教學(xué)課件-微機原理(第四版)

微機原理（第四版）第1章微型計算機簡介（目錄）1.1微型計算機系統(tǒng)概述1.1.1微型計算機的體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)成1.1.2微機系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.1.3微型計算機的基本工作過程1.1.4微型計算機的應(yīng)用及發(fā)展1.2微處理器概述1.2.1IntelIA-32架構(gòu)處理器的起源和發(fā)展1.2.2

IntelIA-32架構(gòu)處理器簡介1.2.3其他主流的微處理器簡介1.3PC系列微型計算機基本結(jié)構(gòu)1.3.1PC系列微機的發(fā)展簡史和結(jié)構(gòu)演化1.3.2IBMPC/AT微機的基本結(jié)構(gòu)1.3.380386/80486微機的基本結(jié)構(gòu)1.3.4現(xiàn)代微機的基本結(jié)構(gòu)

1.4主板芯片組簡述1.4.1主板芯片組的起源1.4.2Intel芯片組1.4.3其他主流芯片組簡介

計算機是一種能夠按照事先存儲的程序，自動、高速地對數(shù)據(jù)進行輸入、處理、輸出和存儲的系統(tǒng)。計算機能夠完成的基本操作及主要功能為：輸入：接受由輸入設(shè)備（如鍵盤）提供的數(shù)據(jù)處理：對數(shù)據(jù)、字符、圖像等各種類型的數(shù)據(jù)進行操作，按指定的方式進行轉(zhuǎn)換輸出：將處理所產(chǎn)生的結(jié)果（信息）由輸出設(shè)備進行輸出存儲：程序和數(shù)據(jù)的存儲1.1微型計算機系統(tǒng)概述1.1.1微型計算機的體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)成以上4種基本操作通常被稱為IPOS循環(huán)，它反映了計算機進行數(shù)據(jù)處理的基本步驟，即輸入（Input）、處理(Processing)、輸出(Output）和存儲(Storage)，如圖1.1所示。圖1.1計算機系統(tǒng)示意圖1.1微型計算機系統(tǒng)概述從系統(tǒng)組成的角度看，一個微型計算機系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分。其中微機硬件系統(tǒng)無論是8位機、16位機、32位機還是更高檔的64位機，它們的基本組成結(jié)構(gòu)相似，由處理器子系統(tǒng)、系統(tǒng)總線、存儲器、I/O接口和I/O設(shè)備等組成，如圖1.2所示。1.1微型計算機系統(tǒng)概述1.1微型計算機系統(tǒng)概述處理器子系統(tǒng)是由微處理器及其支持電路一起構(gòu)成微機系統(tǒng)的，是微機系統(tǒng)的控制中心，對系統(tǒng)各個部件進行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)和控制。1.1微型計算機系統(tǒng)概述存儲器分為主存和外存兩類主存也稱內(nèi)存，速度快，但容量小、造價高，主要存放當(dāng)前正在運行的程序和正待處理的數(shù)據(jù)。主存通常在主機內(nèi)的主板上，CPU可以通過總線直接存取。外存也稱為輔存，容量大、造價低、信息可長期保存，但速度慢，主要存放當(dāng)前暫不運行的程序和暫不處理的數(shù)據(jù)。外存安裝在主機箱內(nèi)或主機箱外，CPU通過I/O接口進行存取。1.1微型計算機系統(tǒng)概述I/O設(shè)備也稱外部設(shè)備或外圍設(shè)備，或簡稱外設(shè)，其功能是為微機提供具體的輸入輸出手段。一般外設(shè)需要有I/O接口電路來充當(dāng)它們和CPU間的橋梁，通過該電路來完成信號變換、數(shù)據(jù)緩沖、與CPU聯(lián)絡(luò)等工作。1.1微型計算機系統(tǒng)概述微型計算機的硬件系統(tǒng)是由主機系統(tǒng)和外部設(shè)備兩部分組成的，下面分別予以介紹。

