微机原理及应用精品文稿.ppt

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1、微机原理及应用第1页，本讲稿共68页微机 原理 及 接口 技术课程课程介绍介绍典型机型：典型机型：IBM PCIBM PC系列机系列机基本系统：基本系统：8086CPU8086CPU和半导体存储器和半导体存储器I/OI/O接口电路及与外设的连接接口电路及与外设的连接硬件接口电路原理硬件接口电路原理软件接口编程方法软件接口编程方法第2页，本讲稿共68页专业技术基础课硬件系列课程之一计算机组成原理微机原理及接口技术计算机体系结构计算机体系结构必修课以技术为主以技术为主面向应用面向应用软硬件相结合课程课程特点特点区别区别第3页，本讲稿共68页先修课程数字逻辑或数字电路提供硬件基础提供硬件基础计算机组

2、成原理确立计算机部件功能确立计算机部件功能掌握计算机工作原理掌握计算机工作原理高级语言程序设计熟悉熟悉DOSDOS环境程序设计的方法环境程序设计的方法掌握基本程序设计思想掌握基本程序设计思想先修先修课程课程第4页，本讲稿共68页本门课程的研究内容及其地位与作用本门课程的研究内容及其地位与作用研究内容：微机系统的基本组成与结构、工作原理及应用方法与技术。研究内容：微机系统的基本组成与结构、工作原理及应用方法与技术。本门课程在计算机知识结构中的地位与作用：本门课程在计算机知识结构中的地位与作用：第5页，本讲稿共68页学习方法建议学习方法建议n复习并掌握先修课的有关内容复习并掌握先修课的有关内容n课

3、堂：听讲与理解、适当笔记。课堂：听讲与理解、适当笔记。n课后：认真阅读教材和参考书、独立完成作业。课后：认真阅读教材和参考书、独立完成作业。n实验：充分准备、勤于动手实践。实验：充分准备、勤于动手实践。n8 8、学习资源、学习资源n钱晓捷之微服网钱晓捷之微服网 http:/ http:/202.116.64.20/caicomputer/http:/202.116.64.20/caicomputer/u钱晓捷钱晓捷 陈涛，微型计算机原理及接口技术，陈涛，微型计算机原理及接口技术，北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，1999.11999.1uBarry B.BreyBarry B.Bre

4、y著著 陈谊等译，陈谊等译，Intel Intel系列微处理器结构、编程和接口技术大全系列微处理器结构、编程和接口技术大全 80X8680X86、PentiumPentium和和Pentium ProPentium Pro，北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，1998.11998.1第6页，本讲稿共68页 学习方法很重要复习并掌握先修课的有关内容课堂：听讲与理解、适当笔记课后：认真读书、完成作业实验：充分准备、勇于实践总成绩考试成绩 实验成绩平时成绩学习学习方法方法第7页，本讲稿共68页微机原理及应用-参考文献uu钱晓捷钱晓捷 陈涛，微型计算机原理及接口技术，陈涛，微型计算机原理及接口

5、技术，北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，1999.11999.1uu钱晓捷，汇编语言程序设计（第钱晓捷，汇编语言程序设计（第2 2版），版），北京：电子工业出版社，北京：电子工业出版社，2003.62003.6uu扬季文等，扬季文等，80X8680X86汇编语言程序设计教程，汇编语言程序设计教程，北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，1998.61998.6uu戴梅萼，微型计算机技术及应用，戴梅萼，微型计算机技术及应用，北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，19911991uu扬素行，微型计算机系统原理及应用，扬素行，微型计算机系统原理及应用，北京：清华大学出版社，北京：

6、清华大学出版社，19951995uuBarry B.BreyBarry B.Brey著著 陈谊等译，陈谊等译，IntelIntel系列微处理器结构、编程和接口技术大全系列微处理器结构、编程和接口技术大全80X8680X86、PentiumPentium和和Pentium ProPentium Pro，北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，1998.11998.1第8页，本讲稿共68页微型计算机原理及应用微型计算机原理及应用第1章 微型计算机系统2第2章 微处理器内部结构4第3章 汇编语言基础4第4章 IA-32指令系统6第5章 控制转移和程序结构 8第6章 微处理器外部特性4第7章 存储

