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🕒首发日期：2022年7月10日星期日

🌌上期文章：『期末复习』微处理器发展历程与微型计算机结构

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32位微处理器奔腾的主要部件及其先进技术

1.Pentium微处理器

Pentium微处理器是一种最先进的32位微处理器

• 两组算术逻辑单元(ALU)、两条流水线、能同时执行两条指令；
• 数据cache(高速缓冲存储器)和代码cache分开；不仅提高了总线的速度；还将数据总线增加到64条；
• 流水浮点部件提供了工作站的特性。因此它几乎具有两台80X86的功能。

2.12个主要部件

核心部件是两个流水线执行部件和浮点处理部件

总线接口部件 U流水线和V流水线 数据Cache 代码Cache 指令预取部件 指令译码器控制ROM 分支目标缓冲器BTB 控制部件 浮点处理单元FPU 分段部件和分页部件 寄存器组

总线接口部件

实现CPU与系统总线的连接，包含64位数据线、32位地址线和控制信号线，实现信息交换

U流水线和V流水线

独立运行，均含ALU。

每条流水线含5级（取指令、译码、生成地址、执行指令、回写）

U：可执行所有的整数运算指令

V：执行简单的整数运算和数据交换指令

数据Cache与代码Cache

两者分开，减少冲突，提高数据存取命中率

两者分别配置专用的TLB（转换检测缓冲器），将线性地址转换为高速缓存的物理地址

Cache存放CPU最近要使用的数据和指令，提高存取速度,并配置转换检测缓冲器（TLB），将线性地址转换为高速缓存的物理地址

指令预取部件IPU、指令译码器IDU、控制ROM

IPU每次预取两条指令

复杂指令需要控制ROM的转换(转换为微程序)

浮点处理部件(FPU)

FPU按流水线机制执行指令（8级）

是U流水线的补充

浮点运算指令的前4级在U流水线中执行

常用浮点指令采用专门的硬件电路实现

支持32位、64位、80位精度

分段部件和分页部件

片内二级存储管理

分段将逻辑地址转换为物理地址

分页将线性地址转换为物理地址

控制部件

通过解析指令译码器中的译码信息和控制ROM中的微程序，控制两条流水线和FPU的执行

分支目标缓冲器BTB

BTB在遇到条件转移指令时用来预测是否发生转移，并提供预取地址

3.Pentium采用的先进技术

0. 先进的体系结构
1. CISC和RISC相结合的技术
2. 超标量流水线技术
3. 先进的分支预测技术

3.1先进的体系结构

0. 外部数据总线为64位，数据传输量提高一倍 -》扩充数据总线
1. 设置片内代码cache和数据cache(速度高容量小的存储器)，提高取指令和读/写数据的速度 -》cache分离提速
2. 两条指令流水线并行执行-》u/v并行流水线
3. 片内集成FPU（浮点运算器）,是U流水线的补充,采用硬件实现浮点运算-》集成FPU
4. 采用分段和分页两级存储管理机制，存储管理方便灵活-》分页分段两级存储
5. 增强了信息传输准确性的检测能力和机器异常事件的处理能力，为系统的扩展提供了很好的检测和调试能力-》异常检测增强

3.2CISC和RISC相结合的技术

CISC（复杂指令集）特点：

指令系统包含很多指令，并有使用较少的复杂指令

多种内存寻址方式

采用微程序机制实现复杂指令

RISC（精简指令集）特点：

指令系统只含简单而常用的指令，且指令长度相同

采用流水线机制执行指令

大多数指令利用寄存器来执行，只需一个时钟周期

Pentium：

结合——大多数指令采用简化指令，但仍保留一部分复杂指令并用硬件实现

3.3超标量流水线技术

两个问题什么是流水线，什么是超标量？

问题1：什么是流水线？

非流水线方式：

• 依次执行三个操作 取指令、指令译码、执行
• 当一条指令在执行的过程之中时，其他指令则要等待这条指令的执行，直至完成。

流水线：

指令流水线的组成：

总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件、执行部件

• Pentium的指令流水线由5级组成 指令预取级PF、首级译码级D1、二次译码级D2（形成物理地址）、执行级EX、回写级WB
• Pentium4的流水线达20级
• Pentium的浮点运算部件也采用流水线机制运行 8级组成：PF、D1、D2、EX、X1、X2、WF、ER

PF 预取

D1 译码阶段1

D2 译码阶段2

EX 取操作数

X1 浮点执行步骤1

X2 浮点执行步骤2

WT 写浮点数

ER 出错报告

问题2：什么是超标量？

标准状态下

一个处理器含一条指令流水线

超标量

一个处理器中有多条指令流水线

以并行方式在U、V两条流水线上同时执行两条指令

在U流水线中可以执行任何指令

V流水线中只能执行和U流水线当前执行的指令符合配对规则的指令

配对规则

0. 两条指令都是简单指令（包括RISC指令）
1. 互相没有寄存器关联性：两条指令中的寄存器不是“读后写”或者“写后写”的关系（不能对同一寄存器多次操作）
2. 一条指令不能同时既包含位移量又包含立即数
3. 带前缀的指令只能出现在U流水中
4. 浮点运算指令不能和任何指令配对

流水线受阻的情况

U受阻：影响V

V受阻：不会影响U

U、V两条流水线，U—所有整数运算，V—简单整数运算和数据交换指令

超标量流水线的运行前提

0. 所有指令都是简化RISC指令
1. V流水线总是能够接受U流水线的下一条指令

因此，超标量流水线技术与RISC技术密不可分！

3.4先进的分支预测技术

使用分支目标缓冲器BTB(branch target buffer)来执行预测功能

分支转移指令的转移目标地址是可以预测的，依据就是前一次的转移目标地址和历史状态