1、主機系統(tǒng)微型計算機的主機系統(tǒng)主要包括微處理器、內(nèi)存儲器、輸入輸出接口和系統(tǒng)總線等部分，具體結(jié)構(gòu)見圖1.3。1.1微型計算機系統(tǒng)概述1.1微型計算機系統(tǒng)概述2、微型計算機的外部設(shè)備微型計算機的外部設(shè)備包括外存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等，如圖1.4所示。1.1微型計算機系統(tǒng)概述1.1微型計算機系統(tǒng)概述外存儲器外存儲器又稱輔助存儲器或輔存，是計算機系統(tǒng)中除內(nèi)存儲器外，以計算機能接受的形式存儲信息的其他媒體，如磁盤存儲器、光盤存儲器、U盤等。它們的特點是能長期保存數(shù)據(jù)，而且設(shè)備價格便宜，存儲量大。1.1微型計算機系統(tǒng)概述輸入設(shè)備輸入設(shè)備是計算機外部設(shè)備之一，是向計算機輸送數(shù)據(jù)的設(shè)備。其功能是將計算機程序、文本、圖形、圖像、聲音以及現(xiàn)場采集的各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計算機能處理的數(shù)據(jù)形式并輸送到計算機。常見的輸入設(shè)備有鍵盤和鼠標(biāo)等。1.1微型計算機系統(tǒng)概述輸出設(shè)備輸出設(shè)備是將計算機中的數(shù)據(jù)信息傳送到外部媒介，并轉(zhuǎn)化成某種人們所認(rèn)識的表示形式。在微型計算機中，最常用的輸出設(shè)備有顯示器和打印機。1.1微型計算機系統(tǒng)概述1.1.2微機系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)微型計算機的主要性能指標(biāo)有以下一些內(nèi)容:字長字長以二進制位為單位，是CPU能夠同時處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，它直接關(guān)系到計算機的計算精度、功能和運算能力。微機字長一般都是以2的冪次為單位，如4位、8位、16位、32位和64位等。1.1微型計算機系統(tǒng)概述運算速度計算機的運算速度（平均運算速度）是指每秒鐘所能執(zhí)行的指令條數(shù)，一般用百萬條指令/秒（MIPS）來描述。因為微機執(zhí)行不同類型指令所需時間是不同的，通常用各類指令的平均執(zhí)行時間和相應(yīng)指令的運行比例綜合計算，作為衡量微機運行速度的標(biāo)準(zhǔn)。目前微機的運行速度已達(dá)200MIPS～300MIPS。1.1微型計算機系統(tǒng)概述時鐘頻率（主頻）時鐘頻率是指CPU在單位時間（秒）內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)。通常，時鐘頻率以兆赫（MHz）或吉赫（GHz）為單位。一般的時鐘頻率越高，其運算速度就越快。1.1微型計算機系統(tǒng)概述內(nèi)存容量內(nèi)存一般以KB或MB、GB為單位。內(nèi)存容量反映了內(nèi)存儲器存儲數(shù)據(jù)的能力。存儲容量越大，其處理數(shù)據(jù)的范圍就越廣，運算速度一般也就越快。1.1微型計算機系統(tǒng)概述存取周期對內(nèi)存儲器進行一次完整的讀寫操作所需的時間稱為存取周期，即從發(fā)出一次讀寫命令到能夠發(fā)出下一次讀寫命令所需要的最短時間。對于破壞性讀寫存儲器（如動態(tài)半導(dǎo)體存儲器DRAM等），存取周期包括存取時間、重寫時間和恢復(fù)時間三部分。存取周期的大小影響微機運行速度。微機內(nèi)存儲器的存取周期一般在幾十到幾百納秒（ns，即10-9秒）1.1微型計算機系統(tǒng)概述1.1.3微型計算機的基本工作過程計算機的基本結(jié)構(gòu)是由美藉匈牙利科學(xué)家馮.諾依曼于1946年提出的。迄今為止所有投入實用的計算機都是按馮.諾依曼的提出的結(jié)構(gòu)體系和工作原理設(shè)計制造的，故又統(tǒng)稱為“馮.諾依曼型計算機”。1.1微型計算機系統(tǒng)概述馮.諾依曼型計算機的工作原理：(如圖1.8所示)存儲程序?qū)⒁獔?zhí)行的程序和數(shù)據(jù)事先編成二進制形式的編碼存入主存儲器中；程序控制執(zhí)行時，由CPU調(diào)用主存儲器中的程序和數(shù)據(jù)進行運算。1.1微型計算機系統(tǒng)概述1.1微型計算機系統(tǒng)概述1.1.4微型計算機的應(yīng)用及發(fā)展歸納起來可分為以下幾個方面：科學(xué)計算(數(shù)值計算)科學(xué)計算也稱數(shù)值計算。計算機最開始是為解決科學(xué)研究和工程設(shè)計中遇到的大量數(shù)學(xué)問題的數(shù)值計算而研制的計算工具。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進一步發(fā)展，數(shù)值計算在現(xiàn)代科學(xué)研究中的地位不斷提高，在尖端科學(xué)領(lǐng)域中，顯得尤為重要。1.1微型計算機系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)處理(信息處理)在科學(xué)研究和工程技術(shù)中，會得到大量的原始數(shù)據(jù)，其中包括大量圖片、文字、聲音等信息處理就是對數(shù)據(jù)進行收集、分類、排序、存儲、計算、傳輸、制表等操作。自動控制自動控制是指通過計算機對某一過程進行自動操作，它不需人工干預(yù)，能按人預(yù)定的目標(biāo)和預(yù)定的狀態(tài)進行過程控制。所謂過程控制是指對操作數(shù)據(jù)進行實時采集、檢測、處理和判斷，按最佳值進行調(diào)節(jié)的過程。目前被廣泛用于操作復(fù)雜的鋼鐵企業(yè)、石油化工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等生產(chǎn)中。1.1微型計算機系統(tǒng)概述計算機輔助設(shè)計和輔助教學(xué)計算機輔助設(shè)計(ComputerAidedDesign，簡稱CAD)是指借助計算機的幫助，人們可以自動或半自動地完成各類工程設(shè)計工作。目前CAD技術(shù)已應(yīng)用于飛機設(shè)計、船舶設(shè)計、建筑設(shè)計、機械設(shè)計、大規(guī)模集成電路設(shè)計等。人工智能方面的研究和應(yīng)用人工智能(ArtificialIntelligence，簡稱AI)。人工智能是指計算機模擬人類某些智力行為的理論、技術(shù)和應(yīng)用。人工智能是計算機應(yīng)用的一個新的領(lǐng)域，這方面的研究和應(yīng)用正處于發(fā)展階段，在醫(yī)療診斷、定理證明、語言翻譯、機器人等方面，已有了顯著的成效。1.1微型計算機系統(tǒng)概述多媒體技術(shù)應(yīng)用隨著電子技術(shù)特別是通信和計算機技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)有能力把文本、音頻、視頻、動畫、圖形和圖像等各種媒體綜合起來，構(gòu)成一種全新的概念—“多媒體”(Multimedia)。在醫(yī)療、教育、商業(yè)、銀行、保險、行政管理、軍事、工業(yè)、廣播和出版等領(lǐng)域中，多媒體的應(yīng)用發(fā)展很快。1.1微型計算機系統(tǒng)概述1.2微處理器概述如果把計算機比作人，那么CPU就是人的大腦。CPU的發(fā)展非常迅速，個人電腦從8088(XT)發(fā)展到現(xiàn)在的Pentium4時代，只經(jīng)過了不到二十年的時間。從生產(chǎn)技術(shù)來說，最初的8088集成了29000個晶體管，而PentiumⅢ的集成度超過了2810萬個晶體管；CPU的運行速度，以MIPS(百萬個指令每秒)為單位，8088是0.75MIPS，到高能奔騰時已超過了1000MIPS。從工作原理來看，不管什么樣的CPU，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)歸納起來一般都可以分為控制單元、邏輯單元和存儲單元三大部分，這三個部分相互協(xié)調(diào)，對命令和數(shù)據(jù)進行分析、判斷、運算并控制計算機各部分協(xié)調(diào)工作。1.2.1IntelIA-32架構(gòu)處理器的起源和發(fā)展CPU從最初發(fā)展至今已經(jīng)有三十多年的歷史了，這期間，按照其處理信息的字長，CPU可以分為：4位微處理器、8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器以及64位微處理器，可以說個人電腦的發(fā)展是隨著CPU的發(fā)展而前進的。1.2微處理器概述

4位和8位微處理器1971年，Intel公司推出了世界上第一款微處理器4004，這是第一個可用于微型計算機的四位微處理器，它包含2300個晶體管，隨后Intel又推出了性能更強的8位處理器8008，見圖1.9。1.2微處理器概述1.2微處理器概述16位微處理器1978年Intel公司生產(chǎn)的8086是第一個16位的微處理器。作為第三代微處理器的起點，8086微處理器最高主頻速度為8MHz，具有16位數(shù)據(jù)通道，內(nèi)存尋址能力為1MB。與此同時Intel還生產(chǎn)出與之相配合的數(shù)學(xué)協(xié)處理器i8087，這兩種芯片使用相互兼容的指令集，統(tǒng)一稱之為x86指令集。1979年，Intel公司又開發(fā)出了8088處理器，見圖1.10。8086和8088在芯片內(nèi)部均采用16位數(shù)據(jù)傳輸，所以都稱為16位微處理器。1981年，美國IBM公司將8088處理器用于其研制的個人計算機中（稱為IBMPC）見圖1.10右圖，從而開創(chuàng)了全新的微型計算機時代。1.2微處理器概述1.2微處理器概述1982年，Intel公司在8086的基礎(chǔ)上，研制出了80286處理器，見圖1.11。80286CPU集成了大約130000個晶體管，最大主頻達(dá)到了20MHz。從總體來看，80286在以下四個方面比它的前輩有顯著的改進：①支持更大的內(nèi)存；②能夠模擬內(nèi)存空間；③能同時運行多個任務(wù)；④提高了處理速度1.2微處理器概述32位微處理器1985年10月17日，Intel劃時代的產(chǎn)品—80386DX正式發(fā)布了，其內(nèi)部包含27.5萬個晶體管，時鐘頻率為12.5MHz，見圖1.12。1.2微處理器概述1989年，Intel推出性能更強的80486處理器，見圖1.13。1.2微處理器概述它首次實破了100萬個晶體管的界限，達(dá)到了120萬個晶體管，使用1微米的制造工藝。1993年Intel公司把自己的新一代586CPU產(chǎn)品命名為Pentium(奔騰)，以此區(qū)別AMD和Cyrix等其他公司的產(chǎn)品，見圖1.14。1.2微處理器概述為提高多媒體處理能力，Intel公司在1996年底發(fā)布了多能奔騰(PentiumMMX)，它的正式名稱是“帶有MMX技術(shù)的Pentium處理器”，見圖1.15。1.2微處理器概述PentiumPro(高能奔騰，686級的CPU)的核心架構(gòu)代號為P6，見圖1.16。1.2微處理器概述1998年4月16日，Intel第一個支持100MHz外頻的CPU正式推出，見圖1.17。1.2微處理器概述

1999年Intel公司發(fā)布了采用Katmai核心的新一代微處理器—PentiumⅢ，見圖1.18。該微處理器除采用0.25微米工藝制造，內(nèi)部集成950萬個晶體管。除在安裝模式上采用Slot1架構(gòu)之外，它還具有以下新特點：系統(tǒng)總線頻率為100MHz；采用第六代CPU核心—P6微架構(gòu)，并針對32位應(yīng)用程序進行優(yōu)化，采用雙重獨立總線；一級緩存為32KB，二級緩存大小為512KB；新增加了能夠增強音頻、視頻和3D圖形效果的指令集，共70條新指令。1.2微處理器概述圖1.18slot1接口的IntelPentiumⅢ處理器1.2微處理器概述

