[工学]微机原理第二章课件

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1、第二章 微处理器与系统结构,2.1 微处理器的发展历史 2.2微处理器性能指标 2.3 8086微处理器结构 2.4 8086存储器与I/O组织结构,2.1 微处理器的发展历史,2.1.1 微处理器的发展 1971年10月，美国Intel公司首先推出Intel 4004微处理器。这是实现4位并行运算的单片处理器，构成运算器和控制器的所有元件都集成在一片大规模集成电路芯片上，是第一片微处理器。 从1971年第一片微处理器推出至今30多年的时间里，微处理器经历了四代的发展。,第一代，1971年开始，是4位微处理器和低档8位微处理器的时期。典型产品有：1971年10月，Intel 4004(4位微处

2、理器)；1972年3月，Intel 8008(8位微处理器) 第二代，1973年开始，是8位微处理器的时期。典型产品有：1973年，Intel 8080(8位微处理器)；1974年3月，Motorola的MC6800；19751976年，Zilog公司的Z80；1976年，Intel 8085。,第三代，1978年开始，是16位微处理器的时期。典型产品有：1978年，Intel 8086；1979年，Zilog公司的Z8000 第四代，1981年开始，是32位微处理器的时期。典型产品有：1983年，Zilog公司的Z80000；1984年，Motorola的MC68020等,自Intel 80

3、386芯片推出以来，又出现了许多高性能的32位及64位微处理器，如Intel的80486、Pentium、Pentium、Pentium、Pentium 4等。,2.1.2 Intel 8086微处理器 8086微处理器是美国Intel公司1978年推出的一种高性能的16位微处理器， 特点： 采用硅栅HMOS工艺制造，在1.45 cm2单个硅片上集成了29 000个晶体管。 丰富的指令系统，采用多级中断技术、多重寻址方式、多重数据处理形式、段式存储器结构和硬件乘除法运算电路，增加了预取指令的队列寄存器等。 8086的内部结构规模较小，仍采用40引脚的双列直插式封装。,8086的一个突出特点：

4、是多重处理能力， 与8086配套的各种外围接口芯片非常丰富，方便用户开发各种系统。,2.1.3 Intel 80386微处理器 1985年，Intel公司推出了第一个32位微处理器80386DX， 它的数据总线和内存地址都是32位的，寻址空间可达4 GB。 1988年，Intel公司推出了外部总线为16位的微处理器80386SX， 1995年，Intel公司推出了80386EX，,2.1.4 Intel 80486微处理器 80486是Intel公司1989年推出的一种与80386完全兼容但功能更强的32位微处理器，它采用了一系列新技术来增强微处理功能。 特点： 采用RISC(精简指令系统计算

5、机)技术来加快指令的执行速度； 增强总线接口部件，加快CPU从主存中存取信息的速度； 把浮点运算协处理器部件、高速缓存及其控制器部件集成到主处理器芯片内加快信息的传送与处理性能。,在Intel 80486微处理器系列中，拥有不同档次的产品： (1) Intel 80486DX。 (2) Intel 80486SX。 (3) Intel 80486DX2。 (4) Intel 80486DX4。,2.1.5 Intel 奔腾(Pentium)微处理器 Pentium微处理器是Intel公司1993年推出的80x86系列微处理器的第五代产品，其性能有较大幅度的提高，保持与8086、80286、80

6、386、80486兼容。 特点：Pentium微处理器芯片集成了16 KB的高速缓存和浮点协处理器，集成度高达310万个晶体管。 芯片管脚增加到270多条，其中外部数据总线为64位，在一个总线周期内，数据传输量比80486增加了一倍； 地址总线为36位，可寻址的物理地址空间可达64 GB。,Pentium微处理器是第一个实现系统管理方式的高性能微处理器，它能很好地实现PC机系统的能耗与安全管理。,2.1.6 Intel Pentium微处理器 Pentium系列CPU是Intel公司在推出Pentium MMX系列后又一个新的系列产品，它是Pentium Pro的改进型。 它的核心是Penti

7、um Pro+MMX，它支持MMX技术，同时将L1 Cache 提高到32 KB，并采用了独立双重总线结构 采用了新的Slot1插槽接口、SEC板卡封装，也使其他产品无法与其兼容。,2.1.7 Intel Pentium微处理器 Pentium CPU是Intel公司1999年第一季度新产品，首批产品代号为“Katmai”，产品设计上仍保持了0.25 m、半速512 KB Cache和Slot1接口技术。,进入2000年后，Intel发布了新一代代号为“Willamette”的IA-32系列终极处理器 特点：CPU采用0.18 m铜技术制造工艺，其L1 Cache为64 KB，L2 Cache

8、从256512 KB不等，其主频可达1.5 GHz。Willamette的最大改进是使用了SSE2指令集。 此外，还推出了以Coppermine为核心的FC-PGA封装的Socket370处理器。 特点：采用100 MHz总线频率，使用了与Celeron Socket370结构类似的接口，但并不兼容Celeron Socket370接口，需接一个特殊的连接器转接后才能使用。,2.1.8 Intel Pentium 4微处理器 Intel公司于2000年11月20日正式推出Pentium 4微处理器。 特点： Pentium 4的运行速度提升到3.0 GHz以上。 Pentium 4采用0.18

