分析Intel公司Pentium系列CPU结构设计

分析Intel公司Pentium系列CPU结构
设计
一、课题分析
承接着80486大获成功的东风,赚大笔美金的Intel在1993年推出了全新一代的高性能处理器——Pentium。

Pentium CPU它是世界上第一款与数字无关的处理器,堪称为当代CISC机器的经典之作。

由运算器和控制器组成中央微处理器即CPU。

要分析Intel公司Pentium CPU结构设计,首先我们要对Pentium CPU的结构和功能进行深刻的了解,进而对它的优点和缺点进行分析,最后针对缺点进行假想,从而写出一份针对Pentium CPU的改进方案。

我将从以下几个方面对其进行分析：
1. 核心技术
2. 发展进程
3. Pentium的结构框图
4. Pentium性能简介
5. 原理结构
6. 多Cache技术
7. 超标量流水线
8. 问题及建议
二、Pentium系列CPU总体概况分析
奔腾商标
Pentium是英特尔的第五代x86架构之微处理器,于1993年3月22日开始出货,是486产品线的后代。

Pentium本应命名为80586或 i586,后来命名为"Pentium"〔通常认为"pentium"是希腊文"五〔penta"加拉丁文中代表名词的接尾语"ium"的造词,是因为阿拉伯数字无法被用作注册商标。

i586被使用在英特尔竞争对手所制造的类80586的微处理器。

1核心技术
Tualatin
这也就是大名鼎鼎的"图拉丁"核心,是Intel在Socket 370架构上的最后一种CPU核心,采用0.13μm 制造工艺,封装方式采用FC-PGA2和PPGA,核心电压也降低到了1.5V左右,主频围从1GHz到1.4GHz,外频分别为100MHz〔赛扬和133MHz〔Pentium III,二级缓存分别为512KB〔Pentium III-S和256KB〔Pentium III和赛扬,这是最强的Socket 370核心,其性能甚至超过了早期低频的Pentium 4系CPU。

Willamette
Netburst微架构是P6微架构的后继者,第一个使用这架构的是Willamette核心,于2000年推出。

Willamette核心制造工艺落后,发热量大,性能低下,已经被淘汰掉,而被Northwood核心所取代。

Northwood
第二个Pentium4核心,代号为Northwood,改用了更为精细的0.13微米制程,集成了更大的512KB二级缓存,性能有了大幅的提高。

按照Intel的规划,Northwood核心会很快被Prescott核心所取代。

Prescott
Prescott核心的P4处理器发热量要比Northwood核心的大很多。

性能接近。

这是目前高端的Pentium 4 EE、主流的Pentium 4和低端的Celeron D所采用的核心。

Prescott核心与Northwood 核心最大的区别是采用了90nm制造工艺,L1 数据缓存从8KB增加到16KB,流水线结构也从20级增加到了31级,并且开始支持SSE3指令集。

按照Intel的规划,Prescott核心会被Cedar Mill 核心取代。

Smithfield
这是Intel公司的第一款双核心处理器的核心类型,于2005年4月发布,基本上可以认为Smithfield核心是简单的将两个Prescott核心松散地耦合在一起的产物,这是基于独立缓存的松散型耦合方案,其优点是技术简单,缺点是性能不够理想。

其数据延迟问题比较严重,性能并不尽如人意。

按照Intel的规划,Smithfield核心将会很快被Presler核心取代。

Cedar Mill
这是Pentium 4 6X1系列和Celeron D 3X2/3X6系列采用的核心,从2005末开始出现。

其与Prescott核心最大的区别是采用了65nm制造工艺,其它方面则变化不大,基本上可以认为是Prescott核心的65nm制程版本。

Cedar Mill核心也是Intel处理器在NetBurst架构上的最后一款单核心处理器的核心类型,按照Intel的规划,Cedar Mill核心将逐渐被Core架构的Conroe 核心所取代。

Presler
这是Pentium D 9XX和Pentium EE 9XX采用的核心,Intel于2005年末推出。

基本上可以认为Presler核心是简单的将两个Cedar Mill核心松散地耦合在一起的产物,是基于独立缓存的松散型耦合方案,其优点是技术简单,缺点是性能不够理想。

按照Intel的规划,Presler核心从2006年第三季度开始将逐渐被Core架构的Conroe核心所取代。

Yonah
目前采用Yonah核心CPU的有双核心的Core Duo和单核心的Core Solo,另外Celeron M也采用了此核心,Yonah是Intel于2006年初推出的。