圖1.19是2000年11月Intel公司發(fā)布新一款CPU，Pentium4。這是一款在技術(shù)上以Willamette為核心，外形結(jié)構(gòu)上采用全新的Socket423插座，集成有256KB的二級緩存，支持更為強大的SSE2指令集和多達(dá)20級的超標(biāo)量流水線的高性能處理器。1.2微處理器概述Intel的64位微處理器為了滿足更高速度的處理要求，2001年Intel發(fā)布了64位的Itanium(安騰)處理器。2002年Intel發(fā)布了Itanium2處理器。代號為McKinley的Itanium2處理器是Intel第二代64位系列的產(chǎn)品。Itanium2處理器是以Itanium架構(gòu)為基礎(chǔ)所建立與擴充的產(chǎn)品，提供了32位的兼容性，具有6.4GB/sec的系統(tǒng)總線帶寬、高達(dá)3MB的L3緩存，可與專為第一代Itanium處理器優(yōu)化編譯的應(yīng)用程序兼容，并大幅提升了處理器的性能。1.2微處理器概述

微處理器或微型計算機的分類原則是按其單位時間能處理的數(shù)據(jù)的二進制位數(shù)來分，即它們的字長。表1.1（見教材）Intel的4位微處理器、8位微處理器、16位微處理器和32位微處理器字長、時鐘頻率、數(shù)據(jù)總線和地址總線位數(shù)，以及集成的晶體管數(shù)目等性能指標(biāo)。1.2.2

IntelIA-32架構(gòu)處理器簡介1.2微處理器概述半導(dǎo)體加工技術(shù)的進步直接推動微處理器的發(fā)展。半導(dǎo)體器件的幾何尺寸日益縮小，發(fā)展到今天加工工藝可達(dá)幾微米。由于器件的幾何尺寸的縮小，芯片的集成度大大提高，即在同樣尺寸的硅片上可集成更多的晶體管，同時也提高了芯片的工作速度。1.2微處理器概述1.2.3其他主流的微處理器簡介Intel

Celeron(賽揚)為滿足低端市場的需要，Intel于1998年4月推出了一款廉價的CPU產(chǎn)品，Celeron（中文名叫賽揚）。早期的Celeron與PentiumⅡ相比，去掉了片上的L2

Cache，此舉雖然大大降低了成本，但也正因為沒有二級緩存，該微處理器在性能上大打折扣，其整數(shù)性能甚至不如Pentium

MMX。1.2微處理器概述AMD

系列處理器在處理器的發(fā)展歷程中，AMD（AdvancedMicroDevices）的地位和作用是不容忽視的。K5處理器是AMD第一個獨立生產(chǎn)的x86級CPU。AMD公司在1997年推出的K6處理器，性能要優(yōu)于奔騰MMX，接近同主頻PⅡ的水平。1999年6月23日，AMD公司推出了具有重大戰(zhàn)略意義的K7微處理器，并將其正式命名為Athlon。AMD公司在2003年成功地開發(fā)出了全球第一款桌面系統(tǒng)64bit處理器K8。1.2微處理器概述Cyrix與VIA公司的處理器Cyrix

MⅡ是Cyrix公司于1998年3月開始生產(chǎn)的，也是Cyrix公司獨自研發(fā)的最后一款微處理器。VIA公司在收購Cyrix之后，正式推出了代號為Joshua的第一款微處理器，它采用0.18微米工藝制造，Socket

370架構(gòu)，支持133MHz外頻，并擁有256KB

L2

Cache及3D

NOW！指令集。1.2微處理器概述

Rise公司是一家成立于1993年11月的美國公司，主要生產(chǎn)x86兼容的CPU，在1998年推出了mP6

CPU。mp6不僅價格便宜，而且性能優(yōu)異，有著很好的多媒體性能和強大的浮點運算。mp6使用Socket

7/Super

7兼容插座，只有16KB的一級緩存。1.2微處理器概述我國的龍芯2002年9月28日，中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所正式發(fā)布國內(nèi)首枚高性能通用CPU芯片-龍芯(Godson)，如圖1.25所示。龍芯一號CPU是以中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研制的通用CPU為核心，由神州龍芯公司擁有知識產(chǎn)權(quán)，是神州龍芯公司推出的兼顧通用及嵌入式CPU特點的新一代32位CPU。龍芯一號是基于0.18微米CMOS工藝的32位微處理器，通過了以SPECCPU2000為代表的一批性能和功能測試程序的嚴(yán)格測試。龍芯一號CPU的誕生打破了我國長期依賴國外CPU產(chǎn)品的歷史，也標(biāo)志著國產(chǎn)安全服務(wù)器CPU和通用的嵌入式微處理器產(chǎn)業(yè)化的開始。1.2微處理器概述1.2微處理器概述雙核心處理器雙核心處理器(DualCoreProcessor)，簡單地說就是在一塊CPU基板上集成兩個處理器核心并通過并行總線將各處理器核心連接起來，是美國斯坦福大學(xué)提出的CMP(ChipMultiProcessors，單芯片多處理器)技術(shù)中最基本、最簡單、最容易實現(xiàn)的一種類型。CMP技術(shù)的主要思想是在一塊芯片內(nèi)實現(xiàn)SMP(SymmetricalMulti-Processing，對稱多處理)架構(gòu)，且并行執(zhí)行不同的進程。1.2微處理器概述

AMD是將兩個內(nèi)核做在一個Die（晶元）上，通過直連架構(gòu)連接起來，集成度更高。Intel則是將放在不同Die（晶元）上的兩個內(nèi)核封裝在一起，因此有人將Intel的方案稱為“雙芯”，認(rèn)為AMD的方案才是真正的“雙核”。1.2微處理器概述（1）Intel雙核心處理器

Intel推出的臺式機雙核心處理器常見的有PentiumD、PentiumEE(PentiumExtremeEdition)和CoreDuo、Core2Duo等幾種類型。PentiumD是英特爾公司的雙核心處理器系列之一，它簡單地把兩顆Pentium4Prescott核心疊加在一起放在同一塊晶片上，實現(xiàn)了雙核，其外形見圖1.27。1.2微處理器概述

PentiumExtremeEdition(PentiumEE)是在2005年春天Intel推出的一系列Intel微處理器品牌的名稱。PentiumEE是以雙核心的PentiumD為基礎(chǔ)，但他擁有超線程，因此任何的操作系統(tǒng)會看到四個邏輯的處理器(2x2實體核心)，其外形見圖1.27。1.2微處理器概述圖1.27

Pentium

D、Pentium

EE處理器1.2微處理器概述

Intel雙核心處理器的兩個核心共享前端總線，并依靠前端總線在兩個核心之間傳輸緩存同步數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)原理見圖1.28。1.2微處理器概述圖1.28

MCH協(xié)調(diào)兩顆核心之間的相互調(diào)用1.2微處理器概述（2）AMD的雙核心處理器

AMD推出的雙核心處理器分別是雙核心的Opteron系列和全新的Athlon64X2系列處理器，見圖1.29。Athlon64X2是由兩個Athlon64處理器上采用的Venice核心組合而成，每個核心擁有獨立的512KB(1MB)L2緩存及執(zhí)行單元。除了多出一個核芯之外，從架構(gòu)上相對于目前Athlon64在架構(gòu)上并沒有任何重大的改變。1.2微處理器概述圖1.29

AMD

的Dual

Core

Opteron

和

Athlon

64

X21.2微處理器概述

AMD在Athlon64X2雙核心處理器的內(nèi)部提供了一個稱為SystemRequestQueue(系統(tǒng)請求隊列)的技術(shù)，在工作的時候每一個核心都將其請求放在SRQ中，當(dāng)獲得資源之后請求將會被送往相應(yīng)的執(zhí)行核心，也就是說所有的處理過程都在CPU核心范圍之內(nèi)完成，并不需要借助外部設(shè)備，雙核心AMDAthlon64X2內(nèi)部架構(gòu)見圖1.301.2微處理器概述圖1.30

