不同微处理器结构的比较研究

1、不同微处理器结构的比较研究 不同微处理器结构的比较研究李雨蔚学生姓名： 学号：122039322蔺洁蔚学生姓名： 学号：122039325申世琦学生姓名： 学号：122039308自动化系 部： 自动化 佟春生专 业： 指导教师： 二零一四年九月不同微处理器结构的比较研究摘 要：微处理器是微型计算机的核心，从最初发展至今已经有很多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长,可以分为：4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器，可以说个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的。近年来微处理器不断发展，人们对它的需求越来越多，对于其功能的要求也越来越高，这就不断推进着

2、微处理器技术上的创新和完善。我们通过比较几种典型的微处理器即Intel系列里的8086,80386以及Pentium的内部结构，了解其功能还有它们的优缺点，对于以后的学习和研究大有益处。关键词：8086；80385；Pentium；结构目录1 前言 32 8086微处理器内部结构分析42.1 8086简介 42.2 8086CPU的内部功能结构52.3 8086CPU的寄存器结构62.4 存储器及I/O端口的组织与管理83 Pentium微处理器内部结构分析83.1 Pentium的三种指令处理部件83.2指令CACHE和数据CACHE83.3 Pentium的指令预取缓冲器和转移目标缓冲器9

3、3.4 Pentium的总线设置93.5 Pentium在片CACHE的复写方式94、80386微处理器内部结构分析94.1总线接口部件94.2 中央处理部件94.3存储器管理部件105、三种微处理器的结构比较105.1 80386与8086内部结构的比较115.2 80386和Pentium的内部结构比较116、结论13参考文献131、前言自从人类1947年发明晶体管以来，50多年间半导体技术经历了硅晶体管、集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电路等几代，发展速度之快是其他产业所没有的。半导体技术对整个社会产生了广泛的影响，因此被称为“产业的种子”。中央处理器是指计算机内部对数据进行处理

4、并对处理过程进行控制的部件，伴随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成密度越来越高，CPU可以集成在一个半导体芯片上，这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件，被统称为“微处理器”。 在学习微型计算机原理与控制技术这本书的同时，为了更加熟悉的掌握微处理器的结构，了解微处理器的发展以及技术上的革新，我们以“不同微处理器结构的比较研究”为论题撰写了这篇论文，并主要参考了微机原理与接口技术第二章、Intel32位微处理器80386新一代高性能微处理器的代表、Intel80386微处理器结构概述、Pentium微处理器结构分析与技术特点、第五代微处理器-Intel Pentium等文献，对Inte

5、l 8086、Intel 80386以及Intel Pentium进行了结构分析和比较研究。论文的第一部分主要介绍了8086的CPU内部功能结构、寄存器结构、存储器以及I/O端口的组织与管理；第二部分主要介绍了Pentium的结构、三种指令处理部件和总线设置；第三部分主要介绍了80386的总线接口部件、中央处理部件，存储器管理部件；第四部分主要是对这三种微处理器结构进行比较研究；第五部分主要是整篇论文的结论。在参考文献方面，我们主要是从期刊杂志、书本上收集有关Intel系列微处理器的资料（主要是Intel 第一代到第五代的资料）。收集这些资料一方面可以让自己多了解一些有关微处理器的知识；另一方

6、面是资料比较权威，不易出现过大的错误，使研究更具可靠性。这些资料为我们的研究提供了很大的理论支持。这篇论文整体结构清晰，层次分明，内容丰富，循序渐进，并注重介绍了各个类型微处理器的结构及比较，在论文中还特别绘制了部分插图以方便理解和阅读。这篇论文是我组人员共同的成果，论文中可能会存在一定的疏漏和错误，殷切希望读者能够批评指正。2、 8086微处理器内部结构分析2.1 8086简介Intel8086CPU是Intel公司推出的第三代微处理器芯片，是Intel系列典型的16位或准16位微处理器，它采用HMOS工艺制造，双列直插，有40个引脚。8086微处理器是以8080和8085的设计为基础，拥有

