微处理器结构

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1、第2章 微处理器结构第2章 微处理器结构2.1 微处理器的发展历史 2.2 微处理器的功能结构习题2 第2章 微处理器结构2.1 微处理器的发展历史2.1.1 微处理器的发展由于集成电路工艺和计算机技术的发展，20世纪60年代末和70年代初，袖珍计算机得到了普遍的应用。为了研制灵活的计算机芯片，1971年10月，美国Intel公司首先推出Intel 4004微处理器。这是实现4位并行运算的单片处理器，构成运算器和控制器的所有元件都集成在一片大规模集成电路芯片上，是第一片微处理器。从1971年第一片微处理器推出至今30多年的时间里，微处理器经历了四代的发展。第2章 微处理器结构第一代，1971年

2、开始，是4位微处理器和低档8位微处理器的时期。典型产品有：1971年10月，Intel 4004(4位微处理器)；1972年3月，Intel 8008(8位微处理器)，集成度为2000管/片，采用PMOS工艺，10 m光刻技术。第二代，1973年开始，是8位微处理器的时期。典型产品有：1973年，Intel 8080(8位微处理器)；1974年3月，Motorola的MC6800；19751976年，Zilog公司的Z80；1976年，Intel 8085。其中Intel 8080的集成度为5400管/片，采用NMOS工艺，6 m光刻技术。第2章 微处理器结构第三代，1978年开始，是16位微

3、处理器的时期。典型产品有：1978年，Intel 8086；1979年，Zilog公司的Z8000；1979年，Motorola的MC68000，集成度为68 000管/片，采用HMOS工艺，3 m光刻技术。第四代，1981年开始，是32位微处理器的时期。典型产品有：1983年，Zilog公司的Z80000；1984年，Motorola的MC68020，集成度为17万管/片，采用CHMOS工艺，2 m光刻技术；1985年，Intel 80386，集成度为27.5万管/片，采用CHMOS工艺，1.2 m光刻技术。第2章 微处理器结构自Intel 80386芯片推出以来，又出现了许多高性能的32位

4、及64位微处理器，如Motorola的MC68030 、MC68040，AMD公司的K6-2、K6-3、K7以及Intel的80486、Pentium、Pentium、Pentium、Pentium 4等。第2章 微处理器结构2.1.2 Intel 8086微处理器8086微处理器是美国Intel公司1978年推出的一种高性能的16 位微处理器，它采用硅栅HMOS工艺制造，在1.45 cm2单个硅片上 集成了29 000个晶体管。它一问世就显示出了强大的生命力，以它为核心组成的微机系统，其性能已达到中、高档小型计算机的 水平。它具有丰富的指令系统，采用多级中断技术、多重寻址方 式、多重数据处理

5、形式、段式存储器结构和硬件乘除法运算电路 ，增加了预取指令的队列寄存器等，使其性能大为增强。与其他 几种16位微处理器相比，8086的内部结构规模较小，仍采用40引 脚的双列直插式封装。8086的一个突出特点是多重处理能力，用 8086 CPU与8087协处理器以及8089I/O处理器组成的多处理器系统 ，可大大提高其数据处理和输入/输出能力。另外，与8086配套的各种外围接口芯片非常丰富，方便用户开发各种系统。第2章 微处理器结构2.1.3 Intel 80386微处理器1985年，Intel公司推出了第一个32位微处理器80386DX，它是 对808680286微处理器的彻底改进，它的数据

6、总线和内存地址都 是32位的，寻址空间可达4 GB。1988年，Intel公司推出了外部总线 为16位的微处理器80386SX，寻址空间为16 MB，含16位数据总线 和24位地址总线。80386还有一些版本，如80386SL/80386SLC，寻 址空间为16 MB，含16位数据总线和25位地址总线，80386SLC还包 含了一个内部高速缓冲存储器，以便于高速处理数据。1995年， Intel公司推出了80386EX，也叫嵌入式PC，它在一个集成芯片上包 囊了AT类PC的所有部件，它还有24根输入/输出数据线、26位的地 址总线、16位的数据总线、一个DRAM刷新控制器，以及可编程的 芯片选

7、择逻辑。80386的指令系统和早期8086、8088、80286的指令系统是向下 兼容的，附加的指令涉及到32位的寄存器，还可以管理内存系统。第2章 微处理器结构2.1.4 Intel 80486微处理器80486是Intel公司1989年推出的一种与80386完全兼容但功能更强的32位微处理器，它采用了一系列新技术来增强微处理功能。如，对80386核心硬件进行改进，采用RISC(精简指令系统计算机)技术来加快指令的执行速度；增强总线接口部件，加快CPU从主存中存取信息的速度；把浮点运算协处理器部件、高速缓存及其控制器部件集成到主处理器芯片内加快信息的传送与处理性能。由于在上述功能上的各种改进

8、，使得80486微处理器的性能要比带一个80387浮点运算协处理器的80386DX微处理器速度提高近4倍。第2章 微处理器结构在Intel 80486微处理器系列中，拥有不同档次的产品：(1) Intel 80486DX。它是Intel 80486微处理器系列的一个最初成员，具有80486微处理器体系结构的各种基本特点。该芯片除包含CPU部件外，还集成了一个浮点运算协处理器部件、一个8 KB的高速缓冲存储器部件及高速缓存控制器部件。(2) Intel 80486SX。它是80486系列的一个低价格微处理器芯片，内部结构与80486DX基本相同，但不包含浮点运算协处理器部件，外部数据总线引脚也只

