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思考与习题参考答案
2 《微型计算机及接口技术》
第2章 思考与习题参考答案
2-1简述微处理器的主要性能指标,性能公式(2-1)说明了什么?
答:微处理器的主要性能指标如下表所示
性能指标参数 含义 示例
字长 内部处理二进制数的位数
8,16,32,64
主频 处理器核心工作频率 100MHz,3.2GHz
外频 外部总线的核心频率(基准频率)
33MHz,66MHz,100MHz
FSB频率 前端总线频率 266MHz,533MHz,800MHz,1330MHz
工作电压 处理器核心工作电压
5V
,
3V
,
1.8V
,
1.2V
制造工艺 指管子之间的最小线距 0.13μm,90nm,65nm,45nm
地址线宽度 处理器外部地址线条数,决定物理地址空间
2
m
20,32,36
数据线宽度 处理器外部数据线条数,决定对外访问能力 8位,16位,32位,64位
协处理器 是否内置协处理器,性能如何
X87
流水线技术 流水线级数 5级,12级,14级,20级,31级等
超标量结构 多条指令流水线,含流水线级数
1
个
,2
个,
3
个
,4
个,
8
个
L1/L2/L3 Cache 一级/二级/三级高速缓存 8KB,16KB,512KB,4MB
SIMD
单指令处理多个数据的能力
MMX,SSE,SSE2,SSE3,SSSE3,SSE4
核心架构 处理器采用的核心架构类型 P5,P6,NetBurst,Core
功耗
反应处理器消耗的功率
功耗=动态电容
×
电压
×
电压
×
频率
50W,25W
等
公式(
2
-
1
)
:
性能=核心频率
×
每个周期执行指令的条数
说明,微处理器的性能的提高不仅取决于工作频率,还依赖每周期执行指令的条数。新的处理器
代替老的处理器,就是根据这一性能公式来提高它的性能的。即或单独提高频率,或单独增加每周期执
行指令的条数,或既提高频率又增加每周期执行指令的条数。由于核心频率的提高是有限制的,因此从
Cure
系列开始注重提高每个周期指令执行的条数来提高性能。
2-2
简述微处理器的工作方式、各工作方式的含义和区别是什么
?
它们之间是如何切换的?
答:
1.
五种工作方式:实地址方式、保护虚地址方式、虚拟
86
方式、系统管理方式以及
IA-32E
方式。
2.
含义:
(1)
实地址方式是指处理器工作在
8086/8088
编程环境下的工作方式。
(2)
保护地址方式,又称保护虚地址方式,简称保护方式,是真正发挥处理器潜能的一种工作方式
所谓保护是指在执行多任务操作时,对不同任务使用的不同存储空间进行完全隔离,保护每个任务顺利
执行。
(3)
虚拟
86
方式是指一个多任务的环境,即模拟多个
8086
的工作方式。在这个方式之下,处理器被
模拟成多个
8086
微处理器同时工作。
(4)
系统管理方式(
SMM
)是为实现特定功能及系统安全提供的一种工作方式,
SMM
的功能主要包
括电源管理以及为操作系统和正在运行的程序提供安全性。
SMM
最显著的应用就是电源管理。
以上四种方式是
IA-32
所有处理器所具有的工作方式。
(5)
从后期的
P4
到以
Core
为核心的处理器开始支持
64
位扩展技术,引入了
IA-32E
工作方式。在这种
方式下,处理器支持两种模式即兼容的工作方式(兼容
IA-32
处理器的方式)和
64
位工作方式。在兼容
模式下,允许在
64
位操作系统下运行原来的
16
位和
32
位应用程序,采用
EM64T
技术,支持
64
位操作,
国家十一五规划教材《微机原理与接口技术(第二版)》思考题与习题参考答案 3
同时支持36位的地址,支持64位线性地址,默认的地址空间为64位,默认的数据宽度为32位,指令允许
32/64地址和32/64数据的混合使用,因此又把 Core为核心的处理器称为32/64处理器,与真正64位处理
器有区别,可称之为具有64位功能的32位处理器。
3.工作方式的相互转换如下图所示。
2-3 IA-32E方式兼容模式和64位模式下,Cure 2 Duo系列处理器能够寻址的物理地址空间分别有多
大?为什么把具有IA-32E模式的处理器称为32/64位处理器,而不直接称为64位处理器?
