《《微型计算机系统与接口》电子教案 1第1章 微处理机系统概论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《微型计算机系统与接口》电子教案 1第1章 微处理机系统概论（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,微型计算机系 统与接口,艾德才等编著 中国水利水电出版社,21世纪高职高专新概念教材,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,本书遵照教育部的要求，教材内容紧跟时代，把微机领域内的最新技术反映到我们的本科生课堂上来，时时处处注意到教材内容的知识性、先进性和系统性的特点。,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,知识性： 本书涵盖了目前世界上微机领域内最先进的技术知识: 包括分支转移预测技术 超标量执行技术 微机的流水线操作技术 高速缓冲存储器技术 分段存储管理技术 分页存储管理技术 浮点数
2、据处理技术 高速总线传输技术等。 它们构成了各种高性能软件的载体。,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,先进性： 计算机技术飞速发展，新技术层出不穷。 本教材的教学内容描述的是世界上最新的微型计算机理念、技术和知识，展示给学生的是目前微机领域里的顶尖技术及其实现过程，以启迪学生的想象力、创造力。,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,系统性： 计算机本身就是一个由硬件和软件组成的庞大的复杂系统。其中包括有丰富的知识和先进的技术。目前绝大多数流行的系统软件和各种应用软件是以Pentium为平台开发出来的，了解计算机软件的载体硬件及其组成、工作原理
3、、以及软件是怎样依附于硬件的，从而达到对计算机系统（软件、硬件）基本知识的融会贯通。,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,第1章 微处理机系统概论,1.1 微处理机的发展 微处理机出现于20世纪70年代初，是大规模集成电路发展的产物。在这以前，计算机的发展经历了电子管计算机时期、晶体管计算机时期、中小规模集成电路计算机时期。大规模集成电路于1970年研制成功，并开始以它作为计算机的主要功能部件。此时计算机进入了大规模集成电路时期，计算机的微型化成为可能。 微型计算机的发展是以微处理机的发展来表征的。将传统计算机的运算器和控制器集成在一块大规模集成电路芯片上作为中央处理
4、部件（CPU），称为微处理机。微型计算机是以微处理机为核心，再配上存储器、接口电路等芯片构成的。 微处理机一经问世，就以体积小、重量轻、价格低廉、可靠性高、结构灵活、适应性强和应用面广等一系列优点占领世界计算机市场，并得到广泛应用，成为现代社会不可缺少的主要工具。,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,1946年，世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国宾州诞生；同年，贝尔实验室的Schockley博士发明了被誉为“20世纪最伟大发明”的晶体管；今天，Internet盛行、信息高速公路初见端倪，信息技术在近半个世纪内以令人炫目的速度繁衍、演化着。在这场改变人类生存方式
5、的变革中，CPU以其作为计算机“大脑”和“心脏”这一核心地位而始终处于变革风暴的前沿。 说到CPU的发展，就以Intel产品为例加以说明。正是由于IBM选定了Intel的芯片作为其个人计算机IBM PC的CPU，从此Intel的发展之路在很大程度上反映了CPU发展之路、PC机的发展历史。,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,1965年，摩尔（G . Moore）经统计发现，集成电路内芯片的晶体管数目，几乎每隔18个月到24个月，其集成度就要翻一翻。这条未经严格证明但又千真万确的“金科玉律”，经过近30年的检验，始终表现出令人惊异的准确性。 Intel于1971年顺利开
6、发出全球第一块微处理器-4004芯片。这项突破性的发明当时被用于一种计算器中。这一创举开始了人类将智能内嵌于电脑和无生命设备的历程。,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,11971年: 全球第一块微处理器4004 4004主要用来处理算术运算，它集成了2300多个晶体管，具有4位带宽，工作频率为108kHz，寻址空间只有640B。 2新一代8位微处理器8080 在1974年,推出了新一代8位微处理器8080。8080集成了6000个晶体管，其时钟频率为2MHz。8080是一个划时代的产品，它的诞生，使得Intel有了自己真正意义上的微处理器 3.第一代微处理机16位的
7、8086 CPU。它的出现成为20世纪70年代微处理机发展过程中的重要分水岭。 8086是真正16位CPU，其内集成进了29000个晶体管，主频速率达5MHz/8MHz/10MHz，寻址空间达到了1MB，第一次超过640KB。8088是8086的一个简化版本，时钟频率为4.77MHz，它将8位数据总线独立出来，减少了管脚，因此成本也较低。1979年， Intel的这两款CPU，得到蓝色巨人IBM的青睐，由于IBM采用Intel的8086与8088作为个人计算机IBM PC的 CPU。个人计算机PC时代从此诞生。,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,4第二代微处理机16
8、位的80286 CPU 80286芯片于1982年2月1日正式发布，总线带宽为16位，集成了13万多个晶体管，因此性能也有了很大的提高，主频达到了20MHz。 5第三代微处理机32位的80386 CPU 1985年10月，Intel 推出它的第三代微处理机32位的80386 DX。80386 DX是一块集成进了27.5万个晶体管的全32位微处理机，其时钟频率达到33MHz，数据总线和地址总线均为32位，具有4GB的物理寻址能力。 6第四代微处理机32位的80486 CPU 80486微处理机于1989年4月正式发布。这是一款在一片芯片内集成进了120万个晶体管的CPU，是Intel第一次将微处
