Pentium4微处理器的逻辑结构与工作原理

1.超标量结构

Pentium4微处理器芯片内含有9个可以同时工作的运算部件，因而称之为超标量（superscalar）结构。

2.指令流水线

CPU的主要任务就是执行指令，为了提高指令的执行效率，Pentium微处理器采用了流水线工作方式。每条指令流水线可以有多条指令同时执行，它们分别处于不同的执行阶段，如取指、译码、读数、执行、存结果等。

（1）采用RISC内核

RISC（reduced instruction set computer，精简指令集计算机）指令系统的最大特点就是大多数指令长度相同，并且能在单个时钟周期内完成，因而特别适合于高速流水线作业。

早期的8086/8088、80386等都属于CISC（complex instruction setcomputer，复杂指令计算机）。Intel公司人80486开始，已经注重RISC技术，

（2）在CPU芯片内集成高速缓存

高速缓存（cache）是为了解决CPU内核与主存的速度差异而设置的，其原理是CPU在一段时间内所执行和处理的数据往往集中于存储器的局部范围内，因而把这一段时间可能被频繁访问的指令和数据预先成批从内存读入cache中，以减少CPU访问内存的机会，从而大大提高了读取指令和数据的传输速度。

Pentium微处理器开始就已经将高速缓存分离为指令cache和数据cache。

（3）采用双独立总线

所谓双独立总线（dual independent bus,DIB）,就是除了原有的总线接口部件与系统主存相连的前端总线（front side bus,FSB）外，新增了一条连接L2  cache的后端总线（back side bus,BSB），该总线速度较高，可以达到全主频。例如，Pentium 4微处理器主频为1.5 GHz，每个时钟钟周期内可传输4次数据。

（4）采用了先进的动态执行技术

①深度分支预测

②动态数据流分析

③推测执行

3.NetBurst微体系结构

NetBurst微结构的核心由前端流水线（front end pipeline）、乱序执行内核(out of order execution core)以及结果输出部件（retirement unit）3个部分组成。

（1）前端流水线

前端流水线由预取/译码和ETC（执行跟踪cache）/微代码ROM两个部件组成，其功能是按程序确定的执行顺序向乱序执行内核提供指令。

（2）乱序执行内核

乱序执行内核是一个很深的推测执行引擎，其中含有一个容量相当大的指令池，可以允许126条指令的微操作在指令流水线上同时进行处理（Pentium Ⅲ微处理采用的P6微结构中只能提供40条指令的微操作）。这样，一旦某些指令由于执行条件不满足而陷入停顿时，执行单元就可以从指令池中选择其他可供执行的指令，从而实现乱序执行目的

（3）结果输出部件

结果输出部件一方面检测已经执行完的指令，按源程序中确定的指令执行顺序有序地输出结果，另一方面跟踪分支（转移）的执行，把更新了的转移目标送BTB，以支持转移预测功能的实现。

4.超线程技术

超线程技术(Hyper-Threading,HT)是为了减少NetBurst微结构中执行部件的闲置时间，利用多线程设计思想使单个物理CPU并发执行两个以上的代码流（称为线程）。