一个64位信息）。而新增加的8个64位通用寄存器能够保存各类紧缩的64位数据。这对多媒体处理十分有用，例如处理一幅256级灰度的图像，由于图像像素数据通常以8位整数的字节表示，用MMX技术，8个这样的像素将紧缩为一个64位值并可移入一个MMX寄存器。当一条MMX指令执行时，它将从MMX寄存器中一次对所有8个像素值并行地完成其算术或逻辑操作，并将结果写入一个MMX寄存器，这样用MMX指令进行一次紧缩型字节操作，一次就相当于处理了8个像素。而且能在一个时钟周期内能执行2条指令，使多能奔腾的性能大大超过奔腾。
实际上这是采用SIMD（单指令流多数据流）技术的结果。它能运用单条指令同时并行处理多个数据元素的特性，在一个周期内并行处理4种类型，最多8组的64位宽度的模拟／数字数据，诸如声音数据、图形和图像数据等模拟/数字的数据，使并行性进一步增强。
（二）MMX指令执行的数据紧缩和饱和运算两种新的运算原刚
饱和运算也是MMX支持的一种新的运算，与常用的环绕处理相对比，可见饱和运算的优点所在。
在常规的环绕处理中，上溢或下溢的结果均被截断，只有结果的低位（有效位）能被返回，忽略了进位。而在饱和运算中，上溢或下溢的结果被截取（饱和）至该类数据类型的最大值或最小值，如表2-9所示。例如，一个16位的大符号整数F000H＋4000H，其和为13000H，由于保留结果的寄存器为16位，因此最高位 位“1”被截断。结果为3000H，小于任一个输入数。而饱和算法则不同，在饱和算法中若发生“上溢”，则保留结果为FFFFH（16位整数的最大值）若发生“下溢”则保留结果为0000H。这在图形学中很有用。比如，一个暗色多面体正在按黑色作浓淡处理，忽然间出现一个白色的像素，而饱和算法可以保证不会出现这样的问题。因为计算结果被限制在最大的黑色值，而不会溢出成白色。

表2-9               饱和数值范围

（三）具有积和运算能力
在多媒体应用程序中，必须处理大量数据，矢量点积和矩阵乘法是处理图像、音频、视频数据的最基本算法，用多能奔腾中的PMADDWD指令（紧缩字相乘并加结果，即“积和运算”）可以大大提高矢量点积的运算速度。这在音频和视频图像的压缩和解压缩中是经常用到的。
七、Intel PentiumⅡ微处理器
1997年5月，Intel公司推出PentiumⅡ微处理器，简称PⅡ，中文名为“奔腾Ⅱ”。
“奔腾Ⅱ”是Intel公司的P6级微处理器的第二代产品，它把多媒体增强技术（MMX技术）融合入高能奔腾处理器之中，使“奔腾Ⅱ”芯片既保持了“高能奔腾”原有的强大处理功能，又增强了PC机在三维图形、图像和多媒体方面的可视化计算功能和交互功能。从系统结构角度看，“奔腾Ⅱ”芯片采用了如下几种先进技术，使它在整数运算、浮点运算和多媒体信息处理等方面具有十分优异的功能。
（一）多媒体增强技术（MMX技术）
在“奔腾Ⅱ” 中采用了一系列多媒体增强技术：①单指令、多数据流（SIMD，Singl Instruction Multiple Data）技术，使一条指令能完成多重数据的工作，允许芯片减少在视频、声音、图像和动画中计算密集的循环；②为针对多媒体操作中经常出现的大量并行、重复运算，新增加了57条功能强大的指令，以更有效地操作、处理声音、图像和视频数据。强大的MMX技术指令集充分利用了动态执行技术，在多媒体和通信应用中发挥了卓越的功能。
（二）动态执行技术
为了帮助微处理器更有效地处理多重数据，提升软件的速度，“奔腾” 采用了由三种创新处理技巧结合的动态执行技术。这三种技巧是：①多分支跳转预测。使用一种多分支跳转预测的算法。当处理器读取指令时，也同时查看那些以前的指令，该技术增加了传送到处理器的数据流，能对数据流向事先作出考虑。②数据流分析。按一种最佳的顺序执行，使用数据流分析，处理器查看被译码的指令，决定是否符合处理条件或它们决定于其他指令。处理器然后决定最佳的处理顺序，以最有效的方法执行指令。③推测执行。通过预先查找程序计数器和执行那些可能会运行的指令，来增加被执行指令的数量。当处理同时执行5条指令时，便要用到“推测执行”，这使得“奔腾” 微处理器的超计算能力能充分得到发挥，以最大限度地提高指令的并行程度，从而提高软件性能。动态执行技术允许微处理器预测指令的顺序，并排序。
(三)双重独立总线结构（DIB, Dual Independent Bus）
采用了上述二种技术后，使 “奔腾Ⅱ”处理器具有很高的处理能力 但要发挥这一高性能还要求有很快的吞吐能力。而传统的CPU数据总线（如图2-24所示）CPU通过1条数据总线同主在、二级Cache以及PCI相连。这里会出现二个问题，一是二级Cnche受到处理器外部总线速度的限制；二是在任一时刻系统总线只允许一个访问使用。而“奔腾” 处理器采用了双重独立总线结构，如图2-25所示。这是由两条总线组成的双重独立总线体系结构，一条是二级Cache总线，另一条是处理器至主存储器的系统总线，“奔腾Ⅱ”处理器可以同时使用这两条总线，使“奔腾Ⅱ” 处理器的数据吞吐能力是单一总线结构处理器的2倍。同时，这种双重总线结构使“奔腾Ⅱ” 处理器的二级Cache的运行速度达到奔腾处理器二级Cache的2倍多。随着“奔腾Ⅱ” 处理器主频不断提高，二级Cache的速度也会随之升高。另外，流水线系统总线实现了同时并行事务处理，以取代单一顺序事务处理，加速了系统中的信息流，使总体性能得到提升。总之，这一切同双重独立总线体系结构的改进结合起来，提供3倍于单一总线体系结构处理器的带宽性能。
此外，“奔腾Ⅱ” 处理器还采用了新的封装技术——SEC（Single Edge Contact，单边接触）插盒。SEC插盒技术是先将芯片固定在基板上，然后用塑料和金属将其完全封装起来，形成一个SEC插盒封装的处理器，插盒内的基板上固定的芯片包括PentiumⅡ处理器核心，以及二级静态突发高速缓存RAM（安排在处理器核心左右各1个），如图2-26所示。这一SEC插盒通过slot1插槽同主板相连，为PC系统带来了高性能——动态执行功能和双重独分总线结构。
 
