第3章 微机系统中的微处理器精选文档.ppt
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1、第第3章章 微机系统中的微处理微机系统中的微处理器器1本讲稿第一页,共一百零一页常用术语(常用术语(1 1)n位(位(bitbit):计算机处理的最小数据单位,只能为):计算机处理的最小数据单位,只能为“0 0”或或“1 1”,缩写为,缩写为b bn千位(千位(KilobitKilobit):代表):代表2 21010位,即位,即10241024位,缩写位,缩写KbKbn兆位(兆位(MegabitMegabit):代表):代表2 22020位,即位,即1024102410241024位,缩写位,缩写MbMbn千兆位(千兆位(GigabitGigabit):代表):代表2 23030位,即位,即
2、1024Mb1024Mb位,缩写位,缩写GbGbn兆兆位(兆兆位(TerabitTerabit):代表):代表2 24040位,即位,即1024Gb1024Gb位,缩写位,缩写TbTb2 2本讲稿第二页,共一百零一页常用术语(常用术语(2 2)n字节(字节(ByteByte):计算机中存储器容量的基本单位,一个字节):计算机中存储器容量的基本单位,一个字节由由8 8位二进制数据组成,位二进制数据组成,ByteByte通常缩写为通常缩写为B B,同样有,同样有KBKB、MBMB、GBGB、TBTBn字(字(WordWord):不同的场合有不同的含义,软件上通常指):不同的场合有不同的含义,软件上
3、通常指2 2个字节,硬件上一般指处理器外部数据总线的宽度个字节,硬件上一般指处理器外部数据总线的宽度n字长:计算机运算部件直接能处理的二进制数据的位数。字长:计算机运算部件直接能处理的二进制数据的位数。字长越长,计算机的处理能力越强,运算精度越高,指令字长越长,计算机的处理能力越强,运算精度越高,指令功能越强,可寻址的存储空间也越大功能越强,可寻址的存储空间也越大3 3本讲稿第三页,共一百零一页常用术语(常用术语(3 3)nCPUCPU主频主频q主振频率,主振频率,CPUCPU内部的时钟频率,是内部的时钟频率,是CPUCPU进行运进行运算时的工作频率。算时的工作频率。q一般来说,主频越高,一个
4、时钟周期里完成的一般来说,主频越高,一个时钟周期里完成的指令数也越多,指令数也越多,CPUCPU的运算速度也就越快。的运算速度也就越快。q但由于内部结构不同,并非所有时钟频率相同但由于内部结构不同,并非所有时钟频率相同的的CPUCPU性能也一样。性能也一样。n集成度集成度q表明微处理器的生产工艺水平表明微处理器的生产工艺水平q常用芯片上集成的晶体管数量来表达常用芯片上集成的晶体管数量来表达q超大规模集成电路通常超大规模集成电路通常1010万门万门/片以上片以上4 4本讲稿第四页,共一百零一页前言前言n微处理器是组成微型计算机系统的核心部件,微处理器是组成微型计算机系统的核心部件,Intel80
5、86Intel8086微处理器的基本结构和原理体现了一微处理器的基本结构和原理体现了一般微处理器的特点,故作为代表来进行讲述。般微处理器的特点,故作为代表来进行讲述。n讨论微处理器的目的,一方面是为了理解微型讨论微处理器的目的,一方面是为了理解微型计算机的工作原理,更重要的一方面是为了应计算机的工作原理,更重要的一方面是为了应用它。所以没有必要也不可能讨论它的每个逻用它。所以没有必要也不可能讨论它的每个逻辑细节。辑细节。n从上述目的出发,我们将从微处理器的内部和从上述目的出发,我们将从微处理器的内部和外部两个方面讨论微处理器的结构。外部两个方面讨论微处理器的结构。5 5本讲稿第五页,共一百零一
6、页3.1 微处理器的一般结构(内部结构)微处理器的一般结构(内部结构)典型典型CPU内部结构图内部结构图程序计数器程序计数器(PC)(PC)指令寄存器指令寄存器(IR)(IR)指令译码器指令译码器(ID)(ID)控制逻辑部件控制逻辑部件堆栈指示器堆栈指示器(SP)(SP)处理机状态字处理机状态字(PSW)(PSW)I/OI/O控制逻辑控制逻辑地址寄存器地址寄存器数据寄存器数据寄存器工作寄存器工作寄存器ALUALU6 6本讲稿第六页,共一百零一页3.1 微处理器的一般结构(内部结构)微处理器的一般结构(内部结构)n运算器运算器q是计算机用来进行算术逻辑运算的部件是计算机用来进行算术逻辑运算的部件
