第1章微處理器導論微處理器

微處理器又稱為“中央處理單元”（CentralProcessorUnit），簡稱CPU。

采用大規模和超大規模集成電路技術將算術邏輯部件ALU、控制部件CU和寄存器組三個基本部分，以及內部總線集成在一塊半導體芯片上構成的電子器件。

分類通用微處理器PC、筆記本電腦、工作站和服務器。專用微處理器

專用微處理器面向特定的應用，包括單片機和數字信號處理器（DSP）等。通用微處理器4位微處理器1971年，Intel40044位字長，2300個晶體管108kHz第一個通用微處理器8位微處理器M6800、Z80和Intel8080/8085Apple公司蘋果機16位微處理器Intel8086/808816位個人計算機（PC：PersonalComputer）Intel4004通用微處理器32位微處理器80386，80486，Pentium～Pentium432位PC機，APPLE公司的Macintosh機64位微處理器IA-64結構：Itanium（安騰）x86結構：AMD的64位處理器、Intel64處理器英特爾32位結構：IA-32（IntelArchitecture-32）IA-32微處理器：80386，80486，Pentium系列64位微處理器和8位微處理器Intel4004Intel8008Intel80801971年，4004：尋址4k個4bit存儲單元位，45條指令，50KIPS的速度。1971年，8008：4004的8位擴展型微處理器，16k存儲空間，48條指令。1973年，8080：現代第一個8位微處理器。

速度十倍于8008。78086/80881978年推出第一款16位CPU，第二年推出8088。16位結構的微處理器：數據總線為16位主存容量1MB：地址總線為20位時鐘頻率5MHz（IBMPC使用4.77MHz）準16位微處理器8088：外部數據總線為8位8087數字協處理器IBM使用Intel8088CPU推出了第一代IBMPC8802861983年推出。16位數據總線，24位地址總線（16MB主存）實方式（RealMode）與8086工作方式一樣保護方式（ProtectedMode）提供存儲管理、保護機制和多任務管理的硬件支持80287數字協處理器9803861986年推出，32位結構數據總線32位，地址總線32位，可尋址4GB主存虛擬8086方式（Virtual8086Mode）保護方式下的8086工作方式內存分頁機制80387數字協處理器10804861989年80486＝80386＋80387＋8KBCacheGUI（GraphicUserInterface）廣泛應用倍頻技術的應用L1Cache11準64位CPUPentium1993年推出，俗稱80586或者P5，奔騰微處理器32位結構，尋址空間4GB，連接主存的外部數據總線64位超標量（Superscalar）技術兩條可以并行工作的整數處理流水線，每個時鐘周期執行2條彼此獨立的指令。動態轉移預取技術，加速了循環的執行。雙路高速緩沖結構8KB代碼和8KB數據高速緩沖存儲器12PentiumPro原稱P6，中文名稱為“高能奔騰”36位地址總線，尋址范圍64GB兩個芯片組CPU＋一級（L1）Cache（8KB代碼和8KB數據）二級（L2）Cache（256KB或512KB）擴展的超標量技術12級指令流水線三個指令執行部件，能同時執行3條指令。動態執行技術分支預測、數據流分析和推測執行13PentiumII1997年推出，多個芯片模組，單邊接觸盒封裝形式。片內32KBCache，L2為512KB多媒體擴展指令（MMX指令）MMX（MutliMediaeXtension）整數運算多媒體指令對圖像、音頻、視頻和通信方面的程序進行優化提升微機對多媒體的處理能力PentiumMMX（多能奔騰）：MMX指令應用于Pentium處理器PentiumII：MMX指令應用于PentiumPro賽揚（Celeron）系列：PentiumII去掉L2Cache14PentiumIII1999年推出。數據流SIMD擴展指令（SSE指令）SSE（StreamingSIMDExtensions）浮點單精度多媒體運算指令提高浮點3D數據的處理能力。SSE指令類似于AMD公司發布的3DNow!指令內核速度比PentiumII更快。128位唯一的處理器序號單指令多數據SIMD（SingleInstructionMultipleData）表示一條指令具有同時處理多組數據的能力。15Pentium42000年末推出，芯片組支持用RAMBUS存儲總線技術或者DDR替代曾經的SDRAM技術。超線程HT（HyperThreading）線程級并行TLP（Thread-LevelParallel）發掘程序中的并行性一個物理處理器形成兩個邏輯處理器SSE2指令增強浮點雙精度多媒體運算能力SSE3指令增強和完善MMX，SSE和SSE2指令1664位CPUIA-642001年英特爾發布了Itanium(安騰)處理器。Itanium處理器是英特爾第一款64位的產品。AMD64位技術AMD皓龍?處理器、AMD速龍?處理器系列和AMD炫龍?64移動技術EM64T技術Xeon系列等CPU的微結構（Micro-Architecture）

