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1、第二章微处理器n n 8086微处理器n nIA微处理器的进化n nPentium 微处理器微处理器微型计算机系统与接口CH(11)2.3 Pentium 微处理器微处理器uuPentium的结构特点uu超标量流水线uu指令的分支与预测uuPentium的工作模式微型计算机系统与接口CH(11)1 1）总线单元）总线单元 2 2）数据）数据CacheCache3 3）代码）代码CacheCache4 4）指令预取器）指令预取器 5 5）预取缓冲器）预取缓冲器 6 6）指令译码单元）指令译码单元 7 7）控制单元）控制单元 8 8）整数执行单元）整数执行单元 9 9）寄存器组）寄存器组 1010
2、）地址产生器）地址产生器1111）分页单元）分页单元1212）浮点单元）浮点单元 1 1、PentiumPentium的的的的功能单元功能单元功能单元功能单元2.3.1 Pentium 的结构特点的结构特点微型计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的功能单元 1 1）总线单元）总线单元 l l地址发送接收器地址发送接收器 l l 写缓冲器写缓冲器 l l数据总线收发器数据总线收发器 l l 总线控制逻辑总线控制逻辑 l l总线主控制总线主控制 l l第二级第二级CacheCache控制控制 l l内部内部CacheCache控制控制 l l 奇奇偶偶校校验验码码生生成成和和控制控制微型
3、计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的功能单元 2 2）数据）数据CacheCacheuu8K8K字节字节uu每行每行3232字节字节uu两路组相联结构组织的高速缓存两路组相联结构组织的高速缓存uuCacheCache目录为三端口结构目录为三端口结构uu允许两条流水线同时访问并支持监听功允许两条流水线同时访问并支持监听功能。能。微型计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的功能单元 3 3）代码）代码CacheCacheuu 8K8K字节字节uu每行每行3232字节字节uu两路组相联结构组织的高速缓存两路组相联结构组织的高速缓存uuCacheCache目录为三端口结构目录为三端
4、口结构uu允许两条流水线同时访问并支持监听功允许两条流水线同时访问并支持监听功能。能。微型计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的功能单元 4 4）指令预取器）指令预取器 将所需要的指令从代码将所需要的指令从代码CacheCache读到指令预读到指令预取器，如果所需要的指令行不在代码取器，如果所需要的指令行不在代码CacheCache中，它启动一个总线的猝发周期，中，它启动一个总线的猝发周期，CPUCPU从外从外部存储器取指进行部存储器取指进行CacheCache行填充操作行填充操作. . 微型计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的功能单元 5 5）预取缓冲器）预取缓冲器uu
5、包含两组指令预取缓冲器，两组之间包含两组指令预取缓冲器，两组之间相互独立相互独立。uu指指令令预预取取器器从从指指令令CacheCache中中取取出出指指令令，将将它它们们顺顺序序存存放放在在一一组组预预取取缓缓冲冲器器中中，另另一一组组缓缓冲冲器器则则处于处于空闲空闲状态。状态。uu当当预预测测分分支支指指令令会会发发生生转转移移时时，预预取取器器将将从从转转移移目目标标地地址址开开始始取取出出指指令令，放放入入第第二二组组空空闲闲的的预取缓冲器中。预取缓冲器中。uu之之后后，预预取取器器一一直直使使用用第第二二组组缓缓冲冲器器直直到到另另一一条分支指令条分支指令被预测，再被预测，再切换切换
6、回第一组缓冲器。回第一组缓冲器。uu在在线线性性取取指指和和执执行行指指令令时时，预预取取缓缓冲冲器器将将一一对对指指令令分分别别送送到到两两条条流流水水线线U U和和V V的的指指令令译译码码器器，进行指令配对分析。进行指令配对分析。微型计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的功能单元 6 6）指令译码单元）指令译码单元uu两两级级指指令令译译码码单单元元，译译码码级级1 1（Decode1Decode1）和和译译码级码级2 2（Decode2Decode2）。）。（组成）（组成）uu译译码码级级1 1除除了了包包含含指指令令配配对对检检查查逻逻辑辑以以外外，还还包包含含分分支支目目