7、q运算器的核心是运算器的核心是ALUALUq基本功能:基本功能:对二进制代码进行加、减、乘、除基本运算对二进制代码进行加、减、乘、除基本运算 对二进制代码进行与、或、非等逻辑运算对二进制代码进行与、或、非等逻辑运算 对二进制代码进行移位操作对二进制代码进行移位操作 完成数据信息的传送完成数据信息的传送p运算器的组成:算术逻辑运算单元运算器的组成:算术逻辑运算单元ALUALU、内部总线、内部总线、通用寄存器组、输入多路开关和数据锁存器、输出移通用寄存器组、输入多路开关和数据锁存器、输出移位多路开关。位多路开关。7 7本讲稿第七页,共一百零一页微处理器的一般结构微处理器的一般结构(内部结构内部结构
8、)(2)n控制器控制器q用于计算机硬件系统中,指挥、协调各部件的工作,是整用于计算机硬件系统中,指挥、协调各部件的工作,是整个计算机的中枢个计算机的中枢q基本功能:取指令、分析指令、执行指令、输入基本功能:取指令、分析指令、执行指令、输入/输出控制、中输出控制、中断处理断处理q控制器构成:控制器构成:n程序计数器程序计数器(PCPC:Program Counter)Program Counter):用于保存下一条要执:用于保存下一条要执行的指令的地址,一般指令是顺序存储在存储器中的。行的指令的地址,一般指令是顺序存储在存储器中的。n指令寄存器指令寄存器(IRIR:Instruction Reg
9、ister)Instruction Register):保存从存储器读:保存从存储器读入的当前要执行的指令。入的当前要执行的指令。8 8本讲稿第八页,共一百零一页微处理器的一般结构微处理器的一般结构(内部结构内部结构)(2)n指令译码器指令译码器(IDID:Instruction Decoder)Instruction Decoder):对指令寄存器中保:对指令寄存器中保存的指令进行译码分析。存的指令进行译码分析。n控制逻辑部件控制逻辑部件:根据上一器件的分析,发出相应的一系列节拍:根据上一器件的分析,发出相应的一系列节拍脉冲和控制信号,完成指令的操作。脉冲和控制信号,完成指令的操作。n处理器
10、状态字处理器状态字(PSWPSW:Processor State Word)Processor State Word):暂存处理器:暂存处理器当前的状态。当前的状态。PSWPSW中的各位用来指示运算结果的特殊状态。中的各位用来指示运算结果的特殊状态。条件转移指令条件转移指令将根据将根据PSWPSW中的某一位的状态来决定程序是否转中的某一位的状态来决定程序是否转移。移。n堆栈指示器堆栈指示器(SPSP:Stack Pointer)Stack Pointer):对堆栈的存储区进行操作:对堆栈的存储区进行操作时提供时提供栈顶地址栈顶地址,方便堆栈操作。,方便堆栈操作。9 9本讲稿第九页,共一百零一页
11、程序计数器程序计数器(PC)(PC)指令寄存器指令寄存器(IR)(IR)指令译码器指令译码器(ID)(ID)控制逻辑部件控制逻辑部件堆栈指示器堆栈指示器(SP)(SP)处理机状态字处理机状态字(PSW)(PSW)I/OI/O控制逻辑控制逻辑地址寄存器地址寄存器数据寄存器数据寄存器工作寄存器工作寄存器ALUALU用于保存下一条要执行的指令的地址典型典型CPU内部结构图内部结构图1010本讲稿第十页,共一百零一页典型典型CPU内部结构图内部结构图程序计数器程序计数器(PC)(PC)指令寄存器指令寄存器(IR)(IR)指令译码器指令译码器(ID)(ID)控制逻辑部件控制逻辑部件堆栈指示器堆栈指示器(
12、SP)(SP)处理机状态字处理机状态字(PSW)(PSW)I/OI/O控制逻辑控制逻辑地址寄存器地址寄存器数据寄存器数据寄存器工作寄存器工作寄存器ALUALU保存从存储器中读入的当前要执行的指令1111本讲稿第十一页,共一百零一页典型典型CPU内部结构图内部结构图程序计数器程序计数器(PC)(PC)指令寄存器指令寄存器(IR)(IR)指令译码器指令译码器(ID)(ID)控制逻辑部件控制逻辑部件堆栈指示器堆栈指示器(SP)(SP)处理机状态字处理机状态字(PSW)(PSW)I/OI/O控制逻辑控制逻辑地址寄存器地址寄存器数据寄存器数据寄存器工作寄存器工作寄存器ALUALU对IR中保存的指令进行译
13、码分析1212本讲稿第十二页,共一百零一页典型典型CPU内部结构图内部结构图程序计数器程序计数器(PC)(PC)指令寄存器指令寄存器(IR)(IR)指令译码器指令译码器(ID)(ID)控制逻辑部件控制逻辑部件堆栈指示器堆栈指示器(SP)(SP)处理机状态字处理机状态字(PSW)(PSW)I/OI/O控制逻辑控制逻辑地址寄存器地址寄存器数据寄存器数据寄存器工作寄存器工作寄存器ALUALU用于存放栈顶指针1313本讲稿第十三页,共一百零一页典型典型CPU内部结构图内部结构图程序计数器程序计数器(PC)(PC)指令寄存器指令寄存器(IR)(IR)指令译码器指令译码器(ID)(ID)控制逻辑部件控制逻
