【文章內(nèi)容簡介】 線 部 件 12 Pentium4 CPU 結構框圖 奔騰處理器內(nèi)部結構 系統(tǒng)界面 L2 cacher 和 控制 BTB 及 1TLB 轉移目標緩沖器 取指 譯碼 跟蹤 cacher 微指令碼 ROM 換名 分配 微指令隊列 調(diào)度器 整數(shù)寄存器組 浮點寄存器組 存數(shù)地址生成 取數(shù)地址生成 浮點存儲 浮點傳送 浮點乘 浮點除 MMX L1數(shù)據(jù) cacher 和 DTLB ALU ALU ALU ALU 13 三、詳細分析 1 Pentium 性能簡介 1993年 3月 Intel公司推出了第五代微處理器 Pentium Pentium是微處理器本質(zhì)上的一次創(chuàng)新。 Pentium 采用了 m 雙極性互補金屬氧化半導體（ BiCMOS）技術，它屬于單芯片超標量流水線微處理器，片內(nèi)集成了多達 310 萬個晶體管，工作電壓 +5V，功耗 15W。片內(nèi)時鐘頻率（微處理器主頻）與外片主總線的時鐘頻率相等，均為 60MHz 或 66MHz 兩種。 1994 年 3 月之后推出的 Pentium（ P54C）采用了 m 的 CMOS 技術，工作電壓降為 ，功耗降至 4W。主總線時鐘頻率有 50MHz、 60MHz 以及 66MHz 等，經(jīng)倍頻后作為 Pentium（ P54C）內(nèi)部的時鐘頻率（主頻），表 31 列出了幾種 Pentium（ P54C）的主頻與工作電壓。 幾種 Pentium 的主頻與工作電壓 型 號 主總線時鐘頻（ MHz） 倍數(shù)因子 主頻（ MHz） 工作電壓 Pentium－ 90 60 90 或 Pentium－ 100 60 100 Pentium－ 120 60 2 120 Pentium－ 133 60 2 133 Pentium－ 150 60 150 Pentium－ 166 66 166 Pentium－ 200 66 3 200 Pentium 通往外部存儲器的數(shù)據(jù)總線為 64 位， CPU 內(nèi)部主要寄存器的寬度仍然為 32 位，那么 Pentium、 Pentium（ P54C）應該是 32 位微處理器。外部 64 位數(shù)據(jù)總線（ D63D0）每次可同時傳輸 8 字節(jié)的 二進制信息，若選用主總線時鐘頻率 66MHz 計算，即存儲器總線的時鐘頻率也為 66MHz，則 Pentium 與主存儲器交換數(shù)據(jù)的速率可為 528MB/S。 2 Pentium 的原理結構 Pentium CPU 內(nèi)部的主要部件： ①總線接口部件 ② U 流水線和 V 流水線 ③指令高速緩沖存儲器 Cache ④數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器 Cache ⑤指令預取部件 ⑥指令譯碼器 14 ⑦浮點處理部件 FPU ⑧分支目標緩沖器 BTB ⑨微程序控制器中的控制 ROM ⑩寄存器組 Pentium 微處理器的原理結構圖如圖所示 所以 Pentium CPU 堪稱為當代 CISC 機器的經(jīng)典之作。 四、側重點分析與研究 1 多 Cache 技術 80486 CPU中有 8KB的指令和數(shù)據(jù)共用的 cache。而奔騰 CPU則分設指令 cache和數(shù)據(jù) cache，各 8KB。指令 cache 是只讀的，以單端口 256 位 (32B)向指令預取緩沖器提供超長指令字代碼。數(shù)據(jù) cache 是可讀可寫的，雙端口，每個端口 32 位，與 U， V 兩條流水線交換整數(shù)數(shù)據(jù)，或組合成一個 64 位端口與浮點運算部件交換浮點數(shù)據(jù)。兩個 cache 與 64 位數(shù)據(jù)、 32 位地址的 CPU 內(nèi)部總線相連接。 15 兩個 cache 都使 用物理地址。每個 cache 都有一個后援緩沖器 TLB，負責將 TLB 命中的線性地址轉換成 32 位物理地址。 2 超標量流水線 超標量流水線是 pentium 系統(tǒng)結構的核心。