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1、第 1 章 微型计算机系统,1.1 微型计算机的发展 1.2 Intel 80x86系列处理器 1.3 微型计算机系统组成,对通用和专用微处理器有一定了解，熟悉x86结构系列处理器的发展 掌握冯诺依曼计算机结构特点和微型计算机组成结构，熟悉IBM PC/AT机和32位PC机主机结构 理解计算机层次结构及其特点 掌握Windows控制台和DOS环境使用 熟悉本章引出的概念： 处理器引脚、系统总线 实方式、保护方式、虚拟8086方式 Cache、流水线、RISC、超标量、动态执行、ILP、TLP、多核技术 二进制编码、存储程序和程序控制 中断、DMA、定时、并行接口 软硬件等价性原理、软件兼容 文
2、件、目录、路径,教学要求,第1章 微型计算机系统,第1章 习题,1.1 简答题（1、2、8、9、10） 1.2 判断题（1、3、5、7、10） 1.3 填空题（2、3、4、5、6） 1.5 1.7 1.8 1.10 1.14,1.1 微型计算机的发展,微型计算机（Microcomputer） 性能、价格、体积较小，最常见的计算机 现代计算机三大主要应用形式的主角 桌面个人微机（PC机） 服务器 嵌入式计算机系统 采用微处理器为核心构造的计算机 处理器、微处理器、中央处理单元CPU 计算机的运算和控制核心 采用一块大规模集成电路芯片构成,处理器的基本性能指标,字长（Word） 处理器每个时间单位
3、处理的二进制数据位数 （例如一次进行运算、传输的位数） 指示处理器的数据处理能力 时钟频率 处理器的处理速度 反映处理器的基本时间单位 集成度 芯片上集成的晶体管数量 表明处理器的生产工艺水平,4、8、16、32、64、128,Hz、kHz、MHz、GHz,1.1.1 通用微处理器,4位微处理器 1971年，Intel 4004，第一个微处理器 8位微处理器 M6800、Z80和Intel 8080/8085 Apple公司苹果机 16位微处理器 Intel 8086/8088 16位个人计算机（PC：Personal Computer） 32位微处理器 80386，80486，Pentium
4、Pentium 4 32位PC机，APPLE公司的Macintosh机 64位微处理器 IA-64结构：Itanium（安腾） x86结构：AMD的64位处理器、Intel 64处理器,采用4004的计算器,Intel 4004,性能指标,处理器基本性能指标实例,返回,1.1.2 专用微处理器,单片机（微控制器，嵌入式控制器，MCU） Intel的MCS-48，MCS-51，MCS-96/98系列 爱特梅尔（Atml）公司的AT89系列（与MCS-51兼容），AT91系列（基于ARM内核） Microchip Technology公司的PIC系列 数字信号处理器（DSP） 专注于数字信号的高速
5、处理 美国德州仪器TI公司TMS320各代产品 主要应用于通信、消费类电子产品和计算机 主要应用形式：嵌入式系统 IP级结构，芯片级结构，模块级结构,1.1.3 摩尔定律,集成电路生产技术推动了计算机的飞速发展 摩尔定律（Moores Law） 集成电路上晶体管密度每年将翻倍 每隔18个月硅片密度（晶体管容量）将翻倍 每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半 摩尔定律不会永远持续 今后，性能提高更多地 得益于计算机系统结构的革新,1.2 Intel 80x86系列处理器,80386,80486,奔腾,奔腾II,奔腾4,80286,8086,奔腾III,酷睿,4004,不是我不明
6、白， 这世界变化太快。 扎扎实实掌握知识， 以不变应万变！,IA-32处理器,安腾,1.2.1 16位80x86处理器,1. 8086 16位结构的处理器：数据总线为16位 主存容量1MB：地址总线为20位 时钟频率5MHz（IBM PC使用4.77MHz） 准16位微处理器8088：外部数据总线为8位 IBM PC和PC/XT机使用Intel 8088 CPU 2. 80286 16位数据总线、24位地址总线（16MB主存） 实方式（Real Mode） 保护方式（Protected Mode） IBM PC/AT机使用Intel 286 CPU,Intel 8086,处理器总线,数据总线（
7、DB：Data Bus） 处理器与存储器或外设交换信息的通道 个数(条数)是一次能够传送数据的二进制位数 地址总线（AB：Address Bus） 指定存储器或外设的具体单元 个数反映访问的主存储器容量或外设范围 控制总线（CB：Control Bus） 控制处理器数据传送等操作 例如 存储器读信号（MEMR）、存储器写（MEMW） 外设读（IOR）、外设写（IOW）,地址条数与主存容量,Intel80x86 地址条数 存储容量 8086 20 1MB 8088 20 1MB 80286 24 16MB IA-32 32 4GB,一个信号对应 两种状态：高或低 两种编码：1或0,N：2N,1K
8、B210 B1024 B 1MB220 B1024 KB 1GB230 B1024 MB,1.2.2 IA-32处理器,英特尔32位结构 IA-32（Intel Architecture-32） 指令集结构 IA-32处理器 Intel 80386 Intel 80486 Pentium Pentium Pro、Pentium II、Pentium III Pentium 4 Celeron、Xeon、Pentium M,1. 80386,32位结构 数据总线32位，地址总线32位，可寻址4GB主存 80386指令系统全面升级为32位 虚拟8086方式（Virtual 8086 Mode） 保
9、护方式下的8086工作方式 系统管理方式（System Management Mode） 低功耗节能状态,Intel 386,2. 80486,8048680386803878KB Cache 集成浮点处理单元FPU 8086/8088：8087，80286：80287，80386：80387 具有片上高速缓冲存储器(L1 Cache) 微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器 用于提高整个存储器系统的存取速度 融合RISC的技术的CISC 指令流水线 指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行 多条指令可以在不同的执行阶段同时进行 时钟倍频思想,3. Pentium,俗称的80586处