7、系统4第8章 输入输出接口4第9章 常用接口技术8第9页，本讲稿共68页1 1、电子计算机发展简史、电子计算机发展简史（1 1）1946-19581946-1958第一代第一代:电子管计算机电子管计算机。磁鼓存储器，机器语言、汇编语言。磁鼓存储器，机器语言、汇编语言编程。世界上第一台电子数字计算机编程。世界上第一台电子数字计算机ENIACENIAC（Electronic Numerical Electronic Numerical Integrator And calculatorIntegrator And calculator），），19461946年由美国宾夕法尼亚大学研制，年由美国宾夕

8、法尼亚大学研制，字长字长1212位，运算速度位，运算速度50005000次次/秒，使用秒，使用1880018800个电子管、个电子管、15001500个继电器，个继电器，功耗功耗150kw150kw，占地，占地170m170m2 2，重达，重达3030吨，造价吨，造价100100万美元。万美元。（2 2）1958-19641958-1964第二代第二代:晶体管计算机晶体管计算机。磁芯作主存储器磁芯作主存储器,磁盘作外存储磁盘作外存储器，开始使用高级语言编程。器，开始使用高级语言编程。（3 3）1964-19711964-1971第三代：集成电路计算机第三代：集成电路计算机。使用。使用。使用。使

9、用半导体存储器，出现多终半导体存储器，出现多终端计算机和计算机网络。端计算机和计算机网络。（4 4）1971-1971-第四代：大规模集成电路计算机第四代：大规模集成电路计算机。出现微型计算机、单片微型计出现微型计算机、单片微型计算机，外部设备多样化。算机，外部设备多样化。（5 5）1981-1981-第五代：人工智能计算机第五代：人工智能计算机。模拟人的智能和交流方式。模拟人的智能和交流方式。第第1 1章章 微型计算机系统微型计算机系统第10页，本讲稿共68页2 2、计算机发展趋势、计算机发展趋势微型化微型化 便携式、低功耗便携式、低功耗高性能高性能 尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高

10、速度尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度智能化智能化 模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力系列化、标准化系列化、标准化 便于各种计算机硬、软件兼容和升级便于各种计算机硬、软件兼容和升级网络化网络化 网络计算机和信息高速公路网络计算机和信息高速公路多机系统多机系统 大型设备、生产流水线集中管理大型设备、生产流水线集中管理(独立控制、独立控制、故障分散、资源共享故障分散、资源共享)第11页，本讲稿共68页1.1 1.1 微处理器发展微处理器发展微处理器微处理器（MPUMPU）：微型计算机的中央处理器，亦称微型计算机的中央处理器，亦称微型计算机的中

11、央处理器，亦称微型计算机的中央处理器，亦称CPUCPU。是把运算器和控制器及其附属电路集成在一个芯片上的是把运算器和控制器及其附属电路集成在一个芯片上的是把运算器和控制器及其附属电路集成在一个芯片上的是把运算器和控制器及其附属电路集成在一个芯片上的VLSIVLSIVLSIVLSI。其基本功能是。其基本功能是。其基本功能是。其基本功能是执行指令执行指令执行指令执行指令，还进行，还进行，还进行，还进行数据传输，控制和指挥其数据传输，控制和指挥其数据传输，控制和指挥其数据传输，控制和指挥其它部件协调工作它部件协调工作它部件协调工作它部件协调工作，从而实现程序设定的任务。连接微机其，从而实现程序设定的

12、任务。连接微机其，从而实现程序设定的任务。连接微机其，从而实现程序设定的任务。连接微机其它部件的各种信号大多数来自微处理器。因此，学习微型它部件的各种信号大多数来自微处理器。因此，学习微型它部件的各种信号大多数来自微处理器。因此，学习微型它部件的各种信号大多数来自微处理器。因此，学习微型计算机原理及应用，首先计算机原理及应用，首先计算机原理及应用，首先计算机原理及应用，首先要掌握微处理器的组成、工作原理，要掌握微处理器的组成、工作原理，要掌握微处理器的组成、工作原理，要掌握微处理器的组成、工作原理，尤其要掌握它的各种信号尤其要掌握它的各种信号尤其要掌握它的各种信号尤其要掌握它的各种信号。微机：