14、辑部件堆栈指示器堆栈指示器(SP)(SP)处理机状态字处理机状态字(PSW)(PSW)I/OI/O控制逻辑控制逻辑地址寄存器地址寄存器数据寄存器数据寄存器工作寄存器工作寄存器ALUALU用于暂存处理器当前的状态1414本讲稿第十四页,共一百零一页微处理器的一般结构微处理器的一般结构(内部结构内部结构)(3)n工作寄存器工作寄存器q作用作用:用于暂存用于寻址和计算过程的信息,避免频繁访问内用于暂存用于寻址和计算过程的信息,避免频繁访问内存,缩短指令长度和执行时间,给编程带来方便。存,缩短指令长度和执行时间,给编程带来方便。q分为两组:分为两组:数据寄存器组和地址寄存器。但有的寄存器兼有双重数据寄
15、存器组和地址寄存器。但有的寄存器兼有双重用途。用途。n数据寄存器用来暂存操作数和中间运算结果。数据寄存器用来暂存操作数和中间运算结果。n地址寄存器用于操作数的寻址。地址寄存器用于操作数的寻址。n寄存器组寄存器组qCPU内部的若干个存储单元内部的若干个存储单元q分为分为专用寄存器专用寄存器和和通用寄存器通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的,如。专用寄存器的作用是固定的,如堆栈指针、标志寄存器等;通用寄存器可有多种用途。堆栈指针、标志寄存器等;通用寄存器可有多种用途。q寄存器的数目因微处理器而定。寄存器的数目因微处理器而定。1515本讲稿第十五页,共一百零一页CPU总线结构总线结构n CPU CP
16、U的内部采用单总线,即内部所有单元电路的内部采用单总线,即内部所有单元电路都挂在内部总线上,分时使用总线。该组总线都挂在内部总线上,分时使用总线。该组总线作为信息在作为信息在CPUCPU内部流通的唯一途径。内部流通的唯一途径。ALUALU工作寄存器组工作寄存器组控制器控制器I/OI/O控制逻辑控制逻辑单总线结构单总线结构1616本讲稿第十六页,共一百零一页微处理器的基本工作过程微处理器的基本工作过程1717本讲稿第十七页,共一百零一页微处理器的一般结构微处理器的一般结构(外部结构外部结构)(1)n微处理器的外部就是数量有限的输入输出引脚,微处理器的外部就是数量有限的输入输出引脚,即微处理器级总
17、线。微处理器通过微处理器级即微处理器级总线。微处理器通过微处理器级总线沟通与外部部件和设备之间的联系。总线沟通与外部部件和设备之间的联系。n微处理器级总线的功能微处理器级总线的功能q和存储器之间交换信息和存储器之间交换信息q和和I/OI/O设备之间交换信息设备之间交换信息q为了系统工作而接收和输出必要的信号为了系统工作而接收和输出必要的信号1818本讲稿第十八页,共一百零一页n从功能上分,将总线分为从功能上分,将总线分为三种三种:q数据总线数据总线(DB(DB:Data Bus)Data Bus)用来传送指令或数据用来传送指令或数据q地址总线地址总线(AB(AB:Address Bus)Add
18、ress Bus)指示欲传信息的源或目的地址;指示欲传信息的源或目的地址;q控制总线控制总线(CB(CB:Control Bus)Control Bus)管理总线上的活动。管理总线上的活动。微处理器的一般结构微处理器的一般结构(外部结构外部结构)(2)1919本讲稿第十九页,共一百零一页n数据总线数据总线(DB(DB:Data Bus)Data Bus)q微处理器数据总线的条数决定微处理器数据总线的条数决定CPUCPU和存储器或和存储器或I/OI/O设备一次能交换数据的位数,是区分微处理器是设备一次能交换数据的位数,是区分微处理器是多少位的依据。多少位的依据。q如如8086CPU8086CPU
19、是是1616位微处理器,位微处理器,Z80CPUZ80CPU是是8 8位微处理位微处理器。器。微处理器的一般结构微处理器的一般结构(外部结构外部结构)(3)2020本讲稿第二十页,共一百零一页微处理器的一般结构微处理器的一般结构(外部结构外部结构)(4)n地址总线地址总线(AB(AB:Address Bus)Address Bus)q存储器的基本存储单元为字节,每个字节都有唯一存储器的基本存储单元为字节,每个字节都有唯一的二进制地址码相对应。的二进制地址码相对应。q地址总线的条数即为二进制地址码的位数,它可能地址总线的条数即为二进制地址码的位数,它可能表示的不同地址的集合称为地址空间。表示的不
