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AMD-K5
Processor
Data Sheet
Publication #
18522
Rev:
F Amendment/0
Issue Date:
January 1997
TM
© 1997 Advanced Micro Devices, Inc.
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iii
18522F/0--Jan1997
AMD-K5 Processor Data Sheet
PRELIMINARY INFORMATION
Contents
1
AMD-K5TM Processor Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1
Redefining the Next Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2
High-Performance Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3
Compatibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2
Block Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3
Ordering Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4
Architectural Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4.1
Superscalar RISC Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4.2
Out-of-Order Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4.3
Register Renaming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.4
64-Bit Data Bus Interface Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.5
Innovative x86 Instruction Predecoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.6
Cache Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.7
Branch Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.8
Unique x86 Instruction Conversion and Decoding . . . . . . . . . . 9
4.9
Reorder Buffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.10
Register File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.11
The Right Combination--Compatibility and Performance . . 11
5
CPU Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
6
Logic Symbol Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
7
Signal Descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
A31A5/A4A3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
A20M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
ADS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
ADSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
AHOLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
AP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
APCHK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
BE7BE0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
BF (Model 0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
BF1 BF0 (Model 1 and Model 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
BOFF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
BRDY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
BRDYC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
BREQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
BUSCHK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
CACHE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
CLK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
D/C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
D63D0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
iv
AMD-K5 Processor Data Sheet
18522F/0--Jan1997
PRELIMINARY INFORMATION
DP7DP0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
EADS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
EWBE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
FERR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
FLUSH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
FRCMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
HIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
HITM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
HLDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
HOLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
IERR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
IGNNE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
INIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
INTR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
INV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
KEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
LOCK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
M/IO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
NA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
NMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
PCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
PCHK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
PEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
PRDY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
PWT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
RESET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
R/S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
SCYC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
SMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
SMIACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
STPCLK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
TCK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
TDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
TDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
TMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
TRST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
W/R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
WB/WT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
8
Processor Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
8.1
Power-On Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
8.2
Clock State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Normal Execution State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Halt/Auto-Power- Down State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Stop Grant State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Stop Clock Snoop State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Stop Clock State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
8.3
Cache Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
v
18522F/0--Jan1997
AMD-K5 Processor Data Sheet
PRELIMINARY INFORMATION
Internal Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Cacheability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Copy-Back Buffers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
8.4
Data Cache Coherency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Cache Invalidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Read Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Write Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Write Allocate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
External Inquire Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Instruction Cache Coherency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Self-Modifying Code and the Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
8.5
External Bus Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Memory Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
8.6
Bus Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Single Transfer Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Burst Read Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Burst Write Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
BOFF or AHOLD/HOLD/HLDA During Burst Transfers . . . . . 40
Use of BOFF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Locked Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
LOCK during HOLD and BOFF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
LOCK Operations during Inquire Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Locked Operation to Cached Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Bus Hold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Bus Error Support using PCHK and APCHK . . . . . . . . . . . . . . 44
Special Bus Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Flush Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Interrupt Acknowledge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Inquire Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Pipelining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Pipelining Timing Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
8.7
System Management Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Processing System Management Interrupts . . . . . . . . . . . . . . . 51
System Management Interrupt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Initial State Upon Entering SMM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
I/O Instruction Restart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Halt Auto Restart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
8.8
Am486
®
and AMD-K5 Processor Bus Differences . . . . . . . . . . 54
8.9
P54C and AMD-K5 Processor Bus Differences . . . . . . . . . . . . . 55
9
Electrical Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
9.1
Power and Grounding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Power Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Connection Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
9.2
Absolute Maximum Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
9.3
Operating Ranges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Commercial (C) Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
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