7、标标缓缓冲冲器器BTBBTB（BranchBranchTargetTargetBufferBuffer）。BTBBTB具有分支预测功能。具有分支预测功能。（结构）（结构）uu译译码码级级2 2包包含含流流水水线线U U和和V V的的存存储储器器操操作作数数产产生生逻辑、分段逻辑以及期望检测逻辑。逻辑、分段逻辑以及期望检测逻辑。（结构）（结构）uu在在Decode1Decode1中中，检检查查在在两两条条流流水水线线中中操操作作码码是是否否满满足足PentiumPentium指指令令的的配配对对规规则则，如如果果满满足足，两两条条指令同时被送到指令同时被送到Decode2Decode2。（功能）
8、（功能）uu如如果果指指令令是是分分支支指指令令，则则由由BTBBTB检检查查预预测测该该指指令令是是否否会会发发生生分分支支转转移移。在在Decode2Decode2中中，计计算算指指令的操作数在存储器中的地址。令的操作数在存储器中的地址。（功能）（功能）微型计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的功能单元 7 7）控制单元）控制单元uu包含微代码序列器和微代码控制包含微代码序列器和微代码控制ROMROM（组成）（组成）uu进行解释指、令控制断点、控制中断进行解释指、令控制断点、控制中断（功能）（功能）uu控制整数流水线和浮点流水线的操作控制整数流水线和浮点流水线的操作（功能）（功能
9、）微型计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的功能单元 8 8）执行单元）执行单元uu两个两个ALUALU，分别属于，分别属于U U、V V流水线流水线（结构）（结构）uu一个桶状移位器，属于一个桶状移位器，属于U U流水线流水线（结构）（结构）uuU U的的执执行行单单元元可可以以完完成成比比V V相相对对复复杂杂的的指指令令，并并可可先先于于V V中中的的ALUALU完完成成操操作作。 （功能）（功能）微型计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的功能单元9 9）寄存器组）寄存器组 1010）地址产生器）地址产生器 每条流水线有一个地址产生器。根据每条每条流水线有一个地址产生
10、器。根据每条流水线中指令的操作数形成特定的地址。流水线中指令的操作数形成特定的地址。微型计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的功能单元11）分页单元分页单元将将地地址址产产生生器器来来的的线线性性地地址址转转换换为为物物理理地地址址。分分页页单单元元包包含含一一个个转转换换旁旁视视缓缓冲冲器器（translationtranslationlook-asidelook-asidebufferbuffer），用用来来保保存存最近使用过的页目录项和页表项。最近使用过的页目录项和页表项。1212）浮点单元）浮点单元 一一条条浮浮点点流流水水线线具具有有8 8级级流流水水步步，可可以以在在每每
11、个个CLKCLK执执行行一一条条指指令令，最最快快可可以以达达到到每每个个CLKCLK执行两条指令。执行两条指令。 微型计算机系统与接口CH(11)2、寄存器组织Pentium的寄存器组织的寄存器组织微型计算机系统与接口CH(11)2、寄存器组织 1）基本结构寄存器uu通用通用REGREGEAXEBXEAXEBXESPESP、EBPEBP、ESIESI、EDI EDI uu段段REGREGCSCS、SSSS、DSDS、ESES、FSFS、GSGS在在在在保保保保护护护护模模模模式式式式下下下下，虚虚虚虚拟拟拟拟存存存存储储储储地地地地址址址址64T64T字字字字节节节节，存存存存储储储储管管管
12、管理理理理寄寄寄寄存存存存器器器器便便便便是是是是实实实实现现现现存存存存储储储储管管管管理理理理机机机机制制制制。段段段段寄寄寄寄存存存存器器器器CSCS、SSSS、DSDS、ESES、FSFS、GSGS分分分分别别别别存存存存放放放放代代代代码码码码、堆堆堆堆栈栈栈栈和和和和数数数数据据据据段段段段的的的的段段段段选选选选择择择择符，段选择符指向定义段的段描述符。符，段选择符指向定义段的段描述符。符，段选择符指向定义段的段描述符。符，段选择符指向定义段的段描述符。uu指令指针指令指针REGREGEIPEIPuu标志标志REGREGEFlagsEFlags* *除除除除386 VM386 V