20、同地址的集合称为地址空间。q地址码的位数决定了地址空间的大小。比如地址码的位数决定了地址空间的大小。比如8086CPU8086CPU的地址码共有的地址码共有2020位,则地址空间的大小位,则地址空间的大小为为2 22020,即,即1MB1MB个字节,地址空间为个字节,地址空间为0 0 2 22020-1-12121本讲稿第二十一页,共一百零一页微处理器的一般结构微处理器的一般结构(外部结构外部结构)(5)nI/O接口接口qI/OI/O接口是保证数据、控制与状态信息在接口是保证数据、控制与状态信息在CPUCPU和和I/OI/O设备之间正常传送的电路设备之间正常传送的电路qI/OI/O接口和接口和
21、CPUCPU之间的通信是利用称为之间的通信是利用称为I/OI/O端口的寄端口的寄存器来完成的存器来完成的q一个一个I/OI/O接口可能包括若干个接口可能包括若干个I/OI/O端口端口q每个每个I/OI/O端口都有唯一的端口都有唯一的I/OI/O地址相对应地址相对应n8086的地址总线的低的地址总线的低16位用来对位用来对I/O端口编址,端口编址,所以所以I/O地址空间容量为地址空间容量为(65536)字节。即)字节。即可对可对65536个个I/O端口寻址。端口寻址。2222本讲稿第二十二页,共一百零一页存储器和存储器和I/O端口的组织图端口的组织图CPUCPU地址地址 存储器中的字节存储器中的
22、字节0 01 11010接口接口I/OI/O端口端口I/OI/O设备设备高位决定模块高位决定模块数数据据线线控控制制线线地地址址线线高位决定接口,高位决定接口,2或或3个低位选择端口个低位选择端口2323本讲稿第二十三页,共一百零一页nIntel 8086 CPUIntel 8086 CPU属于第三代微处理器,属于第三代微处理器,8086 8086 CPUCPU有有2020条地址线,直接寻址能力达条地址线,直接寻址能力达1MB1MB。8086 CPU8086 CPU具有具有1616条数据总线,内部总线和条数据总线,内部总线和ALUALU均有均有1616位,可进行位,可进行8 8位和位和1616
23、位操作,是位操作,是1616位微处理器。位微处理器。3.2 8086微处理器的功能结构微处理器的功能结构2424本讲稿第二十四页,共一百零一页8086微处理器的功能结构微处理器的功能结构n8086CPU从功能上来说分成两大部分:从功能上来说分成两大部分:总线接口单元总线接口单元BIU(Bus Interface Unit)执行单元执行单元EU(Execution Unit)nBIU的作用:负责与存储器的接口,即的作用:负责与存储器的接口,即8086CPU与存储器之间与存储器之间的信息传送,都是由的信息传送,都是由BIU进行的进行的nEU 的作用:负责指令的执行的作用:负责指令的执行2525本讲
24、稿第二十五页,共一百零一页8086CPU8086CPU功能框图功能框图2626本讲稿第二十六页,共一百零一页80868086微处理器的功能结构微处理器的功能结构n总线接口单元总线接口单元(BIU)qBIU包括个段寄存器、指令指针包括个段寄存器、指令指针IP(PC)、指令队、指令队列寄存器列寄存器(IR)、完成与、完成与EU通讯的内部寄存器、地通讯的内部寄存器、地址加法器和总线控制逻辑。址加法器和总线控制逻辑。q它的任务是执行总线周期,完成它的任务是执行总线周期,完成CPU与存储器和与存储器和I/O设备之间信息的传送。具体地讲,就是取指令设备之间信息的传送。具体地讲,就是取指令时,从存储器指定地
25、址取出指令送入指令队列排队;时,从存储器指定地址取出指令送入指令队列排队;执行指令时,根据执行指令时,根据EU命令对指定存储单元或命令对指定存储单元或I/O端端口存取数据。口存取数据。2828本讲稿第二十八页,共一百零一页80868086微处理器的功能结构微处理器的功能结构n执行单元执行单元(EU)qEU由算术逻辑单元由算术逻辑单元ALU、暂存器、标志寄存器、暂存器、标志寄存器(PSW)、通用寄存器组和、通用寄存器组和EU控制器构成。控制器构成。q它的它的任务任务执行指令,进行全部的算术逻辑运算,完执行指令,进行全部的算术逻辑运算,完成偏移地址的计算,向成偏移地址的计算,向BIU提供指令执行的
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