7、类似的寄存器组，但是数据总线扩充为16位。总线界面单元透过6字节预存的队列喂指令给执行单元，所以取指令和执行是同步的，8086CPU有20条地址线，可直接寻址1MB的存储空间，每一个存储单元可以存放一个字节（8位）二进制信息。8086微处理器拥有四个16位的通用寄存器，也能够当作八个8位寄存器来存取，以及四个16位索引寄存器（包含了堆栈指标）。资料寄存器通常由指令隐含地使用，针对暂存值需要复杂的寄存器配置。它提供64K8位元的输出输入（或32K16位元），以及固定的向量中断。大部分的指令只能够存取一个内存位址，所以其中一个操作数必须是一个寄存器。运算结果会储存在操作数中的一个寄存器。Intel

8、8086有四个内存区段寄存器，可以从索引寄存器来设定。区段寄存器可以让CPU利用特殊的方式存取1MB内存。8086把段地址左移4位然后把它加上偏移地址。大部分的人都认为这是一个很不好的设计，因为这样的结果是会让各分段有重叠。尽管这样对组合语言而言大部分被接受（也甚至有用），可以完全地控制分段，使在编程中使用指针（如C编程语言）变得困难。它导致指针的高效率表示变得困难，且有可能产生两个指向同一个地方的指针拥有不同的地址。更坏的是，这种方式产生要让内存扩充到大于1MB的困难。而8086的寻址方式改变让内存扩充较有效率。8086处理器的时钟频率介于4.77MHz（在原先的IBMPC频率）和10MHz

9、之间。8086没有包含浮点指令部分（FPU），但是可以通过外接数学辅助处理器来增强浮点计算能力。2.2 8086CPU的内部功能结构从功能上讲8086分为两部分，即总线接口部件（BIU）和执行部件（EU）。1、 总线接口部件总线接口部件BIU是CPU与外部存储器I/O的接口，负责完成CPU与存储器和I/O系统的数据转换。BIU主要由以下部分组成：（1）4个16位段址寄存器2.1 8086CPU的内部结构用于存放各段的段地址基址，16位的寄存器IP控制指令的读取。CS16位的代码段寄存器；DS16位的数据段寄存器；ES16位的扩展段寄存器；SS16位的堆栈段寄存器。 （2）20位物理地址加法器由

10、于内部寄存器是16位的，为了形成20位的物理地址，8086CPU巧妙地利用20位加法器进行了16位/20位的地址转换。（3）指令队列缓冲器8086的BIU中包含了6字节的指令队列缓冲器，可以预取6字节的指令代码。（4）总线控制电路总线控制电路用于产生并发出总线控制信号，已实现对存储器和I/O端口的读/写控制。同时它将CPU的内部总线与16位的外部总线相连。2、执行部件执行部件EU的功能就是指令的执行。EU包括下列部分： 算术逻辑单元ALU：ALU完成16位或8位二进制的算术/逻辑运算，绝大部分指令的执行都由ALU完成。 通用寄存器组和标志寄存器FR 控制器EU：接收从BIU中指令队列取来的指令

11、，经过指令译码形成各种定时控制信号，向EU内各功能部件发送相应的控制命令，已完成每条指令所规定的操作。8086CPU在取指令和执行指令过程中，EU和BIU之间采用了流水线方式。2.3 8086CPU的寄存器结构8086CPU内部有14个16位寄存器，可分为通用寄存器、控制寄存器、段寄存器组三类。1、 通用寄存器（1）数据寄存器组数据寄存器包括AX、BX、CX、DX共4个16位寄存器，主要用来保存算术、逻辑运算的操作数、中间结果和地址。她们既可以作为16位寄存器使用，也可以将每个寄存器高字节和低字节分开作为两个独立的8位寄存器使用。8位寄存器只能用于存放数据。其中：AX: 具有累加功能，可作16

12、位累加器，AL可作为8位累加器。BX: 在基址变址寻址时作为基址寄存器。CX: 在循环类与串处理类指令执行时作为默认的计数器寄存器。DX: 作为数据寄存器使用，在双字运算中存放高16位数据。（2）指针和变址寄存器组指针和变址寄存器组包括指针寄存器SP、BP和变址寄存器SI、DI，是不可拆分的16位寄存器。SP：堆栈指针寄存器，用来指出堆栈的顶部偏移地址。BP：基地址指针寄存器，在间接寻址时作为基地址寄存器。SI：源变址寄存器，在间接寻址时作为地址寄存器或变址寄存器。在字符串处理指令中，作为目的变址寄存器。DI：目的变址寄存器，在间接寻址时作为地址寄存器或变址寄存器。在字符串处理指令中，作为源变

