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IA-32处理器体系结构基础知识

1基本概念

1.1微机的基本结构

微型计算机的系统包括硬件系统、软件系统。

硬件是指构成计算机物理设备的实体(如CPU、显卡、外部设备等)，计算机硬件系统一般分为中央处理器（CPU）、存储器（主存和辅存）、输入/输出设备（总线、输入设备、输出设备）。

计算机软件是指为管理、运行、维护及应用计算机所开发的程序和相关文档的集合。通常将它分为系统软件和应用软件两大类。系统软件负责管理计算机本身的运作，而应用软件则负责完成用户所需要的各种功能。

中央处理器（CPU）是进行计算和逻辑操作的地方，它包含了数量有限的称为寄存器的存储单元、一个高频时钟、一个控制单元（CU）和一个算术逻辑单元（ALU）。

时钟用于CPU的内部操作和其他系统部件的同步。

控制单元（CU）协调执行机器指令时各个步骤的次序。

算术逻辑单元（ALU）执行加法和减法等算术运算，以及AND，OR和NOT等逻辑运算。

主存是计算机程序运行时存放指令和数据的地方。主存接受CPU的数据请求，从随机访问存储器（RAM）中取出数据送至CPU，或把数据从CPU送回存储器中。

总线是一组在计算机各部分之间传送数据的并行线。计算机的系统总线一般由三组独立的总线构成：数据总线、控制总线和地址总线。

数据总线：在CPU和内存之间传送数据，数据总线的宽度决定了CPU和外界的数据传送速度。

控制总线：使用二进制信号同步连接到系统上的所有设备的动作，控制总线的宽度决定了CPU对外部器件的控制能力。

地址总线：保持着当前被执行的指令和传送数据的地址，地址总线的宽度决定了CPU的寻址能力。

时钟：涉及CPU和系统总线的每个操作都由一个内部时钟同步，这个时钟以固定的频率产生脉冲。

时钟周期（机器周期）：机器指令使用的最基本的时间单位，就是一个完整的时钟脉冲所需要的时间。

时钟周期的持续时间是时钟频率的倒数，时钟频率用每秒震荡的次数来计量。如：对于每秒震荡10亿次（1GHz）的时钟，其时钟周期的持续时间为1s的10亿分之一（1ns）。

1.2指令执行周期

单条机器指令的执行可以被分解成一系列的独立操作，这些操作构成指令执行的一个周期。机器指令的执行需要三个基本步骤：取指令、解码和执行。在指令使用了内存操作数时还需哟啊两个额外的步骤：取操作数和存储输出操作数。各个步骤的描述如下：

取指令：控制单元从指令队列中取得指令并递增指令指针（IP）的值，指令指针也称为程序计数器。

解码：控制单元对指令进行解码以确定该指令要执行什么操作。控制单元把输入操作数传递给算术逻辑单元（ALU），并向算术逻辑单元发送信号指明要执行的操作。

取操作数：如果指令使用的输入操作数在内存中，控制单元就通过读操作获取操作数并将其复制到内部寄存器中，这些内部寄存器对用户程序是不可见的。

执行：算术逻辑单元执行指令，以有名寄存器和内部寄存器作为操作数，将运算输出结果送至有名寄存器或内存，然后更新反映处理器状态的状态标志。

存储输出操作数：如果输出操作数在存储器中，控制单元通过写操作把数据存储到内存中。

这一系列步骤可用如下的伪码所示：

循环开始

取下一条指令

前进指令指针（IP）

如果使用了内存操作数，则从内存读取

执行指令

如果结果是内存操作数，则写入内存

继续循环

开始

开始

取指令

解码

取操作数

执行

存储输出操作数

结束

流水线流程

简化CPU结构图

多级流水线

流水线技术把CPU的一个操作进一步分解成多个可以单独处理的子操作（如取指令、指令译码、取操作数、执行），使每个子操作在一个专门的硬件站上执行，这样一个操作需要顺序地经过流水线中多个站的处理才能完成。在执行的过程中，前后连续的几个操作可以依次流入流水线中，在各个站间重叠执行。它提高了处理器的吞吐率，而没有减少单条指令的执行时间（时延）。Intel486处理器拥有6条流水线，这6级流水线以及它们的执行部件如下：

（1）总线接口单元（BIU）：访问存储器并提供输入输出。

（2）代码预取单元：从BIU接收机器指令并将其插入到称为指令队列的存储区域。

（3）指令解码单元：对预取队列中的机器机器指令进行解码，将它们翻译成微代码。

（4）执行单元：执行指令解码单元产生的微代码。

（5）分段部件：把逻辑地址转换为线性地址并进行保护检查。

（6）分页部件：把线性地址转换为物理地址，进行页保护检查并保留一个最近访问页的列表。

一般对于k级的处理器来说，处理n条指令需要k+（n-1）个周期。

超标量体系结构

超标量或多核心处理器有两条以上的执行流水线，使得两条指令能够同时执行。

超标量处理器允许多条指令可同时处于执行阶段。

1.3内存的读取

程序的吞吐量通常依赖于内存的访问速度。

从内存中读取指令或数据需要若干个步骤，这是由CPU的内部时钟控制