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1、第二章第二章80x8680x86系列结构微处理系列结构微处理器与器与8086/80888086/80881微型计算机原理及接口技术西安冶金建筑专修学院2课程简介全书教学需要约60学时，安 排54学时；在具体的教学程中，有的章 节需要仔细讲 述，有些章节，如第1、3、4、6 章的某些部 分及第7章，可在教师指导下由学 生自行阅读 慢慢加以体会。3课程简介回顾现代微处理器的发展历程 ，你会发现这是一个随处迸发智慧火光的历程 。4课程简介1965年飞兆半导体研发部门主管 Gordon Moore发 现并且归纳出著名的“摩尔定律”：每年 IC芯片的单元 密度会翻一倍，而且这一趋势会持续到下 一个十年。
2、实 际上，摩尔定律到现在还适用。 摩尔定律让我们的爱机没几年就从身价过万到 不值 一文，当然也让囊中羞涩的我们可以只是 多一点忍心就 能花很少的代价得到当初连想都不敢想的 机器。5课程简介19 65年飞兆半导 体研发部门主 管Gordon6课程简介Intel 4004Int el在1971年10月 推出4 位通用芯4004， 时 钟频率 108KHz，拥有 2300 个晶体管，有 ROM, RAM以 及I/O的接口。这款芯片是第 一种真 正意义 上的CPU，最初 是 INTEL 受一家日本公司 之 托研制 的，没想到会因 此 开创一 个WINTEL时代 。7课程简介Intel 80088008
3、于1972年亮相，只是4004的8位版本，唯一亮点是具有ISA标准，成为后来推出的8080，以及808（x86）架构的基础。再后来，Intel还推出名不经传的4040，这只是4004的增强版，以及很快遭到淘汰的32位432。 8课程简介Intel8080直到8080的面世，Intel才重新找回感觉，成为当时的潮流。8080拥有与8008一样的指令集，被认为是第一款真正实用的微处理器。它有16位地址总线、8位数据总线、16位堆栈指针以及16位程序计数器，256个I/O口，I/O口与存储器统一编址，还有一个用来分配堆栈到存储空间空闲区域的信号端口。这些特性使得8080成为一款真正的现代微处理器。
4、9课程简介Intel80868086微处理器是INTE公司上世纪70年代末推出的一种16位的微处理器。80年代IBM公司使用其姊妹芯片8088(准16位)作为其第一代个人计算机IBM/PC机的CPU，使得INTEL公司的系列“向上兼容”的微处理器成市场的主流芯片。 10课程简介11主要内容： 80x86微处理器系列概况基于8086的微计算机系统8086寄存器组8086微处理器的存储器管理外部设备 12第一节80x86微处理器系列概况 1从8080/8085到80862从8086到8088380286、80386到Pentium微处理器131从8080/8085到8086 8086是1978年I
5、ntel公司推出的16位微处理器。与其前一代8位微处理器8080/8085相比，8086有如下几点进步：（1）8086有16位数据总线，处理器与外部传送数据时，一次可传送16位二进制数，而8080/8085一次只能传送8位。 （2）8086的寻址空间从8080/8085的64K字节提高到1M字节。 （3）8086采用了流水线技术，而8080/8085是非流水线结构。在一个具有流水线结构处理器的系统中，可以实现处理器的内部操作与存储器或I/O接口之间的数据传送操作重叠进行，从而提高了处理器的性能。 142从8086到8088 8086的内部寄存器、功能部件、数据通路以及对外的数据总线均为16位宽