13、M（虚拟（虚拟（虚拟（虚拟86/86/保护模式）系统标志外，增加保护模式）系统标志外，增加保护模式）系统标志外，增加保护模式）系统标志外，增加 IDID、VIPVIP（虚拟中断挂起）等（虚拟中断挂起）等（虚拟中断挂起）等（虚拟中断挂起）等4 4位。位。位。位。微型计算机系统与接口CH(11)2）系统级寄存器uu控制控制REGREGCR0CR3CR0CR3、CR4CR4PE：保护模式允许，：保护模式允许，MP：系统中有协处理器，：系统中有协处理器，PG：选择线性地：选择线性地址到物理地址的页表转换址到物理地址的页表转换CD：Cache 禁止，禁止，NW：不写直达、：不写直达、WP：保护用户级页，
14、：保护用户级页，VME：虚拟方式扩展，：虚拟方式扩展，MCE：机器检查允许：机器检查允许微型计算机系统与接口CH(11)2）系统级寄存器uu系统地址系统地址系统地址系统地址REGREGGDTR GDTR IDTR IDTR LDTR LDTR TRTR 段段段段描描描描述述述述符符符符提提提提供供供供段段段段的的的的大大大大小小小小、位位位位置置置置以以以以及及及及段段段段的的的的访访访访问问问问控控控控制制制制和和和和状状状状态态态态信信信信息息息息，8 8字字字字节节节节组组组组成成成成。段段段段描描描描述述述述符符符符根根根根据据据据属属属属性性性性描描描描述述述述符符符符分分分分为为为
15、为全全全全局局局局描描描描述述述述符符符符、中中中中断断断断描描描描述述述述符符符符以以以以及及及及局局局局部部部部描描描描述述述述符符符符，分分分分别别别别存存存存放放放放在在在在全全全全局局局局描描描描述述述述符符符符表表表表、中中中中断断断断描描描描述述述述符符符符表表表表以以以以及及及及局局局局部部部部描描描描述述述述符符符符表表表表中中中中。全全全全局局局局描描描描述述述述符符符符表表表表寄寄寄寄存存存存器器器器GDTRGDTR、中中中中断断断断描描描描述述述述符符符符表表表表寄寄寄寄存存存存器器器器IDTRIDTR则则则则分分分分别别别别存存存存放放放放了了了了全全全全局局局局描描
16、描描述述述述符符符符表表表表和和和和中中中中断断断断描描描描述述述述符符符符表表表表的的的的线线线线性性性性基基基基地地地地址址址址和和和和表表表表的的的的限限限限长长长长。局局局局部部部部描描描描述述述述符符符符表表表表寄寄寄寄存存存存器器器器LDTRLDTR和和和和任任任任务务务务寄寄寄寄存存存存器器器器TRTR是是是是用用用用来来来来存存存存放放放放局局局局部部部部描描描描述述述述符符符符和和和和任任任任务务务务描描描描述述述述符符符符的的的的选选选选择择择择子子子子。由由由由段段段段选选选选择择择择符符符符通通通通过过过过描描描描述述述述符符符符表表表表就就就就能能能能够够够够找找找找
17、到到到到段段段段描描描描述述述述符符符符进进进进而而而而得得得得到到到到段段段段的的的的基基基基地地地地址址址址，加加加加上上上上偏偏偏偏移移移移量量量量最最最最终终终终得得得得到线性地址。到线性地址。到线性地址。到线性地址。微型计算机系统与接口CH(11)3）调试与测试寄存器uu调试调试REGREGDR0DR7DR0DR7保存断点线性地址，保存断点线性地址，保存断点线性地址，保存断点线性地址，DR6DR6：状态，：状态，：状态，：状态， DR7 DR7：控制：控制：控制：控制uu测试测试REGREGTR3TR7TR3TR7保存片内保存片内保存片内保存片内CACHECACHE测试数据，测试数据
18、，测试数据，测试数据， TR6 TR6：控制，：控制，：控制，：控制， TR7 TR7：状态：状态：状态：状态微型计算机系统与接口CH(11)2.3.2超标量流水线1 1、系统复位和代码、系统复位和代码CacheCache填充填充 uu RESETRESET以以后后，CacheCache是是被被禁禁止止的的，应应由由驻驻留留程程序序设设置置CacheCache的使能位。的使能位。uu CacheCache首首次次置置为为有有效效后后，内内部部的的数数据据无无效效。指指令令预预取器从取器从CacheCache预取指令时，发生预取指令时，发生CacheCache不命中。不命中。uu CacheCa
19、che向向总总线线单单元元提提出出CacheCache行行填填充充请请求求，通通知知总总线线单元从外部单元从外部CacheCache或主存储器取指，将或主存储器取指，将CacheCache行填满。行填满。uu CacheCache行行填填充充是是在在总总线线的的猝猝发发周周期期进进行行的的。CPUCPU每每次次将将3232字字节节代代码码在在一一个个猝猝发发周周期期内内读读入入CacheCache行行填填充充缓冲器。在送入缓冲器。在送入CacheCache的同时，送入指令预取器。的同时，送入指令预取器。微型计算机系统与接口CH(11)2、指令预取uu指指令令由由指指令令预预取取器器从从代代码码