13、址寄存器。1、段寄存器租段寄存器组包括4个段寄存器：CS：代码段寄存器，存放当前代码段的段基址。SS：堆栈段寄存器，存放当前堆栈段的段基址。ES：附加段寄存器，存放当前傅家短的段基址。DS: 数据段寄存器，存放当前数据段的段基址。2、 控制寄存器（1）指令指针IP16位的指令指针寄存器IP，存放代码段中下一条中将要执行指令的偏移地址。执行部件EU每取走一条指令，总线接口部件BIU自动将IP的内容修改为下一条将要执行指令的地址。3、标志位寄存器FR它是一个16位的寄存器，用来记录程序中运行结果的状态信息,它们是根据有关指令的运行结果由 CPU 自动设置的。其中9位有定义, 9位中6位表示状态，3

14、位表示控制标志。2.2 位寄存器 状态标志a进位标志(CF):运算指令执行之后，若在最高位上产生进位、借位时，该标志位被置1。具体地说，两个数相加时，最高位(D15或D7)有进位，或当两个数相减时，最高位有借位，进位标志位被置1，即CF=1；否则CF=0。b.奇偶标志（PF):8086/8088 CPU中采用奇校验，运算指令执行后，运算结果的低8位中含1的位数为偶数时，该标志位被置1，否则被置0。也称为偶标志位。c.辅助进位标志(AF):运算指令执行后。当两个数相加(减)时，当D3有向D4进(借)位时，该标志位被置1，否则被置0。d.全零标志(ZF):运算指令执行后，结果的每一位都为零时该标志

15、位被置1。e.符号标志(SF):在带符号数运算时，如果运算结果最高位为1，表示结果为负值，SF位被置1，否则SF位被置0。SF也称为负标志位。f.溢出标志(OF):运算指令执行后，结果的数值产生溢出，该标志位被置1，否则被置0。 控制标志控制标志用来控制CPU的工作方式，用户可以使用指令设置或清除。a.方向标志（DF):用于字符串指令操作，当DF0时，字符串处理由低地址向高地址处理；当DF1时，则从高位地址向低位地址处理。b.中断允许标志(IF):用来控制可屏蔽硬件中断。当IF1时8086微处理器可以接受片外来的可屏蔽中断请求，开中断；IF0时片外来的中断请求被阻止，关中断，也称被屏蔽。c.单

16、步标志(TF):该标志用来控制单步中断。在TF1时，以单步方式执行程序。即8086每执行完条指令就产生处理器内部单步中断。单步执行指令可使程序员跟踪指令的执行过程，进行积序的调试。2.4 存储器及I/O端口的组织与管理1、存储器存储器是按照字节编址的，即一个存储单元存放一个字节的的内容，8086系统字长是16位的，所以当一个字存入存储器时需要占用两个相邻的存储单元，8086CPU约定字的低字节存放在低地址，高字节存放在高地址，字单元的地址采用它的低地址来表示。存储器可分为逻辑段、段基址和段起始地址。2、8086I/O组织8086系统和外部设备之间是通过I/O芯片连接的。每个I/O芯片都设置有一

17、定数目的端口暂存信息，微机系统为每个端口分配一个地址，称为端口号。各个端口地址是唯一的。8086CPU可以访问64K个8位的I/O端口，两个编号相邻的8位端口可以合为一个16位端口。3、Pentium微处理器内部结构分析Pentium微处理器内部结构如图3.1所示。设有三种指令处理部件和16-21Kb的CACHE部件。3.1 Pentium的三种指令处理部件Pentium的三种指令处理部件分别是：RISC体系结构型的整数处理部件CPU，i80386兼容处理部件和浮点处理部件。Pentium的RlSC型整数处理部件是采用超标量技术实现的,它设有两条流水线U和V流水线。每条流水线都拥于自己的ALU

18、,一个时钟周期可以并行执行两条整数指图3.1 Pentium内部结构图令。Pentium双流水线中的每一条分为5个步骤，即指令预取、指令解码、地址生成、指令执行、回写。Pentjum的i80386兼容处理部件负责处理不能用一个时钟周期完成的复杂指令。也就是说，它是利用微程序来处理RISC型整数处理部件无法执行的复杂命令。Pentium的浮点处理部件采用超级流水线技术来实现,其浮点单元在486的基础上进行了彻底的改进，执行过程分为8级流水，每个时钟周期能完成一个浮点操作。浮点单元流水线的前1步与整数流水相同，后4个步骤的前两步为二级浮点操作,后两步为四舍五入及写结果、出错报告。3.2指令CACH

