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1、典型微处理器现在学习的是第1页，共45页2 本章教学目的及要求本章教学目的及要求 通过学习，应掌握：通过学习，应掌握：n典型微处理器的内部组成典型微处理器的内部组成n寄存器结构寄存器结构n外部引脚特性和作用外部引脚特性和作用n存储器和存储器和I/O组织组织n时序和总线操作时序和总线操作n系统工作方式和特点系统工作方式和特点第第2章章典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第2页，共45页32-1 微处理器性能简介微处理器性能简介 2-1-1 典型微处理器的主要性能指标n主频n外频n倍频n内存总线速度n扩展总线速度n地址总线宽度n数据总线宽度n高速缓存第第2章章典型微处理器典型微处理器 现在学习的

2、是第3页，共45页4 2-1-2 微处理器的基本功能微处理器的基本功能（1）指令控制（2）操作控制（3）时间控制（4）数据加工 第第2章章典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第4页，共45页5 2-2 Intel 8086微处理器的内、外部结构特性微处理器的内、外部结构特性 8086微处理器使用+5V电源，40条引脚双列直插式封装，时钟频率5MHz10MHz，基本指令执行时间0.3us0.6us。有16根数据线和20根地址线，可寻址内存地址空间1MB（220B）。 第第2章章典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第5页，共45页62-2-1 Intel 8086微处理器内部组成结构微处理器内

3、部组成结构 8086微处理器从功能上可以划分为两个逻辑单元：n执行部件EU（Execution Unit）n总线接口部件BIU（Bus Interface Unit）典型微处理器典型微处理器 第第2章章现在学习的是第6页，共45页7典型微处理器典型微处理器 第第2章章ALU数据总线（16位）通用寄存器CSDSSSESIPSPBPSIDIAHBHCHDHALBLCLDL内部通信寄存器总线控制逻辑地址总线（20位）数据总线（16位）暂存寄存器标志Q总线（8位）执行部件（EU）EU控制系统总线接口部件（BIU）8086总线指令队列123456ALUS现在学习的是第7页，共45页8第第2章章典型微处理

4、器典型微处理器 2-2-2 8086微处理器的寄存器结构 8086可供编程使用的有14个16位寄存器，按其用途可分为3类：n通用寄存器n段寄存器n指针和标志寄存器 现在学习的是第8页，共45页9 1. 通用寄存器（1）数据寄存器：存放操作数或中间结果。（2）指针和变址寄存器：存放地址偏移量。 2. 控制寄存器（1）指令指针寄存器IP（2）标志寄存器FLAG 6个状态标志：CF-进位标志 ；PF-奇偶标志 ；AF-辅助进位标志； ZF-零标志 ；SF-符号标志 ；OF-溢出标志 3个控制标志：TF-陷阱标志或单步操作标志 ：IF-中断允许标志； DF-方向标志。第第2章章典型微处理器典型微处理器

5、 1514131211109876543210 OFDFIFTFSFZF AF PF CF现在学习的是第9页，共45页10 3. 段寄存器（1）代码段寄存器CS（2）数据段寄存器DS（3）堆栈段寄存器SS（4）附加段寄存器ES第第2章章典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第10页，共45页112-2-3 8086微处理器的外部引脚特性微处理器的外部引脚特性 8086CPU具有40个引脚，采用双列直插式的封装形式，如图2-6所示。 数据总线为16条，地址总线为20条，其余为状态线、控制信号线、电源、地线等。地址/数据总线采用了分时复用方式，即一部分引脚具有双重功能，例如AD15AD0这16个引

6、脚，有时传送数据信号，有时可输出地址信号。 第第2章章典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第11页，共45页12GND INTRNMICLKGND19INTA( QS1)TESTREADYRESET 2 39 1 403 384 375 366 357 348 339 3210 3111 3012 2913 2814 2715 2616 2517 2418 2319 2220 21AD14 AD11 AD10 AD9 AD8 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 RDMN/MXHOLD( RQ/GT0)BHE/S76AA17/S4A18/S5/SA16/S3AD15

7、 ）VCC（+5VM/IO( S2)WR(LOCK)HLDA(RQ/GT1)DT/R( S1)DEN( S0)ALE( QS0) AD12 13 AD 图2-6 8086CPU引脚图现在学习的是第12页，共45页132-3 存储器和存储器和I/O组织组织2-3-1 存储器组织 1. 存储器的内部结构及访问方法 8086有20根地址线，可寻址存储器空间1MB，地址范围为（00000HFFFFFH）。存储器内部按字节进行组织，两个相邻的字节被称为一个“字”。 第第2章章典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第13页，共45页14 2. 存储器分段 8086系统采用20位地址线寻址1M字节存储空间。