20、CacheCache中中取取出出，成成对对存存放放在在两两组组预预取取缓缓冲冲器器（预预取取指指令令队队列列）中中有有效效的的一一组组缓缓冲冲器中。器中。uu指指令令队队列列中中指指令令顺顺序序存存放放，提提供供给给两两条条指指令令流流水水线线，直至遇到一条分支指令时可能会发生变化。直至遇到一条分支指令时可能会发生变化。uu预预测测分分支支指指令令是是否否发发生生地地址址转转移移，是是在在执执行行级级的的译译码码单单元元1 1由由分分支支目目标标缓缓冲冲器器中中的的分分支支预预测测逻逻辑辑进进行行判判断断的。的。uu如如果果预预测测该该分分支支指指令令将将要要发发生生地地址址转转移移，则则BT
21、BBTB通通知知指指令令预预取取器器切切换换指指令令存存放放的的队队列列，预预取取器器从从分分支支目目标标地地址址处处开开始始取取指指。如如果果预预测测不不发发生生转转移移，预预取取器器仍仍然然顺序取指并将指令存放在现行工作的指令队列中。顺序取指并将指令存放在现行工作的指令队列中。uu指指令令队队列列切切换换后后，由由当当前前有有效效的的指指令令队队列列给给两两条条流流水水线输送分支目标地址及以后的指令。线输送分支目标地址及以后的指令。微型计算机系统与接口CH(11)2、指令预取分支目标缓冲器与指令预取单元微型计算机系统与接口CH(11)3、指令配对和操作数地址计算uu有有效效的的指指令令队队
22、列列将将两两条条指指令令分分别别送送U U和和V V流流水水线线的的Decode1Decode1，配对检测逻辑进行配对检查。，配对检测逻辑进行配对检查。uu如如果果两两条条指指令令能能够够配配对对执执行行，译译码码级级1 1将将它它们们送送到到译码级译码级2 2。uu如如果果不不能能配配对对，则则将将V V流流水水线线中中的的指指令令转转移移到到U U流流水线中，两条指令在水线中，两条指令在U U流水线中串行地执行。流水线中串行地执行。uu在在译译码码级级2 2中中计计算算操操作作数数地地址址。不不管管操操作作数数是是什什么么寻寻址址方方式式，译译码码级级2 2用用一一个个CLKCLK完完成成
23、操操作作数数地地址址的的计算。计算。微型计算机系统与接口CH(11)3、指令配对和操作数地址计算流水线的双译码2级微型计算机系统与接口CH(11)4、指令并行执行条件和配对规则1 1）指令的并行执行）指令的并行执行uuU U、V V流流水水线线执执行行级级各各有有一一个个ALUALU。U U的的ALUALU包包含含一一个个桶桶状状移移位位器器，可可以以执执行行一一些些在在V V流流水水线线中中不不能能执执行行的复杂指令。的复杂指令。uu两两条条指指令令能能够够配配对对，它它们们被被并并行行执执行行。两两个个ALUALU可可同同时时形形成成数数据据CacheCache或或数数据据存存储储器器的的
24、访访问问请请求求，对对目目标标寄寄存存器器或或标标志志寄寄存存器器的的回回写写。指指令令执执行行是是通通过过5 5个个流水步完成的。流水步完成的。 uu在在执执行行级级，如如果果V V流流水水线线拖拖延延了了时时间间，U U流流水水线线可可以以继继续续做做如如回回写写目目标标寄寄存存器器或或标标志志寄寄存存器器的的工工作作。反反之则不行。若之则不行。若U U流水线拖延，流水线拖延，V V只能等待只能等待U U。微型计算机系统与接口CH(11)4、指令并行执行条件和配对规则1 1）指令的并行执行）指令的并行执行Pentium流水线的双执行级微型计算机系统与接口CH(11)4、指令并行执行条件和配
25、对规则2 2）指令的配对规则）指令的配对规则uu两条指令是简单指令；两条指令是简单指令；movregmovreg，reg/mem/immreg/mem/immmovmemmovmem，reg/immreg/immaluregalureg，reg/mem/immreg/mem/immincreg/memincreg/memdecreg/memdecreg/mempushreg/mempushreg/mempopregpopreg等等。等等。 uu非一字节指令长度相等；非一字节指令长度相等；微型计算机系统与接口CH(11)4、指令并行执行条件和配对规则2 2）指令的配对规则）指令的配对规则uu两两
26、条条指指令令不不存存在在寄寄存存器器争争用用的的问问题题，即即两两条条指指令令并并行行执行时不会访问同一个寄存器；执行时不会访问同一个寄存器；read-after-writeread-after-write相关：相关：movAX,imm;movAX,imm;movBP,AX;movBP,AX;write-after-writewrite-after-write相关：相关：例例1 1： movAX,imm;movAX,imm;movAX,BP;movAX,BP;例例2 2： movAL,imm1;movAL,imm1;movAH,imm2.movAH,imm2.微型计算机系统与接口CH(11)4