13、微机：微机：微机：以微处理器为核心，配以存储器、输入以微处理器为核心，配以存储器、输入以微处理器为核心，配以存储器、输入以微处理器为核心，配以存储器、输入/输出接口电路及输出接口电路及输出接口电路及输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机。系统总路线所制造出的计算机。系统总路线所制造出的计算机。系统总路线所制造出的计算机。第12页，本讲稿共68页1.1.1 1.1.1 微处理器的历史微处理器的历史微处理器主要性能指标微处理器主要性能指标字长：字长：CPUCPU每个时间单位可处理的二进制的数据位数（如一次运每个时间单位可处理的二进制的数据位数（如一次运算、传输）算、传输）如：如：8 8位机、位机

14、、1616位机、位机、3232位机和位机和6464位机。位机。时钟频率：时钟频率：表明表明CPUCPU的处理速度，反映了微处理器的基本时的处理速度，反映了微处理器的基本时间单位。间单位。相关参数：时钟频率、主频、每秒运算次数相关参数：时钟频率、主频、每秒运算次数 如：如：100MHz100MHz、3.2GHz3.2GHz。集成度：集成度：表明微处理器的生产工艺水平，通常用芯片上集成表明微处理器的生产工艺水平，通常用芯片上集成的晶体管数量来表达。的晶体管数量来表达。第13页，本讲稿共68页实际上，微型计算机性能优劣由它的系统结构、指令系统、硬件组成、外部设备以及软件配备是否齐全等因素决定。只有综

15、合各项指标，才能正确评价与衡量计算机性能高低。下面介绍几项主要评估指标。1.CPU1.CPU字长字长 计算机的字长决定了计算机内部一次可以处理的二进制代码的位数。它决定着计算机的通用寄存器、加法器、数据总线等部件位数，因此，它的长短直接影响硬件成本。字长越长，一个字所能表示的数据精度就越高。在完成同样精度的运算时，字长较长的计算机比字长短的计算机速度快。为了兼顾精度与硬件成本，有些计算机允许采用变字长运算。CPU字长是字节的整数倍，如8、16、32和64位等。第14页，本讲稿共68页 一般情况下，CPU内部数据总线宽度和计算机对外的数据总线宽度是一致的。而有的CPU为了改进运算性能加宽了CPU

16、的内部总线宽度，致使内部字长和对外数据总线宽度不一致。如Intel 8088微处理器就是内部总线宽度为16、而对外的数据总线宽是8位的芯片。对这类芯片称之为“准位”芯片。因此Intel 8088就称为准16位芯片。2.内存储器容量与速度内存储器容量与速度 内存储器容量是衡量它存储二进制信息量大小的一个重要指标。微型计算机中常用字节表示内存储器容量，如64 MB（兆字节）。内存储器容量常常有一个变化范围，同一型号微型计算机，能配备的内存储器容量大小也有一个变化范围。第15页，本讲稿共68页 内存的速度用存取周期来衡量。存储器执行一次完整的读写操作所需要的时间称为存取周期。半导体集成电路存储器的存

17、取周期目前约为几十纳秒（ns）。3.CPU指令执行时间指令执行时间 指令执行时间的长短反映了CPU运算速度的快慢。因为执行不同的指令所需的时间不同，这就产生了如何评估计算速度的问题。常用方法有两种：(1)根据不同类型指令在计算过程中出现的频繁程度乘上不同系数，求得统计平均值。这里所指的运算速度为平均速度MIPS（Millions of Instructions Per second），即百万条指令秒作单位。(2)直接给出CPU的时钟频率(主频)。时钟频率在很大程度上决定了计算机的运算速度。如80486时钟频率在3366 MHz，Pentium则在60133 MHz，Pentium MMX CP

18、U时钟频率为230 MHz以上。第16页，本讲稿共68页1.1.通用微处理器通用微处理器19711971年，美国年，美国IntelIntel公司研究并制造了公司研究并制造了I4004I4004微处理器微处理器芯片。该芯片能同时处理芯片。该芯片能同时处理4 4位二进制数，集成了位二进制数，集成了23002300个个晶体管，每秒可进行晶体管，每秒可进行6 6万次运算，成本约为万次运算，成本约为200200美元。美元。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4MCS-4计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。计算机，标志了世界第一台微型计

