奔腾(Pentium)微处理器介绍

奔腾(Pentium)微处理器介绍

提高微处理器性能有三个途径：
提高芯片内部时钟频率使操作速度加快，这将受到微电子工艺及芯片功耗的限制。
增加数据总线宽度，提高数据路径的流量，这将要求芯片集成度提高、封装引脚增多。
微体系结构中采用新技术，使更多的指令在同一时刻并行执行（提高指令执行并行性ILP），这是最重要的一点，这将要求芯片有更高的集成度以及新的设计思想。
提高处理器指令执行并行性（ILP）有两种方法：采用超级流水线(Super-pipeline): 将指令的执行分解成小的步骤(级), 不同指令中不同步骤可并行操作。级数分的多，并行执行的指令也多。超级流水线指的是多级数的流水线(如8级以上)。采用超标量(Super-Scalar): 片内设置多重功能相同的部件，为指令并行执行提供硬件基础。第一代奔腾微处理器采用0.8微米工艺，集成度310万晶体管，工作频率66MHz，指令与486兼容，性能比486大大提高，是Inter芯片技术发展中的里程碑。
奔腾微处理器结构特点
哈佛结构，有分开的指令Cache与数据Cache,各8KB容量。

奔腾微处理器结构特点
独立的两条整数执行流水线，U与V，在一时钟周期内可以发射两条整数指令去执行。
采用转移预测策略，减少转移指令带来的流水线效能的损失。

Pentium 微处理器结构框图

Pentium  流水线

流水线和指令执行顺序：奔腾为超标量结构，两条五级流水线(U、V)，可同时发射两条配对指令。U可执行X86任何指令，V执行“简单”指令。
预取指令级PF：从片内I-Cache取指令，有两个预取缓冲器，与分支目标缓冲器BTB协作，一个预取缓冲按顺序取指，另一个按转移指令目标预取，分支预测有结果后不管执行哪个指令流，均已预取好了。
流水线和指令执行顺序：
指令译码级D1：两个并行的指令译码器，依“指令配对法则”决定发射一条指令还是二条指令。
译码级D2：进行操作数地址计算，有专门地址生成部件。
执行级EX：做AUL及访问数据Cache的操作，复杂指令执行高效微码操作，比486快。
操作结果回写级WB：回写操作结果，修改状态，完成执行。

指令配对法则：两条流水线可以同时执行两条指令，但指令要满足一定配对规则。
两条指令必须是“简单”指令，硬线逻辑而不是微码实现，单周期执行， “简单”指令有规定。指令要在 I－Cache中。

成对指令无寄存器数据相关:
  如 MOV eax,8 与 MOV eax,ebx 为输出相关；
     MOV eax,8 与 MOV ebx,eax为指令流相关。指令中不能同时包含偏移量与立即数，等等。

转移（分支）预测：流水线执行过程中，条件转移指令的条件形成前，下条是执行转移目标指令还是顺序执行是个问题。

转移（分支）预测：设两个预测缓冲器，一个按顺序预取，一个按转移目标预取，不管转移与否，取指工作均准备好。设一个“分支目标缓冲器”（BTB），有256项。记录过去已执行过的转移指令的目标地址，还有2位标记，记录历史转移情况。
2位历史记录标记表示4种情况：“强转移”、“弱转移”、“弱不转移”、“强不转移”

转移（分支）预测：

动态预测中历史状态位的状态转换图