微結構也叫做叫做計算機組織，它包含處理器內部的構成以及這些構成起來的部分如何執行指令集。同一個微結構下可能有多款CPU。同一個名稱的CPU也可對應不同的微結構。如Corei7就包括Nehalem微結構和Westmere微結構。單片機（微控制器，嵌入式控制器，MCU）Intel的MCS-48，MCS-51，MCS-96/98系列愛特梅爾（Atml）公司的AT89系列（與MCS-51兼容），AT91系列（基于ARM內核）MicrochipTechnology公司的PIC系列數字信號處理器（DSP）專注于數字信號的高速處理美國德州儀器TI公司TMS320各代產品主要應用：嵌入式系統專用微處理器通用微處理器發展史參考資源Intel微處理器BarryB.brey著，金惠華等譯，機械工業出版社Themicroprocessors:abiographyMalone&ShawnM.(1995).Intel公司的網上博物館/cn/museum1.3微處理器性能指標1.主頻、外頻和倍頻

主頻也叫時鐘頻率，表示在CPU內數字脈沖信號振蕩的速度。

外頻是CPU與主板之間同步運行的速度。目前外頻有66MHz、100MHz和133MHz。

倍頻是指CPU和系統總線之間工作頻率相差的倍數。

計算公式為：主頻=外頻×倍頻。20例題1?1假定購買了一顆CPU，它的工作頻率是2.4GHz，倍頻系數設定為18，請問外頻是多少？解答：2.4GHz/18≈133MHz，因此在設置主板跳線時應將主板頻率置為133MHz。消失的前端總線前端總線（FrontSideBus，FSB）是指處理器到北橋之間的總線。前端總線的數據帶寬＝（總線頻率×數據位寬）÷8。PentiumII北橋內存FSB前端總線L2Cache后端總線例1-2IntelPentium4處理器中采用了四倍傳輸率的前端總線，當主頻為3.2GHz，外頻為200MHz時，試問倍頻是多少？已知數據位寬為64位，則前端總線頻率為多少？前端總線的數據傳輸性能峰值為多少？解答：倍頻=3.2GHz/200MHz=16FSB頻率=200MHz×4=800MHz峰值傳輸性能200M×4×64÷8=6.4G/sFSB的替代品AMD速龍64系列（K8）以后，Intel微處理器酷睿i系列以后，兩大CPU公司在處理器集成了內存控制器，前端總線消失。AMD公司采用HT（HyperTransport）總線，Intel公司采用QPI（QuickPathInterconnect）總線。二者原理相同。2、高速緩沖存儲器Cache目的是協調主頻和內存總線頻率之間的差異。高速緩存的容量和工作速率對提高計算機的性能有著重要的作用。CPU的緩存分為：

LlCache(一級緩存)

L2Cache(二級緩存)

L3Cache(三級緩存)25高速緩沖存儲器示意圖L1L23.制造工藝線寬是IC生產工藝可達到的最小導線寬度。芯片制造工藝在1995年以后，從0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、0.09微米（90納米）、65納米、45納米，到最新的14納米，將來還會進一步縮小。274.核心電壓工作電壓即CPU正常工作所需的電壓：核心電壓：驅動CPU核心芯片的電壓。I/O電壓：驅動I/O電路的電壓。

通常CPU的核心電壓小于等于I/O電壓。降低電壓是CPU主頻提高的重要因素之一。285.封裝形式

封裝是采用特定的材料將CPU芯片或CPU模塊固化在其中以防損壞的保護措施，一般必須在封裝后CPU才能交付用戶使用。CPU的封裝方式取決于CPU安裝形式和器件集成設計。291.4軟件特性1.工作模式CPU工作模式是指各種影響CPU可以執行的指令和芯片功能的操作環境。不同的工作模式決定了CPU如何看到并管理內存。傳統的IA-32模式：從80386開始，CPU具有三種工作模式：實模式、保護模式和虛擬實模式。31IA-32e模式：IA-32e模式是處理器在運行64位操作系統的時候使用的一種模式。2指令系統1、復雜指令集CISC（ComplexInstructionSetComputing）指令集。在CISC微處理器中，程序的各條指令是按順序串行執行的，每條指令中的各個操作也是按順序串行執行的。順序執行的優點是控制簡單，但計算機各部分的利用率不高，執行速度慢。英特爾生產的x86系列（也就是IA-32架構）CPU及其兼容CPU，如AMD、VIA，包括X86-64都屬于CISC的范疇。