27、、指令并行执行条件和配对规则2 2）指令的配对规则）指令的配对规则uu两条指令中只有第一条指令能带指令前缀。两条指令中只有第一条指令能带指令前缀。uu有有些些指指令令只只能能在在U U流流水水线线中中执执行行，它它们们在在指指令令序序列列中中是第一条指令时才能配对。是第一条指令时才能配对。 微型计算机系统与接口CH(11)图微型计算机系统与接口CH(11)2.2.4指令的分支与预测1、分支目标缓冲器和分支预测逻辑 1 1）概述）概述uu分分支支预预测测逻逻辑辑，可可以以对对将将要要执执行行的的分分支支指指令令进进行行动动态的转移预测。态的转移预测。uu分分支支预预测测逻逻辑辑是是以以该该分分支
28、支指指令令的的历历史史执执行行情情况况为为预预测依据的。测依据的。uu支支持持分分支支预预测测机机制制的的关关键键部部件件是是分分支支目目标标缓缓冲冲器器BTB(BranchBTB(BranchTargetTargetBuffer)Buffer)。它它是是一一个个256256行行4 4路路组组相相联联结结构构的的CacheCache，它它记记录录了了已已执执行行过过的的分分支支指指令令的的信信息。息。uu指指令令执执行行后后ALUALU将将分分支支指指令令的的执执行行结结果果反反馈馈到到BTBBTB，BTBBTB再再根根据据转转移移预预测测的的正正确确与与否否来来修修正正历历史史记记录录位并指
29、示预取器和预取队列做相应操作位并指示预取器和预取队列做相应操作微型计算机系统与接口CH(11)1、分支目标缓冲器和分支预测逻辑2 2）分支目标缓冲器）分支目标缓冲器BTB(BranchTargetBuffer)BTB(BranchTargetBuffer)256256个目录行，每行包括：个目录行，每行包括：uu1bit1bit指示该项是否正在使用指示该项是否正在使用uu2bits2bits历史记录位表示该分支指令发生转移的频度历史记录位表示该分支指令发生转移的频度uu这条转移指令源存储器的地址；这条转移指令源存储器的地址；uu该转移指令最后一次执行时的目标地址；该转移指令最后一次执行时的目标地
30、址；分分支支预预测测逻逻辑辑根根据据BTBBTB中中的的记记录录，按按照照一一定定转转移移预预测测策略对当前的分支指令进行转移预测。策略对当前的分支指令进行转移预测。微型计算机系统与接口CH(11)1、分支目标缓冲器和分支预测逻辑22）分支目标缓冲器）分支目标缓冲器BTB(BranchTargetBuffer)BTB(BranchTargetBuffer)历史记录表示转移发生频度00Stronglynottaken01Weaklynottaken10Weaklytaken11Stronglytaken表2-转移频度表微型计算机系统与接口CH(11) 2、动态转移预测策略 11）转移预测策略转移
31、预测策略 uu 一一条条分分支支指指令令进进入入任任意意一一条条流流水水线线后后，BTBBTB就就根根据它的源存储器地址在据它的源存储器地址在CacheCache中查找；中查找；uu 如如果果这这条条指指令令在在BTBBTB中中有有记记录录项项，分分支支预预测测逻逻辑辑便以记录项的历史信息为依据，预测转移发生的情况便以记录项的历史信息为依据，预测转移发生的情况t t历历史史记记录录为为1111表表示示转转移移强强烈烈发发生生、1010表表示示转转移移较较弱弱发发生生，历历史史记记录录为为0101表表示示转转移移基基本本不不发发生生、0000表示转移强烈不发生。表示转移强烈不发生。t t若若历历
32、史史记记录录项项为为1010或或1111则则指指示示正正向向预预测测，预预测测该该指指令令将将发发生生转转移移，并并指指示示预预取取器器从从在在BTBBTB中中 记记录录的的指指令令转转移移目目标标地地址址开开始始取取指指令令，切切换换到到另一条指令队列顺序存放指令。另一条指令队列顺序存放指令。t t若若历历史史记记录录项项为为0101或或0000则则指指示示负负向向预预测测，分分支支预测逻辑预测该分支指令不发生转移。预测逻辑预测该分支指令不发生转移。微型计算机系统与接口CH(11) 2、动态转移预测策略 1 1）转移预测策略转移预测策略 uu 当当分分支支指指令令第第一一次次进进入入流流水水
33、线线时时，它它在在CacheCache中中没没有有记记录录项项，便便产产生生一一次次查查找找BTBBTB不不命命中中。对对这这条条分分支支指指令令的的预预测测为为不不发发生生转转移移，即即使使这这条条指指令令是是无无条件转移指令。预取器也不做指令队列的切换。条件转移指令。预取器也不做指令队列的切换。微型计算机系统与接口CH(11)2、动态转移预测策略 22）分支指令执行后）分支指令执行后BTBBTB对记录的操作对记录的操作 根据转移发生情况对历史位的修改微型计算机系统与接口CH(11)2、动态转移预测策略 22）分支指令执行后）分支指令执行后BTBBTB对记录的操作对记录的操作uu 如如果果正
