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1、微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 第2章 80X86微处理器 2.2 微处理器内部结构 2.3 2.3 3232位微处理器的工作位微处理器的工作模式模式 2.1 Intel 处理器发展 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 1. 位和字节 位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的 是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单位时记作b 字节（byte）由8个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的 单位。字节作为单位时记作B K是kelo的缩写， 1K=1024=210； M是mega的缩写，1M=1024K=220； G是Giga的缩写， 1G=
2、1024M=230； T是tera的缩写， 1T=1024G=240。 微型计算机的常用术语 10000101 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 2. 字长(数据宽度) 字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取 决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理 器的字长有4位、8位、16位、32位和64位等等。 微型计算机的常用术语 3. 寻址能力 指CPU能直接存取数据的内存地址的范围，它由CPU的地址总线的数 目决定。 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 4. 主频 主频也叫时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高 表明微处理器
3、运行越快，主频的单位是MHz。 微型计算机的常用术语 5. MIPS MIPS是Millions of Instruction Per Second的缩写，用来表示微处 理器的性能-运算速度，每秒钟能执行多少百万条指令. 6.微处理器的集成度 指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 最早Intel 4004的集成度为2250个晶体管，Pentium III的集成度已 经达到750万个晶体管以上，集成度提高了3000多倍。 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 型号发布 年分 字长 (位) 晶体管 (万个) 数据总 线宽度 外部总 线宽度 主频寻址 空间 高速 缓存 808619781
4、62.916164.771M无 80881979162.91684.771M无 28619821613.4161662016M无 38619863227.5323212334G有 4861989321203232251004G8K 奔腾1993323106464601664G8K 奔腾Pro1995325506464150 200 64G8K 256K 奔2199732750646423333364G32K 512K Itanium2000642.2亿64641G以上64G6M集 成三级 酷睿2 200664 2.91亿 64643.60G64G6M集 成三级 2.1 Intel 处理器发展
5、微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 微处理器的基本功能模块: 总线接口单元总线接口单元 BIUBIU （寄存器组） 执行单元执行单元 EUEU （运算器和控制器、寄存器组） 2.2 微处理器内部结构 一.微处理器的内部结构 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 8086/8088内部结构 一.微处理器的内部结构 内部暂存器 IP ES SS DS CS 输入/输出 控制电
6、路 外部总线 执行部分 控制电路 1 2 3 4 5 6 ALU 标志寄存器 AH AL BH BL CH CL DH DL SP BP SI DI 通用 寄存 器 地址 加法 器 指令队列缓冲器 执行部件 （EU) 总线接口部件 （BIU) 16位 20位 16位 8位 AX BX CX DX 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 物理 地址 加法器 地址锁存器和驱动器 预取 协处理器 接口 总线控制 数据收发 6字节预取队列 3 译码指令 指令队列 指令 译码器 寄存器 控制器 ALU 偏移量加法器 段界检查 段基址 段容量 NMI INTR ERROR BUSY 地址部件地址
7、部件AU AU 执行部件执行部件EU EU 总线部件总线部件BU BU 指令部件指令部件IU IU 80286内部结构 一.微处理器的内部结构 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 存储管理(分段和分页部件) 指令和数据流水线 指令和数据CACHE 指令预取 浮点处理 分支预测 并行计算 微处理器的功能扩展模块: 一.微处理器的内部结构 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 分段部件分段部件 分页部件分页部件 总线接口部件总线接口部件 3 输入 加法器 描述符 寄存器 边界和 属 性 PLA 加法器 页高速 缓存器 控制和 属性 高速 缓存器 请求 优先权 地 址 驱动
8、器 流水线/ 总线宽度 控制器 多 路 收发器 保护测试 部件 桶形移位器 加法器 乘 / 除 寄存器集 译码和 定序器 控制 ROM 指令译码 已译码 指令队列 预取器/ 边界 检测器 16字节 指令 队列 32位有效地址总线 32位ALU总线 指令预取部件指令预取部件 指令译码部件指令译码部件 执执 行行 部部 件件 32位有效地址总线 内部控制 总线 80386内部结构 一.微处理器的内部结构 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 桶形移位器 寄存器文件 ALU 段管理部件 描述符 寄存器 界限和属 性PLA 页管理 部 件 转换后援 缓冲器 Cache 管理部件 8KB C