雙核心AMD

Athlon

64

X2內(nèi)部架構(gòu)1.2微處理器概述1.3PC系列微型計算機基本結(jié)構(gòu)PC系列微型計算機從誕生到現(xiàn)在經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展過程，一些部件和標(biāo)準(zhǔn)雖然進行了一些調(diào)整和改進，但其基本結(jié)構(gòu)并未發(fā)生很大變化。下面我們將分別介紹PC系列微機的發(fā)展簡史和80X86系列微機的基本結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。1.3.1PC系列微機的發(fā)展簡史和結(jié)構(gòu)演化微機的發(fā)展簡史第一代PC為準(zhǔn)16位微機，以IBM公司的IBMPC/XT機為代表；第二代PC為16位微機，以IBMPC/AT為代表；第三代PC為32位微機，如386SX386DX微機；第四代PC（32位微機)，如486SX和486DX微機；第五代PC（32位微機），以Intel公司的Pentium微機為代表；第六代PC（32位微機），以Intel公司推出PentiumII、PentiumIII、Pentium4微機為代表；第七代PC為64位微機，AMD發(fā)布了Athlon64和Athlon64FX，標(biāo)志著64位PC時代的到來。1.3PC系列微型計算機基本結(jié)構(gòu)微型計算機總線發(fā)展簡介ISA和EISA總線

ISA是IBM開發(fā)的用于個人計算機的總線標(biāo)準(zhǔn)。有8位和16位兩種。ISA總線的最高傳輸速率是8MB/秒。PCI總線

PCI是一種高速的32位或64位總線，其速度比ISA快20倍以上。PCI總線的最高傳輸速率可達(dá)132MB/秒。AGP總線

AGP總線專門用于加速圖像顯示，迄今為止，共有四種AGP標(biāo)準(zhǔn)：AGP、AGP2X、AGP4X和AGP8X。USBUSB全稱為UniversalSerialBus（通用串行總線），目前為USB2.0版本。1.3PC系列微型計算機基本結(jié)構(gòu)1.3.2IBMPC/AT微機的基本結(jié)構(gòu)在微型計算機系統(tǒng)的發(fā)展歷程中，IBMPC/AT計算機奠定了現(xiàn)代微型計算機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)主機板的組成

IBMPC/AT采用80286微處理器作為核心處理器，兼容8086/8088的指令系統(tǒng)，有更快的工作速度，支持虛擬存儲和多任務(wù)操作，對存儲器的訪問有兩種方式，即實地址方式和保護虛地址方式。IBMPC/AT主板構(gòu)成的具體電路框圖可參見第六章中的圖6.11.3PC系列微型計算機基本結(jié)構(gòu)存儲空間的分配

80286的地址總線共24根A0～A23，因而最多可配置224=16MB字節(jié)的內(nèi)存。I/O空間的分配

80286在尋址I／0口時也只使用它的低16位地址線A0—A15，可尋址64K個端口。1.3PC系列微型計算機基本結(jié)構(gòu)1.3.380386／80486微機的基本結(jié)構(gòu)386微機是32位的，硬件系統(tǒng)的基本組成仍然和PC/XT及PC/AT微機系統(tǒng)類似。這些微機最核心的芯片—80386微處理器和80387數(shù)字協(xié)處理器是一致的，外圍芯片則各不相同。386微機的系統(tǒng)總線采用的是ISA總線，386微機的主頻一般配置為33MHz，內(nèi)存2MB~8MB，硬盤容量為100MB。1.3PC系列微型計算機基本結(jié)構(gòu)486微機和386微機的硬件結(jié)構(gòu)大體相同，它們都是具有32位數(shù)據(jù)總線和32位地址總線的32位微機。486微機的系統(tǒng)配置較386微機的規(guī)模更大—些，例如，內(nèi)存通常為4MB~8MB，硬盤容量為160MB~500MB?？偩€結(jié)構(gòu)在ISA總線的基礎(chǔ)上，又增加了3個VL-BUS總線插槽。1.3PC系列微型計算機基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)代微機采用的是Pentium及其以上級別的微處理器，為了提高微機系統(tǒng)的整體性能，規(guī)范了系統(tǒng)的接口標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)各部件處理或傳輸信息的速度快慢，采用了三級總線結(jié)構(gòu)，即CPU總線（HomBus）、局部總線（PCI總線）和系統(tǒng)總線（ISA總線）。其外圍總線由低速總線發(fā)展到以高速的PCI總線為主，這對現(xiàn)代微機性能的提高起了很重要的作用。1.3PC系列微型計算機基本結(jié)構(gòu)另外，三級總線之間采用芯片組相連，形成一個統(tǒng)一的整體。這些橋路芯片起到信號速度緩沖、電平轉(zhuǎn)換和控制協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用。按照發(fā)展的先后不同，Pentium及其以上級別微機的主板采用的芯片組通常分為南北橋架構(gòu)和加速集線架構(gòu)兩種。有關(guān)這兩種架構(gòu)的內(nèi)容將在第六章進行介紹。1.3PC系列微型計算機基本結(jié)構(gòu)1.4主板芯片組簡述

芯片組是主板的核心組成部分，如果說中央處理器（CPU）是整個電腦系統(tǒng)的心臟，那么芯片組將是整個身體的軀干。1.4.1主板芯片組的起源

早期微機的控制電路由中小規(guī)模的集成電路(IC)芯片構(gòu)成，可分為兩類：一類是通用的IC電路，另一類是專用功能的IC電路。在當(dāng)今的微機系統(tǒng)中，幾乎毫無例外地采用了由超大規(guī)模集成電路制作的控制芯片組來完成微機系統(tǒng)的控制?，F(xiàn)在芯片組的生產(chǎn)主要有兩大陣營，一方是生產(chǎn)CPU的主流廠商Intel，另一方是以VIA、SIS及ALI為代表的非Intel陣營。1.4主板芯片組簡述1.4.2Intel芯片組

目前，Intel芯片組的845系列、865系列、915系列、925系列等芯片組分別支持的前端總線頻率有：400MHz、533MHz、800MHz和1066MHz等。1.4主板芯片組簡述1.4.3其他主流芯片組簡介由于CPU兩大陣營Intel和AMD互不兼容，因此芯片組也分成兩大系列。VIA芯片組如，支持Intel平臺的芯片組有，P4X266、P4X266E、PT800和PM880等；支持AMD平臺的芯片組有，KT266、KT333、KT600和KT880等。SIS芯片組如，支持Intel平臺的芯片組有，SIS645、SIS651和SIS656等；支持AMD平臺的芯片組有，SIS735、SIS741GX和SIS748等。1.4主板芯片組簡述ATI芯片組如，支持Intel平臺的芯片組有，Radeon9100IGP、Radeon9100ProIGP、RX330等。ULI芯片組如，支持Intel平臺的芯片組有，M1683和M1685等；支持AMD平臺的芯片組有，M1647等。1.4主板芯片組簡述本章小結(jié)

本章簡要介紹了微型計算機系統(tǒng)，對微型計算機的體系結(jié)構(gòu)、重要性能指標(biāo)和基本工作過程進行了說明。通過對Intel8086～pentium4處理器的生產(chǎn)時間性能指標(biāo)等內(nèi)容的介紹，讀者可以基本了解處理器的起源和發(fā)展過程。在本章中我們介紹了AMD、Cyrix、Celeron、我國的龍芯、以及雙核心處理器等，對IBMPC/AT、80386、80486和現(xiàn)代微機的基本結(jié)構(gòu)做了說明。主板芯片組是主板的核心，通過對Intel等主板芯片組的簡介，讀者可以了解芯片組的基本知識，為繼續(xù)深入學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。習(xí)題1.