19、E和数据CACHEPentium在微处理器中,设有在片的指令CACHE和数据CACHE。它们的容量各为8Kb,并且可以分别扩充到12Kb,而且可同时被访问。指令和数据分别使用不同的CACHE,使Pentiun的性能大大提高。例如.流水线的第1步为指令预取,在这一步中,指令从指令CACHE中取出来,如果合用一个CACHE,则预取指今和数据操作之间可能发生冲突。两个独立的CACHE可避免冲突并允许两个操作同时进行3.3 Pentium的指令预取缓冲器和转移目标缓冲器Pentium中设置了在片白的指令预取缓冲器。它在前一条指令执行结束后，可以预取多达91个字节的指令。为了高速处理转移操作，Penti

20、um中设置了在片的转移日标缓冲器，它含有256个头目，可以动态地预测程序分支，当一条指令导致程序分支时，转移目标缓冲器记忆住在这条指令和分支目标的地址,并用这些信息预测这条指令再次产生分支时的路径,预先从此处预取。3.4 Pentium的总线设置Pentium的内部总线为32位,通向存贮器的外部数据总线为64位,在一个周期内,将数据传输量增加了一倍。地址总线扩充到36位，这是因为目前IGb大小的物理地址空间已不能满足要求所致。Pentium还支持多种类型的总线周期,其中包括一种突发模式，该种模式下可以在一个总线周期装入256位数据。3.5 Pentium在片CACHE的复写方式Pentium微

21、处理器的在片CACHE,采用了“回写方式”。其目的在于适应共享主存贮器多机系统的需求,它有效地抑制了存取总线的使用次数。4、80386微处理器内部结构分析80386内部结构由三大部分组成：总线接口部件、中央处理部件和存储器管理部件。图4.1 80386内部结构图4.1总线接口部件总线接口部件负责与存储器和I/O接口传送数据，并产生产生访问存储器和I/O端口所必须的地址和命令信号。由于总线数据传送与总线地址形成可同时进行，所以80386的总线周期只包含2个时钟周期。平常没有其它总线请求时，BIU将自动取出下条指令送到指令预取队列。4.2 中央处理部件中央处理部件包括指令预取单元、指令译码单元和执

22、行单元三部分o 指令预取单元负责从存储器取出指令，放到一个16字节的指令队列中。它管理一个线性地址指针和一个段预取界限，负责段预取界限的检验。它把预取总线周期通过分页部件发给总线接口。每当预取队列不满或发生控制转移时，就向BIU发一个取指请求。指令预取的优先级别低于数据传送等总线操作。因此，绝大部分情况下是利用总线空闲时间预取指令。指令预取队列存放着从存储器取出的未经译码的指令。 指令译码单元从指令预取单元之中取出指令，进行译码。译码后的可执行指令放入已译码指令队列中，以备执行部件执行。每当已译码指令队列中有空间时，就从预取队列中取出指令并译码。 执行单元包括8个32位的寄存器组32位的算术逻

23、辑单元ALU，一个64位桶形移位寄存器和一个乘法除法器。桶形移位器用来有效地实现移位、循环移位和位操作，被广泛地用于乘法及其他操作中。它可以在一个时钟周期内实现64位同时移位，也可对任何一种数据类型移任意位数。桶形移位器与ALU并行操作，可加速乘法、除法、位操作，移位和循环移位操作。4.3存储器管理部件存储器管理器部件由分段部件和分页机构组成。分页与分段的原理。 分段部件的作用是应执行部件的请求，把逻辑地址转换成线性地址。在完成地址转换的同时还要执行总线周期的分段合法性检验。该部件可以实现任务之间的隔离，也可以实现指令和数据区的再定位。 分页机构的作用是把由分段部件或代码预取单元产生的线性地址

24、转换成物理地址，并且要检验访问是否与页属性相符合。为了加快线性地址到物理地址的转换速度，80386内设有一个页描述符高速缓冲存储器，其中可以存储32项页描述符，使得在地址转换期间，大多数情况下不需要到内存中查页目录表和页表。试验证明TLB的命中率可达98%。对于在TLB内没有命中的地址转换，80386设有硬件查表功能，从而缓解了因查表引起的速度下降问题。5、三种微处理器的结构比较8086是16位结构微处理器，它是Intel公司的第三代产品。80386是与8086相兼容的高性能的32位微处理器，是Intel公司的第四代产品，也是第一代32位微处理器。PentiumCPU是Intel 80x86系