19、算机的诞生。第17页，本讲稿共68页第一代第一代4位和低档位和低档8位机位机Intel 4004第二代第二代中高档中高档8位机位机8080/8085、Z80、MC6800第三代第三代16位机位机Intel 8086、Z8000、MC6800第四代第四代32位机位机80386、80486第五代第五代64位机位机（1971-1973）（1974-1978）（1978-1981）（1981-2000）（2001后）后）特点：特点：1、芯片的发展遵循、芯片的发展遵循 摩尔定律摩尔定律2、速度越来越快。、速度越来越快。3、容量越来越大。、容量越来越大。4、功能越来越强。、功能越来越强。图片示例图片示例第

20、18页，本讲稿共68页2.2.专用微处理器专用微处理器单片机，数字信号处理器单片机，数字信号处理器（1 1）单片机（微控制器，嵌入式处理器，）单片机（微控制器，嵌入式处理器，MCUMCU）采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器处理器CPUCPU、随机存储器、随机存储器RAMRAM、只读存储器、只读存储器ROMROM、多种、多种I/OI/O口和中口和中断系统、定时器断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、宽调制电路、模拟多路转换器、A/DA/D转换器

21、等电路）集成到一块转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。代表芯片：代表芯片：1976-19781976-1978：Intel MCS-48Intel MCS-481978-19821978-1982：MCS-51 MCS-51 Atml AT89 Atml AT89 Microchip Technology PIC Microchip Technology PIC1982-1982-：MCS-96/98MCS-96/98（1616位）位）AT91 AT91（3232位）位）第22页，本讲稿共68页单片机为工业测控而设计，具有三高优势

22、单片机为工业测控而设计，具有三高优势(集成度高、可集成度高、可靠性高、性价比高靠性高、性价比高)。主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。通讯设备、家用电器等。特别适合于嵌入式微型机应用系统。特别适合于嵌入式微型机应用系统。单片机开发系统有单片单板机和仿真器。实现单片机应用系单片机开发系统有单片单板机和仿真器。实现单片机应用系统的硬、软件开发。统的硬、软件开发。第23页，本讲稿共68页（2）数字信号处理(简称DSP)是一种独特的是一种独特的微控制器微控制器，是以数字信号来处理大，是以数字信号来处理大量信息的器

23、件。其工作原理是接收量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号模拟信号，转换为，转换为0 0或或1 1的的数字信号数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。环境格式。即专注于数字信号的高速处理，内部集成有高速乘法即专注于数字信号的高速处理，内部集成有高速乘法器，能进行快速乘法和加法运算。器，能进行快速乘法和加法运算。典型应用和代表产品典型应用和代表产品 第24页，本讲稿共68页（3）嵌入式系统利用利用利用利用MCUMCUMCUMCU、DSPDSPDSPDSP

24、或通用或通用或通用或通用MPUMPUMPUMPU，结合具体应用就可以，结合具体应用就可以，结合具体应用就可以，结合具体应用就可以构成一个控制系统，如当前的主要应用形式就是嵌构成一个控制系统，如当前的主要应用形式就是嵌构成一个控制系统，如当前的主要应用形式就是嵌构成一个控制系统，如当前的主要应用形式就是嵌入式系统。入式系统。入式系统。入式系统。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成并且软硬件可裁剪，适用

25、于应用系统对功能、可靠性、成并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控户的应用程序等四个部分

26、组成，用于实现对其他设备的控户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。制、监视或管理等功能。制、监视或管理等功能。制、监视或管理等功能。第25页，本讲稿共68页 嵌入式系统是将计算机直接嵌入至应用系统中，是信息技术的最终产品。嵌入式系统随着应用方式不同，可有IP（Intellectual Property）级、芯片级和模块级等3中不同体系结构形式。嵌入式系统采用“量体裁衣”的方式可把所需的功能（IP单元、芯片MCU、RAM、ROM、I/O等、模块等）嵌入至各种应用系统。第26页，本讲稿共68页IPIP级：级：把不同