9、ache 地址驱动器 写缓冲器4 80 数据总线收发器 总 线 控 制 请求序列发生器 成组总线控制 总线宽度控制 Cache 控制 奇偶校验 生成和控制 浮点运算 部件 浮点寄存 器文件 控制部件 控 制 ROM 指令 译码 器 指令预 取 部件 2 16B 指令队列 128 232 位数据总线 32 位线性地址 32 总线接口部件总线接口部件 80486内部结构 一.微处理器的内部结构 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 Pentium 采用了多项先进技术： CISC和RISC相结合的技术 超标量流水线技术 分支预测技术 一.微处理器的内部结构 微型计算机原理与接口技术微型计
10、算机原理与接口技术 RISC和CISC： RISC（Reduced Instruction Set Computer），精简指 令系统的计算机 提供数目较少、格式与功能简单、运行高效的指令 追求的是计算机控制器实现简单，运行高速，更容易 在单块超大规模集成电路的芯片内制做出来 CISC（Complex Instruction Set Computer），复杂指 令系统的计算机 相对于RISC一词而提出来的一种说法 特点：指令条数多，格式多样，寻址方式复杂，每条 指令的功能强。汇编程序设计容易些，但计算机控制 器的实现困难多，很多指令被使用的机会并不多 一.微处理器的内部结构 微型计算机原理与接
11、口技术微型计算机原理与接口技术 超标量流水线： 标量指单个量，一般的流水计算机因只有一条指令流水线，所以 称为标量流水计算机，所谓超标量是指其具有两条以上的指令流水线. Pentium Pentium 有有U U、V V两条整型流水线，一条浮点流水线。两条整型流水线，一条浮点流水线。 流水线： 是一种使多条指令重叠操作的技术, 是当代微处理器设计中的关键技术之一。 把一条指令分解成若干个步骤来完成，在流水线上称为级，每级 都在一个时钟周期内完成各自的操作。这样每个时钟周期都可以启动 一条指令，m级的流水线上就会有m条指令在同时执行。 流水线的性能比非流水线作业几乎提高了m倍。 一.微处理器的内
12、部结构 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 PF(预取)：处理器从代码cache中预取指令 D1(译码阶段1)：处理器对指令译码确定操作码和寻 址信息。在这个阶段还进行指令的成 对性检查和分支预测 D2(译码阶段2)：产生访问存储器的地址 EX(执行)：处理器或者访问数据cache，或者利用ALU、 筒型移位器或其他功能单元计算结果 WB(写回)：利用指令运行结果更新寄存器和标志寄存器 Pentium微处理器的五级超标量整数流水线 一.微处理器的内部结构 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 分支预测： 所谓分支预测是指当遇到转移指令、CALL调用指令、RET返回指
13、令、INT n中断指令等跳转指令时，指令预取单元能够较准确地判 定 是否转移取指。 一.微处理器的内部结构 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 预取缓冲存储器 指令译码 256 控制 ROM 控制部件 地址生成 (U流水线 ) 地址生成 (V流水线 ) 整数寄存器组 ALU (U 流水线 ) ALU (V 流水线 ) 筒型移位器 8KB 数据 Cache 浮点部件 控制 寄存器组 加法器 除法器 乘法器 80 80 8KB 代码 Cache 分支目标 缓冲器 预取 地址 指令指针 转移校验 和 目标地址 分页 部件 32 32 32 32 32 32 总 线 部 件 64 64
14、位读总线 64 位 数据总线 32 位 地址总线 控制 TLB TLB 32 位地址总线 Pentium内部结构 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 二、基本结构寄存器： 486内部寄存器分为4类: H基本结构寄存器 H浮点寄存器 H系统级寄存器 H调试测试寄存器 应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点寄存器。(我们 只介绍基本结构寄存器) 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 AH AX AL BH BX BL CH CX CL DH DX DL SP BP DI SI IP FLAGS CS DS ES SS FS GS 32位名称 EAX EBX ECX EDX
15、ESP EBP EDI ESI 8位名称 16位名称 EIP EFLAGS 名称 累加器 基址变址 计数 数据 堆栈指针 基址指针 目的变址 源变址 指令指针 标志 代码 数据 附加 堆栈 32位 16位 注意： 286以下绿色区域不可用； FS、GS 无专用名称； 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 AX (accumulater)-累加器 BX (Base)-基址寄存器 CX (Count)-计数器 DX (Data)-数据寄存器 AH AX AL BH BX BL CH CX CL DH DX DL SP BP DI SI 32位名称 EAX EBX ECX EDX ESP
16、 EBP EDI ESI 16位名称 名称 累加器 基址变址 计数 数据 堆栈指针 基址指针 目的变址 源变址 8位名称 通用寄存器 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术 AX、BX、CX、DX 共同特点： 既可作为16位寄存器来用又可作为两个8位寄存器（高、低位）来用； 都是用于暂存操作数，或是运算的中间结果或其它一些信息。 指令操作码操作数 AH AX AL BH BX BL CH CX CL DH DX DL SP BP DI SI 32位名称 EAX EBX ECX EDX ESP EBP EDI ESI 16位名称 名称 累加器 基址变址 计数 数据 堆栈指针 基址指针
