【文章內(nèi)容簡介】 線 部 件 12 Pentium4 CPU 結(jié)構(gòu)框圖 奔騰處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)界面 L2 cacher 和 控制 BTB 及 1TLB 轉(zhuǎn)移目標(biāo)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(xì)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(dǎo)體（ BiCMOS）技術(shù)，它屬于單芯片超標(biāo)量流水線微處理器，片內(nèi)集成了多達(dá) 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(shù)，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(yīng)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(jìn)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(jié)構(gòu) 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(yù)取部件 ⑥指令譯碼器 14 ⑦浮點處理部件 FPU ⑧分支目標(biāo)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(jié)構(gòu)圖如圖所示 所以 Pentium CPU 堪稱為當(dāng)代 CISC 機器的經(jīng)典之作。 四、側(cè)重點分析與研究 1 多 Cache 技術(shù) 80486 CPU中有 8KB的指令和數(shù)據(jù)共用的 cache。而奔騰 CPU則分設(shè)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(yù)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(fù)責(zé)將 TLB 命中的線性地址轉(zhuǎn)換成 32 位物理地址。 2 超標(biāo)量流水線 超標(biāo)量流水線是 pentium 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心。它由 U 和 V 兩條指令流水線構(gòu)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(zhuǎn)換成物理地址來訪問數(shù)據(jù) cache，并用轉(zhuǎn)換后援（旁視）緩沖器 TLB 來加速這種地址轉(zhuǎn)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(jìn)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(jìn)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(fù)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(fù)雜指令被加入到指令系統(tǒng)中。但是，這樣就導(dǎo)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(shè)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(dá)到操作碼擴展的先決條件：減少地址碼，設(shè)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(fù)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(fù)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(jìn)這一缺點，使計算機既有復(fù)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(jié)構(gòu)教學(xué)實驗箱； PC 機與網(wǎng)絡(luò)。 16 七、附錄 執(zhí)行設(shè)計之前，我們進(jìn)行了簡單模型機和復(fù)雜模型機的實驗，實驗附圖如下： 八、參考文獻(xiàn)及相關(guān)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(xué)出版社 2.《計算機組成原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗指導(dǎo)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(jié)構(gòu)編程與接口技術(shù) 》 . 4. 奔騰 Ⅱ /Ⅲ 處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù) （第 2 版） (配有電子課件，教學(xué)大綱，習(xí)題庫 ) 6. 80x86/Pentium 微型計算機原理及應(yīng)用 (第 3 版） 7. Pentium 系列微型計算機原理與接口技術(shù) 8. Intel 微處理器 —— 從 8086 到 Pentium 系列體系結(jié)構(gòu)、編程與接口技術(shù) (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(shè)計）工作記錄及成績評定冊 題 目： 學(xué)生姓名 ： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 班 級： 指 導(dǎo) 教 師： 職稱： 助理指導(dǎo)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(xué)生畢業(yè)論文（設(shè)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(lán)色鋼筆（簽字筆）認(rèn)真填寫（ 建議填寫前先寫出相應(yīng)草稿，以避免填錯 ），并妥善保存。 二、此冊于學(xué)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(xué)生自由選題后，由實驗中心組織發(fā)給學(xué)生。 三、學(xué)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(yīng)內(nèi)容，經(jīng)指導(dǎo)教師和學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組批準(zhǔn)后， 交指導(dǎo)教師；指導(dǎo)老師填好《畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書》的各項內(nèi)容，經(jīng)教研室審核后交學(xué)生簽名確認(rèn)其畢業(yè)論文（設(shè)計）工作任務(wù)。 四、學(xué)生在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下填好《畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告》各項內(nèi)容，由指導(dǎo)教師和教研室審核通過后，確定其開題，并將此冊交指導(dǎo)老師保存。 五、指導(dǎo)老師原則上每周至少保證一次對學(xué)生的指導(dǎo)，如實按時填好《畢業(yè)論文（設(shè)計）指導(dǎo)教師工作記錄》，并請學(xué)生簽字確認(rèn)。 六、中期檢查時，指導(dǎo)老師將此冊交學(xué)生填寫前期工作小結(jié)，指導(dǎo)教師對其任務(wù)完成情況進(jìn)行評價，學(xué)院中期檢查領(lǐng)導(dǎo)小組對師生中期工作進(jìn)行核查，并對未 完成者提出整改意見，后將此冊交指導(dǎo)老師保存。 七、畢業(yè)論文（設(shè)計）定稿后，根據(jù)學(xué)院工作安排，學(xué)生把論文（打印件）交指導(dǎo)老師評閱。指導(dǎo)老師應(yīng)認(rèn)真按《畢業(yè)論文（設(shè)計）指導(dǎo)教師成績評審表》對學(xué)生的論文進(jìn)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(xué)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(xué)院答辯委員會審核學(xué)生答辯資格，確定答辯學(xué)生名單，把具有答辯資格學(xué)生的論文連同此冊交各答辯小組。 十、學(xué)生答辯后由答辯小組記錄人填好《畢業(yè)論文（設(shè)計）答辯記錄表》中各項內(nèi)容，然后把學(xué)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(jìn)行評審并填寫評語后交教研室。 十一、學(xué)院答辯委員會進(jìn)行成績總評定，填好《畢業(yè)論文（設(shè)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(shè)計）選題審批表 2. 畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書 3．畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告 4. 學(xué)生畢業(yè)論文（設(shè)計）題目更改申請表 5．畢業(yè)論文（設(shè)計）指導(dǎo)老師工作記錄 6．畢業(yè)論文（設(shè)計）中期檢查記錄 7．畢業(yè)論文（設(shè)計）指導(dǎo)教師成 績評審表 8．畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱人成績評審表 9. 畢業(yè)論文（設(shè)計）答辯申請表 10．畢業(yè)論文（設(shè)計）答辯記錄表 11．畢業(yè)論文（設(shè)計）答辯成績評審表 12．畢業(yè)論文（設(shè)計）成績評定表 20 畢業(yè)設(shè)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(shè)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(xué) □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(yuǎn)，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(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，精度也能達(dá)到使用要求，超聲波測距應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)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(shù)，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(yīng)能力，且操作簡單、測量精度高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)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