27、的把不同的IPIP单元，根据应用的要求集成在一块芯片中，单元，根据应用的要求集成在一块芯片中，也就是片上系统也就是片上系统SOCSOC（System On ChipSystem On Chip）的形式。各种嵌入式）的形式。各种嵌入式软件也可以以软件也可以以IPIP的方式集成在芯片中。的方式集成在芯片中。芯片级：芯片级：根据各种根据各种ITIT的产品（应用系统）的要求，可以选用相的产品（应用系统）的要求，可以选用相应的处理器（应的处理器（MCUMCU、DSPDSP、RISCRISC型型MPUMPU）芯片、）芯片、RAMRAM、ROMROM（EPROM/EEPROM/FlashEPROM/EEPR

28、OM/Flash）及）及I/OI/O接口芯片等组成相应的接口芯片等组成相应的嵌入式系统；相应的系统软件嵌入式系统；相应的系统软件/应用软件也以固件形式固化应用软件也以固件形式固化在在ROMROM中。这是目前嵌入式系统最常见的形式。中。这是目前嵌入式系统最常见的形式。模块级：模块级：以以X86X86处理器构成的计算机系统模块嵌入到应用系统中，这处理器构成的计算机系统模块嵌入到应用系统中，这样可充分利用目前常用的样可充分利用目前常用的PCPC机的通用性和便利性。不过，此方式机的通用性和便利性。不过，此方式不但要缩小体积、增加可靠性，而且要把操作系统不但要缩小体积、增加可靠性，而且要把操作系统OSO

29、S改造为嵌入改造为嵌入式操作系统式操作系统OSOS，把应用软件固化在固态盘中。此种嵌入式系统较，把应用软件固化在固态盘中。此种嵌入式系统较多出现在工业控制和仪器仪表中。多出现在工业控制和仪器仪表中。第27页，本讲稿共68页微处理器产生以来，就一只沿着通用微处理器产生以来，就一只沿着通用CPUCPU、微控制器、微控制器、DSPDSP芯片三个方向发展。芯片三个方向发展。三类处理器三类处理器基本原理：一样，但各有特点基本原理：一样，但各有特点技术：借鉴交融技术：借鉴交融应用：不同应用：不同学习通用微处理器学习通用微处理器80 x8680 x86及其及其PCPC微机，是微机，是学习其它微处理器的基础。

30、学习其它微处理器的基础。第28页，本讲稿共68页1.1.2 Intel80 x86系列微处理器IntelIntel是最早、目前影响最大的微处理器生产厂家，是最早、目前影响最大的微处理器生产厂家，80 x8680 x86系列微处理器是个人微机主流微处理器，其发系列微处理器是个人微机主流微处理器，其发展是微机发展的一个缩影。展是微机发展的一个缩影。1.80861.808680868086是第一款面世的是第一款面世的X86 CPUX86 CPU，可以使用外部，可以使用外部2020位地位地址总线管理址总线管理1MB1MB的内存，数据总线的内存，数据总线1616位，主频约位，主频约5MHz5MHz。80

31、888088是是80868086的衍生品，仅有的衍生品，仅有8 8位（外部）数据总线。位（外部）数据总线。对外引脚（对外引脚（PINPIN）用于与其它电路进行连接。）用于与其它电路进行连接。处理器总线：数据、地址、控制总线。处理器总线：数据、地址、控制总线。第29页，本讲稿共68页数据总线DB用于传送数据信息，在CPU和存储器或IO接口等部件之间传输数据。数据总线的位数是一次能够传送数据的二进制位数，通常与微处理的字长相一致。地址总线AB是用来指定存储器或外设的具体单元，其位数决定了CPU可直接寻址的内存空间或外设范围的大小，比如16位微型机的地址总线为20位，其可寻址空间为2201MB。一般

32、来说，若地址总线为n位，则可寻址空间为2n字节。控制总线CB用来传送控制信号和时序信号，如读写信号，片选信号、中断响应信号、中断申请信号、复位信号、总线请求信号、设备就绪信号等。控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。第30页，本讲稿共68页2.802862.80286发布于发布于19821982年，年，1616位字长，地址总线位字长，地址总线2424位，支持位，支持16MB16MB内存。内存。在同频率下性能三倍于在同频率下性能三倍于80868086处理器。处理器。它是第一款带有它是第一款带有MMUMMU（内存管理单元，（内存管理单元，memory