34、正正正确确确确地地预预测测了了转转移移发发发发生生生生。BTBBTB记记录录的的历历史史位位上上升升。分分支支指指令令之之后后的的正正确确目目标标地地址址指指令令已已经经存存在在于于流水线。流水线。uu 如如果果错错错错误误误误地地预预测测转转移移发发发发生生生生。BTBBTB记记录录的的历历史史位位下下降降。在在流流水水线线中中分分支支指指令令以以后后的的指指令令是是不不正正确确的的，必必须须刷刷新新。分分支支预预测测逻逻辑辑指指示示预预取取器器切切换换到到另另一一条条指指令令队列顺序取指。队列顺序取指。 微型计算机系统与接口CH(11)2、动态转移预测策略 22）分支指令执行后）分支指令执
35、行后BTBBTB对记录的操作对记录的操作uu如果如果正确正确正确正确地预测了转移地预测了转移不发生不发生不发生不发生，并且，并且，并且，并且t tBTBBTB中中存存在在该该分分支支指指令令相相应应的的目目录录，则则目目录录的的历历史位降级。史位降级。t t在在第第一一译译码码级级发发生生了了一一次次BTBBTB不不命命中中，说说明明BTBBTB中中不不存存在在相相应应的的目目录录项项，也也不不必必在在BTBBTB中中建建立立目目录。录。uu如果如果错误错误错误错误地预测转移地预测转移不发生不发生不发生不发生，并且，并且，并且，并且t tBTBBTB中中存存在在该该指指令令相相应应的的目目录录
36、，那那么么将将目目录录的的历历史位升级。史位升级。t tBTBBTB中中不不存存在在该该指指令令相相应应的的目目录录，则则建建立立一一个个目目录并将它的历史位置为强烈发生（录并将它的历史位置为强烈发生（1111）。）。微型计算机系统与接口CH(11)2.2.5Pentium的工作模式1、Pentium的工作模式uu实地址方式（实地址方式（realaddressmoderealaddressmode）uu保护虚拟地址方式（保护虚拟地址方式（protectedvirtualaddressprotectedvirtualaddressmodemode）uu虚拟虚拟80868086方式（方式（virt
37、ual8086modevirtual8086mode）uu系统管理方式（系统管理方式（systemmanagementmodesystemmanagementmode）微型计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的工作模式1 1）实地址方式实地址方式 uu在系统加电和复位以后，微处理器进入实地址模式。在系统加电和复位以后，微处理器进入实地址模式。uu采采用用和和80868086类类似似的的编编程程环环境境，只只是是在在80868086基基础础上上进进行行了了扩扩充充，扩扩展展了了3232寄寄存存器器的的指指令令，并并在在80868086的的编编程程寄寄存存器器上上增增加加了了一一些些新新
38、的的寄寄存存器器。它它的的寻寻址址机机构构、存储管理方式、中断处理机制和存储管理方式、中断处理机制和80868086微处理器类似。微处理器类似。uu在实地址模式中，不使用虚拟地址。在实地址模式中，不使用虚拟地址。uu实实地地址址模模式式用用于于系系统统的的初初始始化化。可可以以在在实实地地址址方方式式下进入保护模式和系统管理模式。下进入保护模式和系统管理模式。微型计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的工作模式2 2）保护虚拟地址方式）保护虚拟地址方式uu是是PentiumPentium微处理器的基本操作方式。微处理器的基本操作方式。uu对对复复杂杂的的多多任任务务操操作作系系统统环环
39、境境提提供供全全方方位位的的支支持持，实现复杂的系统管理功能。实现复杂的系统管理功能。uu对对存存储储器器和和数数据据有有多多种种保保护护能能力力，最最突突出出的的是是段段的的4 4级特权保护。级特权保护。uu在在保保护护模模式式下下，系系统统可可以以寻寻址址64TB64TB（16K4GB16K4GB）的的虚虚拟拟地地址址空空间间。PentiumPentium微微处处理理器器的的存存储储管管理理机机制制具具有有将将虚虚拟拟逻逻辑辑地地址址转转换换到到线线性性地地址址，进进而而得得到到物物理理地地址址的的功功效效。通通过过描描述述符符表表等等内内存存管管理理数数据据结结构构，将将大大容容量量的的