8、由于CPU内所有寄存器都只有16位，只能寻址64KB（216字节）。因此，把整个存储空间分成若干逻辑段， 每个逻辑段容量最大64KB。 CPU允许各个逻辑段在整个存储空间中浮动，可紧密相连，也可相互重叠，还可分开一段距离，如图2-9所示。 第第2章章典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第14页，共45页15 00000H 图 2-9 存 储 器 分 段 示 意 图 逻 辑 段 1 起 点 逻 辑 段 2 起 点 逻 辑 段 3 起 点 逻 辑 段 4 起 点 FFFFFH 逻 辑 段 1 64K B 逻 辑 段 2 64K B 逻 辑 段 3 64K B 逻 辑 段 4 64K B 现在学习

9、的是第15页，共45页16 3. 存储器地址（1）段地址：描述要寻址的逻辑段在内存中的起始位置。（2）偏移地址：描述要寻址的内存单元距本段段首的偏移量。（3）逻辑地址：由段地址和偏移地址两部分组成。表示形式为“段地址：偏移地址”。（4）物理地址：存储器实际地址，由CPU提供的20位地址码来表示，是惟一能代表存储空间每个字节单元的地址。 第第2章章典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第16页，共45页17 逻辑地址到物理地址的转换由BIU中20位的地址加法器自动完成。 物理地址计算公式： 物理地址=段地址10H偏移地址典型微处理器典型微处理器 第第2章章现在学习的是第17页，共45页184专用

10、和保留的存储器单元Intel公司为保证与未来产品的兼容性，规定在存储区的最低地址区和最高地址区保留一些单元供CPU的某些特殊功能专用。第第2章章典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第18页，共45页192-3-2 I/O端口组织端口组织1. 统一编址：I/O端口地址置于1MB存储器空间中，看作存储器单元，每个端口占用一个存储单元的地址。 CPU访问存储器的指令和各种寻址方式都可用于寻址I/O端口。2. 独立编址：端口单独编址构成一个I/O空间，不占用存储器地址。CPU设置专门输入/输出指令（IN和OUT）和接口控制信号来访问I/O端口。端口地址空间独立，控制电路和地址译码电路较简单，输入/输

11、出指令类别少，一般只进行传送操作。第第2章章典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第19页，共45页202-4 8086总线周期和工作方式总线周期和工作方式 8086CPU操作在时钟CLK统一控制下进行，以便使取指令和传送数据能够协调地工作。 8086经外部总线对存储器或I/O端口进行一次信息输入或输出过程，称总线操作，执行该操作所需要时间称总线周期。一个总线周期包括T1、T2、T3、T4状态，4个时钟周期。不同总线操作需不同总线信号，这些信号变化进行时间顺序的描述称为“总线时序” 。第第2章章典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第20页，共45页212-4-1 8284A时钟信号发生器时钟

12、信号发生器 8284A是Intel公司专为8086设计的时钟信号发生器，能产生8086所需的系统时钟信号。 8284A除提供恒定的时钟信号外，还对外界输入的准备就绪信号RDY和复位信号进行同步操作。 第第2章章典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第21页，共45页22 2-4-2 80868086总线周期总线周期 8086CPU与存储器或外部设备通信通过20位分时多路复用地址/数据总线来实现。为取出指令或传输数据，CPU要执行一个总线周期。 8086的总线周期至少由4个时钟周期组成。每个时钟周期称为T状态，用T1、T2、T3和T4表示。 时钟周期是CPU的基本时间计量单位，由主频决定。例如8

13、086的主频为5MHz，1个时钟周期就是200ns。 1空闲状态TI（idle state）2等待状态TW（wait state）第第2章章典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第22页，共45页23第第2章章典型微处理器典型微处理器 8088最小组态下的读总线周期时序现在学习的是第23页，共45页24第第2章章典型微处理器典型微处理器 8088最小组态下的写总线周期时序现在学习的是第24页，共45页25第第2章章2-4-3 8086的最小/最大工作方式 Intel公司在设计8086CPU芯片时，规定了两种工作模式，即最小工作模式和最大工作模式。通过CPU的第33条引脚MN/ 来控制。1.最小