33、 memory management unitmanagement unit）模块的处理器，可以管理虚拟内存。和）模块的处理器，可以管理虚拟内存。和80868086一样，它也没有浮点运算单元（一样，它也没有浮点运算单元（FPUFPU），不过它可以使），不过它可以使用用X87X87协处理器。协处理器。实地址方式与实地址方式与8086/80888086/8088工作原理类似，工作原理类似，CPUCPU只能访问只能访问存储空间的最低存储空间的最低1MB1MB。保护方式下，保护方式下，286286提供了提供了存储管理、保护机制和多任务存储管理、保护机制和多任务存储管理、保护机制和多任务存储管理、保护机

34、制和多任务管理管理管理管理的硬件支持，这些原来由操作系统实现的功能在处理器硬的硬件支持，这些原来由操作系统实现的功能在处理器硬件支持下，使微机系统的性能得到极大提高。件支持下，使微机系统的性能得到极大提高。第31页，本讲稿共68页3 3803861985803861985年年（1）32位微处理器，有32条数据总线，能灵活处理 8 位、16 位和 32 位 3 种数据类型，能提供 32 位的指令寻址能力和 32 位的外部总线接口单元。其地址总线 32 条，能寻址 4 GB的物理存储器空间。（2）时钟频率有16，25和33MHz。（3）非常成功的32位微处理器，被Intel公司确定为后来开发的80

35、 x86系列微处理器的标准，称为Intel Architecture-32(IA-32)。32位指令系统兼容16位的。第32页，本讲稿共68页（3 3）具有实地址方式、保护方式和虚拟）具有实地址方式、保护方式和虚拟80868086方式。方式。实地址方式下，实地址方式下，80386 80386 的操作像一个极快的的操作像一个极快的 8086 8086，不同的是如果需要，可以扩展到，不同的是如果需要，可以扩展到 32 32 位。保护虚拟位。保护虚拟地址方式与地址方式与 80286 80286 相类似，支持多任务模式，但是相类似，支持多任务模式，但是 80386 80386 保护虚地址方式下保护虚地

36、址方式下CPUCPU可以访问可以访问4GB4GB的物理存储的物理存储器器(实存实存)。在虚拟。在虚拟 8086 8086 方式下方式下,类似类似80868086工作方式但工作方式但又接受保护方式的管理，能模拟多个又接受保护方式的管理，能模拟多个 8086 8086处理器。处理器。DOSDOS实方式实方式WindowsWindows保护方式保护方式Windows-DOSWindows-DOS 虚拟虚拟80868086方式方式 （4 4）19901990年年在低功耗节能型芯片中，增加系统管理在低功耗节能型芯片中，增加系统管理方式（方式（SMMSMM）工作状态：）工作状态：CPUCPU本身或控制其它

37、部件自动本身或控制其它部件自动减速运行或停止工作，降低能耗。减速运行或停止工作，降低能耗。第33页，本讲稿共68页4.804861989年（1 1 1 1）芯片上集成部件多。）芯片上集成部件多。）芯片上集成部件多。）芯片上集成部件多。80386803868038680386微处理器微处理器微处理器微处理器+80387+80387+80387+80387数学协数学协数学协数学协处理器处理器处理器处理器+8KB+8KB+8KB+8KB数据高速缓存等多个部件。数据高速缓存等多个部件。数据高速缓存等多个部件。数据高速缓存等多个部件。（2 2 2 2）数学协处理器：协助微处理器处理浮点数据，也叫浮点处）

38、数学协处理器：协助微处理器处理浮点数据，也叫浮点处）数学协处理器：协助微处理器处理浮点数据，也叫浮点处）数学协处理器：协助微处理器处理浮点数据，也叫浮点处理单元理单元理单元理单元8087808780878087，80287802878028780287，80387803878038780387。（3 3 3 3）高速缓存：）高速缓存：）高速缓存：）高速缓存：CPUCPUCPUCPU与主存之间速度很快但容量较小的存与主存之间速度很快但容量较小的存与主存之间速度很快但容量较小的存与主存之间速度很快但容量较小的存储器，可以有效地提高整个存储系统的存取速度。储器，可以有效地提高整个存储系统的存取速度。

