【技术专辑】x86处理器架构的概述

微处理器的基本设计

 

虽然本系列文章的主题是基于使用x86处理器体系结构的汇编语言,但有关x86处理器的一些背景信息将会有所帮助。这是系列中的第一部。

 

中央处理器单元(CPU)是计算和逻辑操作全部发生的地方。CPU包含有限数量的存储位置或寄存器,高频时钟,如控制单元和算术逻辑单元。

 

时钟使CPU的内部操作与系统中的其他组件同步。

 

控制单元(CU)安排执行系统指令所涉及的步骤的顺序。

 

算术逻辑单元(ALU)执行诸如加法和减法的算术运算以及诸如AND,OR和NOT的逻辑运算。

 

查看系统,CPU通过连接到计算机主板上CPU插槽的引脚连接到计算机的其余部分。CPU上的大多数引脚都连接到数据总线,控制总线和地址总线。存储器存储单元是在计算机程序运行时临时存储指令和数据的地方。存储单元从CPU接收数据请求,然后将从随机存取存储器(RAM)存储的所有数据传送到CPU,最后将数据从CPU传送到存储器。所有数据处理都在CPU内进行,因此存储在存储器中的程序必须先复制到CPU中,然后才能执行任何命令。可以将单个程序指令或功能一次复制到CPU中,也可以同时将组复制到一起。

 

总线是一组并行线,将数据从计算机系统的一部分传输到另一部分。计算机系统通常包含四种总线类型:数据,输入和输出(I / O),控制和地址。数据总线在CPU和内存之间传输指令和数据。I / O总线在CPU和计算机系统中具有输入/输出命令的设备之间传输数据。控制总线利用二进制信号来同步连接系统总线的任何设备的动作。最后,当当前正在执行的指令在CPU和存储器之间传输数据时,地址总线保存指令和数据的地址。下面是微型计算机的框图。

 

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指令执行周期

 

单个机器指令的执行可以分成称为指令执行周期的单个操作序列。在执行任何执行之前,程序将加载到内存中。指令指针包含要执行的下一条指令的地址。执行机器指令时,需要三个基本步骤:提取,解码和执行。如果指令使用内存操作数,则需要两个步骤:获取操作数和输出操作数。每个步骤可以描述如下:

 

获取:控制单元从指令中取出下一个执行指令并递增指令指针(IP)。IP称为程序计数器。

 

解码:控制单元解码指令的功能以确定指令将执行的操作。指令的输入操作数被传递到ALU,并且信号被发送到LAU,指示要执行的操作。

 

获取操作数:如果指令使用位于存储器中的输入操作数,则CU使用读操作来检索操作数并将其复制到内部寄存器中。任何用户程序都看不到内部寄存器。

 

执行:ALU使用命名寄存器和内部寄存器作为操作数执行指令,并将输出发送到命名寄存器和/或存储器。

 

存储输出操作数:如果输出操作数在存储器中,则CU使用写操作来存储数据。

 

下面的图表有助于显示在指令执行周期中交互的组件之间的关系。如果要从存储器中读取程序指令,则在地址总线上放置一个地址。接下来,内存控制器将请求的代码放在数据总线上,允许代码在代码缓存中可用。指令指针的值确定下一个将执行哪个程序指令。通过指令解码分析指令,使得适当的数字信号被发送到控制单元,控制单元协调ALU和浮点单元。控制总线未在图中示出,但它携带各种信号,这些信号使用系统时钟来协调不同CPU组件之间的数据传输。  

 

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从内存中读取

 

程序吞吐量通常取决于内存访问的速度。CPU时钟速度可能是8千兆赫,而对内存的访问是通过系统总线进行的,系统总线的运行速度比时钟速度低得多。CPU必须等待一个或多个时钟周期,直到在当前指令完成其完全执行之前从内存中取出操作数。浪费的时钟周期称为等待状态。

 

从存储器读取指令或数据时需要几个步骤,由处理器的时钟控制。下图描绘了处理器时钟(CLK)以规则的时间间隔上升和下降。在此图中,一旦时钟信号从高电平变为低电平(1到0),时钟周期就会开始。这些变化称为后沿,它们表示每个州之间过渡所需的时间。

 

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下面简要介绍了读取内存时每个时钟周期内发生的情况:

 

周期1:存储器操作数的地址位位于地址总线(ADDR)上。图中的地址线交叉,表示某些位等于1而其他位等于0. 

 

循环2:读取线(RD)设置为低(o)以通知存储器要读取的值。

 

周期3:CPU等待一个周期以给出响应的存储时间。在此期间,存储器控制器将操作数放在数据总线(DATA)上。

 

周期4:读取线变为1,表示CPU读取数据总线上的数据。

 

接下来

 

此时,您应该在运行计算机系统时对x86处理器体系结构基础知识有基本的了解。以后的文章将重点介绍x86架构的详细信息,例如程序如何运行和多任务处理。其他主题将详细介绍操作执行环境,执行寄存器和x86内存管理模式,以便您了解和改进x86处理器知识。 

 

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计