它由 U 和 V 兩條指令流水線構成，每條流水線都有自已的 ALU、地址生成電路、與數(shù)據(jù) cache 的接口。 控制 ROM 屬于微程序控制器，其中存放一組解釋指令操作順序的微指令代碼。 兩個地址生成器用于計算存儲器操作數(shù)地址。各種模式下的邏輯地址最終要轉換成物理地址來訪問數(shù)據(jù) cache，并用轉換后援（旁視）緩沖器 TLB 來加速這種地址轉換過程。寄存器堆 有 8個 32 位整數(shù)寄存器，用于地址計算、保存 ALU 的源操作數(shù)和目的操作數(shù)。 五、存在問題及改進建議 要講ＣＰＵ，就必須先講指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)指的是一個ＣＰＵ所能夠處理的全部指令的集合，是一個ＣＰＵ的根本屬性。之所以說指令系統(tǒng)是一個ＣＰＵ的根本屬性，是因為指令系統(tǒng)決定了一個ＣＰＵ能夠運行什么樣的程序，進行什么操作。所有采用高級語言編出的程序，都需要翻譯（編譯或解釋）成為機器語言后才能運行，這些機器語言就是由一條條的指令組成的。 通常，一條指令包括兩個部分：操作碼和地址碼。操作碼其實就是指令序列號，用 來告訴ＣＰＵ需要執(zhí)行哪一條指令。地址碼則復雜一些，主要包括源操作數(shù)地址、目的操作數(shù)地址。在某些指令中，地址碼可以部分或全部省略，比如一條空指令 就只有操作碼而沒有地址碼。 從微處理器的指令系統(tǒng)來看，目前主要有兩種發(fā)展趨勢，一個是ＣＩＳＣ，一個是ＲＩＳＣ。 ＣＩＳＣ的產(chǎn)生、發(fā)展和現(xiàn)狀某一系列ＣＰＵ，如Ｉｎｔｅｌ Ｘ８６系列機，為了增加新的功能與提高速度，越來越多的復雜指令被加入到指令系統(tǒng)中。但是，這樣就導致一個問題：一個指令系統(tǒng)的指令數(shù)是受指令操作碼的位數(shù)所限制的，如果操作碼為８位，那么指令數(shù) 最多 為２５６條（２的８次方）。 那么怎么辦呢？指令的寬度是很難增加的，聰明的設計師們又想出了一種方案：操作碼擴展。由于操作碼的后面跟著的是地址碼，而有些指令是用不著地址碼或只用少量的地址碼的。那么，就可以把操作碼擴展到這些位置。然后，為了達到操作碼擴展的先決條件：減少地址碼，設計師們又廣開思路，發(fā)明了各種各樣的尋址方式，如基址尋址、 相對尋址等，用以最大限度地壓縮地址碼長度，為操作碼留出空間。 就這樣，慢慢地，ＣＩＳＣ指令系統(tǒng)就形成了，大量的復雜指令、可變的指令長度、多種的尋址方式是ＣＩＳＣ的特點，也是Ｃ ＩＳＣ的缺點：因為這些都大大增加了解碼的難度，而在現(xiàn)在的高速硬件發(fā)展下，復雜指令所帶來的速度提升早已不及在解碼上浪費的時間。 要改進這一缺點，使計算機既有復雜指令又可以在能容忍的時間上解碼，我的建議是：制作一種新的而且速度超快的解碼方式。從而減少解碼所花費的時間，大大的提高計算機的運行速度。 六、 實驗器材 湖北眾友公司 ZY15CompSys12BB 計算機組成原理及系統(tǒng)結構教學實驗箱； PC 機與網(wǎng)絡。 16 七、附錄 執(zhí)行設計之前，我們進行了簡單模型機和復雜模型機的實驗，實驗附圖如下： 八、參考文獻及相關網(wǎng)址 1.《計算機組成原理（第四版立體化教材）》，白中英主編， 08 年 1 月第四版，科學出版社 2.《計算機組成原理及系統(tǒng)結構實驗指導書（ ）》，湖北眾友科技實業(yè)股份有限公司 3. ㄍ Intel 微處理器 :從 8086 到 Pentium 系列體系結構編程與接口技術 》 . 4. 奔騰 Ⅱ /Ⅲ 處理器系統(tǒng)結構作者： 張昆藏 出版社： 電子工業(yè)出版 社 5. 80 86 /Pentium 微機原理及接口技術 （第 2 版） (配有電子課件，教學大綱，習題庫 ) 6. 80x86/Pentium 微型計算機原理及應用 (第 3 版） 7. Pentium 系列微型計算機原理與接口技術 8. Intel 微處理器 —— 從 8086 到 Pentium 系列體系結構、編程與接口技術 (第 5 版 )(影印版 ) 9. The Pentium Microprocessor Antonakos, James L. Prentice Hall amp。 