39、储器，可以有效地提高整个存储系统的存取速度。储器，可以有效地提高整个存储系统的存取速度。片内片内片内片内L1 CacheL1 CacheL1 CacheL1 Cache，片外，片外，片外，片外L2 CacheL2 CacheL2 CacheL2 Cache。（4 4 4 4）首次增加）首次增加）首次增加）首次增加RISCRISCRISCRISC技术：与技术：与技术：与技术：与CISCCISCCISCCISC技术融合。技术融合。技术融合。技术融合。（5 5 5 5）采用指令流水线技术。）采用指令流水线技术。）采用指令流水线技术。）采用指令流水线技术。（6 6 6 6）486 DX4486 DX4

40、486 DX4486 DX4采用倍频技术，采用倍频技术，采用倍频技术，采用倍频技术，CPUCPUCPUCPU内部时钟是外部数据传输内部时钟是外部数据传输内部时钟是外部数据传输内部时钟是外部数据传输频率的多倍，既能尽量提高频率的多倍，既能尽量提高频率的多倍，既能尽量提高频率的多倍，既能尽量提高CPUCPUCPUCPU的时钟频率，又能迁就较的时钟频率，又能迁就较的时钟频率，又能迁就较的时钟频率，又能迁就较慢的外围部件、主板等。慢的外围部件、主板等。慢的外围部件、主板等。慢的外围部件、主板等。第34页，本讲稿共68页5.Pentium1993年年内频120、133、166、200MHz，外频60、6

41、6MHz，32位结构，但外部数据总线64位，存取主存速度高。（1）采用超标量指令流水线结构，内部具有可并行工作的2条整数处理流水线。（2）双重分离式高速缓存，指令和数据缓存分开，各为8KB。（3）高性能的浮点运算器。包含了专用的加法、乘法、除法单元。（4）常用RISC指令直接用硬件电路实现，指令微代码改进。（5）分支指令预测。（6）与80X86系列微处理器完全兼容。第35页，本讲稿共68页6.6.PentiumPentium ProPro19951995年年在体系结构的设计中采用了许多新的思想和新的技术，体在体系结构的设计中采用了许多新的思想和新的技术，体现在以下几个方面：现在以下几个方面：1

42、 1）精简指令集技术精简指令集技术精简指令集技术精简指令集技术更多地运用了更多地运用了RISCRISC结构的设计思想，把结构的设计思想，把CISCCISC结构的指令分结构的指令分解为若干像解为若干像RISCRISC指令的微操作，使它能在流水线上并行地指令的微操作，使它能在流水线上并行地执行，以提高性能。这样既保持了同以往的执行，以提高性能。这样既保持了同以往的80X8680X86微处理器微处理器的兼容性，同时又采用的兼容性，同时又采用RISCRISC技术提高了指令的运行速度。技术提高了指令的运行速度。2 2）二级缓冲结构）二级缓冲结构）二级缓冲结构）二级缓冲结构在一个封装内包含两个芯片，一个是

43、在一个封装内包含两个芯片，一个是CPUCPU内核，包括两内核，包括两个个8KB8KB的的L1L1 CacheCache(一级高速缓存一级高速缓存)；另一个是；另一个是L2 L2 CacheCache(二级高速缓存二级高速缓存)，容量为，容量为256KB256KB。L2 L2 CacheCache由全由全速总线同速总线同CPUCPU内核相连，从而提高了程序的运行速度。内核相连，从而提高了程序的运行速度。第36页，本讲稿共68页3 3）乱序执行和预测执行技术）乱序执行和预测执行技术）乱序执行和预测执行技术）乱序执行和预测执行技术 采用最新的指令动态执行技术采用最新的指令动态执行技术(乱序执行技术乱

44、序执行技术)，即指，即指令不必按照程序为它规定的顺序执行，只要执行条件具令不必按照程序为它规定的顺序执行，只要执行条件具备就可以执行。对转移指令，它采用一种预测执行技术，备就可以执行。对转移指令，它采用一种预测执行技术，即对程序不同的分支进行预测，按预测结果调整指令执即对程序不同的分支进行预测，按预测结果调整指令执行顺序。由于预测不一定完全正确，因而带有一定的风行顺序。由于预测不一定完全正确，因而带有一定的风险，又称为险，又称为“风险执行风险执行”。乱序执行同预测执行结合，允许。乱序执行同预测执行结合，允许CPUCPU使指令流能最有效地利用内部资源。使指令流能最有效地利用内部资源。4 4）3