答:
(1)具有IA-32E工作方式处理器在兼容模式下,最大支持的32位地址空间,而在64位方式下,采
用EM64T技术,支持64位操作,同时支持36位的物理地址,支持64位线性地址,默认的地址空间为64
位。
(2)由于具有IA-32E方式的处理器默认的数据宽度为32位,指令允许32/64地址和32/64数据的混
合使用,因此又把 Core为核心的处理器称为32/64处理器,与真正64位处理器有区别,可称之为具有
64位功能的32位处理器。
2-4 为什么要引入流水线技术?什么是超标量结构?说明从80486到Cure 2 Quard处理器所具有的指
令流水线的条数、级数以及单周期可执行简单指令的条数。
答:引入流水线技术目的就是提高指令的执行效率,超标量结构是指具有两条及以上指令流水线的
处理器的结构。从80486到Cure 2 Quard具有的流水线级数、流水线条数及单周期执行简单指令的条数如
下表所示。
处理器 80486 Pentium Pentium Pro PentiumIIPentiumIII Pentium4 Cure 2 Duo Cure 2 Quard
流水线级数 5 5 12 12 12 20(478) 31(775) 14 14
流水线个数
1 2 3 3 3 3(2
个倍速
) 4×2 4×4
单周期执指条数 1 2 3 3 3 5 (1+2×2) 8 16
2-5
到目前为止,
Intel
基于个人计算机的微处理器有哪些核心架构,其各自的突出特点有哪些?
答:
Intel
微处理器的核心体系结构:
80X86
架构(
8086/8088
、
80286
、
80386
和
80486
)、
P5
架构
(
Pentium
、
MMX Pentium
)、
P6
架构(
Pentium Pro
、
Pentium
Ⅱ
和
Pentium
Ⅲ
)、
NetBurst
架构(
Pentium
4
)和
Core
架构(
Pentium Dual-Core
、
Core 2 Duo
、
Core 2 Quad
和
Core 2 Extreme
等)。
80X86
架构基本采用
CISC
(复杂指令集计算机)技术,从
8086/8088
内部的
2
个独立而又相互配合工
作的部件,到
80286
增加到
4
个部件,开始支持保护方式;进入
32
位时代,
80386
内部增加到
6
个部件,开
始虚拟
86
方式,支持虚拟存储器和,到了
80486
内部增加到
8
个部件,开始支持影子内存,并增加了
Cache
部件和浮点运行部件。处理器内部并行操作的部件不断增多,主频不断提高,新技术不断融入,
是不断适应新的要求发展起来的微处理器架构。
8086/8088
字长是
16
位的
Intel
体系结构,而
80386
和
4 《微型计算机及接口技术》
80486却是32位的Intel体系结构,称为IA-32。
P5架构采用RISC与CISC相结合的技术,采用两条指令流水线,外部数据线首次采用64条,数据
Cache和指令Cache开始分离,首次采用分支指令预测功能,使效率大大提高。
P6架构采用三条指令流水线,Cache扩大,并引入二级Cache,大大地加快了数据读取和命中率,
提高了性能,支持多媒体扩展技术MMX。
NetBurst架构首次采用快速执行引擎,使简单ALU速度加倍,采用超级流水线技术(20级,31级)
先进的动态执行,创新的Cache 子系统(Trace Cache上),超标量发射以实现并行性,扩充的可重命名
的硬件寄存器,支持更新的多媒体扩展指令等。
Core 微架构拥有双核心、64位指令集、4发射的超标量体系结构(核心特点)和乱序执行机制等技
术,支持36位的物理寻址,支持 Intel 所有的扩展指令集。Core 微架构的每个内核拥有L1指令Cache、
双端口L1数据Cache,2个内核共同拥有共享式二级缓存。Core架构采用了每条超级指令流水线14级,
其流水线效率大幅度提升。全新的整数与浮点单元,Core具备了3个64位的整数执行单元,每一个都可
以单独完成的64位整数运算操作,即Core能够在一个周期内同时完成3组64位的整数运算。
2-6 8086/8088微处理器由哪两个关键部分组成,其功能主要包括哪些?说明二者是如何配合工作的
答:(1)组成:8086/8088由两个既相互独立,又相互配合,并行操作的重要部件组成总线接口部
件BIU和执行部件EU组成。
(2)总线接口部件BIU的功能:负责微处理器内部与外部(存储器和I/O接口)的信息传递。BIU
完成的主要任务包括:取指令、传送数据以及计算物理地址;执行部件EU的功能:主要功能简单地说
就是执行全部指令。EU完成以下几个主要任务:指令译码、执行指令、向BIU传送地址信息以及管理
通用寄存器和标志寄存器。
(3)配合工作:只要指令队列不满,则BIU就去取指令,只要指令队列有指令,EU就执行指令,
二者同时进行。EU向BIU指供地址信息,BIU计算物理地址,并指向目标地址并取数据或指令或送数据
到目标地址,而EU负责运算和处理。BIU和EU既相互独立又相互配置并行流水作业。
2-7 80286由哪几个主要部件组成?各自的功能是什么?与8086有什么不同?