6、度，它的出现是计算机技术上一个很大的进步。但是，当时已有的微处理器外围配套芯片的数据总线都是8位的，为了使用这些8位的外围芯片组成系统，Intel公司又推出了8088微处理器。8088的内部结构与8086基本相同，也提供16位的处理能力，但对外的数据总线设计成8位。 152从8086到80881981年IBM公司选择8088微处理器作为核心来设计IBM PC微计算机系统，推向市场后获得了巨大的成功，为后来的80x86系列微处理器成为主流微计算机的处理核心打下了基础。 16380286、80386到Pentium微处理器 由于用户对PC机性能的要求迅速提高，Intel公司在1982年推出了802
7、86微处理器，它仍然是16位结构。80286的内部及外部数据总线都是16位的，但它的地址线是24位的，可寻址16M字节的存储空间。80286有两种工作方式，即实模式和保护模式。17380286、80386到Pentium微处理器 实模式与8086工作方式相同，但速度比8086快。保护模式除了仍具有16M字节的存储器物理地址空间外，它还能为每个任务提供1G（230）字节的虚拟存储器地址空间。保护方式把操作系统及各任务所分配到的地址空间隔离开，避免程序之间的相互干扰，保证系统在多任务环境下正常工作。 188038680386是1985年研制出的一个32位微处理器，内部及外部数据总线均为32位，地址
8、线也为32位，因此它可处理4G（232）字节的物理存储空间。80386为每个任务提供的虚拟存储空间增加到64T（246）字节。 19804861989年Intel公司又研制出新一代的微处理器80486，80486芯片内除了有一个与80386相同结构的主处理器外，还集成了一个浮点处理部件FPU以及一个8K字节的高速缓冲存储器（cache），使80486的计算速度和总体性能比80386有了明显的提高。 20Pentium 1993年Intel公司又推出了Pentium微处理器，此后几乎每两年就推出一个新型号，至今市场上的Intel微处理器已是Pentium。由此可见，微处理器芯片的发展速度是非常快
9、的。在微处理器的发展过程中，芯片主频越来越快，寻址空间越来越大，数据和地址总线也越来越宽，加之许多体系结构方面的改进措施，如流水线结构、存储器层次结构等，使微计算机的性能大大提高，其应用领域也更加广泛。 218086功能的扩展22Intel 8086 ：16位微处理器，40个引脚，数据总线16位，地址总线20位。内部寄存器的主体是16位。Intel 80386 ：1985年Intel 公司的第一个32位CPU。32位的数据总线，32位的地址总线。1、从16位扩展为32位232. 从实模式至保护模式分段是存储管理的一种方式，段用于封闭具有共同属性的存储区域。如，一个程序的代码应包含在一个段中，不
10、同任务的数据或程序应在不同的段中。32位80X86支持三种操作模式：实模式保护模式系统管理模式。24实模式：实现8086编程环境的工作模式并有扩展。80X86复位后处于实地址模式。（单任务，DOS本身没有程序隔离，没有保护。）2. 从实模式至保护模式25保护模式：支持段式存储管理，每个逻辑段可达4GB，32位地址。段基地址、段长度的界限和相应属性用一个由8个字节组成描述符（表）存放。通过段寄存器（选择器）取出描述符，得到32位段基址。与32位偏移地址相加，形成32位线性地址，若不采用页式存储管理，则线性地址就是物理地址。保护模式下，程序运行于4个特权级，实现操作系统核心程序与应用程序严格隔离。
11、支持多任务机制，任务之间完全隔离。2. 从实模式至保护模式26系统管理模式（SSM）：操作系统为实现平台特定的功能或系统安全提供的一种透明机制。此模式下，在保存当前正在运行的任务整个上下文后，处理器切换至一个独立的地址空间，还可返回到原任务。2. 从实模式至保护模式27存储器是计算机的重要资源。32位地址,可寻址4GB存储单元。32位80X86的内部都有存储管理单元MMU，提供4K页、页表支持。多数机器的物理内存配置远小于4GB，应用程序需庞大的地址空间。操作系统提供了虚拟存储器管理机制。虚拟存储系统是在主存和辅存之间通过MMU，进行虚地址和实地址的自动变换。3.片内存储管理单元28分页：将程
