2.4 Pentium（奔腾）CPU

Pentium微处理器由Intel公司于1993年3月推出，根据生产的时间不同，可以分为：普通Pentium、Pentium Pro（高能奔腾）、Pentium MMX（多能奔腾）以及PentiumⅡ、Pentium Ⅲ（简称PⅢ）和Pentium 4（简称P4）等系列产品

2.4.1 Pentium（奔腾）CPU概述

Pentium微处理器在结构上比80486有较大的改进，内部采用32位结构，其内部寄存器仍然是32位，不过其64位的外部数据总线及64位、128位、256位宽度可变的内部数据通道使得Pentium的内外数据传输能力增强很多。它的地址总线仍为32位，所以，物理寻址范围仍为4GB。Pentium微处理器内部采用了先进的超标量流水线结构，拥有两个ALU，能同时执行两条流水线，从而使Pentium在一个时钟周期内能完成两条指令。在软件方面，它兼容了80486的全部指令且有所扩充。

1.Pentium CPU的组成

Pentium微处理器的基本组成包括总线接口部件、分页部件、片内16KB Cache存储器、浮点部件、控制部件、执行部件以及分支目标缓冲器等。Pentium微处理器内部结构框图如图2-19所示。

图2-19 Pentium微处理器内部结构框图

（1）总线接口部件

它用于与外部系统总线的连接，以实现数据的高速传输。其中数据总线64位，地址总线32位。

（2）分页部件

它用于实现主存分页管理等功能。

（3）片内Cache

16KB的片内Cache分为两个8KB且相互独立的代码Cache和数据Cache。代码Cache和数据Cache分开，减少了二者之间的冲突，且提高了命中率，从而提高了系统的整体性能。

（4）控制部件

控制部件包括预取缓冲器、指令译码器、控制ROM及控制逻辑电路。它的功能是控制指令代码的预取、译码和执行。

（5）执行部件

执行部件主要由整数寄存器组、ALU流水线、地址流水线和桶型移位器组成。它的功能是在控制部件的控制下执行指令序列。

（6）浮点部件

浮点部件在80486的基础上改进了很多，速度大大提高。

（7）分支目标缓冲器

分支目标缓冲器也称分支预知部件，用来判断程序各分支的走向，确定下一条指令能否并行执行。

2.PentiumCPU芯片的特点

Pentium CPU芯片的特点如下。

1）超标量技术：Pentium CPU通过内置多条流水线同时执行多个处理。在普通Pentium中，它由U指令、V指令和一条浮点流水线组成。两条整数指令流水线结构独立，功能不尽相同，流水线U既可以执行精简指令，又可以执行复杂指令，而流水线V只能执行精简指令。

2）超流水线技术：超流水线技术是通过细化流水、提高主频，使得在一个机器周期内能同时完成多个操作。普通Pentium的每条整数流水线都分为四级流水，即指令预取、译码、执行、写回结果；而浮点流水线分为八级流水，前四级为指令预取、译码、执行、写回结果，后四级包括两级浮点操作、一级四舍五入及写回浮点运算结果、一级出错报告。

3）分支预测：为了防止流水线断流，普通Pentium CPU内置了一个分支目标缓存器，用来动态预测程序分支转移情况，从而达到提高流水线的吞吐率。

4）双Cache结构：普通Pentium CPU内有两个8KB的超高速缓存，从而把指令和数据分开缓存，大大提高了搜寻的命中率。

5）固化常用指令：在普通Pentium CPU内把一些常用的指令用硬件来实现，从而使指令的运行速度大为提高。

6）增强的64位数据总线：普通Pentium CPU的内部总线采用32位，但与存储器之间的外部总线却改为64位。这就提高了指令与数据的供给能力。它还使用了总线周期通道技术，能在一个周期完成之前就开始下一周期，从而为子系统争取了更多的时间对地址进行译码。

7）采用PCI标准局部总线：普通Pentium CPU采用先进的PCI标准局部总线，从而能够容纳更先进的硬件设计，支持多处理、多媒体以及大数据量的应用。

8）错误检测及功能冗余校验技术：普通Pentium CPU具有内部错误检测功能和冗余校验技术，可在内部多处设置偶校验，以保证数据的正确传送；通过双工系统的运算结果比较，判断系统是否出现异常操作，并报告错误。

