分析Intel公司Pentium I CPU结构设计.doc

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1、课程设计（大作业）报告课程名称： 计算机组成原理 设计题目：分析Intel公司Pentium I CPU结构设计 院 系： 信息技术学院 班 级： 2010级2班 设 计 者： 郭彩丁 学 号： 5 指导教师： 华 瑞 设计时间： 2012.6.252012.6.29 信息技术学院昆明学院课程设计（大作业）任务书姓 名：郭彩丁 院（系）：信息技术学院专 业：计算机科学与技术 学 号：5任务起止日期：2012-06-252012-06-29课程设计题目：分析Intel公司PentiumCPU结构设计，提出改进设计思想课程设计要求：1、 组员分组完成任务，各人设计内容不得相似或雷同。2、 根据小组

2、的实际情况，选择课程设计题目。3、 对于课程设计题目：分析Intel公司PentiumCPU结构设计，提出改进设计思想。上网搜索与图书馆查找相关资料进行设计。4、 对于课程设计题目，均要求有较完善的设计文档，并结合实际，写出课程设计报告并打印装订与电子版一起提交，纸质版与电子版缺一不可。5、 自觉遵守课程设计纪律，出勤、实验情况、设计态度等平时设计过程表现将与最终设计成果一起综合评定本次课程设计总成绩，过程与结果同样重要。工作计划及安排：1、 2012-06-25 分组明确设计的目标，搜集有用的资料，熟悉相关原理实验；2、 2012-06-26整体结构框架设计，撰写初步设计文档，进一步搜集设计

3、资料，并熟悉相关原理实验；3、 2012-06-27按照分工要求进行具体内容设计，撰写具体设计文档，熟悉相关原理实验；4、 2012-06-28具体设计内容进一步修改完善，继续撰写并修改完善设计文档；5、 2012-06-29按设计要求提交最终设计成果及课程设计大作业报告，指导教师检查评阅。指导教师签字 年 月 日 课程设计（大作业）成绩学号：5 姓名：郭彩丁 指导教师：华 瑞 课程设计题目：分析Intel公司PentiumCPU结构设计，提出改进设计思想总结：指导教师评语：成绩：填表时间： 指导教师签名： 目录课程设计（大作业）报告1昆明学院课程设计（大作业）任务书2一、课题分析5二、Pen

4、tiumCPU总体分析51.Pentium CPU产生52.Pentium CPU的发展历程前景5Pentium I：6Pentium II：6Pentium III：6Pentium IIII：73.Pentium的结构框图及性能分析74. 分析Pentium CPU相关部件以及其功能8三、结果分析9四、改进建议9五、实验器材10六、参考文献及相关网址10课程设计（大作业）报告一、课题分析关于PentiumCPU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。CPU是中央微处理器的缩写，它由运算器和控制器组成，是计算机中一个最重要的部分。对于分析Intel公司Penti

5、umCPU结构设计，提出改进设计思想，我们应该从以下几个方面进行分析：1：Pentium CPU产生：2：Pentium CPU的发展历程前景：3：Pentium的结构框图及性能分析：4：分析Pentium CPU相关部件以及其功能:二、PentiumCPU总体分析1.Pentium CPU产生 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，

6、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。2.Pentium CPU的发展历程前景 随着计算机的普及，人们对计算机的需求越来越大，CPU处理器的性能需求的提高成为人们竞相努力的方向，谁能够研发出高性能、实惠、实用的处理器，必能从人们的青睐中获益，前景可观而具有挑战性。 CPU的发展非常迅速，个人电脑从8088(XT)发展到现在的Pentium 4时代，只经过了不到二十年的时间。从生产技术来说，最初的8088集成了29000个晶体管，而Pentium的集成度超过了2810万个晶体管；CPU的运行速度，以MIPS(百万个

7、指令每秒)为单位，8088是0.75MIPS，到高能奔腾时已超过了1000MIPS。不管什么样的CPU，其内部结构归纳起来都可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，这三个部分相互协调，对命令和数据进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。CPU从最初发展至今已经有二十多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，CPU可以分为：4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及正在酝酿构建的64位微处理器，可以说个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的。下面介绍历代的Pentium处理器：Pentium I：1993年3月22日开始出货，到今天已经走过19个年头了，19年

8、来，奔腾处理器经历了主频由50MHz提升到3800MHz，经过了多次接口变更，架构也不断变化。奔腾处理器不但为英特尔立下汗马功劳，而且也为全球个人电脑的普及和发展做出了极大的贡献。Pentium II： Pentium II为英特尔推出的一枚X86架构的处理器，基于Pentium Pro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： 第一代Pentium II核心代号为Klamath，使用350纳米制程，以及，就当时而言，制造出一个非常高的热量。推出时，运行时脉只有233及266MHz，使用66MHz前端总线，后期另推出时脉300MHz的版本 第二代Pent

9、ium II核心代号为Deschutes，运行时脉为333MHz，于1998年1月推出，使用250纳米制程，而且温度亦有效的减低。支援100MHz前端总线，英特尔于1998年另外推出了时脉为266、330、350、400、450的Pentium II处理器。Pentium III：Pentium III是英特尔的x86（更准确地说是i686）架构之微处理器，于1999年2月26日推出。刚推出的版本与早期的Pentium II非常相似，最值得注意的不同是SSE指令的扩充，以及在每个芯片制造的过程加入了有争议的序号。与Pentium II相同，也有低阶的Celeron版本和高阶的Xeon版本。Pe