40、磁磁盘盘存存储储空空间间映映射射到到内内存存储储器空间。器空间。微型计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的工作模式2 2）保护虚拟地址方式）保护虚拟地址方式 特权级的环形保护微型计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的工作模式3 3）虚拟）虚拟80868086方式方式uu是保护方式的一种功能，它并不是一种实际的处是保护方式的一种功能，它并不是一种实际的处理器工作方式。理器工作方式。uu可以在保护方式以及多任务的情况下运行可以在保护方式以及多任务的情况下运行80868086的的程序。该方式具有保护方式的任务属性，属于一程序。该方式具有保护方式的任务属性，属于一种准操作方式。目的
41、是为了让在种准操作方式。目的是为了让在80868086方式下编制方式下编制的软件在保护方式下仍然能够执行的软件在保护方式下仍然能够执行。 微型计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的工作模式4 4）系统管理方式）系统管理方式 uu提提供供了了一一种种对对操操作作系系统统或或用用户户透透明明的的专专用用程程序序，实实现现了了操操作作系系统统平平台台的的专专用用功功能能，如如电电源源管管理理，系统安全管理等。系统安全管理等。uu这这些些专专专专用用用用程程程程序序序序只只只只能能能能被被被被系系系系统统统统固固固固件件件件所所所所利利利利用用用用，专专专专用用用用代代代代码码码码的运行透明
42、于操作系统的运行透明于操作系统的运行透明于操作系统的运行透明于操作系统。uu系系统统管管理理方方式式只只有有在在外外部部中中断断SMISMI有有效效时时，CPUCPU保保存存了了运运行行程程序序或或任任务务的的上上下下文文关关系系之之后后，切切入入独独立的系统管理程序的地址空间。立的系统管理程序的地址空间。微型计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的工作模式4 4）系统管理方式）系统管理方式 uuSMMSMM（由（由SMI#SMI#引起）中断入口为引起）中断入口为38000H38000H。uuSMMSMM将将PentiumPentium的状态保存到一个叫做转储记录的状态保存到一个叫做转
43、储记录（dumprecorddumprecord）的内存区域中（）的内存区域中（3FFABH3FFFFH3FFABH3FFFFH，3FE00H3FEF7H3FE00H3FEF7H）。）。记录包括记录包括CR0CR0、CR3CR3、EflagsEflags、EIPEIP停机自动重起停机自动重起等等uuPentiumCPUPentiumCPU的系统可以进入睡眠模式并且可以返的系统可以进入睡眠模式并且可以返回到中断点。回到中断点。uuPSMPSM指令使系统退出指令使系统退出SMMSMM模式。模式。微型计算机系统与接口CH(11)1、Pentium的工作模式4 4）系统管理方式）系统管理方式 Pent
44、ium不同工作模式的地址空间微型计算机系统与接口CH(11)2、工作模式之间的转换 uu系系统统复复位位后后，微微处处理理器器进进入入实实地地址址工工作作模模式。式。uu控控制制寄寄存存器器CR0CR0中中的的PEPE位位的的状状态态控控制制保保护护模模式式与与实实地地址址模模式式之之间间的的切切换换。PE=1PE=1时时系系统为保护模式；统为保护模式；PE=0PE=0时系统为实地址模式。时系统为实地址模式。uu标标志志寄寄存存器器EFLAGEFLAG中中的的VMVM（虚虚拟拟模模式式）位位的的状状态态管管理理虚虚拟拟80868086模模式式与与保保护护模模式式之之间间的的切切换换。VM=1V
45、M=1时时，系系统统为为虚虚拟拟80868086模模式式；VM=0VM=0时，系统为保护模式。时，系统为保护模式。uu微微处处理理器器接接收收到到SMISMI中中断断时时，系系统统进进入入系系统统管理模式。管理模式。uu在在系系统统管管理理模模式式下下，执执行行RSMRSM指指令令（从从系系统统管管理理模模式式返返回回），微微处处理理器器将将返返回回中中断断前前的状态。的状态。微型计算机系统与接口CH(11)2、工作模式之间的转换uu进入保护模式前的工作进入保护模式前的工作t t初始化中断描述符表初始化中断描述符表IDTIDTt t 初始化全局描述符表初始化全局描述符表GDTGDTt tCR0