9）内建能源效率：当系统不进行工作时，自动进入低耗电的睡眠模式。只需毫秒级的时间系统就能恢复到全速状态。

10）支持多重处理：多重处理指多CPU系统，它是高速并行处理技术中常用的体系结构之一。

3.工作模式

一般说，Pentium微处理器有3种工作模式：实地址模式、保护虚地址模式和虚拟8086模式。

（1）实地址模式

处理器加电或复位时均处于实地址工作模式。在此模式下，微处理器的存储管理、中断控制以及应用程序的运行环境等都与8086相同。在此模式下，高档的微处理器只相当于一个快速的8086，只能处理16位数据。

（2）保护虚地址模式

保护虚地址模式简称为保护模式。所谓“保护”，是指处理器对多任务操作时，对不同任务使用的虚拟存储器空间进行完全地隔离，以保护每个任务顺利执行。

保护模式是80286以上的高档微处理器最常用的工作模式。在保护模式下，存储器空间采用逻辑地址、线性地址和物理地址来进行描述。逻辑地址就是通常所说的虚拟地址，它是应用程序所使用的地址，不能直接映射到存储器空间。为此，必须把逻辑地址变为线性地址，才有可能对存储空间进行访问。

（3）虚拟8086模式

虚拟8086模式是保护模式下的一种工作方式，也称为虚拟8086模式，或者简称为虚拟86模式。在虚拟86模式下，处理器类似于8086。寻址的地址空间是1MB；段寄存器的内容作为段值解释；20位存储单元地址由段值乘以16加偏移量构成。在虚拟86模式下，代码段总是可写的，这与实模式相同。同理，数据段也是可执行的，只不过可能会发生异常。所以，在虚拟8086模式下，可以运行DOS及以其为平台的软件。但虚拟86模式毕竟是虚拟8086的一种方式，所以不完全等同于8086。

8086程序可以直接在虚拟86模式下运行，而虚拟86模式受到称为虚拟86监控程序的控制。虚拟86监控程序和在虚拟86模式下的8086程序构成的任务称为虚拟8086任务，或者简称为虚拟86任务。虚拟86任务形成一个由处理器硬件和属于系统软件的监控程序组成的“虚拟8086机”。虚拟86监控程序控制虚拟86外部界面、中断和I/O。硬件提供该任务最低端1M字节线性地址空间的虚拟存储空间，包含虚拟寄存器的TSS，并执行处理这些寄存器和地址空间的指令。

微处理器把虚拟86任务作为与其他任务具有同等地位的一个任务。它可以支持多个虚拟86任务，每个虚拟86任务是相对独立的。所以，通过虚拟86模式这种形式，运行8086程序可充分发挥处理器的能力和充分利用系统资源。

2.4.2 Pentium 4简介

2000年，Intel发布了Pentium 4处理器。Pentium 4在结构设计上没有沿用Pentium III的架构，而是采用了全新的设计理念。包括等效于400MHz的前端总线（100x4）、SSE2指令集、256～512KB的二级缓存、全新的超管线技术及NetBurst架构等技术。

Pentium 4处理器集成了4200万个晶体管，改进版的Pentium 4（Northwood）更是集成了高达5500万个晶体管，并且开始采用0.18μm技术进行制造，初始速度就达到了1.5GHz。

第一个Pentium 4核心为Willamette，采用全新的Socket 423插座，集成256KB的二级缓存，支持更强大的SSE2指令集，多达20级的超标量流水线，搭配i850/i845系列芯片组，这使得Pentium处理器的性能大幅度提高。随后，Intel陆续推出了1.4～2.0GHz的Willamette P4处理器，但后期的P4处理器均转到了针脚更多的Socket 478插座。

2001年，Intel发布了第二个Pentium 4核心，代号为Northwood，改用了更精细的0.13μm技术，集成了更大的512KB二级缓存，性能有了大幅提高。其后，Intel又不断改进系统总线技术，推出了FSB533、FSB800的新规格，将数据传输速度进一步提升，并且在最新的Pentium 4处理器中，Intel已经支持双通道DDR技术，让内存与处理器传输速度也有很大的改进。加上Intel不断的推广和主板芯片厂家的支持，目前Pentium 4已经成为很受欢迎的中高端处理器。