八、Intel  PentiumⅢ 微处理器
1999年2月，Intel公司发布了带有70条附加浮点多媒体指令的PentiumⅢ微处理器，简称PⅢ，中文名为“奔腾Ⅲ”。
（一）带SSE指令集的PentiumⅢ处理器
最早推出的PentiumⅢ的主频为450MHz和500MHz，系统总线频率为100MHz，采用P6微结构，一级缓冲存储器为16KB指令Cache和 6KB数据 Cache；二级缓冲存储器为512KB，速度相当于CPU核心速度的1/2。针对32位应用程序进行优化，采用双重独立总线，具有动态执行功能。其最大的特点是增加了70条SSE（Streaming SIMD Extensions，数据流单指令多数据扩展）指令集，原先称为“MMX2指令集”，即“第二代多媒体扩展指令集”。PetiumⅢ原先称为“Katmai” ,是属于PentiumⅡ中的一种新品种。
PentiumⅢ芯片中的70条SSE指令可分为3类：
（1）内在连续数据流优化处理指令8条；
（2）SIMD（单指令多数据）浮点运算指令50条；
（3）新的多媒体指令12条。
这些指令能增强音频、视频和3D图形处理能力。
为配合SSE指令集，PentiumⅢ芯片增加了8个新的128位单精度寄存器（4 × 32位），能同时处理4个单精度浮点变量，可达到每秒20亿次的浮点运算速度。使PentiumⅢ芯片在三维图像处理、语音识别和视频实时压缩等方面的应用得到长足的进步。
（二）新一代PentiumⅢ微处理器Coppermine
1999年10月25日，Intel公司又发布了基于0.18μm技术制造的新一代PentiumⅢ微处理器，开发代号为Coppermine，该芯片最高主频达733MHz，可工作在133MHz外频（外部时钟频率）。
Coppermine的主要特性为：
（1）内置工作在核心频率下的256 KB二级缓存；
（2）采用0.18μ的制造工艺,在106mm2芯片上，集成了2800万个晶体管，而最早推出的Katmai在128mm2芯片上，集成了900万个晶体管。Coppermine芯片可工作在1.1~1.7V的电压下，发热量小，功耗低。
（3）采用先进的缓存转换架构。内置的二级Cache使用一条256位的宽带数据通路，相当于采用64位数据通路的另外二级Cache的4倍，每个时钟能转换32字节的二级缓存，使在处理器核心与二级Cache之间的理论数据带宽达11.2GB/s。
（4）采用先进的系统缓冲器，用6个填充缓冲器代替原先的4个填充缓冲器用8条总线队列代替原先的4条总线队列，用4个回写缓冲器代替原先的1个，使Coppermine在133MHz时钟总线上运行时更具优势。
（5）采用适用于移动PC系统的Speedstep技术。这一技术可以使Coppermine降低运行速度和电压以降低电源功耗，延长运行时间，这对使用电池的移动式PC系统具有实用意义；而当使用外接电源时，可以全速与全电压方式运行，提高了系统的灵活性。