pentium微处理器内部寄存器

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1、Pentium微处理器的内部寄存器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，中文译名为“奔腾”。与其前辈80X86微处理器相比，Pentium采用了全新的设计，它有64位数据线和32位地址线，但依然保持了与其前辈80X86的兼容性，在相同的工作方式上可以执行所有的80X86程序。Pentium的内部结构如图2.4所示。它主要由执行单元、指令Cache、数据Cache、指令预取单元、指令译码单元、地址转换与管理单元、总线单元以及控制器等部件组成。其中核心是执行单元(又叫运算器)，它的任务是高速完成各种算术

2、和逻辑运算，其内部包括两个整数算术逻辑运算单元(ALU)和一个浮点运算器，分别用来执行整数和实数的各种运算。为了提高效率，它们都集成了几十个数据寄存器用来临时存放一些中间结果。这些功能部件除地址转换和管理单元与80386/80486保持兼容外，其他都进行了重新设计。1)超标量体系结构和指令流水线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。这种双流水线技术可以使两条指令在不同流水线中并行执行。图2.4Pentium微处理器的内部结构每条流水线又分为指令预取PF、指令译码(一次译码)D

3、1、地址生成(二次译码)D2、指令执行EX和回写WB共5个步骤。图2.5给出了Pentium的指令流水线操作示意。图2.5Pentium指令流水线操作示意图当第一条指令完成指令预取，进入第二个操作步骤D1，执行指令译码操作时，流水线就可以开始预取第二条指令；当第一条指令进入第三个步骤D2，执行地址生成时，第二条指令进入第二个步骤D1，开始指令译码，流水线又开始预取第三条指令；当第一条指令进入第四个步骤EX，执行指令规定的操作时，第二条指令进入第三个步骤D2，执行地址生成，第三条指令进入第二个步骤D1，开始指令译码，流水线又开始预取第四条指令；当第一条指令进入第五个

4、步骤WB，执行回写操作时，第二条指令进入第四个步骤EX，执行指令规定的操作，第三条指令进入第三个步骤D2，执行地址生成，第四条指令进入第二个步骤D1，开始指令译码，流水线又开始预取第五条指令。这种流水线操作并没有减少每条指令的执行步骤，5个步骤哪一步都不能跳越。但由于各指令的不同步骤之间并行执行，从而极大地提高了指令的执行速度。从第一个时钟开始，经过5个时钟后，每个时钟都有一条指令执行完毕从流水线输出。在这种理想情况下，Pentium的超标量体系结构每个时钟周期内可执行两条整数指令(每条流水线执行一条指令)。2)重新设计的浮点运算部件Pentium的浮点运算部件在

5、80486的基础上作了重新设计，采用了超流水线技术，由8个独立执行部件进行流水线作业，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，这些指令用电路进行固化，用硬件来实现，使执行速度得到更大提高。3)独立的指令Cache和数据CachePentium片内有两个8KB的超高速缓存器，一个是指令Cache，一个是数据Cache。转换后备缓冲器TLB(TranslationLook-asideBuffer)的作用是将线性地

6、址转换为物理地址。这两种Cache采用32×8线宽，是对Pentium的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有两种接口，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。当向已被占满的数据Cache中写数据时，将移走当前使用频率最低的数据，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。4)分支指令预测。Pen

7、tium提供了一个称为BTB(BranchTargetBuffer)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的目标地址，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，可以减少在循环操作时对循环条件的判断所占用的CPU的时间。5)采用64位外部数据总线Pentium芯片内部ALU和通用寄存器仍是32位，所以还是32位微处理器，但它同内存储器进行数据交换的外部数据总线为64位，使两者之间的数据传输速度可达528MB/s。此外Pentium还支持多种类

8、型的总线周