Pentium 4还提供了SSE2指令集，这套指令集增加了144个全新的指令。例如，在进行128位数据压缩时，在SSE执行时，仅能以4个单精度浮点值的形式来处理，而在SSE2指令集上执行时，能采用多种数据结构来处理，即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）等。

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

Pentium 4还引入了NetBurst新架构，NetBurst架构的好处主要包括如下内容。

1）较快的系统总线（Faster System Bus）。

2）高级传输缓存（Advanced Transfer Cache）。

3）高级动态执行（Advanced Dynamic Execution）：包含执行追踪缓存（Execution Trace Cache）、高级分支预测（Enhanced Branch Prediction）。

4）超长管道处理技术（Hyper Pipelined Technology）。

5）快速执行引擎（Rapid Execution Engine）。

6）高级浮点以及多媒体指令集（SSE2）。

2.4.3 新一代微处理器——Itanium（安腾）CPU简介

Itanium是与其他CPU完全不同的64位CPU，它是面向工作站和服务器的专用CPU。安腾处理器是构建在IA-64（Intel Architecture 64）上的，IA-64与x86不同，它是为未来设计的专门用于高端企业级64位计算环境中，主要用于对抗基于IBM Power、HP PA-RISC、SUN UltraSparc-III及DEC Alpha的服务器。64位只是Itanium处理器的一个技术特征，瞄准的是高端企业市场。相对于Intel其他系列的处理器来说，Itanium CPU价格昂贵，即使最便宜的型号价值仍然超过1000美元。

Itanium已经经历了两代的变化。

1.Itanium 1处理器

Intel Itanium处理器是Intel公司64位处理器家族的第一位成员，它可使客户以更经济的成本（相比专用技术而言）获得针对高端64位服务器和工作站的更广泛的平台和应用选择。基于Itanium处理器的系统通过诸多产品和体系结构的创新，能够为客户提供一流的性能和可靠性。

Itanium处理器的清晰并行指令计算（EPIC）设计，在万亿字节（Terabytes of Data）数据处理、高速安全在线购物和交易及复杂计算处理方面都取得了突破性成果。这些特性能够满足数据通信、存储、分析和安全等日益增长的需求，同时与专有的产品相比，它具有更高的性价比、可扩充性和可靠性。应用的领域包括大型数据库、数据挖掘、电子商务安全处理、计算机辅助设计、机械工程及高性能科学计算等。

与专用RISC系统相比，基于Itanium处理器系统的性能提升可达12倍。Itanium处理器的体系结构还包括独特的可靠性设计，它是通过增强机器校验架构（Enhanced Machine Check Architecture，EMCA）来实现的，该功能可以进行错误的检测、修改和记录，还具有错误修改指令（Error-Correcting Code，ECC）和奇偶校验的特性。Itanium处理器具有2MB或4MB的L3高速缓存，主频为800MHz或733MHz。

2.Itanium 2处理器

Itanium 2处理器得到了广泛的技术支持，这些支持包括由40多家领先硬件厂商的具有出色可扩充的开放标准64位解决方案，诸如Windows Server 2003、HP-UX和Linux等的超过5款操作系统，以及数百种应用和工具。此外，Intel Itanium处理器还为现有的Intel Itanium架构软件提供了出色的二进制兼容性，进而可使用户获得强大的投资保护。Itanium 2处理器家族支持32位Intel架构（IA-32）应用，并将随着32位Intel架构（IA-32）执行层技术的推出进一步增强。

带有6MB三级高速缓存（带有9MB三级缓存的Fanwood年底推出）的Itanium 2处理器具有出色的并行计算能力、可扩充和可靠性，全面支持数据库、企业资源规划、供应链管理、业务智能以及诸如高性能计算（HPC）等其他数据密集型应用。通过采用兼容原有Intel Itanium 2处理器的插座设计，它可以为OEM和用户带来出色的投资保护。

此外，它还兼容现有Intel安腾架构软件，并且还可以提供比原有安腾1处理器高出30%～50%或更高的性能。具有大量执行资源、6.4GB/s的系统总线带宽、6MB的集成三级高速缓存和1.5GHz的主频等性能。