10、理器，奔腾处理器 32位结构，连接主存的外部数据总线是64位 超标量（Superscalar）技术 具有可以并行工作的2条整数处理流水线 可以达到每个时钟周期执行2条指令 双路高速缓冲结构 8KB代码高速缓冲存储器 8KB数据高速缓冲存储器,Intel Pentium,4. Pentium Pro,原称P6，中文名称为“高能奔腾” 两个芯片组成 CPU与一级（L1）Cache（8KB代码和8KB数据） 二级（L2）Cache（256KB或512KB） 扩展的超标量技术 12级指令流水线 能同时执行3条指令 动态执行技术 分支预测、数据流分析和推测执行,5. Pentium II,多媒体扩展指令
11、（MMX指令） MMX（MutliMedia eXtension） 整数运算多媒体指令 图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化 提升微机对多媒体的处理能力 Pentium MMX（多能奔腾） MMX指令应用于Pentium处理器 Pentium II MMX指令应用于Pentium Pro,Intel Pentium II,6. Pentium III,数据流SIMD扩展指令（SSE指令） SSE（Streaming SIMD Extensions） 浮点单精度多媒体运算指令 提高浮点3D数据的处理能力 SSE指令类似于AMD公司发布的3D Now!指令 Pentium III：SSE指令应
12、用于Pentium II 单指令多数据SIMD Single Instruction Multiple Data 表示一条指令具有同时处理多组数据的能力,7. Pentium 4,NetBurst的微结构（Microarchitecture） 指令级并行ILP（Instruction-Level Parallel） 进一步发掘指令之间可以同时执行的能力 超线程HT（Hyper Threading） 线程级并行TLP（Thread-Level Parallel） 发掘程序中的并行性 一个物理处理器形成两个逻辑处理器 SSE2指令 增强浮点双精度多媒体运算能力 SSE3指令 增强和完善MMX，SS
13、E和SSE2指令,Intel Pentium 4,8. Celeron和Xeon,Celeron（赛扬）处理器 面向低端（低价位）PC机 Xeon（至强）处理器 面向高端服务器、工作站 Pentium M（Mobile）处理器 针对便携式PC机（笔记本电脑） Centrino（迅驰）处理器，支持无线通信 AMD处理器 AMD公司生产的IA-32处理器兼容芯片 Intel公司最主要的竞争对手,1.2.3 Intel 64处理器,1. Intel 64结构 64位线性地址空间，支持40位物理地址空间 32位扩展工作方式（IA-32e） 8个附加的通用寄存器、8个附加的SIMD多媒体寄存器、64位通
14、用寄存器和64位指令指针等 2. Intel Core微结构 提高了性能并降低了功耗 多核处理器的基础 3. 多核技术（Multi-core） 一个芯片上制作两个或多个处理器执行核心,1.3 微型计算机系统组成,硬件（Hardware）：物理设备 软件（Software）：程序和文档,1.3.1 冯诺依曼计算机结构,ENIAC,冯诺依曼计算机的基本思想,采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成 将程序和数据存放在存储器中，计算机在工作时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。这就是“存储程序”和“程序控制”（简称存储程序控制）的概念 指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器
15、中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现 计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成，并规定了5部分的基本功能,1. 组成部件,5大部件组成 控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备 3个硬件子系统 处理器、存储系统和输入输出系统,2. 二进制编码,计算机采用二进制形式表示数据和指令 现实中的一切，计算机中都是0和1数码 二进制编码 按照一定规律组合的0和1数码 不同的信息用不同的数码表示 同样的信息也可以用不同的编码规则用不同的数码表示,二进制只支持“0”和“1”两个数码 表示电源的关和开等两种状态 对应数字信号的低电平和高电平,程序、指令、操作码,程序用程序设计语
16、言编写，由指令构成 指令(机器语言)是控制计算机操作的命令 指令由操作码和地址码组成 操作码（Opcode）表明指令的操作 地址码、操作数（Operand）是参与操作的数据 指令的代码格式：二进制编码规则,处理器的母语是指令,基本数据单位（二进制位）,1位 比特（bit：binary digit） 4位 半字节（Nibble） 8位 字节（Byte） 16位 字（Word） 32位 双字（Double word） 64位 4字（Quad word）,哪“位”？ 二进制B，十进制D，还是十六进制H ？,3. 存储程序和程序控制,存储程序 把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，这些指令按一定的规则组成程序 程序控制 当计算机启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务 存储单元地址 为每个存储单元编排的一个唯一的编号 现代计算机中，主存储器是字节可寻址的：主存储器的每个存储单元具有一个地址，保存一个字节的信息,地址编号,取指译码执行周期,取指（Fetch） 处理器从主存储器读取指令 译码（Decode