答:1.组成:80286微处理器内部共有四个功能部件:地址部件 AU、总线部件BU、指令部件IU和
执行部件EU。
2.功能:(1)总线部件BU负责内外信息交换;(2)指令部件IU负责从预取队列中取代码并进行译码
然后放入3条指令的指令队列中;(3)地址部件AU负责物理地址的生成;(4)执行的EU负责指令的
执行。
3.与8086的不同点:
(1)地址线条数不同,因此寻址空间不一样(8086:20条寻址1MB,8028624条寻址16MB)
(2)内部结构不同,比8086多了两个部件,同时多了一个指令队列(已译码的指令队列)
(3)速度提高(8086:5MHz,80286:16MHz)
(4)多了一种工作方式,支持多任务中,虚拟内存,寻址方式不同
2-8 80386与80286相比内部由几个主要部件组成?各部件的功能是什么?
答:1.组成:6个部件:总线部件BU、指令预取部件IPU、指令译码部件IDU、执行部件EU、分段
部件SU和分页部件PU。
2.功能:
(1) 总线部件BU:提供与外部(存储器以及 I/O)的接口环境(地址线、数据线和控制线的驱动
等)。在80386内部,指令预取部件要从存储器中取指令、执行部件在执行指令时要访问存储器或 I/
O,分页部件形成物理地址后,都要发出总线周期的请求,BU会根据优先级对这些请求进行仲裁,从
而有序地服务于多个请求,并产生相应的总线操作所需要的信号,包括地址信号、读/写控制信号等。
BU还提供了与协处理器如80387或 80287的接口。
国家十一五规划教材《微机原理与接口技术(第二版)》思考题与习题参考答案 5
(2)指令预取部件IPU通过BU按顺序向存储器取指令并放到16个字节的预取指令队中,为指令译
码部件提供有效的指令。
(3)指令译码部件IDU从预取指令队列中取出原代码后进行译码,并将译码好的指令存放在3条指
令的队列中,送给执行部件。
(4)执行部件EU包括ALU以及64位的桶形移位寄存器和8个32位的通用寄存器及保护检测电路等
EU从IDU中取出已译码的指令后,立即通过控制电路产生各种控制信号送到内部各个部件,从而执行
了该指令。在执行指令的过程中,向分段部件发出逻辑地址信息,并通过BU与外部交换数据。
(5)分段部件SU将EU送来的两路32位有效地址(包括逻辑地址48位:16位选择子和32位段内偏移
地址)通过描述符的数据结构形成32位的线性地址。
(6)分页部件PU接收到线性地址后,通过两次页转换将其变换为实际的32位物理地址。
2-9 简述P5架构的Pentium处理器的结构特点。
答:(1) 与80X86系列微处理器兼容
(2) RISC型超标量结构:两条指令流水线(U+V)
(3) 高性能的浮点运算器
(4) 双重分离式高速缓存:将指令高速缓存与数据高速缓存分离,各自拥有独立的8KB高速缓存,
使其能全速执行,减少等待及传送数据时间。
(5) 增强了错误检测与报告功能:内部增强了错误检测与报告功能,特别引进了在片功能冗余检测
(FRC),并采用了一种能降低出错的六晶体管存储单元。
(6) 64位数据总线:使用64位的数据总线(80386/80486为32位)。
(7) 分支指令预测:处理器内部采用了分支预测的技术,大大提高了流水线执行效率。
(8) 常用指令固化及微代码改进
(9) 系统管理方式:在实地址方式、保护方式、虚拟86方式的基础上,增加了SMM(系统管理方
式)。
2-10 Pentium处理器的U和V两条指令流水线的功能是什么?主频为100MHz的Pentium处理器,最
快执行两条指令的时间为多少ns?
答:(1)U流水线主要用于执行复杂指令,而V流水线只能执行简单指令。
( 2 ) 最 快 执 行 两 条 指 令 的 时 间 是 一 个 时 钟 周 期 , 1 0 0 M H z主 频 其 一 个 时 钟 周 期 为 1 / 1 0 0
(us)=10ns。
2-11简述Pentium处理器的BTB的功能。
答:BTB(分支目标缓冲器)可对分支指令进行预测,目的是提高流水线执行效率。在Pentium微
处理器中,使用了BTB预测分支指令,这样可在分支指令进入指令流水线之前预先安排指令的顺序,而
不致使指令流水线的执行产生停滞或混乱。
2-12 简述P6架构的处理器的主要特点,基于该架构的PentiumII和PentiumIII特点如何?
答:1.架构的主要特点如下:
(1)三条超标量指令流水线,每条12级超流水线(细分也可认为14级),使一个时钟周期内可同
时执行三条简单指令。
(2) 5个并行处理单元:两个整数运算部件,一个装入,一个存储,1个浮点运算部件(FPU)。
(3)8KB两路相关指令高速缓存,8KB四路相关数据高速缓存。
(4)专用全速总线上的二级高速缓存与微处理器紧密相联。
(5)事务处理I/O总线和非封锁高速缓存分级结构。
(6)错序执行,动态分支预测和推理执行。
2. Pentium II处理器的显著特点有:
(1)双重独立总线(DIB)体系结构
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chikui1
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