在微型計算機中，主機系統(tǒng)主要包括什么？2.解釋下列術(shù)語： 微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)。簡述馮.諾依曼型計算機的工作原理。畫出IBMPC/AT微型計算機的結(jié)構(gòu)框圖。簡述微機系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。6.計算機系統(tǒng)中，硬件是指什么？軟件是指什么？硬件與軟件之間是什么關(guān)系？7.繪制出計算機工作原理示意圖．8.簡單描述我國處理器發(fā)展的過程和現(xiàn)狀。9.Intel公司的第一個4位微處理器叫什么？8位微處理器叫什么？16位習(xí)題

微處理器叫什么？32位微處理器叫什么？何謂系統(tǒng)總線？一般微型計算機中有哪些系統(tǒng)總線？簡述外頻與前端總線頻率的區(qū)別。什么是主板芯片組？主流的芯片組廠商有那些？習(xí)題ThankYou!米昶孫杰苑偉編著微機原理（第四版）第2章微處理器（目錄）2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)2.1.1中央處理單元（CPU）的構(gòu)成2.1.2基本功能部件2.1.3微處理器的基本寄存器2.2處理器的總線2.2.1總線的結(jié)構(gòu)2.2.2總線的操作2.3微處理器的基本操作流程2.3.1指令執(zhí)行的基本過程2.3.2微處理器的時序2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理2.4.180X86處理器的結(jié)構(gòu)2.4.2Pentium4處理器結(jié)構(gòu)2.4.3微處理器的主要性能指標(biāo)

2.5IA-32微處理器相關(guān)技術(shù)術(shù)語2.5.1CISC與RISC2.5.2流水線2.5.3超流水線和超標(biāo)量2.5.4亂序執(zhí)行2.5.5分支預(yù)測和推測執(zhí)行2.5.6Cache2.6IA-32微處理器的工作方式本章小結(jié)習(xí)題2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)從外部封裝形式來看，CPU常常是矩形或正方形的塊狀物，通過眾多的引腳與主板相連。從內(nèi)部來看，CPU是一片大小通常不到1/4英寸的薄薄的硅晶片，其英文名稱為die（核心）。在這塊小小的硅片上，密布著數(shù)以百萬計的晶體管，它們好像大腦的神經(jīng)元，相互配合協(xié)調(diào)，完成著各種復(fù)雜的運算和操作。2.1.1中央處理單元（CPU）的構(gòu)成

下面我們以Intel的8086CPU（如圖2.1所示）為例，對CPU的結(jié)構(gòu)做一個介紹。從功能上來看，8086CPU可以分為兩部分，即總線接口部件（BusInterfaceUnit，BIU）和執(zhí)行部件（ExecutionUnit，EU）。CPU在工作時，BIU不斷地從存儲器取指令送入指令預(yù)取隊列（IPQ），EU不斷地從IPQ取出指令執(zhí)行，EU和BIU構(gòu)成了一個簡單的2工位流水線，其中指令預(yù)取隊列IPQ是實現(xiàn)流水線操作的關(guān)鍵（如同流水線的傳送帶）。Pentium及其以后的CPU將一條指令劃分成更多的階段，以便可以同時執(zhí)行更多的指令。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)2.1.2基本功能部件

1、總線接口部件（BusInterfaceUnit，BIU）總線接口部件負(fù)責(zé)與存儲器、I/O端口傳送數(shù)據(jù)?？偩€接口部件將從內(nèi)存中取出的指令送到指令隊列，并配合執(zhí)行部件從內(nèi)存或外設(shè)端口中取數(shù)據(jù)，同時還要把執(zhí)行完的數(shù)據(jù)結(jié)果送到指定的內(nèi)存單元或外設(shè)端口中。8086的總線接口部件由下列4部分組成：2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)4個16位段地址寄存器（CS、DS、ES、SS）16位的指令指針寄存器IP（InstructionPointer）20位的地址加法器6字節(jié)的指令隊列緩沖器除了以上提到的4部分外，總線接口部件中還包含總線控制邏輯（輸入/輸出控制電路），它主要功能是分時傳遞地址信息或數(shù)據(jù)信息。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)2、執(zhí)行部件（ExecutionUnit，EU）執(zhí)行部件負(fù)責(zé)指令的執(zhí)行，8086CPU的執(zhí)行部件由下列4部分組成：（1）4個通用寄存器，即AX、BX、CX、DX；（2）4個專用寄存器，即基數(shù)指針寄存器BP（BasePointer）堆棧指針寄存器SP（StackPointer）源變址寄存器SI（SourceIndex）目的變址寄存器DI（DestinationIndex）；2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)（3）標(biāo)志寄存器（又稱作程序狀態(tài)字PogramStatusWord，簡記作PSW）；（4）算術(shù)邏輯部件ALU（ArithmeticLogicUnit）。執(zhí)行部件的功能如下：從指令隊列中取出指令。對指令進行譯碼，發(fā)出相應(yīng)的控制信號。接收由總線接口送來的數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)至接口。進行算術(shù)運算。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)3、8086CPU執(zhí)行程序的操作過程8086CPU執(zhí)行程序的操作過程如下：（1）形成20位的物理地址，并根據(jù)此地址找到程序所在的存儲器單元，從該單元取出指令字節(jié)，依次放入指令隊列中。（2）當(dāng)8086的指令隊列中有2個空字節(jié)時，總線接口部件就會自動取指令至隊列中。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)（3）執(zhí)行部件從總線接口的指令隊列首取出指令代碼，執(zhí)行該指令。（4）當(dāng)指令隊列已滿，而執(zhí)行部件又不使用總線時，總線接口部件進入空閑狀態(tài)。（5）執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令、調(diào)用指令、返回指令時，先清空指令隊列內(nèi)容，再將要執(zhí)行的指令放入指令隊列中。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)2.1.3微處理器的基本寄存器

早期的8086，8088和80286的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為16位（二進制位），是圖2.3所示的寄存器組的子集。而對于80386，80486，Pentium，PentiumPro等CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為32位（二進制位）的。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)

微處理器的基本寄存器中包括8、16、32位的三種不同寄存器組，見圖2.3。8位的寄存器有AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH和DL等8個，16位寄存器有AX、BX、CX、DX、SP、BP、DI、SI、IP、FLAGS、CS、DS、ES、SS、FS和GS，擴展的32位寄存器有EAX、EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、EDI、ESI、EIP和EFLAGS。這些寄存器是由它們的字母名稱引用。需要注意的是32位寄存器和兩個16位寄存器FS、GS只存在于80386及更高級的微處理器中。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)寄存器分為通用寄存器（或多功能寄存器）和專用寄存器兩種。1、通用寄存器32位的通用寄存器包括EAX、EBX、ECX、EDX、EBP、EDI和ESI。下面分別予以說明。EAX（累加器）它可以是一個32位的寄存器（EAX）、或是一個16位的寄存器（AX）也可以是一個8位寄存器AH和AL中的任一個。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)EBX（基地址寄存器）可以用EBX、BX、BH或BL的形式訪問。BX寄存器在微處理器中用來保存存儲單的偏移地址，在80386及其以上的微處理器中，EBX也可尋址存儲器數(shù)據(jù)。ECX（計數(shù)寄存器）可以通過ECX、CX、CH或CL的形式訪問，是可以保存計數(shù)值的通用寄存器。在80386及其以上的微處理器中，它也可以保存存儲單元的偏移地址。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)

EDX（數(shù)據(jù)寄存器）可以EDX、DX、DH或DL的形式訪問，是一個通用寄存器，用來存放乘法結(jié)果的—部分或除法執(zhí)行前被除數(shù)的一部分。在80386及其以上的微處理器中，該寄存器也可以尋址存儲器數(shù)據(jù)。EBP（基址指針寄存器）可指向所有型號微處理器的存儲器地址，用來傳送存儲器數(shù)據(jù)。該寄存器可以BP或EBP的形式來訪問。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)

EDI（目的變址寄存器）通常在串操作指令中用來訪問目的串?dāng)?shù)據(jù)。它也可作為一個32位或16位通用寄存器用。

ESI（源變址寄存器）通常在串操作指令中用來訪問源串?dāng)?shù)據(jù)。它也可作為一個32位或16位通用寄存器用。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)2、

專用寄存器EIP、ESP專用寄存器包括EIP、ESP、EFLAGS和段寄存器CS、DS、ES、SS、FS和GS。下面先介紹一下EIP和ESP。

EIP（指令指針寄存器）存儲指令在代碼段中的偏移地址，通常不能被直接訪問，也不能直接賦值，指令中不會出現(xiàn)對指令指針寄存器的操作。當(dāng)微處理器工作在實方式下時，該寄存器為IP（16位），當(dāng)80386及其以上的微處理器工作于保護方式時，它為EIP（32位）。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)