9、 m工艺的半导体制造技术，晶体管数为4200万个，是Pentium 的1.5倍。 是针对互联网应用而设计的，其L1 Cache为8 KB，L2 Cache为256 KB，采用423针的新型PC-BGA封装。,采用了被称为“Net Burst”的新结构。 新增加了144条称为SSE2的指令集，使浮点运算的准确度提高了一倍。Pentium 4可以提供更好的视频、音频及三维图形功能。,2.2 微处理器性能指标,字长：决定微处理器与外部存储器、输入/输出部件之间一次交换的二进制数据位数，即数据总线的宽度。如8、16、32、64位。 指令数：8086的指令集为基本指令集，扩充指令 运算速度：寄存器加法指

10、令的 执行时间 主频：即微处理器时钟频率。如Pentium4 2GHz 同系列的微处理器，主频越高，速度越快。 但主频相同的微处理器，速度不一定都相同，因结构有差异 外频：微处理器外部总线工作频率。如Pentium4 2GHz的外频为400MHz 访存空间：决定访存空间。如36位地址线访问236=64GB存储单元，地址线宽度决定了访存空间。,微处理器主要性能指标,高速度缓存(CACHE)：L1/L2 Write-through缓存，只对读有效 write-back缓存，对读写都有效 多处理器系统（多处理器系统是指包含两台或多台功能相近的处理器，处理器之间彼此可以交换数据，所有处理器共享内存，I

11、/O设备，控制器，及外部设备，整个硬件系统由统一的操作系统控制，在处理器和程序之间实现作业、任务、程序、数组极其元素各级的全面并行 ） 超标量结构：一个时钟周期内执行一条以上的指令。 低标量结构：一条指令至少需要一个以上的时钟周期 工作电压：微处理器正常工作所需要的电压，早期为5V，后来有3.3V,2.8V,1.5V等。 制造工艺：晶体管之间的最小线距， 0.35m, 0.25m, 0.18m, 0.13m等,微处理器标识,微处理器,2.3 8086微处理器结构,INTEL78年推出（79年推出8088 ） 4万多个晶体管(8088为2.9万个晶体管) 时钟频率4.77MHZ 数据线16位（8

12、088的数据线8位） 地址线20位 40脚DIP封装 81年推出Personal Computer（个人计算机、微机）,图2.1 微处理器的典型结构,8086CPU功能结构图,EU 控 制 器,标志寄存器,8位队列总线,总 线 控 制 逻 辑,内部总线16位,20位地址总线,16位数据总线,执行部件EU,总线接口部件BIU,一、8086总线接口部件BIU,BIU负责与 M、I/O 端口传送数据、地址。 访问存储器时，需要生成20位的物理地址； 要不断从内存中取指令并送到指令队列； CPU执行指令时，要配合执行部件从指定的内存单元或者外设端口中取数据，并将数据传送给执行部件；或把执行部件的操作结

13、果传送给指定的M或I/O口,（1）BIU的段寄存器,4个16位段寄存器CS、DS、SS、ES用来识别当前可寻址的四个段，每个段的功能各不相同 CS：Code Segment Register代码段寄存器，指示当前执行程序所在存储器的区域 DS：Data Segment Register数据段寄存器，指示当前程序所用之数据的存储器区域。 SS：Stack Segment Register堆栈段寄存器，指示当前程序所用之堆栈位于的存储器区域 ES：Extra Segment Register附加段寄存器，指示当前程序所用之数据位于的另外存储器区域，在字符串操作中常用到,（2）指令指针,IPInst

14、ruction Pointer指令指针寄存器 用来存储代码段中的偏移地址; 程序运行过程中IP始终指向下一次要取出的指令偏移地址 通常不能被直接访问，也不能直接赋值，指令中不会出现IP。 总线控制逻辑 处理器与外界总线联系的转接电路。 包括三组总线：20 位地址总线，16/8位双向数据总线，一组控制总线,（3）地址加法器,CS左移4位,（4）指令队列缓冲器,8088为4字节，8086为6字节。为FIFO(先进先出)结构，并按顺序取到EU中执行。 指令队列至少保持有一条指令，且只要有一条指令，EU就开始执行； 指令队列只要有空，BIU自动执行取指操作，直到填满为止； 若EU要进行M、I/O存取数

15、据，BIU在执行完现行取指操作周期后进行。 当执行转移指令时，EU要求BIU从新的地址中重新取指。队列中原有指令被清除。新取得的第一条指令直接送EU执行，随后取得的指令填入队列,EU与BIU的协同工作,原来CPU是取指和执行指令是串行操作，8086/8088取指（BIU完成）和执行指令（EU完成）是相对独立的并行重叠工作称流水线工作，大大提高运算速度,二、8086执行部件EU,算术逻辑单元ALU(Arithmetic and Logic Unit) 进行所有的算术和逻辑运算 计算寻址单元的十六位偏移地址EA(Effect Address) EU控制器 接收指令队列中的指令，进行指令译码、分析，

16、形成各种控制信号，实现EU各个部件完成规定动作的控制 标志寄存器F 通用寄存器,四、 8086/8088的寄存器结构,数据寄存器,地址指针及变址寄存器,控制寄存器组,段寄存器组,AX AH AL 累加器 BX BH BL 基址寄存器 CX CH CL 计数寄存器 DX DH DL 数据寄存器,通用寄存器组,SP 堆栈指针 BP 基址指针 SI 源变址指针 DI 目的变址指针,IP 指令指针 FLAG 标志寄存器,CS 代码段寄存器 DS 数据段寄存器 SS 堆栈段寄存器 ES 附加段寄存器,15 8 7 0,AX,BX,CX,DX,8086的通用寄存器,目的变址指针(Destination Index),DI,源变址指针(Source Index),SI,基址指针(Base Pointer),BP,堆栈指针(Stack Pointer),SP,数据寄存器(Data),计数寄存器(Count),基址寄存器(Base),累加器(Accumul