12、序分成若干大小相同的页，一个页只是程序或数据模块的一部分。32位80X86通过2级查表（分段：查描述符表。分页：查页目录项，页表）实现32位线性地址转换为32位物理地址。3.片内存储管理单元294. 浮点支持工程应用、图形处理、科学计算等要求浮点支持（实数运算）。 自80486芯片开始，在80x86系列微处理器中集成了80X87（及其增强）浮点单元。305. MMX技术为支持多媒体技术的应用，如音乐合成、语音合成、语音识别、音频和视频压缩（编码）和解压缩（译码）、2D和3D图形（包括3D结构映像）和流视频等，80X86系列处理器中增加了MMX技术及相应的指令。316. 流SIMD扩展（SSE）
13、自Pentium，在80x86系列微处理器中引进了流SIMD（单指令多数据）扩展（SSE）技术。 SSE扩展把由Intel MMX引进的SIMD执行模式扩展为新的128位XMM寄存器和能在包装的单精度浮点数上执行SIMD操作。128位指令设计以支持媒体和科学应用。由这些指令所用的向量操作数允许应用程序在多个向量元素上并行操作。元素能是整数或浮点数。322.1.2 8086性能的提高1. 利用流水线技术提高操作的并行性利用流水线把取指令与执行指令重叠，减少等待 取指令时间。如386、486等CPU的多个能并行操作的功能部件，多级流水线允许多条指令被同时 执行。2. 引入片内缓存（cache）把近
14、期可能要用到的指令与数据放到工作速度比主存储器更高的缓存中。目前，缓存的容量越 来越大（分一级、二级）。 33第二节基于8086的微计算机系统 8086微处理器的基本组成 8086寄存器组 8086微处理器的存储器管理 348086微处理器的基本组成Intel 8086微处理器是一个16位结构，从图中可以看出，整个微处理器分成两大功能部件，即执行部件（Execution Unit，EU）与总线接口部件（Bus Interface Unit，BIU）。EU与BIU通过内部总线连接，它们既可协同工作，又可独立工作。当EU与BIU各自独立工作时，就体现出8086内部操作具有并行性的特征。 35808
15、6CPU内部结构框图 361. 执行部件（EU）执行部件EU是执行程序的的核心部件，完成指令译码、运算及其它操作的执行。执行部件由ALU（算术逻辑运算部件）、通用寄存器组、状态标志寄存器以及控制电路组成。 372. 总线接口部件（BIU）总线接口部件BIU负责与存储器、I/O接口电路连接，并形成20位的地址码和16位的数据，通过总线进行数据传送。BIU由一些专用寄存器、指令队列缓冲器、地址加法器等功能部件组成。388086CPU内部结构框图 39BIU和EU的动作管理原则当8086的指令队列中有两个字节空（8088为1字节空）时，BIU会自动地通过总线把下一条指令取到指令队列中。EU在执行指令
16、过程中，如果必须访问存储器或I/O设备，会自动请求BIU进入总线周期，去完成访问存储器或I/O端口的操作。此时若BIU空闲，会立即完成EU的请求，否则BIU将首先完成将指令取到指令队列的认为，再响应EU的请求。当指令队列已满，而EU又无请求时，BIU进入空闲状态。当EU执行转移类、调用及返回类指令时，EU将不再用指令队列中的顺序装入指令，此时指令队列中的原有内容被自动清除，而BIU会接着将转换或调用类有关的程序段指令装入指令队列中。40BIU和EU的动作管理原则BIU和EU分别完成了取指令及执行指令的任务，即各自独立又互相配合。这种互相配合又非同步的工作方式使之在执行指令的同时又可进行取指令的操作。指令队列可被看做一个先进先出的RAM工作区，EU对其进行读操作。一般情况下，EU不等待BIU，仅当某条被执行的指令过于频繁地访问内存时，EU才等待BIU。这种工作模式有力地提高了CPU的速度，而这种思路在Intel 286以上的高档计算机中进一步得到了发挥。41第三节 8086微处理器的执行环境基本执行环境概要通用寄存