9、理机的晶体管数目突破100万只。 7第五代微处理机32位的Pentium Intel在1993年推出了全新一代的高性能处理机Pentium。Pentium芯片内部集成进310万个晶体管，单是最初版本的66MHz的Pentium微处理机运算性能，就比33MHz的80486 DX高出3倍多，而100MHz的Pentium则比33MHz的80486 DX快68倍。较之后辈的Pentium微处理机，这种Pentium微处理机又叫经典奔腾（Classic Pentium）。,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,8高能奔腾（Pentium Pro） Intel于1996年推出了新
10、x86系列CPUPentium Pro。Pentium Pro芯片内部集成进550万个晶体管，内部时钟频率为133MHz。 9多能奔腾（Pentium MMX） 1996年底Intel又推出了Pentium 系列的改进版本，也就是平常所说的Pentium MMX（多能奔腾）。MMX技术是Intel最新发明的一项多媒体增强指令集技术，它的英文全称可以翻译成“多媒体扩展指令集”。MMX是Intel公司在1996年为增强Pentium CPU在音像、 10二代奔腾Pentium 1997年5月，Intel推出了与Pentium Pro同一个档次的Pentium。Pentum有一系列的不同档次的产品，
11、其中第一代的产品就是PentiumKlamath芯片。作为Pentium的第一代芯片，它运行在66MHz总线上，主频分233MHz、266MHz、300MHz和333MHz四种。由于它代表了Pentium系列机当时的最高性能，所以将其称之为二代奔腾Pentium。,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,11Pentium 应该把Pentium 称之为“多能奔腾二代处理机”（Pentium II Processor with MMX2 Technology）。Intel于1999年2月发布了Pentium 芯片Katmai，作为第一款专为提高用户的互联网计算体验而设计的微
12、处理机，使用户能够尽享丰富的音频、视频、动画和栩栩如生的三维效果。针对不同需求，Pentium 推出了移动Pentium 和Pentium Xeon（至强）处理机。 12Pentium 4 Pentium 4是Intel新一代高性能32位微处理机，在体系结构上，Pentium 4 完全不同于它的前辈机Pentium II和Pentium 。Pentium II和Pentium 采用的是与Pentium Pro 相同的P6结构形式，而Pentium 4采用的则是NetBurst的新式处理机结构。采用NetBurst机构是为了加快以突发方式传送数据速度，如流媒体、MP3播放程序和视频压缩程序等的传
13、送速度。专家们指出：“该设计意味着从传统整数运算性能（如标准的商业应用程序）向媒体运算性能变迁的重大革新”。但是NetBurst仍然是由开发P6的原班人马完成的。,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,1.2 微处理机硬件结构,从第一台电子计算机问世以来，它的更新换代实质上是硬件的更新换代。就其基本工作原理而言，都是存储程序控制的原理，其基本结构属于冯诺依曼型计算机，即电子数字计算机。它至少应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输入设备五部分组成。原始的冯.诺依曼机在结构上是以运算器和控制器为中心，但随着计算机系统结构的设计实践和发展，已逐步演变到以存储器为中心的结构。
14、其基本结构如图1.1所示。,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,图1.1 计算机基本结构,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,1.2.1 寄存器 寄存器是中央处理器（CPU）中的一个非常重要的部件，根据其功能和作用，寄存器可以分为以下几类： 1）基本寄存器； 2）系统级寄存器； 3）浮点寄存器； 4）调试和测试寄存器等。 这里着重介绍基本寄存器，包括通用寄存器、指令寄存器、标志寄存器和段寄存器。,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,1. 通用寄存器 以80486为例，共配置了8个32位的通用寄存器供程序员使用。这八个
15、32位的寄存器不仅可以保存32位数据，以便支持32位的数据操作，还可以进行16位的操作，以便与Intel系列16位机兼容。所以可以把这八个32位通用寄存器的低半段看成是八个16位的通用寄存器。 在进行地址计算和进行绝大多数算术运算及逻辑运算时，这8个寄存器都可以使用，只有少数几条指令要使用专用寄存器保存其操作数。,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,2. 指令指针寄存器EIP 像80486微处理机，其指令指针寄存器是一个32位寄存器，如图1.2所示。在指令指针寄存器内存放的是当前代码段内下一条要执行指令的偏移量。这个偏移量是相对于目前正在运行的代码段寄存器CS而言的。
16、偏移量加上当前段的地址，形成了下一条指令的地址。 由指令指针寄存器的性质决定了程序设计人员不能直接使用这个寄存器。它是由控制转移类指令、中断处理过程和异常事故处理过程隐含地控制着的。,图1.2 指令址针寄存器,2005年1月,版权所有 天津大学电子信息工程学院课件制作组,3. 标志寄存器 标志寄存器是一个32位寄存器，如图1.3所示。它的作用是用来存放有关80486微处理机的状态标志信息、控制标志信息及系统标志信息。状态标志信息报告了算术运算类指令在执行完以后的机器状态；控制标志信息仅有一个DF标志，用来控制串操作过程中执行方向问题，即用来决定是给目标变址寄存器EDI、源变址寄存器ESI增正值（增值）还是增负值（减值）的问题。系统标志信息用来控制输入/输出、屏蔽中断、调试、任务转换和控制保护方式与
