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1、第五章 微处理器方连众1第五章 微处理器v微处理器Micro Processing Unit，CPU是一种通 用的MPU。vCPU 是计算机的核心，具有运算能力和控制能力 。CPU的功能： 1. 算术逻辑运算 2. 保存少量数据 3. 译码并执行规定操作 4. 与存储器和外设交换数据 5. 提供系统的定时和控制信号 6. 相应中断请求CPU的组成： 1. 算术逻辑部件 2. 累加器和通用寄存器 3. 程序计数器、指令寄存器和译码器 4. 时序和控制部件主要内容： 5.1 8086/8088CPU 5.2 IBM PC微机及工作原理 5.3 16位MPU到32位MPU的过渡 5.4 Pentiu
2、m系列处理器 5.5 通用MPU的评价 5.6 RISC技术25.1 8086/8088CPUvIntel 8086/8088芯片引脚介绍35.1 8086/8088CPUvIntel 8086/8088特点与以前的4位、8位微处理器相比，特点鲜明。集流水线、寄存器结构、总线结构、复杂指令于一身的 经典微处理器。 结构图4v最早采用流水线结构的微处理器v采用分时服用的总线结构v存储器空间进行分段管理v丰富的指令集v丰富的寄存器组v容易构成的时序系统5.1 8086/8088CPU5最早采用流水线结构的微处理器6采用分时服用的总线结构7存储器空间进行分段管理v8086实用20为地址信号，可寻 址
3、1MB地址空间。v存放地址的寄存器IP、SP、BP 、SI、DI只有16位。v段（逻辑段）：最多可包含64KB；起始地址（基址）是一个能被 16整除的数，最后4位为0；基址是用软件设置；段和段可连续、分开、重叠。v分段好处：指令涉及16位地址，简短长度 ；编程时，程序员不用考虑程序 装配问题，交与操作系统管理 。8丰富的指令集v复杂指令集CPU的代表。v24种寻址方式，支持多种数据结构。v增加了乘除法指令、数据串指令等。v能对16位字数据操作，也能对8位字节数据 操作。9丰富的寄存器组Flag register 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0OFDF
4、IFTFSFZFAFPFCF10容易构成的时序系统v8086对机器周期概念进一步拓展，可以通过总线周期来理 解。v一个总线周期由四个时钟周期组成，T1、T2、T3、 TW 、 T4。T1T2T3TwT4TiTiT1T2T38086总线周期时序发出地址信息从AB上撤消地址信息，AB浮空 发送数据于DB结束等待IO设备读数据总线空闲11第五章 通用微处理器5.1 8086/8088CPU5.2 IBM PC微机及工作原理5.3 16位MPU到32位MPU的过渡5.4 Pentium系列处理器5.5 通用MPU的评价5.6 RISC技术125.2 IBM PC微机及工作原理vIBM PC结构图 主要
5、芯片 8087运算协处理器 8089 IO协处理器 8288总线控制器 8289总线仲裁器 8284时钟发生器 8282锁存器 8286数据收发器 8237DMA控制器 8259中断控制器 8253定时计数器 8255并行接口135.2 IBM PC微机及工作原理v主要内容：vIBM PC 中数据的存储vIBM PC 的分段存储结构vIBM PC 的工作过程14IBM PC 中数据的存储v8088有20条AB，可寻址 1MBYTE；v每个BYTE存储单元有唯一地址 ，无符号整数；v地址范围：00000H0FFFFFH ；v按字存放时，“先低地址字节， 后高地址字节”的原则，推广当 存放双字时，
6、 “先低字，后高 字”；v规则存放：字数据从偶数地址 开始存放；不规则存放（不提 倡）20000HAA5520002H554420004H332220006H55AAH22334455H15IBM PC 的分段存储结 构v8086的内部寄存器是16位（地址的宽度大于字长）。显然 ，不能用16位的寄存器来实现对2201M字节单元的寻址 。为此，引入了存储器“分段”的概念，即把1M字节内存空 间分成若干段。每段最大可达64K字节可由16位寄存 器进行寻址。v段的起始地址成为“段基址”，要访问的单元距段基址的距 离（字节数）为“偏移量”（Offset）。段的起始地址偏移量要访问的单元段16IBM P
7、C 的分段存储结 构v程序设计时，使用的是逻辑地址。逻辑地址由“段基址”和“ 偏移量”构成（均为16位）。v“段基址”由段寄存器CS、DS、SS和ES提供；“偏移量” 由BX、BP、IP、SP、SI、DI或根据寻址方式计算出的 有效地址EA（Effective Address）提供*。注意：每个存储单元有唯一的物理地址，但它却可由 不同的“段基址”和“偏移量”组成。例如：1200H:0345H12345H 1100H:1345H12345H 除非专门指定，一般情况下，段在存储器中的 分配是由操作系统负责的。17IBM PC 的分段存储结构v由逻辑地址获得物理地址的计算公式：v 物理地址段基值X
8、16+偏移量18IBM PC 的工作过程vIBM PC启动时的初始 状态：如右表；v执行的第一条指令的 逻辑地址： 0FFFFH:0000Hv这个位置存放的是一 条无条件转移指令， 指向初始化程序BIOS ，然后启动OS。8086/8088 寄存器初始状态FR清零IP0000HCSFFFFHDS0000HSS0000HES0000H指令队列NULL其他寄存器0000H19第五章 通用微处理器5.1 8086/8088CPU5.2 IBM PC微机及工作原理5.3 16位MPU到32位MPU的过渡5.4 Pentium系列处理器5.5 通用MPU的评价5.6 RISC技术205.3 16位MPU