这是一种单/双核心处理器的核心类型,其在应用方面的特点是具有很大的灵活性,既可用于桌面平台,也可用于移动平台；既可用于双核心,也可用于单核心。

Yonah核心来源于移动平台上大名鼎鼎的处理器Pentium M的优秀架构,具有流水线级数少、执行效率高、性能强大以及功耗低等等优点。

Yonah核心是共享缓存的紧密型耦合方案,其优点是性能理想,缺点是技术比较复杂。

不过,按照Intel的规划,以后Intel各个平台的处理器都将会全部转移到Core架构,Yonah核心其实也只是一个过渡的核心类型,从2006年第三季度开始,其在桌面平台上将会被Conroe核心取代,而在移动平台上则会被Merom核心所取代。

2发展进程
Pentium的由来
继承着80486大获成功的东风,赚大笔美金的Intel在1993年推出了全新一代的高性能处理器——Pentium。

由于市场
竞争越来越趋向于激烈
化,Intel觉得不能再让
AMD和其他公司用同样的
名字来抢自己的饭碗了,
于是提出了商标注册,由
于在美国的法律里是不允
许用阿拉伯数字注册的,
于是Intel玩了个花样,
用拉丁文去注册商标。

"pentium"在拉丁文里面
就是"五"的意思。

Intel
公司还替它起了一个相当
好听的中文名字——奔腾。

Intel 奔腾处理器
486后的改版
超标量<Superscalar> 架构 - Pentium 拥有两个资料路径 <管线, pipelines>,可以达到在一个时钟周期完成一个以上的指令。

一个管线 <称为"U"> 可以处理任何的指令,而另外一个 <称为"V"> 可以处理简单,最共同的指令。

使用一个以上的管线是传统 RISC处理器设计的特色,这也是在许多 x86 平台上第一个实作出来的,显示有将两种技术合并的可能性,创造出几乎"混合在一起"的处理器。

Pentium MMX
接著,P55C 也以 Pentium with MMX Technology 推出 <通常只称为 Pentium MMX>；他是以P5 核心为基础,0.35
&micro;m 制程也在这个
系列中使用,但是拥有新
的 57 个 "MMX" 指令集
来增进多媒体工作的效率,
像是媒体的编码跟解压
缩。

然而,软体必须明确地
对於使用 MMX 做最佳化,
以及 P55C 显示出速度增
加的幻象主要是来自於部
快取<cache>的容量变成
两倍为 32 KB。

Intel奔腾MMX处理器
PentiumPro
初步占据了一部分CPU市场的INTEL并没有停下自己的脚步,在其他公司还在不断追赶自己的奔腾之际,又在1996年推出了最新一代的第六代X86系列CPU枣P6。

P6只是它的研究代号,上市之后P6有了一个非常响亮的名字枣PentimuPro。

Intel奔腾 Pro处理器
PentimuPro的部含有高达550万个的晶体管,部时钟频率为133MHZ,处理速度几乎是100MHZ的PENTIUM的2倍。

PentimuPro的一级<片>缓存为8KB指令和8KB数据。

Pentium II
为英特尔推出的一枚X86架构的处理器,基于PentiumPro使用的P6微处理架构,但另一方面它的16位元处理能力获得
优化,并加入MMX指令集。

与Pentium及
PentiumPro处理器不
同,PentiumII使用一种插
槽式设计。

处理器芯片与其
他相关芯片皆在一块类似
子卡的电路板上,而电路板
上有一块塑胶盖,有时亦有
一风扇。

PentiumII亦把L2
放到这电路板上,但只运行
处理器时脉一半的速度。

此
举增加处理器的良率,从而减低制作成本。

Intel奔腾Ⅱ处理器
Pentium III
同年,英特尔又发布了
Pentium III处理器。

从
Pentium III开始,英特尔又
引入了70条新指令
<SIMD,SSE>,主要用于因特
网流媒体扩展<提升网络演
示多媒体流、图像的性能>、
3D、流式音频、视频和语音
识别功能的提升。

Pentium
III可以使用户有机会在网
络上享受到高质量的影片,
并以3D的形式参观在线博
物馆、商店等。

第一代Pentium III处理器 <Katmai>
Pentium IV
2000年英特尔发布了Pentium 4处理器。

用户使用基于Pentium 4处理器的个人电脑,可以创建专业品质的影片,透过因特网传递电视品质的影像,实时进行语音、影像通讯,实时3D渲染,快速进行MP3编码解码运算,在连接因特网时运行多个多媒体软件。

这是目前空前强大的个人电脑处理器产品,仍然在继续销售中。

Pentium 4处理器集成了4200万个晶体管,到
了改进版的Pentium 4<Northwood>更是集成了5千
5百万个晶体管；并且开始采用0.18微米进行制造,
初始速度就达到了1.5GHz。