ESP（堆棧指針寄存器）用來訪問被稱為堆棧的存儲區(qū)域。堆棧通過這—指針來存取數(shù)據(jù)。該寄存器的16位寄存器形式為SP，32位寄存器形式為ESP。堆棧在微處理器中起著重要的作用，它用于暫存數(shù)據(jù)和過程的返回地址。堆棧是一個LIFO（Last-inFirst-out后進先出）存儲區(qū)，后進先出是數(shù)據(jù)入棧和出棧的規(guī)則。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)3、標(biāo)志寄存器EFLAGS標(biāo)志寄存器EFLAGS是一個專用的寄存器，在早期的8086-80286微處理器中它的位數(shù)是16位，用FLAGS表示，在80386及更高級的32位微處理器中，標(biāo)志寄存器是一個32位的，用EFLAGS表示。標(biāo)志寄存器的作用是用來存放有關(guān)微處理機工作過程中的狀態(tài)標(biāo)志信息、控制標(biāo)志信息以及系統(tǒng)標(biāo)志信息，各種條件碼（例如進位、符號、溢出）及方式位等信息。寄存器中各位的含義如圖2.4所示。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)下面將各有效位的意義做一簡要的說明：（1）CF（CarryFlag）進位標(biāo)志位。若CF=1，表示本次運算中最高位（第7位或第15位）有進位（加法運算時）或有借位（減法運算時）。（2）PF（ParityFlag）奇偶標(biāo)志位。PF=1，表示本次運算結(jié)果的低八位中有偶數(shù)個“1”；PF=0，表示有奇數(shù)“1”。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)（3）AF（AuxiliaryCarryFlag）輔助進位標(biāo)志位。AF=1，表示8位運算結(jié)果（限使用AL寄存器）中低4位向高4位有進位（加法運算時）或有借位（減法運算時），這個標(biāo)志位只在BCD數(shù)運算中才起作用。（4）ZF（ZeroFlag）零標(biāo)志位。ZF=1，表示運算結(jié)果為0（各位全為0），否則ZF=0。（5）SF（SignFlag）符號標(biāo)志位。SF=1，表示運算結(jié)果的最高位（第7位或第15位）為“1”（有符號數(shù)的負(fù)數(shù)），否則SF=0。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)（6）TF（rapflag）陷阱控制標(biāo)志位。陷阱標(biāo)志可使微處理器進入跟蹤方式，即進入單步調(diào)試狀態(tài)；如果T標(biāo)志為1，微處理器可以根據(jù)調(diào)試寄存器和控制寄存器指示的條件中斷程序的執(zhí)行。如果T為0，則不進入跟蹤（調(diào)試）方式。（7）IF（InterruptFlag）中斷允許標(biāo)志位?？刂戚斎胍_INTR的操作。若I＝l，INTR信號被允許；若I＝0，則INTR信號被屏蔽。IF的狀態(tài)由指令STI置位（置1）和指令CLI復(fù)位（清0）。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)（8）DF（DirectionFlag）方向標(biāo)志位。在串操作指令中，通過方向標(biāo)志可選擇對DI或SI寄存器內(nèi)容進行遞增或遞減方式。若D＝1，則寄存器的內(nèi)容自動地遞減；若D＝0，則寄存器內(nèi)容自動地遞增。DF標(biāo)志由STD指令置位，由CLD指令復(fù)位。（9）OF（OverflowFlag）溢出標(biāo)志位。OF=1表示二個用補碼表示的有符號數(shù)的加法或減法結(jié)果超出了該字長所能表示的范圍。例如，進行8位運算時，OF=1表示運算結(jié)果大于+127或小于－128，此時不能得到正確的運算結(jié)果。OF標(biāo)志對無符號數(shù)的運算結(jié)果沒有意義。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)（10）IOPL（I/OPrivilegeLevel）I/O特權(quán)級標(biāo)志位。在保護方式操作中使用，用于選擇I/O設(shè)備的特權(quán)級。如果當(dāng)前特權(quán)級高于IOPL，I/O指令能順利執(zhí)行。如果當(dāng)前特權(quán)級低于IOPL，則產(chǎn)生中斷，使任務(wù)掛起。注意，這里IOPL＝00為最高級，IOPL＝11為最低級。（11）NT（NestedTask）嵌套標(biāo)志位。嵌套標(biāo)志表示在保護方式下，當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)嵌套于另一任務(wù)中。當(dāng)一個任務(wù)被軟件嵌套時，該標(biāo)志置1?；謴?fù)標(biāo)志與調(diào)試操作一起使用．用于控制在下一條指令后，恢復(fù)程序的運行。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)（12）VM（VirtualMode）虛擬8086方式標(biāo)志位。用來在保護方式系統(tǒng)中選擇虛擬8086方式，一個虛擬8086系統(tǒng)允許在存儲器系統(tǒng)中同時存在多個1MB的DOS存儲器分區(qū)。這就允許系統(tǒng)執(zhí)行多個DOS程序。（13）AC（AlignmentCheckt）地址對齊檢測標(biāo)志位。當(dāng)訪問字或雙字時，如果地址不處在字或雙字的邊界上，則地址對齊撿測標(biāo)志置1。只有80486SXCPU中含有AC標(biāo)志，該標(biāo)志供協(xié)處理器80487SX使用，用于同步。（14）VIF（VirtualInterruptFlag）虛擬中斷標(biāo)志位。該標(biāo)志只存在于Pentium/Pentiumpro微處理器中，它是中斷允許標(biāo)志的復(fù)本。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)（15）VIP（VirtualInterruptPending）虛擬中斷掛起標(biāo)志位。用于在Pentium/Pentiumpro微處理器中提供有關(guān)虛擬8086方式中斷的信息。它在多任務(wù)環(huán)境下為操作系統(tǒng)提供虛擬8086方式中斷和中斷掛起信息。（16）ID（Identification）CPU的標(biāo)識標(biāo)志位。表示Pentium/Pentiumpro支持CPUID指令。CPUID指令為系統(tǒng)提供廠有關(guān)Pentium處理器的信息，如其型號及制造商。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)4、段寄存器編程時，程序和各種不同類型的數(shù)據(jù)分別存放在不同的邏輯段中，它們的“段基址”存放在“段寄存器”中，段內(nèi)的偏移地址存放在其他相應(yīng)的寄存器中。下面給出了各個段寄存器及其在系統(tǒng)中的功能。（1）CS（code）代碼段寄存器。代碼段是微處理器用來存放代碼（程序和過程）的—段存儲區(qū)域。代碼段寄存器定義了代碼段存儲區(qū)的起始地址。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)（2）DS（data）數(shù)據(jù)段寄存器。數(shù)據(jù)段是一段存放供程序使用的數(shù)據(jù)的存儲區(qū)。數(shù)據(jù)段中的數(shù)據(jù)根據(jù)其偏移地址來訪問。（3）ES（extra）附加段寄存器。附加段是一個附加的數(shù)據(jù)段，供串操作指令用來存放目的串?dāng)?shù)據(jù)。（4）SS（stack）堆棧段寄存器。堆棧段定義了一個用作堆棧的存儲區(qū)。堆棧段當(dāng)前的入口地址由堆棧指針寄存器（SP）確定。2.1微處理器的硬件結(jié)構(gòu)2.2處理器的總線處理器的總線稱作片內(nèi)總線是，指的是在微處理機芯片內(nèi)部的總線，它是專門用來連接各功能部件的信息通路。

2.2.1總線的結(jié)構(gòu)

1、總線標(biāo)準(zhǔn)的四個特性物理特性功能特性電器特性時間特性2.2處理器的總線

2、總線分類片內(nèi)總線根據(jù)其功能可以分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線2.2處理器的總線2.2.2總線的操作微處理機系統(tǒng)中的各種操作，包括從CPU把數(shù)據(jù)寫入存儲器、從存儲器把數(shù)據(jù)讀到CPU、從CPU把數(shù)據(jù)寫入輸出端口、從輸出端口把數(shù)據(jù)讀到CPU、CPU中斷操作、直接存儲器存取操作、CPU內(nèi)部寄存器操作等，本質(zhì)上都是通過總線進行的信息交換，統(tǒng)稱為總線操作。2.2處理器的總線