9、有16位。第2章 微处理器结构在Intel 80486微处理器系列中，拥有不同档次的产品：(1) Intel 80486DX。它是Intel 80486微处理器系列的一个最初成员，具有80486微处理器体系结构的各种基本特点。该芯片除包含CPU部件外，还集成了一个浮点运算协处理器部件、一个8 KB的高速缓冲存储器部件及高速缓存控制器部件。(2) Intel 80486SX。它是80486系列的一个低价格微处理器芯片，内部结构与80486DX基本相同，但不包含浮点运算协处理器部件，外部数据总线引脚也只有16位。第2章 微处理器结构(3) Intel 80486DX2。它是一个增强型80486芯片

10、，内部结构与80486DX相同，但内部采用了单倍频时钟技术，使得微处理器能以外部时钟振荡器频率速度来工作(而以前则为分频速度工作)。这一技术使80486DX2的工作频率比80486DX提高了近一倍。(4) Intel 80486DX4。它也是一个增强型的80486芯片。它不但以80486DX的4倍工作频率来运行，而且采用了容量更大的片内高速缓冲存储器(16 KB)，芯片的工作电压也可降低为3.3 V。这样使得80486的运行速度更快，Cache的命中率更高，CPU与主存信息的交换速度更快，而芯片功耗则大大降低。第2章 微处理器结构2.1.5 Intel 奔腾(Pentium)微处理器Penti

11、um微处理器是Intel公司1993年推出的80x86系列微处理器的第五代产品，其性能比它的前一代产品又有较大幅度的提高，但它仍保持与8086、80286、80386、80486兼容。Pentium微处理器芯片规模在80486芯片的基础上大大提高，除了基本的CPU电路外，还集成了16 KB的高速缓存和浮点协处理器，集成度高达310万个晶体管。芯片管脚增加到270多条，其中外部数据总线为64位，在一个总线周期内，数据传输量比80486增加了一倍；地址总线为36位，可寻址的物理地址空间可达64 GB。第2章 微处理器结构Pentium微处理器具有比80486更快的运算速度和更高的性能。微处理器的工

12、作时钟频率可达66200 MHz。在66 MHz频率下，指令平均执行速度为112MIPS，与相同工作频率下的80486相比，整数运算性能提高一倍，浮点运算性能提高近4倍。常用的整数运算指令与浮点运算指令采用硬件电路实现，不再使用微码解释执行，使指令的执行速度进一步加快。第2章 微处理器结构Pentium微处理器是第一个实现系统管理方式的高性能微处理器，它能很好地实现PC机系统的能耗与安全管理。Pentium微处理器之所以有如此高的性能，在于该微处理器体系结构采用了一系列新的设计技术，如双执行部件、超标量体系结构、集成浮点部件、64位数据总线、指令动态转移预测、回写数据高速缓存、错误检测与报告等

13、。第2章 微处理器结构2.1.6 Intel Pentium微处理器Pentium系列CPU是Intel公司在推出Pentium MMX系列后又一个新的系列产品，它是Pentium Pro的改进型，它的核心其实就是Pentium Pro+MMX，它支持MMX技术，同时将L1 Cache 提高到32 KB，并采用了独立双重总线结构，在速度上大幅度提高了运行频率。Pentium另外一个重大改进是抛弃了原来的Socket7接口，采用了新的Slot1插槽接口、SEC板卡封装，这不但使其获得了更大的内部总线宽度，也使其他产品无法与其兼容 。PentiumCPU 内部的电路板上装有CPU核心芯片、L2 C

14、ache和Cache控制器，其L2 Cache的工作频率为主频的一半，这使其性能受到一点损失。Pentium采用0.25 m、2.0 V核心电压、4.4 ns Cache和100 MHz总线等设计。其主频多是350450 MHz。第2章 微处理器结构2.1.7 Intel Pentium微处理器Pentium CPU是Intel公司1999年第一季度新产品，首批产品代号为“Katmai”，产品设计上仍保持了0.25 m、半速512 KB Cache和Slot1接口技术。它最重要的改进是采用了SSE(Streaming SIMD Extensions，数据流单指令多数据扩展)指令，以增强三维和浮

15、点的运算能力，并在设计中考虑了互联网的应用。它的另一个特点是处理器中包含了序列号，每个Pentium 处理器都有一个特定的号码，用户既可以用它对机器进行认证，也可以用它进行加密，以提高应用的保密性。第2章 微处理器结构在1999年10月，Intel公司正式发布了代号为“Coppermine“的新一代Pentium 处理器，在继“Katmai”CPU特性的基础上，扩展并提高了一些新的功能。Coppermine采用了0.18 m设计，降低了发热和功耗，提高了系统的效率。由于采用新工艺，Coppermine的集成度大大的提高，其内置有2800万个晶体管，而Katmai只有900万个，Coppermi

16、ne采用133 MHz前端总线设计，扩展了系统带宽，它内置256 KB全速L2Cache，并采用了先进的缓存转换架构。总之，Coppermine在结构技术和速度性能上都有很大的提高。第2章 微处理器结构进入2000年后，Intel发布了新一代代号为“Willamette”的IA-32系列终极处理器：该系列CPU采用0.18 m铜技术制造工艺，其L1 Cache为64 KB，L2 Cache从256512 KB不等，其主频可达1.5 GHz。Willamette的最大改进是使用了SSE2指令集。此外，Intel出于成本和面向低端市场的考虑，还推出了以Coppermine为核心的FC-PGA封装的Socket370处理器。这种处理器采用100 MHz总线频率，使用了与Celeron Socket370结构类似的接口，但并不兼容Celeron Socket370接口，需接一个特殊的连接器转接后才能使用。第2章 微处理器结构2.1.8 Intel Pentium 4微