14、工作模式（MN/ =1）：把8086CPU的33引脚接+5V时，系统处于最小工作模式。最小模式系统适用于单微处理器组成的小系统，系统中通常只有一个微处理器，所有的总线控制信号都直接由8086CPU产生，系统中的总线控制逻辑电路被减到最少。2.最大工作模式（MN/ =0）：当把8086的33引脚接地时，系统处于最大工作模式。此时，系统中存在两个或两个以上的微处理器，其中有一个主处理器8086，其他处理器称为协处理器。 典型微处理器典型微处理器 MXMXMX现在学习的是第25页，共45页26第第2章章2-5 32位微处理器简介位微处理器简介2-5-1 80386微处理器 1985年10月，Inte

15、l公司推出高性能32位微处理器80386，芯片内部集成27.5万个晶体管，采用132引脚陶瓷网格阵列（PGA）封装，具有高可靠性和紧密性。典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第26页，共45页27第第2章章180386的主要特性（1）提供32位指令，支持8位、16位和32位数据类型。（2）提供32位外部总线接口，最大数据传输率32 Mbit/s。（3）具有片内集成存储器管理部件（MMU），支持虚拟存储和特权保护。（4）具有实地址、保护和虚拟8086共3种工作方式。（5）可直接寻址4GB物理存储空间，虚拟存储空间达64 TB。（6）配用80287、80387数值协处理器可支持高速数值处理。（7

16、）时钟频率12.5 MHz、16 MHz、20 MHz、25 MHz和33 MHz等。典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第27页，共45页28第第2章章 2.803862.80386的内部结构的内部结构 内部结构如图2-14所示。 由总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件、控制部件、数据部件、保护测试部件、分段部件和分页部件等组成。 典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第28页，共45页29图2-14 80386CPU的内部结构框图 控 制部 件保 护 测 试 部 件分 段 描 述 符超 高 速 缓 存 器分 段 部 件分 页 描 述 符超 高 速 缓 存 器分 页 部 件总 线接 口

17、部 件指 令预 取队 列指 令预 取单 元32位 寄 存 器 组桶 形 移 位 器ALU指 令 译 码 部 件指 令 队 列32位 地 址 总 线32位 数 据 总 线控 制 总 线NPX接 口中 断复 位数 据 部 件现在学习的是第29页，共45页30第第2章章2-5-2 80486微处理器微处理器 1989年4月，Intel公司推出80486，采用1m CHMOS工艺，芯片内集成120万个晶体管，时钟频率25 MHz50 MHz。 80486在80386原有6个部件基础上又新增高性能浮点运算部件（FPU）和高速缓冲存储器（Cache）两个部件。 典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第30

18、页，共45页31第第2章章典型微处理器典型微处理器 180486的主要特性（1）在CISC技术基础上，首次采用RISC技术，有效地减少指令时钟周期个数。（2）芯片上集成部件多。（3）高性能的设计。（4）完全的32位体系结构。（5）增加了多处理器指令，增强了多重处理系统。（6）具有机内自测试功能。现在学习的是第31页，共45页32第第2章章2.804862.80486的基本结构的基本结构 80486微处理器的内部结构如图2-15所示，包括总线接口部件、高速缓存（Cache）部件、指令预取、指令译码部件、控制/保护部件、整数部件、浮点运算部件、分段部件和分页部件9个功能部件。 80486将这些部件

19、集成在一块芯片上，除减少主板空间外，还提高了CPU的执行速度。典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第32页，共45页33寄 存 器 组桶 形 移 位 器ALU整 数 部 件描 述 符 寄 存 器极 限 /属 性PLA分 段 部 件分 页 部 件转 移 用 旁视 缓 冲 区TLB高 速 缓 存部 件8KB高 速 缓存总 线 控 制 器数 据 总 线收 发 器地 址 总 线驱 动 器指 令 译 码 部 件已 译 码 队 列浮 点 运 算 部 件浮 点 寄 存 器 组指 令 预 取 部 件32字 节指 令 队 列控 制 ROMA31 A2BE0 BE1D31 D0各 种 控制 信 号控 制 /保

20、护 部 件图2-15 80486CPU内部结构 现在学习的是第33页，共45页34第第2章章2-5-3 Pentium系列微处理器系列微处理器 Pentium系列微处理器从Pentium、Pentium Pro、MMX Pentium到Pentium II、Pentium III、Pentium 4等，Intel公司通过改变CPU的工作频率、二级缓存的大小、产品制造工艺等来不断提高微处理器的性能，内部结构和功能也在不断地扩充。典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第34页，共45页35第第2章章1. Pentium1. Pentium系列微型计算机的主要特点系列微型计算机的主要特点（1）高集成