46、CR0：PE=1PE=1t t 执行段内执行段内JMPJMP指令清除指令队列，把指令清除指令队列，把TSSTSS描述符基址装入描述符基址装入TRTRt t 将初始选择子装入段寄存器将初始选择子装入段寄存器微型计算机系统与接口CH(11)2、工作模式之间的转换 控制寄存器控制寄存器CR0CR0：PEPEEFLAGEFLAG：VMVMSMISMI# #；RSMRSM指令指令 工作模式之间的转换微型计算机系统与接口CH(11)小结n n80868086微处理器分为执行部件微处理器分为执行部件EUEU和总线接口部件和总线接口部件BIUBIU两两个部分。执行部件负责指令的执行，总线接口部件负个部分。执行
47、部件负责指令的执行，总线接口部件负责与存储器、责与存储器、I/OI/O端口数据的传送。端口数据的传送。EUEU和和BIUBIU相互配合相互配合实现指令级流水线。实现指令级流水线。 n n80868086具有最大或最小两种工作模式。在不同模式下，具有最大或最小两种工作模式。在不同模式下，80868086部分管脚的定义也有所不同。理解管脚信号定义部分管脚的定义也有所不同。理解管脚信号定义和作用，是学习配置典型系统，理解微计算机工作原和作用，是学习配置典型系统，理解微计算机工作原理的基础。配置系统时，要正确使用地址锁存器和数理的基础。配置系统时，要正确使用地址锁存器和数据驱动器，保证经过驱动以后的系
48、统总线保持三态功据驱动器，保证经过驱动以后的系统总线保持三态功能。能。 n n在取指或传送数据时，在取指或传送数据时，CPUCPU通过通过BIUBIU与存储器或与存储器或I/OI/O端端口交换信息，口交换信息，BIUBIU执行总线周期，完成对存储器和执行总线周期，完成对存储器和I/OI/O的访问。一个总线周期一般由的访问。一个总线周期一般由T1T1T4T4四个状态组成。四个状态组成。总线操作时序，是分析系统、进行系统设计的依据。总线操作时序，是分析系统、进行系统设计的依据。 微型计算机系统与接口CH(11)小结n n80868086引入了存储器分段概念，引入了存储器分段概念，80868086的
49、分段是的分段是x86x86分段机分段机制的雏形。制的雏形。80868086通过段寄存器和偏移量寄存器共同实通过段寄存器和偏移量寄存器共同实现对存储单元物理地址的访问，内存的分段还为程序现对存储单元物理地址的访问，内存的分段还为程序的浮动装配创造了条件。的浮动装配创造了条件。 n nIntelIntel结构处理器可以处理结构处理器可以处理256256种类型的向量中断，外部种类型的向量中断，外部中断按照是否受中断按照是否受IFIF标志控制分为可屏蔽中断和非屏蔽标志控制分为可屏蔽中断和非屏蔽中断。内部中断是中断。内部中断是CPUCPU执行执行INTnINTn指令或指令或CPUCPU执行指令执行指令出
50、现错误时产生的中断。处理器根据中断类型查找中出现错误时产生的中断。处理器根据中断类型查找中断向量表，从中得到中断程序的入口地址。断向量表，从中得到中断程序的入口地址。微型计算机系统与接口CH(11)小结n n从8086到Pentium，Intel结构处理器不断采用的新技术，克服微型计算机的瓶颈效应，提高系统的速度和性能。其中包括预取指令队列、Cache技术、存储管理技术、超标量流水线技术以及指令的分支预测技术。微型计算机系统与接口CH(11)小结n nPentiumPentium处理器改造了指令预取技术，用两条预取指令处理器改造了指令预取技术，用两条预取指令队列和分支预测缓冲器支持指令的分支预
51、测，预测逻队列和分支预测缓冲器支持指令的分支预测，预测逻辑以分支指令的历史执行情况为依据预测指令是否转辑以分支指令的历史执行情况为依据预测指令是否转移，提高了指令预取功能的效率。移，提高了指令预取功能的效率。n nPentiumPentium有两条可以同步执行的有两条可以同步执行的U U和和V V流水线。每个时钟流水线。每个时钟周期完成周期完成2 2条整数指令或一条浮点指令。条整数指令或一条浮点指令。U U和和V V流水线流水线分为指令预取、译码分为指令预取、译码1 1、译码、译码2 2、执行和回写五级流水、执行和回写五级流水步。步。 n nPentiumPentium有四种工作模式，除了实地
52、址模式、保护虚拟有四种工作模式，除了实地址模式、保护虚拟地址模式和虚拟地址模式和虚拟80868086模式以外，模式以外，PentiumPentium还可以工作在还可以工作在系统管理模式。系统管理模式。 n n实模式和保护模式之间、保护模式和虚拟实模式和保护模式之间、保护模式和虚拟80868086模式之模式之间以及它们和系统管理模式之间可以通过设置控制寄间以及它们和系统管理模式之间可以通过设置控制寄存器存器CR0CR0中的中的PEPE、标志寄存器、标志寄存器EFLAGEFLAG中的中的VMVM、以及、以及SMI#SMI#中断的请求和中断的请求和SMI#SMI#中断返回指令中断返回指令RSMRSM来互相切换。来互相切换。微型计算机系统与接口CH(11)