45、3路超标量和路超标量和路超标量和路超标量和1414级超流水线结构级超流水线结构级超流水线结构级超流水线结构 具有具有3 3路超标量结构，同时又具有路超标量结构，同时又具有12-1412-14级超级流水线结级超级流水线结构，将任意一条指令的全部执行分成构，将任意一条指令的全部执行分成1414个指令步，这从另一个指令步，这从另一个角度提高了处理器的并行处理能力。个角度提高了处理器的并行处理能力。第37页，本讲稿共68页5 5）寄存器重命名技术）寄存器重命名技术）寄存器重命名技术）寄存器重命名技术 为保持与其他为保持与其他80X8680X86在目标代码级的兼容性，仍使用在目标代码级的兼容性，仍使用I

46、AIA指令和指令和IAIA寄存器。由于寄存器。由于IAIA寄存器少，只有寄存器少，只有1616个通用寄存器个通用寄存器(8(8个个3232位通用位通用寄存器和寄存器和8 8个浮点寄存器个浮点寄存器)，这使得相近的两条指令争用同一寄存，这使得相近的两条指令争用同一寄存器的可能性增大，不利于超标量流水线的执行。为此，器的可能性增大，不利于超标量流水线的执行。为此，PentiumPentiumPentiumPentium ProProProPro参照参照RISCRISC类寄存器的多通用寄存器特点，在内部配备了类寄存器的多通用寄存器特点，在内部配备了4040个个内部寄存器。采用寄存器重命名技术将内部寄

47、存器。采用寄存器重命名技术将IAIA指令使用的指令使用的IAIA寄存器映寄存器映射成微操作使用的射成微操作使用的PentiumPentiumPentiumPentium ProProProPro内部寄存器，这样可以极大地消内部寄存器，这样可以极大地消除指令的数据相关性。除指令的数据相关性。第38页，本讲稿共68页7.Pentium II1999年Pentium MMX（带有MMX技术的Pentium）是在1996年底发布的，在原Pentium的基础上进行了重大的改进，特别是新增加了57条MMX多媒体指令，专门用来处理音频、视频等数据，可以大大缩短CPU在处理多媒体数据时的等待时间。Pentiu

48、m II增大了一级缓存，采用双重独立总线结构，512KB L2缓存工作于CPU半速，封装在CPU外壳内部，不再像之前那样集成在主板上或者处理器内。Pentium II支持MMX（SIMD）指令第39页，本讲稿共68页8.Pentium III8.Pentium III19991999年，年，Intel Intel 发布了发布了Pentium IIIPentium III，在，在Pentium Pentium IIII基础上基础上新增的SSE指令集包括了70条指令，其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD(单指令多数据技术)浮点运算指令、12条MMX 整数运算增强指令、8条优化内存中连续数据

49、块传输指令。理论上这些指令对目前流行的图像处理、浮点运算、3D运算、视频处理、音频处理等诸多多媒体应用起到全面强化的作用。之后不久，Intel Intel 推出了Pentium III Coppermine，内建 256KB L2 全速缓存，该处理器的性能在Pentium III的基础上得到了进一步增强。第40页，本讲稿共68页9.Pentium 49.Pentium 4 2000年11月 微处理器性能的提高依赖于半导体工艺水平和先进体系结构，前者决定了芯片的集成度和可达到的时钟频率，后者决定了在相同的集成度和时钟频率下微处理器的执行效率。微处理器的内部结构称为微（体系）结构。Pentium

50、4 Pentium 4采用全新的采用全新的NetBurstNetBurst微结构，超级流水线达微结构，超级流水线达2020级，级，开始支持开始支持SSE2SSE2指令集。指令集。SSE2 SSE2指令集是在指令集是在SSESSE指令集的基础上发展起来的，使指令集的基础上发展起来的，使用了用了144144个新增指令，扩展了个新增指令，扩展了MMXMMX技术和技术和SSESSE技术，有效提技术，有效提升了升了CPUCPU运行性能。运行性能。相比于相比于SSE2SSE2，SSE3SSE3在在SSE2SSE2的基础上又增加了的基础上又增加了1313个额外的个额外的SIMDSIMD指令。指令。SSE3