1.80386微处理器

80386采用先进的高速CHMOS_Ⅲ工艺,既具有HMOS的高性能特点,又具有CMOS的低功耗特点。该芯片集成了27.5万个晶体管,对外引脚有132条,采用陶瓷网格阵列(PGA)封装,具有高可靠性和紧密性。

(1)80386的主要特点

①采用全32位结构,其内部寄存器、ALU和操作都是32位的,数据线和地址线均为32位,故能寻址的物理空间为232=4 GB。

②提供32位外部总线接口,最大数据传输率为32 MB/s,具有自动切换数据总线宽度的功能,CPU读写数据的宽度可以在16位到32位之间自由进行切换。

③具有片内集成的存储器管理部件MMU,可支持虚拟存储和特权保护,虚拟存储器空间可达64 TB,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。

④具有3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80286的保护方式功能。

⑤采用流水线结构使得80386并行完成取指、译码、执行和存储管理功能。它能预取指令并进行内部排队,故取指和译码时间由流水线承担,处理器执行指令不需等待。

(2)80386的内部结构

80386内部基本结构由三大部分组成,即总线接口部件(BIU)、中央处理部件(CPU)和存储器管理部件(MMU)。

①总线接口部件提供中央处理部件和系统其他部件之间的高速接口,其功能是产生访问存储器和I/O端口所必须的地址、数据和命令信号。

②中央处理部件包括指令预取单元、指令译码单元和执行单元三部分。

③存储器管理部件又可分为分段单元和分页单元。

·分段单元的作用是执行部件的请求,把逻辑地址转换成线性地址。

·分页单元的作用是把由分段单元或代码预取单元产生的线性地址转换成物理地址,并且要检验访问是否与页属性相符合。

(3)80386的内部寄存器

80386共有34个寄存器,可分为7类,分别是通用寄存器(8个32位)、指令指针和标志寄存器(各1个32位)、段寄存器(6个)、系统地址寄存器(4个)、控制寄存器(4个32位)、调试寄存器(8个32位)和测试寄存器(2个32位)。

2.80486微处理器

80486微处理器是Intel公司1989年推出的为满足图形用户接口、多媒体和数字图像等日益增长的要求而设计的第二代32位微处理器,它是80386的升级产品。

80486对外引脚有168条,采用CHMOS工艺PGA封装,在一单片上集成了120万个晶体管,比80386的27.5万个多4倍以上。80486内部由80386、浮点协处理器(FPU)和高速缓冲存储器(Cache)构成。80486内部数据总线宽度增加到64位,在相同的工作频率下,80486比80386处理速度提高了2～4倍。

(1)80486的主要特点

①采用精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer,RISC)设计技术,减少了执行每条指令所需要的时间。(www.daowen.com)

②采用突发式总线(burst bus)技术,为了更有效地将信息装入Cache和预取部件,总线部件可以运行一个专门的突发周期,即可以在一个总线周期内从主存储器中取出连续的16字节(128位)的数据和指令块。

③80486内部含有8 KB(Intel 486 DX4内含16 KB)的数据和指令混合型高速缓存器(Cache),Cache为频繁访问的指令和数据提供快速的存储。

④80486芯片内部集成了增强型80387浮点运算器(Floating Point Unit,FPU)。

⑤采用一种新的系统管理方式(SMM),在所有的SL增强的Intel和Pentium处理器中都采用这种操作方式。

(2)80486的内部结构

80486内部共有9个部件,除高速缓存器(Cache)与浮点运算器(FPU)外,其余部件与80386内部结构基本相同。它们分别是总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件、控制部件、算术逻辑(ALU)运算部件、分段部件和分页部件,这些部件和80386的内部部件功能类似。

这9个部件可以同时工作,从而支持处于不同阶段的多条指令。当一条指令需要几个单元参与时,各个单元则根据指令执行的不同阶段与其他单元并行工作,虽然每条指令都是顺序执行的,但在任一时刻,在处理器内部总有几条指令处于不同的执行阶段。这就是指令流水线作业。

3.Pentium微处理器

Intel公司1993年3月推出的Pentium微处理器被称为第五代微处理器,其命名方法打破了以顺序的X86编号的长期传统方法,命名为Pentium微处理器。

自Pentium微处理器问世以来,处理器在技术上分成了两大流派:一是Pentium Pro(高能奔腾),另一个是MMX Pentium(多能奔腾)。两者融合,诞生了PentiumⅡ。Intel公司把PentiumⅡ作为Pentium正统的下一代CPU,故PentiumⅡ也叫做Pentium第二代。在Pentium中追加多媒体扩展功能“MMX”,就变成MMX Pentium;在Pentium Pro中追加MMX功能,就变成PentiumⅡ。

Pentium微处理器对外有237条引脚,采用PGA封装,在一单片上集成了310万个晶体管,是80486的2.6倍,是80386的11倍多,引脚数比80386多了105条。对外地址线为32条,数据线为64条。

(1)Pentium微处理器的主要特点

①Pentium微处理器采用了一些最新的设计技术,如双执行部件、超大规模体系结构、集成的浮点部件、分离的指令和数据高速缓存、转移预测、64位数据总线、回写高速缓存、二级错误检测、系统管理方式(SMM)等,在性能上比80486提高了3～4倍。

②Pentium微处理器允许一次执行两条指令;两个平行分离的执行部件可增加每个时钟周期执行的指令数。Pentium微处理器具有一次同时执行多条指令的超标量体系结构。

③Pentium微处理器外部数据总线宽度增加到64位,使得每个时钟周期传输的数据量增加了一倍。Pentium微处理器借助突发读、写周期能达到528 MB/s的最高带宽。

④Pentium微处理器有两个独立的8 KB高速缓存(Cache),每个Cache的设计方法都能允许其内部执行部件以最有效的途径取得所需的信息(指令或数据)。Pentium微处理器对数据Cache增加了回写能力。

⑤为了提高执行流水线的效率和处理器的运行速度,Pentium微处理器利用转移预测部件(BPU)预测下次程序转移的发生,它使用一个小型的1 KB Cache(称为转移目标缓冲器)来预测转移,这种技术可无延迟地执行转移指令。

⑥在Pentium微处理器中使用了一种新型的浮点指令部件,以加速具有大量算术运算的操作,这种操作对于一些先进的大型程序(如三维动画的设计软件包和建模软件包)是很需要的。Pentium微处理器比486DX2的浮点性能提高了4倍。

(2)Pentium微处理器的内部结构

Pentium微处理器内部主要由10部分组成,分别是总线接口部件、分段分页部件、U流水线和V流水线、指令Cache和数据Cache、指令预取部件、指令译码部件、浮点处理部件(FPU)、分支目标缓冲器(BTB)、控制ROM和寄存器组。