微机原理及应用幻灯片.ppt

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1、微机原理及应用第1页，共68页，编辑于2022年，星期六微机 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，共68页，编辑于2022年，星期六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必修课以技术为主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，共68页，编辑于2022年，星期六先修课程数字逻辑或数字电路提供

2、硬件基础提供硬件基础计算机组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DOS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，共68页，编辑于2022年，星期六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，共68页，编辑于2022年，星期六学习方法建议学习方法建议n复习并掌握先修课

3、的有关内容复习并掌握先修课的有关内容n课堂：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，1999.11999.1uBar

4、ry B.BreyBarry B.Brey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，共68页，编辑于2022年，星期六 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，共68页，编辑于2022年，星期六微机原理及应用-参考

5、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

6、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：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，共68页，编辑于2022年，星期六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

7、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，共68页，编辑于2022年，星期六1 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。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语言编程。世界上第一台电子数字计算机ENIACENIAC（Electronic Numerical Electronic Numerical Integrator And calcula

8、torIntegrator And calculator），），19461946年由美国宾夕法尼亚大学研制，字长年由美国宾夕法尼亚大学研制，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，功耗个继电器，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,磁盘作外存储器，开磁盘作外存储器，开始使用高级语言编程。始使用高级语

9、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。使用半导体存储器，出现多终端半导体存储器，出现多终端计算机和计算机网络。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、单出现微型计算机、单片微型计算机，外部设备多样化。片微型计算机，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，共68页，编辑于2022年，

10、星期六2 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，共68页，编辑于2

11、022年，星期六1.1 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央处理器，亦称微型计算机的中央处理器，亦称CPU。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，控制和指挥其它部数据传输，控制和指挥其它部

12、数据传输，控制和指挥其它部数据传输，控制和指挥其它部件协调工作件协调工作件协调工作件协调工作，从而实现程序设定的任务。连接微机其它部，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，学习微型计算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：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

13、，配以存储器、输入/输出接口输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机。电路及系统总路线所制造出的计算机。第12页，共68页，编辑于2022年，星期六1.1.1 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）运算、传输）如：如：8 8位机、位机、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间的处理速度，反映了微处理器的基本时间单位。单位。相关参数：时钟

14、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，共68页，编辑于2022年，星期六实际上，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

15、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，共68页，编辑于2022年，星期六 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

16、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，共68页，编辑于2022年，星期六 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

17、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 CPU时钟频率为230 MHz以上。第16页，共68页，编辑于2022年，星期六1.1.通用微处理器通用微处理器19711971年，美国年，美国

18、IntelIntel公司研究并制造了公司研究并制造了I4004I4004微处理器芯片。微处理器芯片。该芯片能同时处理该芯片能同时处理4 4位二进制数，集成了位二进制数，集成了23002300个晶体管，每个晶体管，每秒可进行秒可进行6 6万次运算，成本约为万次运算，成本约为200200美元。它是世界上第一美元。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4MCS-4计算机，标志了计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。世界第一台微型计算机的诞生。第17页，共68页，编辑于2022年，星期六第一代第一代4位和低档位和低档8位机位机Intel 4004第二

19、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18页，共68页，编辑于2022年，星期六2.2.专用微处理器专用微处理器单片机，数字信号处理器单片

20、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处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口和中断系统、口和中断系统、定时器定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、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、模拟多路转换器、A/DA/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善

21、的计算机系统。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，共68页，编辑于2022年，星期六单片机为工业测控而设计，具有三高优势单片机为工业测控而设计，具有三高优势(集成度高、可靠性集成度

22、高、可靠性高、性价比高高、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特别适合于嵌入式微型机应用系统。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，共68页，编辑于2022年，星期六（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，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件。其工作原理是接收量信息的器件。其工作原理是接

23、收模拟信号，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。乘法器，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，共68页，编辑于2022年，星期六（3）嵌入式系统利用利用MCUMCU、DSPDSP或通用或通用MPUMPU，结合具体应用就可以，结合具体应用就可以构成

24、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。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

25、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，共68页，编辑

26、于2022年，星期六 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，共68页，编辑于2022年，星期六IPIP级：级：把不同的把不同的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