為完成一個總線操作周期，一般要分成4個階段：總線請求和仲裁（BusRequestandArbitration）階段尋址（Addressing）階段數(shù)據(jù)傳送（DataTransfering）階段結(jié)束（Ending）階段2.2處理器的總線2.3微處理器的基本操作流程2.3.1指令執(zhí)行的基本過程

如圖2.5所示，計算機指令執(zhí)行的基本過程一般按照以下步驟進行：取指令，從指令指針?biāo)傅膬?nèi)存單元中取出一條指令送到指令寄存器。譯碼，對指令進行譯碼，并且對指令指針進行增值，以便取得下一條指令。取操作數(shù)，根據(jù)指令要求到內(nèi)存單元或寄存器中取得操作數(shù)，對某些特定指令不需要取操作數(shù)這一步驟。執(zhí)行指令，依據(jù)指令的要求完成相應(yīng)的運算，如果執(zhí)行的是轉(zhuǎn)移指令、調(diào)用指令或者返回指令，則重新設(shè)置指令指針的值，以便取得下一條要執(zhí)行的指令。存結(jié)果，將運算的結(jié)果進行保存，此結(jié)果既包括操作數(shù)的運算結(jié)果，也包括相應(yīng)的指令執(zhí)行狀態(tài)信息。2.3微處理器的基本操作流程2.3微處理器的基本操作流程2.3.2微處理器的時序

微處理器的各種不同操作的實現(xiàn)都是在時鐘信號的同步控制下，按時序一步一步進行的。因此，時序是反映微處理器功能特性的一個重要方面。2.3微處理器的基本操作流程總線時序基本概念（1）時鐘周期、總線周期及指令周期CPU的操作都是在系統(tǒng)時鐘CLK的控制下按節(jié)拍有序地進行的。系統(tǒng)時鐘一個周期信號所持續(xù)的時間稱為時鐘周期（T），大小等于頻率的倒數(shù)，是CPU的基本時間計量單位。CPU與存儲器或I/O接口交換信息是通過總線進行的。CPU通過總線完成一次訪問存儲器或I/O接口操作所需要的時間，稱為總線周期（buscycle）。一個總線周期由多個時鐘周期（T）組成。對于不同型號的微處理器，一個總線周期所包含的時鐘周期數(shù)并不相同。2.3微處理器的基本操作流程（2）等待狀態(tài)和空閑狀態(tài)通過一個總線周期完成一次數(shù)據(jù)傳送，一般要有輸出地址和傳送數(shù)據(jù)兩個基本過程。在實際應(yīng)用中，當(dāng)一些慢速設(shè)備在T2、T3、T4三個時鐘周期內(nèi)不能完成數(shù)據(jù)讀寫時，那么總線就不能被系統(tǒng)正確使用。為此，允許在總線周期中插入用以延長總線周期的T狀態(tài)，稱為“等待狀態(tài)”（Tw）。另外，如果在一個總線周期后不立即執(zhí)行下一個總線周期，即總線上無數(shù)據(jù)傳輸操作，此時總線則處于所謂“空閑狀態(tài)”，在這期間，CPU執(zhí)行空閑周期Ti，Ti也以時鐘周期T為單位。圖2.6給出了8086CPU的總線周期及其“等待狀態(tài)”和“空閑狀態(tài)”的情況。2.3微處理器的基本操作流程2.3微處理器的基本操作流程基本的總線時序總線操作按數(shù)據(jù)傳送方向可分為總線讀操作和總線寫操作。前者是指CPU從存儲單元或I/O端口中讀取數(shù)據(jù)，后者是指CPU將數(shù)據(jù)寫入指定存儲單元或I/O端口。2.3微處理器的基本操作流程（1）簡化的8086讀總線周期若要從存儲器讀出數(shù)據(jù)，則微處理器首先在地址總線上輸出所讀存儲單元的地址，接著發(fā)出一個讀命令信號（RD）給存儲器，經(jīng)過一定時間（時間的長短取決于存儲器的工作速度），數(shù)據(jù)被讀出到數(shù)據(jù)總線上，然后微處理器通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)接收到它的內(nèi)部寄存器中。一個簡化的8086讀總線周期時序如圖2.7所示。在總線讀周期中，CPU在T1狀態(tài)送出地址及相關(guān)信號；T2發(fā)出讀命令和總線驅(qū)動器8286控制命令；在T3、Tw等待數(shù)據(jù)的出現(xiàn)；在T4狀態(tài)將數(shù)據(jù)讀入CPU。2.3微處理器的基本操作流程2.3微處理器的基本操作流程（2）簡化的8086寫總線周期8086/8088的寫總線周期與讀總線周期有很多相似之處，基本寫周期也包含4個狀態(tài)T1，T2，T3和T4。當(dāng)存儲器或I/O設(shè)備速度較慢時，在T3和T4之間插入1個或多個等待狀態(tài)Tw。為了把數(shù)據(jù)寫入存儲器，微處理器首先要把欲寫入數(shù)據(jù)的存儲單元的地址輸出到地址總線上，然后把要寫入存儲器的數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線上，同時發(fā)出一個寫命令信號（WR）給存儲器。一個簡化的8086寫總線周期時序如圖2.8所示。2.3微處理器的基本操作流程2.3微處理器的基本操作流程 8086CPU的總線操作有以下幾點特征：8086的一個總線周期包含4個時鐘周期（即T1、T2、T3和T4）；8086采用地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用技術(shù)，即在一組復(fù)用的“地址/數(shù)據(jù)”總線上，先傳送地址信息（T1期間），然后傳送數(shù)據(jù)信息（T2、T3、T4期間），從而可以減少微處理器的引腳。最大模式下，8086的總線讀寫操作在邏輯上和最小模式下的讀寫操作是一樣的，但在分析操作時序時有所不同。最大模式下應(yīng)考慮總線控制器8288產(chǎn)生的一些控制信號的作用。2.3微處理器的基本操作流程2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理

Intel公司后來開發(fā)的80x86系列CPU在8088/8086的基礎(chǔ)上各方面的技術(shù)和性能又有了很大的提高和改進。2.4.180X86處理器的結(jié)構(gòu)1、Intel80286CPU1982年1月Intel公司推出的80286CPU是比8086/8088更先進的16位微處理器芯片，其特征是內(nèi)部操作和寄存器都是16位的，內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)見圖2.9。該芯片集成了13.5萬個晶體管，采用68引線4列直插式封裝。80286不再使用分時復(fù)用地址/數(shù)據(jù)引腳，具有獨立的16條數(shù)據(jù)線D15D0和24條地址線A23A0。2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理2、Intel80386CPU 1985年Intel公司推出了與8086/8088、80286兼容，具有的高性能32位微處理器80386，見圖2.10。該處理器芯片以132條引線網(wǎng)絡(luò)陣列式封裝，其中數(shù)據(jù)引腳和地址引腳各32條，時鐘頻率為12.5MHz及16MHz。2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理