9、到32位MPU的过 渡vIBM 公司1981采用8088CPU生产出IBM PC 。v微机的称谓（约定俗成）：品牌+CPU型号v从16位CPU向32位促CPU发展。v开创了80X86的时代（8192）。21v内容：v80286微处理器介绍v80386微处理器介绍v80486微处理器介绍5.3 16位MPU到32位MPU的过 渡2280286微处理器介绍v1982年，Intel公司发布80286，称为超级16 位微处理器，PGA（珊状阵列封装）封装 工艺，集成大约13万个晶体管。v最大主频20MHz,16bit DB,24bit AB,寻址能 力16MByte。v工作模式：实模式、保护模式。v与
10、8086相比。在实模式下，兼容8086，可模 仿8086工作，访问1M内存。在保护方式下，可访问16M 内存； 保护操作系统，避免在异常 处理时，系统停机。支持更大的内存 能模拟内存空间 支持多任务 改进了流水线 提高处理速度2380386微处理器介绍v1985年发布的32位微处理器；v工艺：132引脚PGA封装，32bit AB、32bit DB、寻址能力4G，最高主频达33MHz。v工作模式：实模式、保护模式、“虚拟86”模 式（可以同时模拟多个8086处理器工作） 。v其它特点：支持多任务、指令系统更复杂、 具有内部Cache，处理效率更高2480386微处理器介绍v80386由四部分组
11、成 。执行部件EU控制部件CUv指令预取部件IPUv指令译码部件度IDU存储器管理部件MMUv分段部件SUv分页部件PU总线接口部件BIUv六级流水v先行控制 25v80386内部寄 存器通用寄存器指令指针寄 存器EIP标志寄存器 EFLAGS段寄存器和 段描述寄存 器控制寄存器系统寄存器调试寄存器 和测试寄存 器80386微处理器介绍31 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0保留VMRF0NTIOPLOFDFIFTFSFZF0AF0PF1CF2680486微处理器介绍v1989年Intel公司发布80486v集成了协处理器和一个8k的高
12、速缓存v采用RISC技术，提高了指令执行速度v采用了突发式总线技术v支持倍频技术v最高主频60MHz27第五章 通用微处理器5.1 8086/8088CPU5.2 IBM PC微机及工作原理5.3 16位MPU到32位MPU的过渡5.4 Pentium系列处理器5.5 通用MPU的评价5.6 RISC技术285.4 Pentium系列处理器vIntel公司，1993发布了第五代微处理器， 采用了具有名称专利的“Pentium”。v第一种Pentium是一种80486的升级产品。 集成了310万个晶体管，采用0.5微米的制造 工艺。加装风扇。v开创了“奔腾”时代。295.4 Pentium系列处
13、理器v发展早期的Pentium微处理器Pentium MMX微处理器Pentium II 微处理器Pentium III 微处理器Pentium IV 微处理器30早期的Pentium微处理器v采用了超标量处理结构设立了独立的指令 Cache和数据Cache 具有预测转移机构 具有高性能浮点运算器增强的64位数据总线31Pentium MMX微处理器v1996年Intel发布了Pentium MMX（MultiMedia eXtensions） 微处理器。v采用64位总线，集成450万个晶体管。工作频率 133233MHz,加入了57条MMX指令，具有超强 的多媒体处理能力，符合单指令流多数据
14、流的特 点。32Pentium II 微处理器v1997年6月推出Klamath结构的 Pentium iiv1998年4月推出Deschutes结构和Mendocino 结构 的Pentium II。v技术：vSlot 1 接口标准vSECC（单边接触盒）封装技术v0.330.25微米技术v一级二级缓存32K、512K33Pentium III 微处理器v1999年推出PIIIvKatmaiCoppermineTualatinvSlot 1socket 370v二级Cache :512k半速256k全速512k全速v0.250.180.13v增加SSE(单指令多数据流扩展)指令集，增强 多媒
15、体功能v我钟爱的散扬 Celeron 34Pentium IV 微处理器v2000年底发布P4v特点超流水线技术执行轨迹根中高速缓存ETC改进了条件转移的分支预测机构超标量设计SIMD扩展指令集采用两倍时钟的运算器100MHz的前端总线20级超长流水缓存微操作减少33%的预测失败采用无序执行技术，满负荷增加了SSE2指令集采用时钟缓冲器，运算器 速度为处理器的两倍数据总线的速度400MHz，3.2G/S35第五章 通用微处理器5.1 8086/8088CPU5.2 IBM PC微机及工作原理5.3 16位MPU到32位MPU的过渡5.4 Pentium系列处理器5.5 通用MPU的评价5.6 RISC技术365.5 通用MPU的评价vMPU发展30年从432位，性能成指数提升。v如何评价？ 传统的测评方法，从MPU的性能参数上衡量。 字长、工艺、主频、集成度、MIPS、指令集等 新的测评方法，从四个方面测试MPU的性能,称 为Spectrum of Performance。办公事务处理性能测试运行办公事务软件时，呈现出的性能。 测试工具：模拟测试软件。 系统级：sysmark2000、winstone2000 处理器级：specint2000、specint_base2