27、。各种嵌入）的形式。各种嵌入式软件也可以以式软件也可以以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，可以选用相应的处理的产品（应用系统）的要求，可以选用相应的处理器（器（MCUMCU、DSPDSP、RISCRISC型型MPUMPU）芯片、）芯片、RAMRAM、ROMROM（EPROM/EEPROM/FlashEPROM/EEPROM/Flash）及）及I/OI/O接口芯片等组成相应的嵌入式系接口芯片等组成相应的嵌入式系统；相应的系统软件统；相应的系统软件/应用软件也以固件形式固化在应用软件也以固件形式固化在ROMROM中。这

28、是目中。这是目前嵌入式系统最常见的形式。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，而且要把操作系统式不但要缩小体积、增加可靠性，而且要把操作系统OSOS改造为改造为嵌入式操作系统嵌入式操作系统OSOS，把应用软件固化在固态盘中。此种嵌入式，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。系统较多出现在工业控制和仪器仪表中。第

29、27页，共68页，编辑于2022年，星期六微处理器产生以来，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。学习其它微处理器的基础。第28页，共68页，编辑于2022年，星期六1.1.2 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

30、、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，其发展是微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。机发展的一个缩影。1.80861.80868086是第一款面世的X86 CPU，可以使用外部20位地址总线管理1MB的内存，数据总线16位，主频约5MHz。8088是8086的衍生品，仅有8位（外部）数据总线。对外引脚（PIN）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，共68页，编辑于2022年，星期六数据总线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

31、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，共68页，编辑于2022年，星期六2.802862.80286发布于发布于1

32、9821982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内内存。在同频率下性能三倍于存。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 memory management unitmanagement unit）模块的处理器，可以管理虚拟内存。）模块的处理器，可以管理虚拟内存。和和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），不过它可以使用以使用X87X87协处理器。协处理器。实地址方式与实地址方式与808

33、6/80888086/8088工作原理类似，工作原理类似，CPUCPU只能访问存只能访问存储空间的最低储空间的最低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。硬件支持下，使微机系统的性能得到极大提高。第31页，共68页，编辑于2022年，星期六3 3803861985803861985年年（1）32位微处理器，有32条数据

34、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 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，共68页，编辑于2022年，星期六（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 8038

35、6 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。保护虚拟地址位。保护虚拟地址方式与方式与 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址方式下CPUCPU可以访问可以访问4GB4GB的物理存储器的物理存储器(实存实存)。在虚拟在虚拟 8086 8086 方式下方式下,类似类似80868086工作方式但又接受保护方工作方式但又接受保护方式的管理，能模拟多个式的管理，能模拟多个 8086 8086处理器。处理器。DOSDOS实

36、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，增加系统管理方在低功耗节能型芯片中，增加系统管理方式（式（SMMSMM）工作状态：）工作状态：CPUCPU本身或控制其它部件自动减速运本身或控制其它部件自动减速运行或停止工作，降低能耗。行或停止工作，降低能耗。第33页，共68页，编辑于2022年，星期六4.804861989年（1 1）芯片上集成部件多。）芯片上集成部件多。8038680386微处理器微处理器+80387+80387数学协数学协处理器处理器+8

37、KB+8KB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）数学协处理器：协助微处理器处理浮点数据，也叫浮）数学协处理器：协助微处理器处理浮点数据，也叫浮）数学协处理器：协助微处理器处理浮点数据，也叫浮点处理单元点处理单元点处理单元点处理单元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储器，与主存之间速度很快但容量较小的存储器，与主存之间

38、速度很快但容量较小的存储器，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。可以有效地提高整个存储系统的存取速度。可以有效地提高整个存储系统的存取速度。可以有效地提高整个存储系统的存取速度。片内片内L1 CacheL1 Cache，片外，片外L2 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。

39、（6 6）486 DX4486 DX4采用倍频技术，采用倍频技术，CPUCPU内部时钟是外部数据传内部时钟是外部数据传输频率的多倍，既能尽量提高输频率的多倍，既能尽量提高CPUCPU的时钟频率，又能迁的时钟频率，又能迁就较慢的外围部件、主板等。就较慢的外围部件、主板等。第34页，共68页，编辑于2022年，星期六5.Pentium1993年年内频120、133、166、200MHz，外频60、66MHz，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