10、ntium III最后被Pentium 4所取代，Pentium III的改进设计就是现在的Pentium M。Pentium IIII：奔腾4（Pentium 4，或简称奔4或P4）是Intel生产的第7代X86微处理器，并且是继1995年出品的Pentium Pro之后的第一款重新设计过的处理器，这一新的架构称做NetBurst。首款产品代码为：Willamette，拥有1.4GHz左右的内核时钟，并使用Socket 423脚位架构，首款处理器于2000年11月发布。不同于Pentium II、Pentium III和各种Celeron处理器，因为是全新设计的产品，所以与Pentium P

11、ro的关联很小。值得注意的是，Pentium 4有着非常快速到400MHz的前端总线，之后更有提升到533MHz、800MHz。它其实是一个为100MHz的四条并列总线 (100Mhz x4 并列)，因此理论上它可以传送比一般总线多四倍的容量，所以号称有400MHz的速度。AMD Athlon的前端总线则有266MHz的速度（133MHz双倍并列总线）。3.Pentium的结构框图及性能分析Pentium的结构框图Pentium处理器是英Pentium是Intel公司生产的超标量流水处理器，早期使用5V工作电压，后期使用3.3V工作电压。CPU的主频是片外主总线时钟频率(60MHz或66MHz

12、)的倍频，有120，166，200MHz等多种。CPU内部的主要寄存器宽度为32位，故认为它是一个32位微处理器。但它通向存储器的外部数总线宽度为64位，每次总线操作可以同时传输8个字节。以主总线(存储器总线)时钟频率66MHz计算，64位数据总线可使CPU与主存的数据交换速率达到528MB/s。CPU支持多种类型的总线周期，其中一种称猝发模式，在此模式下，可在一个总线周期内读出或写入256位(32字节)的数据。CPU外部地址总线宽度是36位，但一般使用32位宽，故物理地址空间为4096MB(4GB)。虚拟地址空间为64TB，分页模式除支持4KB页面外(与486相同)，还支持2MB和4MB页面

13、。其中2MB页面的分页模式必须使用36位地址总线。CPU内部分别设置指令cache和数据cache，外部还可接L2cache。CPU采用U，V两条指令流水线，能在一个时钟周期内发射两条简单的整数指令，也可发射一条浮点指令。操作控制器采用硬布线控制和微程序控制相结合的方式。大多数简单指令用硬布线控制实现，在一个时钟周期内执行完毕。对微程序实现的指令，也在23个时钟周期内执行完毕。Pentium具有非固定长度的指令格式，9种寻址方式，191条指令，但是在每个时钟周期又能执行两条指令。因此它具有CISC和RlSC两者的特性，不过具有的CISC特性更多一些，因此被看成为一个CISC结构的处理器。以CI

14、SC结构实现超标量流水线，并有BTB方式的转移预测能力，堪称为当代CISC机器的经典之作。4. 分析Pentium CPU相关部件以及其功能Pentium CPU以CISC结构实现超标量流水线，并有BTB方式的转移预测能力，堪称为当代CISC机器的经典之作。RISC CPU是继承CISC的成功技术，并在克服CISC机器缺点的基础上发展起来的。RISC机器的三个基本要素是：一个有限的简单指令集；CPU配备大量的通用寄存器；强调指令流水线的优化。注意，RISC机器一定是流水CPU，但流水CPU不一定是RISC机器。如奔腾CPU是流水CPU，但奔腾机是CISC机器。奔腾CPU中包括超标量流水线，指令

15、cache和数据cache、浮点单元、转移预测等新型体系结构。其中，、超标量流水线是Pentium系统结构的核心。、Pentium CPU分设指令cache和数据cache，个位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运算数据。、Pentium CPU内部包含了一个8段的流水浮点运算器，浮点部件支持IEEE754标准的单、双精度格式的浮点数。、Pentium CPU采用了动态转移预测技术，这样可以防止流水线在执行转移

16、指令时断流。三、结果分析第一代Pentium CPU真不愧堪称为当代CISC机器的经典之作，它的的性能相当平均，整数运算和浮点运算都不错。为后来一系列的奔腾CPU的发展奠定了一些基础。 从Pentium CPU的发展历程、Pentium I CPU的结构设计中，可以看出Pentium CPU给人们的生活工作带来了很多的便利，同时，虽然经过了很多次的改进，仍然存在一些问题。比如它处理的速度还是不够快，电路板的电路需要在进一步改进和优化，要是它的芯片用的是钻石就可以大大的提高和优化性能了，处理的速度可以比Pentium CPU的高很多。还可以减小核心的电路板。Pentium CPU的频率不够理想，

17、所以Pentium CPU工作起来慢了很多，则必须增大处理器的工作频率，加快处理数据的速度。四、改进建议针对CPU工作频率的问题，为了提高处理器的计算性能，如果还是采用以往的单一提高频率的做法是难以实现的。于是提出了双核心和多核心处理器的发展构架，希望借此进一步使得处理器的计算性能得以稳步提高。CPU厂商在不能大幅提高处理器频率的情况下，使用了许多新技术来达到提高处理能力的目的，双核心就是其中很重要的一种方式。提高CPU的频率的方法还有以下几种：一、提高CPU的FSB（前端总线）；二、提高CPU的倍频；三、CPU的FSB和倍频同时提高。五、实验器材1、湖北众友公司ZY15CompSys12BB计算机组成原理及系统结构教学实验箱；2、PC机与网络六、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，科学出版社。2、计算机组成原理及系统结构实验指导书（V1.01），湖北众友科技实业股份有限公司。3、4、5、