微处理器体系结构最新发展——从pentium开始旅程引言在人类

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1、微处理器体系结构的最新发展——从Pentium开始的旅程引言在人类本人精心整理的文档,文档来自网络本人仅收藏整理如有错误还请自己查证！　　　　微处理器体系结构的最新发展——从Pentium开始的旅程　　　　引言　　在人类不断创建更强大的PC的过程中英特尔公司的PentiumCPU的产生是一个重要的里程碑该处理器的高性能归功于其超标量体系结构、整数流水线以及强大的片上浮点单元　　本章从Pentium问世时PC和工作站领域的状况开始讨论这将帮助读者理解从Pentium开始的高级微处理器的发展进程　　当80386/486引领PC世界的时候一批基于

2、RISC的在速度和图像处理等方面具有更高性能的工作站处理器已经在市场中出现比如SUN公司的工作频率为50MHz的microSPARC处理器或者DEC公司的100MHz的AlphaAXP系列等因此基于RISC体系结构的工作站处理器相比基于386或486CPU开发的PC而言具有一定的优势　　RISC体系结构的一些天然优势归功于其采用了精简的指令、精简的寻址模式和简单的指令译码器RISC体系结构之所以强大也缘于其大量流水线(并行技术)的采用并与其他体系结构技术相结合例如,寄存器窗口技术等当我们比较基于CISC的PC和基于RISC系统的体系结构时可

3、以得出很多重要结论除了寻址模式和指令集的复杂性之外传统CISCCPU如386或486等没有充分利用并行技术(流水线技术)也是导致其比基于RISC的CPU速度更慢的原因独立数学协处理器的加入可能是早期CPU的主要性能瓶颈之一和8086搭档的数学协处理器8087每当遇到一条浮点指令就会执行它这些数学协处理器的体系结构已经从8087逐步演变到80387也就是80386的搭档处理器　　有趣的是80386和80387间指令和数据的传输是通过I/O握手的模式进行的80386需要大约15个时钟周期来执行和80387的I/O握手操作并执行一些必要的内部管理

4、性操作因此尽管这些数学协处理器的操作速度已经提高了但是整体浮点运算性能还是没有特别明显的提高　　这就是为什么在设计80486CPU的时候将数学协处理器集成到片内的原因了80486只需要大概4个时钟周期将浮点运算移交给浮点单元来执行因此得到了更好的浮点运算性能协处理器体系结构的另一个缺陷在于8087/387甚至80487CPU只能使用很少的内部寄存器只有8个因而这些寄存器在大部分情况下用作堆栈寄存器而很少能用作数值寄存器从而限制了处理器的速度但是也有一些其他厂商开发的数学协处理器(如Weitek数学协处理器)可以在单个时钟周期内执行单精度浮点

5、运算在两个时钟周期内执行双精度浮点运算这些数学协处理器包含更多内部寄存器因而能够更多地当作数值寄存器来使用我们讲这么多主要想表达的意思就是浮点操作的存在确实是286、386或者486这样的处理器的主要性能瓶颈所在　　在了解这些情况的基础上下面将要给出Pentium处理器的体系结构它的出现对于缩小基于CISC的低端PC和基于RISC的高端工作站之间的性能差距而言是一个非常具有挑战性的尝试11.180586(Pentium)的显著特征　　在开篇引言部分我们已经说明了Pentium的设计者头脑中有两个非常明确的理念　　(1)需要设计具有增强复杂指

6、令集的CPU必须和早期x86CPU(从8086到80486)保持二进制代码兼容　　(2)需要获取和第三代RISC处理器相匹配的性能　　在设计PentiumCPU的时候这两个要求都得到了最大限度的满足因此Pentium设计者也就在保持早期x86CPU支持的复杂指令集风格的同时在设计时加入了大量具有RISC特征的技术　　Pentium的一个显著特征是它的超标量、超流水体系结构它有两条整数流水线U和V每条流水线都是5级流水的这在很大程度上提高了Pentium处理器整数算术运算的速度除此之外它还有一个片上浮点单元和80386/486处理器的浮点处理

7、性能相比Pentium处理器的浮点处理性能有了很大的提高　　Pentium处理器的另一个特征是它包含两个独立的Cache即数据Cache和指令Cache而80486包含的是一个混合的数据/指令CachePentium处理器的这些特征在本章的剩余部分都将进行详细的介绍　　在介绍Pentium体系结构之前必须先介绍一些高级的体系结构概念这将帮助读者更好地理解诸如Pentium处理器之类的高级CPU的超标量流水体系结构11.2计算机体系结构的一些相关概念　　在设计现代计算机体系结构的时候一个非常关键的问题就是：如何保证系统的最大吞吐量在获取最大吞

8、吐量方面我们已经运用了各种不同的高级体系结构技术在此我们只对其中一部分技术进行讨论　　迄今为止在讨论英特尔公司的CPU体系结构的时候从8086到80486我们发现每个周期只能发送