1）.多媒體增強指令集技術Multi-MediaExtension，MMX技術增加了單指令多數據(SIMD,SimpleInstruction,MultiData)。SIMD功能使一條指令可以對多個數據同時進行操作，從而提高程序的運行速度。MMX技術包括57條新增加的指令，專門處理視頻，音頻和圖形數據。34傳統的串行結構SISD傳統的串行結構SIMD2）單指令的數據流式擴展技術StreamingSIMDExtensions，SSE技術

MMX只支持整數運算，SSE支持對單精度浮點數的SIMD操作，加快3D圖形處理速度，如三維幾何變換，裁減等。一條SSE指令可以同時對四個浮點數據進行操作。

Intel公司在SSE的基礎上發展起來一系列的指令包括SSE2，SSE3，SSSE3，SSE4.1，SSE4.2等。363）3DNOW！技術3DNOW技術是由AMD開發的一套SIMD多媒體指令集，支持單精度浮點數的矢量運算，用于增強x86架構的計算機在三維圖像處理上的性能。作為MMX技術的擴展，3DNOW和SSE技術相似，但指令格式不同，互不兼容。372、精簡指令集（RISC）ReducedInstructionSetComputing

這種指令集的特點是指令數目相對較少，執行時間短；每條指令都采用標準字長，方便快速譯碼；大部分的操作數由寄存器提供，尋址模式簡單，并且硬件中只支持少數的數據類型，適合流水線操作。

常見的精簡指令集如MIPS等。3.超線程技術理論上實行超線程技術(Hyper-ThreadingTechnology)后一個物理處理器核上會模擬出兩個邏輯內核，每一個內核模擬成一個CPU芯片，實現線程級別上并行處理。對于操作系統而言，它會把這個物理處理器視為兩個獨立的邏輯處理器，每個邏輯處理器可以各自對請求做出響應，運行不同的線程。兩個邏輯處理器共享一組處理器執行單元，即每個CPU執行單元同時為兩個“處理器”服務，并行完成各種操作，實現更高的整體性能。39404.超標量和超長指令字超標量技術指的是CPU在同一時刻執行兩條或兩條以上指令的能力。超標量結構使用多個功能部件同時執行多條指令，實現指令級的并行（InstructionLevelParallelism，ILP）。4142超標量超標量（superscalar）超標量和超級流水線技術一起使用超長指令字VLIW體系結構是美國Multiflow和Cydrome公司于20世紀80年代設計的體系結構。VLIW使用多個相同功能部件執行一條超長的指令，從而提高性能。該體系結構要求編譯程序能夠控制所有功能單元，精確地調度在何處執行每個操作、每個寄存器、存儲器讀和每個轉移操作等，對編譯技術提出了極高的要求。EPIC結構從VLIW中衍生出來。并行指令代碼（ExplicitlyParallelInstructionCode，EPIC）體系結構。EPIC體系結構是Intel的64位芯片架構，本身不能執行x86指令，但能通過譯碼器能兼容舊有的x86指令，只是運算速度比真正的32位芯片有所下降。5.動態執行技術動態執行是對多路分支預測、數據流分析和猜測執行這三種技術進行了革新式的組合。動態執行使CPU通過更符合邏輯的順序而不是簡單地按指令序列來執行，以獲得更高的效率。這是PentiumPro及以后的芯片和兼容芯片的特征之一。45多路分支預測

多路分支預測通過幾個分支來預測程序的執行。CPU通過特殊的取指/譯碼單元使用優化的算法，可以預測到指令流中的跳轉和分支，并且在多級分支調用和返回中預先執行指令。通過提前預測要執行的指令，指令就可以不用等待而馬上得到執行。數據流分析

數據流分析是CPU分析和調度指令，使指令以更優的順序