40、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，共68页，编辑于2022年，星期六6.6.Pentium 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，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：体现在以下几个方面：1 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结构的指令分解结构的指令分解为若干像为若干

41、像RISCRISC指令的微操作，使它能在流水线上并行地执行，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以提高性能。这样既保持了同以往的80X8680X86微处理器的兼容微处理器的兼容性，同时又采用性，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）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 Cache(一级高速缓存)；另一个是L2 CacheCache(二级高速缓存二级高速缓存)，容量为，容量为256KB256KB。L

42、2 L2 CacheCache由全速总线同CPU内核相连，从而提高了程序的运行速度。第36页，共68页，编辑于2022年，星期六3 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(乱序执行技术乱序执行技术)，即指令不，即指令不必按照程序为它规定的顺序执行，只要执行条件具备就可以执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，即对程序不同的行。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行顺序。由于预测不

43、一分支进行预测，按预测结果调整指令执行顺序。由于预测不一定完全正确，因而带有一定的风险，又称为定完全正确，因而带有一定的风险，又称为“风险执行风险执行”。乱。乱序执行同预测执行结合，允许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使指令流能最有效地利用内部资源。部资源。4 4）3 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3路超标量结构，同时又具有12-14级超级流水线结构，将任意一条指令的全部执行分成14个指令步，这从另一个角度提高了处理器的并行处理能力。第37页，共68页，编辑于2022年，星期六5 5

44、）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IAIA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位通用寄存器和位通用寄存器和8 8个浮点寄存器个浮点寄存器)，这使得相近的两条，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，执行。为此，PentiumPentiumPentiumPentium Pr

45、oProProPro参照RISC类寄存器的多通用寄存器特点，在内部配备了40个内部寄存器。采用寄存器重命名技术将IA指令使用的IA寄存器映射成微操作使用的PentiumPentiumPentiumPentium ProProProPro内部寄存器，这样可以极大地消除指令的数据相内部寄存器，这样可以极大地消除指令的数据相关性。关性。第38页，共68页，编辑于2022年，星期六7.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

46、，可以大大缩短CPU在处理多媒体数据时的等待时间。Pentium 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，共68页，编辑于2022年，星期六8.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

47、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，共68页，编辑于2022年，星期六9.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

48、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 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，开始支持级，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，使用了指令集的基础上发展起来的，使用了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，有效提升了技术，有效提升了CPUCPU运行性运行性能。能。相比于相比于SSE2SSE2，SSE3SSE3在在SSE2

49、SSE2的基础上又增加了的基础上又增加了1313个额外个额外的的SIMDSIMD指令。指令。SSE3 SSE3 中中1313个新指令的主要目的是改进线程个新指令的主要目的是改进线程同步和特定应用程序领域，例如多媒体和游戏。同步和特定应用程序领域，例如多媒体和游戏。第41页，共68页，编辑于2022年，星期六并行技术指令级并行：指令之间并行；指令级并行：指令之间并行；线程级并行：超线程技术。线程级并行：超线程技术。线程，一段运行的程序。超线程（线程，一段运行的程序。超线程（HTHT）技术使软件能）技术使软件能够将一个处理器够将一个处理器“视为”两个处理器。软件应用可被写两个处理器。软件应用可被写

50、成具有多个代码段（称为成具有多个代码段（称为“线程”），以充分利用这项），以充分利用这项技术。超线程（技术。超线程（HTHT）技术允许处理器同时执行两个单独）技术允许处理器同时执行两个单独的线程，从而显著提升了系统在同时运行两个或多个应的线程，从而显著提升了系统在同时运行两个或多个应用时的性能。用时的性能。第42页，共68页，编辑于2022年，星期六Intel还推出了多种80 x86芯片，如：低端：Celeron服务器：Xeon竞争和兼容厂商：AMD发展：单芯片多处理器SMP技术生产多核微 处理器；推广64位微处理器芯片。第43页，共68页，编辑于2022年，星期六小结第45页，共68页，编辑