Pentium 4还提供的SSE2指令集,这套指令集
增加144个全新的指令,在128bit压缩的数据,在
SSE时,仅能以4个单精度浮点值的形式来处理,而
在SSE2指令集,该资料能采用多种数据结构来处
理：
4个单精度浮点数<SSE>对应2个双精度浮点数
<SSE2>；对应16字节数<SSE2>；对应8个字数
<word>；对应4个双字数<SSE2>；对应2个四字数
<SSE2>；对应1个128位长的整数<SSE2> 。

第一代的Pentium4〔Socket423处理器
Pentium M
PentiumM：由以色列小组专门设计的新型移动CPU,Pentium M是英特尔公司的x86架构微处理器,供笔记簿型个人电脑使用,亦被作为Centrino的一部分,于2003年3月推出。

Pentium D
2005年Intel推出的双核心处理器有Pentium D和Pentium Extreme Edition,同时推出945/955/965/975芯片组来支持新推出的双核心处理器,采用90nm工艺生产的这两款新推出的双核心处理器使用是没有针脚的LGA 775接口,但处理器底部的贴片电容数目有所增加,排列方式也有所不同。

桌面平台的核心代号Smithfield的处理器,正式命名为Pentium D处理器,除了摆脱阿拉伯数字改用英文字母来表示这次双核心处理器的世代交替外,D的字母也更容易让人联想起
Dual-Core双核心的涵义。

Pentium EE
同出自Intel之手,而且Pentium D和Pentium Extreme Edition两款双核心处理器名字上的差别也预示着这两款处理器在规格上也不尽相同。

其中它们之间最大的不同就是对于超线程〔Hyper-Threading技术的支持。

Pentium D不支持超线程技术,而Pentium Extreme Edition则没有这方面的限制。

在打开超线程技术的情况下,双核心Pentium Extreme Edition处理器能够模拟出另外两个逻辑处理器,可以被系统认成四核心系统。

Pentium E2200
经历了Core2Duo处理器对高端市场的洗礼之后,Intel在07年第二季度推出了新一代的低端双核心处理器PentiumE2000系列,主要面向注重性价比的入门级双核处理器市场。

首批推出的PentiumE2000系列包括两款产品,分别为E2160和E2140,频率只有1.8GHz和1.6GHz,但性能十分强大,已经能够满足多数用户的需求。

但Intel并没有就此作罢,在稍后除PentiumE2000系列处理器全部升级到M0核心之外,日前正式发布了频率更高的PentiumE处理器——频率提高到
2.2GHz的PentiumE2200。

Pentium G620
Pentium G620可以看成Core i3 2100的进一步精简版,包括不支持AVX指令集等Sandy Bridge 的新特性。

Pentium G620是基于Sandy Bridge微架构,采用32nm制作工艺、CPU部分是双核/双线程设计、LGA 1155接口、主频为2.6GHZ、外频为100MHZ〔不可超频,置HD Graphics核芯显卡,拥有6组EU执行单元,CPU与GPU共享3MB高速缓存。

3 Pentium的结构框图
Pentium CPU结构框图
Pentium-4 CPU结构框图
奔腾处理器部结构
三、详细分析
1 Pentium性能简介
1993年3月Intel公司推出了第五代微处理器Pentium Pentium是微处理器本质上的一次创新。

Pentium采用了0.8μm双极性互补金属氧化半导体〔BiCMOS技术,它属于单芯片超标量流水线微处理器,片集成了多达310万个晶体管,工作电压+5V,功耗15W。

片时钟频率〔微处理器主频与外片主总线的时钟频率相等,均为60MHz或66MHz两种。

1994年3月之后推出的Pentium〔P54C采用了0.6μm的CMOS技术,工作电压降为3.3V,功耗降至4W。

主总线时钟频率有50MHz、60MHz以及66MHz等,经倍频后作为Pentium〔P54C部的时钟频率〔主频,表3-1列出了几种Pentium〔P54C的主频与工作电压。

几种Pentium的主频与工作电压
Pentium通往外部存储器的数据总线为64位,CPU部主要寄存器的宽度仍然为32位,那么Pentium、Pentium〔P54C应该是32位微处理器。

外部64位数据总线〔D63-D0每次可同时传输8字节的二进制信息,若选用主总线时钟频率66MHz计算,即存储器总线的时钟频率也为66MHz,则Pentium与主存储器交换数据的速率可为528MB/S。

2 Pentium的原理结构
Pentium CPU部的主要部件：
①总线接口部件
②U流水线和V流水线
③指令高速缓冲存储器Cache
④数据高速缓冲存储器Cache
⑤指令预取部件
⑥指令译码器
⑦浮点处理部件FPU
⑧分支目标缓冲器BTB
⑨微程序控制器中的控制ROM
⑩寄存器组
Pentium微处理器的原理结构图如图所示
所以Pentium CPU堪称为当代CISC机器的经典之作。