21、度。（2）时钟频率高。（3）数据总线带宽增加。（4）片内采用分立的指令Cache和数据Cache结构。（5）采用RISC型超标量结构。（6）高性能的浮点运算器。（7）双重分离式高速缓存。典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第35页，共45页36第第2章章（8）增强了错误检测与报告功能。（9）64位数据总线。（10）分支指令预测。（11）常用指令固化及微代码改进。（12）具有实地址方式、保护方式、虚拟8086方式及SMM系统管理方式。（13）软件向上兼容80386/80486。典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第36页，共45页37第第2章章2. Pentium微处理器的内部结构微处理器的

22、内部结构 Pentium微处理器主要部件包括总线接口部件、指令高速缓存器、数据高速缓存器、指令预取部件（指令预取缓冲器）与转移目标缓冲器、寄存器组、指令译码部件、具有两条流水线整数处理部件（U流水线和V流水线）、拥有加乘除运算且具有多用途电路的流水浮点处理部件FPU等。 典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第37页，共45页38第第2章章3. Pentium Pro微处理器 Pentium Pro又称为高能奔腾，是Intel公司继Pentium之后于1995年11月推出的又一种新型高性能奔腾微处理器。比Pentium增加了8条指令，对X86处理器向下兼容，采用387个引脚PGA封装。典型微处

23、理器典型微处理器 现在学习的是第38页，共45页39第第2章章4. MMX及MMX Pentium微处理器 MMX（multi media extended，多媒体扩展技术），增加了支持多媒体的指令集，使微处理器性能大大增强。 Pentium MMX称为多能奔腾微处理器，是一种充分改善多信息应用程序性能的微处理器。 Pentium MMX可全面提高计算机的综合性能，主要包括整数运算、浮点运算及多媒体应用3个方面。典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第39页，共45页40第第2章章5. Pentium微处理器Pentium首次采用单边连接盒的独立接插式标准（slot1），用一块带金属外壳的印刷

24、电路板，不但集成了处理器部件，还包括了32 KB的L1 Cache，并且处理器封装与512 KB2 MB的L2 Cache等置于同一个底座，共242个引脚，可直接插入主板的相应插座中。典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第40页，共45页41第第2章章6. Pentium 微处理器 1999年Intel推出Pentium 微处理器，总线频率100 MHz/133 MHz，内部核心部分集成950万只晶体管，具有单指令多数据（SIMD）浮点运算部件。 SIMD技术使Pentium 微处理器用一条指令就能完成以往需要4条指令才能完成的浮点数据运算。典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第41页，共

25、45页42第第2章章7. Pentium 4 微处理器 2000年3月，Intel公司推出新一代高性能32位Pentium 4微处理器，采用NetBurst新式处理器结构，可更好地处理互联网用户的需求，在数据加密、视频压缩和对等网络等方面的性能都有较大幅度的提高。典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第42页，共45页43第第2章章2.5.4 Pentium微处理器采用的新技术1流水线及超流水线技术2指令预取技术3超标量技术4动态分支转移预测技术5多处理器计算机典型微处理器典型微处理器 现在学习的是第43页，共45页44本章小结本章小结n8086微处理器从结构上划分为执行部件和总线接口部件，充

26、分利用总线微处理器从结构上划分为执行部件和总线接口部件，充分利用总线，提高了，提高了CPU工作效率。工作效率。n8086寄存器使用非常灵活，供编程用有寄存器使用非常灵活，供编程用有14个个16位寄存器，按用途分位寄存器，按用途分为通用寄存器、段寄存器、指针和标志寄存器三类。为通用寄存器、段寄存器、指针和标志寄存器三类。n应掌握应掌握8086存储器分段管理、物理地址和逻辑地址的换算及存储器分段管理、物理地址和逻辑地址的换算及I/O端端口的编址方式。口的编址方式。nPentium系列是普遍使用的微处理器。它们不仅增加了数据总线系列是普遍使用的微处理器。它们不仅增加了数据总线、地址总线位数，还采用了超流水线技术、指令预取技术、超标、地址总线位数，还采用了超流水线技术、指令预取技术、超标量技术、动态分支转移预测技术和多处理器计算机等许多新技术量技术、动态分支转移预测技术和多处理器计算机等许多新技术，使微处理器性能大大增强。，使微处理器性能大大增强。现在学习的是第44页，共45页45 第第2 2章内容到此结束章内容到此结束 现在学习的是第45页，共45页