IBD (199611 出版 ) 10. baidu, 17 參考： 畢業(yè)論文（設計）工作記錄及成績評定冊 題 目： 學生姓名 ： 學 號： 專 業(yè)： 班 級： 指 導 教 師： 職稱： 助理指導教師： 職稱： 年 月 日 實驗中心制 使 用 說 明 18 一、此冊中各項內(nèi)容為對學生畢業(yè)論文（設計）的工作和成績評定記錄，請各環(huán)節(jié)記錄人用黑色或藍色鋼筆（簽字筆）認真填寫（ 建議填寫前先寫出相應草稿，以避免填錯 ），并妥善保存。 二、此冊于學院組織對各專業(yè)題目審查完成后，各教研室匯編選題指南，經(jīng)學生自由選題后，由實驗中心組織發(fā)給學生。 三、學生如實填好本冊封面上的各項內(nèi)容和選題審批表的相應內(nèi)容，經(jīng)指導教師和學院領導小組批準后， 交指導教師；指導老師填好《畢業(yè)論文（設計）任務書》的各項內(nèi)容，經(jīng)教研室審核后交學生簽名確認其畢業(yè)論文（設計）工作任務。 四、學生在指導老師的指導下填好《畢業(yè)論文（設計）開題報告》各項內(nèi)容，由指導教師和教研室審核通過后，確定其開題，并將此冊交指導老師保存。 五、指導老師原則上每周至少保證一次對學生的指導，如實按時填好《畢業(yè)論文（設計）指導教師工作記錄》，并請學生簽字確認。 六、中期檢查時，指導老師將此冊交學生填寫前期工作小結，指導教師對其任務完成情況進行評價，學院中期檢查領導小組對師生中期工作進行核查，并對未 完成者提出整改意見，后將此冊交指導老師保存。 七、畢業(yè)論文（設計）定稿后，根據(jù)學院工作安排，學生把論文（打印件）交指導老師評閱。指導老師應認真按《畢業(yè)論文（設計）指導教師成績評審表》對學生的論文進行評審并寫出評語，然后把論文和此冊一同交教研室。 八、教研室將學生的論文和此冊分別交兩位評閱人評閱后交回教研室保存。 九、學院答辯委員會審核學生答辯資格，確定答辯學生名單，把具有答辯資格學生的論文連同此冊交各答辯小組。 十、學生答辯后由答辯小組記錄人填好《畢業(yè)論文（設計）答辯記錄表》中各項內(nèi)容，然后把學生的論文和此 冊一同交所在答辯小組，答辯小組對其答辯進行評審并填寫評語后交教研室。 十一、學院答辯委員會進行成績總評定，填好《畢業(yè)論文（設計）成績評定表》中各項內(nèi)容，然后把論文（印刷版和電子版（另傳））和此冊等資料裝入專用檔案袋中，教教研室后由實驗中心統(tǒng)一保存。 19 目 錄 1．畢業(yè)論文（設計）選題審批表 2. 畢業(yè)論文（設計）任務書 3．畢業(yè)論文（設計）開題報告 4. 學生畢業(yè)論文（設計）題目更改申請表 5．畢業(yè)論文（設計）指導老師工作記錄 6．畢業(yè)論文（設計）中期檢查記錄 7．畢業(yè)論文（設計）指導教師成 績評審表 8．畢業(yè)論文（設計）評閱人成績評審表 9. 畢業(yè)論文（設計）答辯申請表 10．畢業(yè)論文（設計）答辯記錄表 11．畢業(yè)論文（設計）答辯成績評審表 12．畢業(yè)論文（設計）成績評定表 20 畢業(yè)設計（論文）選題審批表 題目名稱 基于單片機的超聲波測距 題目性質(zhì) □工程設計 □理論研究 □實驗研究 □計算機軟件 □綜合論文 □其它 題目來源 □科研題目 □生產(chǎn)現(xiàn)場 □教學 □其它 □自擬題目 選題理由： 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波 經(jīng)常用于距離的測 量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡單，精度也能達到使用要求，超聲波測距應用于各種工業(yè)領域，如工業(yè)自動控制，建筑工程測量和機器人視覺識別等方面。超聲波作為一種檢測技術，采用的是非接觸式測量，由于它具有不受外界因素影響，對環(huán)境有一定的適應能力，且操作簡單、測量精度高等優(yōu)點而被廣泛應用。這些特點可使測量儀器不受被測介質(zhì)的影響，大大解決了傳統(tǒng)測量儀器存在的問題，比如，在粉塵多情況下對人引起的身體接觸傷害，腐蝕性質(zhì)的被測物對測量儀器腐蝕，觸電接觸不良造