四、侧重点分析与研究
1 多Cache技术
80486 CPU中有8KB的指令和数据共用的cache。

而奔腾CPU则分设指令cache和数据cache,各8KB。

指令cache是只读的,以单端口256位<32B>向指令预取缓冲器提供超长指令字代码。

数据cache是可读可写的,双端口,每个端口32位,与U,V两条流水线交换整数数据,或组合成一个64位端口与浮点运算部件交换浮点数据。

两个cache与64位数据、32位地址的CPU部总线相连接。

两个cache都使用物理地址。

每个cache都有一个后援缓冲器TLB,负责将TLB命中的线性地址转换成32位物理地址。

2 超标量流水线
超标量流水线是pentium系统结构的核心。

它由U和V两条指令流水线构成,每条流水线都有自已的ALU、地址生成电路、与数据cache的接口。

控制ROM属于微程序控制器,其中存放一组解释指令操作顺序的微指令代码。

两个地址生成器用于计算存储器操作数地址。

各种模式下的逻辑地址最终要转换成物理地址来访问数据cache,并用转换后援〔旁视缓冲器TLB来加速这种地址转换过程。

寄存器堆有8个32位整数寄存器,用于地址计算、保存ALU的源操作数和目的操作数。

五、存在问题及改进建议
要讲ＣＰＵ,就必须先讲指令系统。

指令系统指的是一个ＣＰＵ所能够处理的全部指令的集合,是一个ＣＰＵ的根本属性。

之所以说指令系统是一个ＣＰＵ的根本属性,是因为指令系统决定了一个ＣＰＵ能够运行什么样的程序,进行什么操作。

所有采用高级语言编出的程序,都需要翻译〔编译或解释成为机器语言后才能运行,这些机器语言就是由一条条的指令组成的。

通常,一条指令包括两个部分：操作码和地址码。

操作码其实就是指令序列号,用来告诉ＣＰＵ需要执行哪一条指令。

地址码则复杂一些,主要包括源操作数地址、目的操作数地址。

在某些指令中,地址码可以部分或全部省略,比如一条空指令就只有操作码而没有地址码。

从微处理器的指令系统来看,目前主要有两种发展趋势,一个是ＣＩＳＣ,一个是ＲＩＳＣ。

ＣＩＳＣ的产生、发展和现状某一系列ＣＰＵ,如ＩｎｔｅｌＸ８６系列机,为了增加新的功能与提高速度,越来越多的复杂指令被加入到指令系统中。

但是,这样就导致一个问题：一个指令系统的指令数是受指令操作码的位数所限制的,如果操作码为８位,那么指令数最多为２５６条〔２的８次方。

那么怎么办呢？指令的宽度是很难增加的,聪明的设计师们又想出了一种方案：操作码扩展。

由于操作码的后面跟着的是地址码,而有些指令是用不着地址码或只用少量的地址码的。

那么,就可以把操作码扩展到这些位置。

然后,为了达到操作码扩展的先决条件：减少地址码,设计师们又广开思路,发明了各种各样的寻址方式,如基址寻址、相对寻址等,用以最大限度地压缩地址码长度,为操作码留出空间。

就这样,慢慢地,ＣＩＳＣ指令系统就形成了,大量的复杂指令、可变的指令长度、多种的寻址方式是ＣＩＳＣ的特点,也是ＣＩＳＣ的缺点：因为这些都大大增加了解码的难度,而在现在的高速硬件发展下,复杂指令所带来的速度提升早已不及在解码上浪费的时间。

要改进这一缺点,使计算机既有复杂指令又可以在能容忍的时间上解码,我的建议是：制作一
种新的而且速度超快的解码方式。

从而减少解码所花费的时间,大大的提高计算机的运行速度。

六、实验器材
1、众友公司ZY15CompSys12BB计算机组成原理及系统结构教学实验箱；
2、PC机与网络。

七、附录
执行设计之前,我们进行了简单模型机和复杂模型机的实验,实验附图如下：
八、参考文献及相关网址
1.《计算机组成原理〔第四版·立体化教材》,白中英主编,08年1月第四版,科学
2.《计算机组成原理及系统结构实验指导书〔V1.01》,众友科技实业股份
3. ㄍIntel微处理器:从8086到Pentium系列体系结构编程与接口技术》.
4. 奔腾Ⅱ/Ⅲ处理器系统结构作者：昆藏：电子工业
5. 80×86 /Pentium 微机原理及接口技术〔第2版<配有电子课件,教学大纲,习题库>
6. 80x86/Pentium 微型计算机原理及应用<第3版
7. Pentium系列微型计算机原理与接口技术
8. Intel微处理器——从8086到Pentium系列体系结构、编程与接口技术<第5版><影印版>
9. The Pentium Microprocessor Antonakos, James L. Prentice Hall & IBD <1996-11出版>
10. baidu,。