Intel80386微處理器的主要特點如下：采用全32位結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部寄存器、ALU等都是32位，數(shù)據(jù)線和地址線也均為32位提供32位外部總線接口，最大數(shù)據(jù)傳輸率為32MB/s，具有自動切換數(shù)據(jù)總線寬度的功能具有片內(nèi)集成的存儲器管理部件MMU，可支持虛擬存儲和特權(quán)保護，虛擬存儲器空間可達(dá)64太字節(jié)（TB）具有實地址方式、保護方式和虛擬8086方式3種工作方式采用了比8086更先進的流水線結(jié)構(gòu)，使其能高效、并行地完成取指、譯碼、執(zhí)行和存儲管理功能（指令隊列16字節(jié)長）2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理圖2.11給出了Intel80386微處理器包括的6個功能部件分段部件SU分頁部件PU執(zhí)行部件EU預(yù)取部件IPU譯碼部件IDU總線部件BIU線性地址譯碼指令數(shù)據(jù)（操作和結(jié)果）有效地址物理地址32位指令字節(jié)指令圖2.11Intel80386的6個功能部件2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理Intel80386微處理器包括的6個功能部件：（1）總線接口部件（BIU）BIU是微處理器與系統(tǒng)的接口，在取指令、取數(shù)據(jù)、分段部件請求和分頁部件請求時，能有效地滿足微處理器對外部總線的傳輸要求。（2）指令預(yù)取部件（IPU）IPU的功能是從存儲器預(yù)先取出指令，它有一個能容納16條指令的隊列。（3）指令譯碼部件（IDU）IDU的功能是從預(yù)取部件的指令隊列中取出指令字節(jié)，對它們進行譯碼后存入自身的已譯碼指令隊列中，并且作好供執(zhí)行部件處理的準(zhǔn)備工作。2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理（4）指令執(zhí)行部件（EU）EU由控制部件、數(shù)據(jù)處理部件和保護測試部件組成。EU負(fù)責(zé)執(zhí)行指令。（5）分段部件（SU）分段部件的作用是應(yīng)執(zhí)行部件的請求，把邏輯地址轉(zhuǎn)換成線性地址。（6）分頁部件（PU）分頁部件的作用是把由分段部件產(chǎn)生的線性地址轉(zhuǎn)換成物理地址。2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理3、Intel80486CPU

80486是Intel公司1990年推出的第二代32位微處理器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2.12。80486CPU使用1微米的制造工藝，在芯片內(nèi)部集成了120萬個晶體管，其數(shù)目是80386的4倍以上。Intel80486微處理器數(shù)據(jù)線和地址線均為32條，168個引腳的網(wǎng)絡(luò)陣列式封裝2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理從內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成上看，80486微處理器是由提高了效率的80386微處理器、增強了性能的80387數(shù)值協(xié)同處理器、一個完整的片內(nèi)Cache及其控制器組合而成。從程序設(shè)計角度看，其體系結(jié)構(gòu)與80386相比幾乎沒有變化，可以說是對80386的照搬。80486CPU芯片內(nèi)較之80386增加了了三個新的部件，它們分別是浮點部件FPU、控制和保護部件和Cache部件。同時還新增6條80386沒有的指令。2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理80486微處理器的微體系結(jié)構(gòu)包括有9個功能部件，它們分別是：總線接口部件。片內(nèi)高速緩沖存儲器Cache。指令預(yù)取部件。指令譯碼部件?？刂撇考?。整數(shù)運算和數(shù)據(jù)通路。浮點部件。分段部件。分頁部件。2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理80486微處理器的寄存器種類可分為以下幾種：（1）基本體系結(jié)構(gòu)寄存器。其中包括以下4種： ①通用寄存器②指令指針寄存器③標(biāo)志寄存器④段寄存器（2）系統(tǒng)級寄存器，包括以下2種：①控制寄存器②系統(tǒng)地址寄存器2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理（3）浮點寄存器，其中包括以下5種：①數(shù)據(jù)寄存器②標(biāo)記字寄存器③狀態(tài)字寄存器④指令和數(shù)據(jù)指針寄存器⑤控制字寄存器（4）調(diào)試和測試寄存器2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理4、IntelPentiumCPU IntelPentiumCPU是Intel公司1993年推出的第5代微處理器芯片。該芯片內(nèi)部集成了310萬個晶體管，有64條數(shù)據(jù)線和36條地址線。PentiumCPU采用了新的體系結(jié)構(gòu)，其具有兩條流水線，這兩條流水線與浮點部件能夠獨立工作。PentiumCPU內(nèi)部有兩個超高速緩沖存儲器（Cache）。一個是指令超高速緩沖存儲器，另一個是數(shù)據(jù)超高速緩沖存儲器，這比只有一個指令與數(shù)據(jù)合用的超高速緩沖存儲器的80486更為先進。Pentium微處理器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖2.13所示。2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理 PentiumCPU內(nèi)部的主要部件有：總線接口部件U流水線和V流水線指令高速緩沖存儲器Cache數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器Cache指令預(yù)取部件指令譯碼器浮點處理部件FPU分支目標(biāo)緩沖器BTB微程序控制器中的控制ROM寄存器組2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理 Pentium的寄存器可以分為三組：基本寄存器組：包括通用寄存器、指令寄存器、標(biāo)示寄存器以及段寄存器；系統(tǒng)寄存器組：包括系統(tǒng)地址寄存器、控制寄存器；2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理浮點部件寄存器組：包括數(shù)據(jù)寄存器堆、控制寄存器、狀態(tài)寄存器、指令指針寄存器和數(shù)據(jù)指針寄存器以及標(biāo)記字寄存器。

Pentium處理器的虛擬存儲器（VirtualStorage）技術(shù)、高速緩存（Cache）技術(shù)以及超標(biāo)量流水線技術(shù)是現(xiàn)代微型計算機系統(tǒng)的三大支柱。2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理2.4.2Pentium4處理器結(jié)構(gòu)

Pentium4處理器是一個在Pentium處理器基礎(chǔ)上完全重新設(shè)計的處理器。它擁有很多改進了的革新特性的新技術(shù)和性能，比如“亂序推測執(zhí)行”和“超標(biāo)量執(zhí)行”等。很多這種新的革新和改進使得處理器技術(shù)、處理技術(shù)和以前不能在高容量中實現(xiàn)的電路設(shè)計、可制造方法等方面的改進成為可能。2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理圖2.14給出了使用了NetBurst（網(wǎng)際爆發(fā)）微結(jié)構(gòu)的Pentium4處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理。NetBurst結(jié)構(gòu)具有不少明顯的優(yōu)點，包括20段的超級流水線、高效的亂序執(zhí)行功能、2倍速的ALU、新型的片上緩存、SSE2指令擴展集和400MHz的前端總線等等。2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理Pentium4處理器的主要部件和工作特性：

BTB（BranchTargetBuffer）分支目標(biāo)緩存μOP（Micro-Operation）微指令或微操作AGU（AddressGenerationUnit）地址生成單元ALU算術(shù)邏輯單元InstructionTLB指令轉(zhuǎn)換旁視緩沖存儲器InstructionDecoder指令譯碼器TraceCache追蹤緩存Registerrenaming寄存器重命名2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理Pentium4處理器的主要部件和工作特性：（續(xù)）μOPQueues和Schedulers（微操作隊列和調(diào)度）SSE2（StreamingSIMDExtension）數(shù)據(jù)流單指令多數(shù)據(jù)擴展2前端總線采用了QDR（QuadDataRate）技術(shù)先進的亂序推測執(zhí)行動態(tài)引擎時鐘頻率（ALU的頻率、CPU的主頻和流水線頻率、追蹤緩存頻率）2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理2.4.3微處理器的主要性能指標(biāo)1、主頻、倍頻和外頻一般來說CPU的頻率可分為主頻、倍頻和外頻。主頻也稱做CPU的時鐘頻率，簡單地說也就是CPU運算時的工作頻率。外頻指的是系統(tǒng)總線的工作頻率；倍頻則是指CPU外頻與主頻相差的倍數(shù)。三者是有十分密切的關(guān)系：主頻=外頻×倍頻。

2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理2、前端總線（FSB）頻率前端總線（FSB）頻率（即總線頻率）直接影響CPU與內(nèi)存之間數(shù)據(jù)交換的速度。數(shù)據(jù)傳輸率最大值取決于所有同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的寬度和傳輸頻率，即數(shù)據(jù)傳輸率＝（總線頻率×數(shù)據(jù)帶寬）/8。例如，有一個64位的CPU，其前端總線頻率是800MHz，按照公式計算，它的數(shù)據(jù)傳輸率最大值是6.4GB/秒。2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理3、CPU的字長通常我們把CPU在單位時間內(nèi)（同一時間）能一次處理的二進制數(shù)的位數(shù)叫字長。所以，能處理字長為8位數(shù)據(jù)的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在單位時間內(nèi)處理字長為32位的二進制數(shù)據(jù)。字長的長度是不固定的，對于不同的CPU、字長的長度也不一樣。2.4Intel處理器的結(jié)構(gòu)和原理4、工作電壓

CPU工作電壓指的是CPU正常工作所需要的供電電壓。早期的CPU（Intel8