25、列的第五代产品，是与80386保持完全兼容的64位微处理器。5.1 80386与8086内部结构的比较（1）80386内部结构由三大部分组成：总线接口部件(BIU)、中央处理部件(CPU)和存储器管理部件(MMU)；而8086内部结构分为两部分，即总线接口部件（BIU）和执行部件（EU）。（2）80386采用全32位结构，其内部寄存器、ALU和操作是32位，数据线和地址线均为32位；而80386采用16位内部结构，16位双向外外部数据总线，20位地址信号线，其内部寄存器、ALU和操作是16位。（3）80386提供32位外部总线接口，最大数据传输率为32MB/s，具有自动切换数据总线宽度的功能C

26、PU读写数据的宽度可以在32位到16位之间自由进行切换；而8086提供16位外部总线接口，最大数据传输率为16MB/s。（4）80386片内集成存储器管理部件MMU，可支持虚拟存储和特权保护，虚拟存储器空间可达64TB(246字节)。存储器按段组织，每段最长4GB，因此64TB虚拟存储空间允许每个任务可拥有多达16384个段。存储保护机构采用四级特权层，可选择片内分页单元。内部具有多任务机构，能快速完成任务的切换。而8086存储器是按照字节编址的，即一个存储单元存放一个字节的的内容，8086系统字长是16位的，所以当一个字存入存储器时需要占用两个相邻的存储单元，8086CPU约定字的低字节存放

27、在低地址，高字节存放在高地址，字单元的地址采用它的低地址来表示。（5）80386具有三种工作方式：实地址方式、保护方式和虚拟8086方式。实地址方式和虚拟8086方式与8086相同，已有的8088/8086软件不加修改就能在80386的这两种方式下运行；保护方式可支持虚拟存储、保护和多任务，包括了80286的保护方式功能。（6）80386采用了比8086更先进的流水线结构，能高效、并行地完成取指、译码、执行和存储管理功能。它具有增强的指令预取队列，指令队列从8086的6字节增加到16字节。（7）80386采用引脚栅格阵列封装技术，芯片封装在正方形管壳内，管壳每边3排引脚，共132根引脚，其中数

28、据总线32条，地址线32条，时钟频率16MHz 。80386集成了275万个晶体管；而8086采用40个引脚的双列直插封装形式，并使用了引脚复用技术，使部分引脚具有双重功能，芯片上有4万个晶体管，采用HMOS工艺制造，用单一的+5V电源，时钟频率为4.77MHz10MHz，有16根数据线和20根地址线，它既能处理16位数据，也能处理8位数据。（8）80386共有34个寄存器，可分为七类，它们分别是通用寄存器、指令指针和标志寄存器、段寄存器、系统地址寄存器、控制寄存器、调试和测试寄存器；而8086CPU内部有14个16位寄存器，可分为通用寄存器、控制寄存器、段寄存器组三类。80386有8个32位

29、的通用寄存器，这8个通用寄存器都是由8086的相应16位通用寄存器扩展成32位而得，名字分别是：EAX，EBX，ECX，EDX，ESI，EDI，EBP，ESP。每个32位寄存器的低16位可单独使用，与8086的相应16位通用寄存器作用相同。同时，AX、BX、CX、DX寄存器的高、低8位也可分别当作8位寄存器使用。80386的指令指针EIP是一个32位寄存器，是从8086的IP扩充而来。32位标志寄存器中，除保留8088/8086CPU的9个标志外，另新增加了4个标志，即IOPL I/O特权级、NT 嵌套任务、VM 虚拟8086方式和RF 恢复标志。80386有6个段寄存器，分别是CS，DS，SS，ES，FS和GS。前4个段寄存器的名称与8086相同，在实地址方式下使用方式也和8086相同。除此之外，80386又增加了FS与GS，主要为了减轻对DS段和ES段的压力。5.2 80386和Pentium的内部结构比较（1）Pentium微处理器内部结构有三种处理部件（即RISC体系结构型的整数处理部件CPU、i80386兼容处理部件、浮点处理部件）和16-21KB的CACHE部件；80386内部结构由三大部分组成：总线接口部件(BIU)、中央处理部件(CPU)（包括预取单元、指令译码单元、执行单元）和存储器