微机系统组成及原理.ppt

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1、微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学第一章 微机系统组成及原理1.1 信息在计算机中的表示1.2 计算机发展概况1.3 微机系统结构与工作原理1.4 微机硬件1.5 微机软件1.6 嵌入式系统微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学1.1.1 1.1.1 计算机中的数据类型 计算机中的数据类型位（Bit）、字节（Byte）、字（Word）、双字（Doubleword）、四字（Quardword）1 bit=1个二进制位1 Byte=8 bit1 Word=2 Byte 1 Doubleword=2 Word=4 Byte1 Quardword=4 Word0

2、1101100 01111110 10101100 11110000 01010011bit(1B)Byte(53H)Word(0F053H)Doubleword(7EACF053H)Quardword低字节高字节高字低字1.1 1.1信息在计算机中的表示 信息在计算机中的表示微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学1FA4230BH（双字）双字地址230BH（字）字地址31H31HCBHCBH74H74H0BH0BH23H23HA4HA4H1FH1FH36H36H06H06HFEHFEH7AH7AH00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH0CH

3、0DH31H（字节）74CBH（字）数据在内存的存储方式字节地址字地址7AFE06361FA4230BH（四字）四字地址数据在微机(INTEL)中存放的原则是低地址放低字节，高地址放高字节微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学1.1.2 机器数与真值u 对于带符号数（二进制表示），计算机用最高位表示符号：“0”表示正，“1”表示负，余下的位表示值。u 符号被数码化的带符号数称为机器数。常用原码、反码和补码表示。u 微机中用补码表示带符号数u 例：+22106=101 0110 0101 1010B为真值 而相应的机器数为0101 0110 0101 1010B=565BH微机

4、系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学1.1.3 原码、反码与补码(2n 1)为n个1，(2n 1)-|x|为|x|的反码，所以求负数的补码可按“按位取反，末位加1”的方法进行。x补=x2n-|x|(x=0微机中用补码表示带符号数利用补码将减法运算转化为加法运算：X=X补补X+Y补=X补+Y补X-Y补=X补+-Y补微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学原码、反码与补码之间的关系若若X0X0，则，则XX补补=X=X反反=X=X原原若若X0X0，则则XX反反=XX原原的的数值位数值位按位求反。按位求反。XX补补=XX反反+1+1X=52=110100BX=52=11

5、0100B X X原原=110110100B0110100B X X反反=111001011B1001011B X X补补=X=X反反+1=+1=111001100B1001100B例：原码、反码、补码微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学例：真值的求解将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。1)X 1)X补补=00 0101110B 0101110B 真值为：真值为：+0101110B+0101110B 正数正数 所以：所以：X=+46X=+46 2)X 2)X补补=11 1010010B 1010010B 负数负数 X=X X=

6、X补补补补=11010010=11010010补补=-0101110B0101110B 所以：所以：XX=-46 46微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学8 8位二进制数 位二进制数 十六进制数 十六进制数 无符号数 无符号数 原码 原码 补码 补码 反码 反码00000000 00000000 00H 00H 0 0+0+0+0+0+0+000000001 00000001 01H 01H 1 1+1+1+1+1+1+100000010 00000010 02H 02H 2 2+2+2+2+2+2+2 01111101 01111101 7DH 7DH 125 125+1

7、25+125+125+125+125+12501111110 01111110 7EH 7EH 126 126+126+126+126+126+126+12601111111 01111111 7FH 7FH 127 127+127+127+127+127+127+12710000000 10000000 80H 80H 128 128-0-0-128-128-127-12710000001 10000001 81H 81H 129 129-1-1-127-127-126-12610000010 10000010 82H 82H 130 130-2-2-126-126-125-125 1111

8、1101 11111101 FDH FDH 253 253-125-125-3-3-2-211111110 11111110 FEH FEH 254 254-126-126-2-2-1-111111111 11111111 FFH FFH 255 255-127-127-1-1-0-0微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学1.1.4 定点数与浮点数 定点数小数点位置固定（例如纯整数和纯小数）浮点数小数点位置不固定（充分利用有限位数，扩大数的表示范围和精度）浮点数的表示方法 S S E E1 1 E E2 2 E E3 3 E E4 4 E Ei ib b1 1 b b2 2

9、b b3 3 b b4 4 b bp-1 p-1符号 指数 尾数(-1)S 2E(b0b1b2b3bp-1)S=0 正数S=1 负数小数点位置与b0=1省略微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学微机系统的三种浮点数类型 微机系统的三种浮点数类型浮点数中的参数 浮点数中的参数 单精度浮点数 单精度浮点数 双精度浮点数 双精度浮点数 扩充精度浮点数 扩充精度浮点数浮点数长度 浮点数长度 32 32位 位 64 64位 位 80 80位 位尾数长度 尾数长度p p 23 23位 位 52 52位 位 64 64位 位符号位 符号位S S 1 1位 位 1 1位 位 1 1位 位指数

10、长度 指数长度E E 8 8位 位 11 11位 位 15 15位 位最小指数 最小指数-126-126-1022-1022-16382-16382最大指数 最大指数+127+127+1023+1023+16383+16383指数的偏移量值 指数的偏移量值+127+127+1023+1023+16383+16383【例1.3】将十进制数219.125表示成单精度浮点数。219.125D=11011011.001B=1.101101100127 E=7+127=134=10000110B。得到二进制表示的规格化的浮点数形式：尾数（共23位），包括隐含的b0共24位指数 符号0 0 1 0 0 0

11、 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学1.1.5 1.1.5 计算机中常用码制 计算机中常用码制1BCD码（Binary Coded Decimal）用二进制编码表示十进制数称为BCD码。一位十进制数需要用4位二进制编码表示。例如(0100 1001 0111 1000.0001 0100 1001)BCD(4 9 7 8.1 4 9)D压缩BCD

12、码：一个字节表示两位十进制数非压缩BCD码：一个字节表示一位十进制数（使用低四位）2.ASCII码 美国国家信息交换标准代码 ASCII（American Standard Code for Information Interchange）已成为计算机字符编码的国际标准压缩BCD码：1字节表示两位十进制数非压缩BCD码：1字节表示一位十进制数，（低4位表示，高4位恒为0）78=01111000 78=0111100078=78=0000 00000111 01110000 00001000B 1000B微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学 0 0 1 1 2 2 3 3 4

13、 4 5 5 6 6 7 70 0 NUL NUL DLE DLE SP SP 0 0 P P P P1 1 SOH SOH DC1 DC1!1 1 A A Q Q a a Q Q2 2 STX STX DC2 DC2“2 2 B B R R b b R R3 3 ETX ETX DC3 DC3#3 3 C C S S c c S S4 4 EOT EOT DC4 DC4$4 4 D D T T d d T T5 5 ENQ ENQ NAK NAK%5 5 E E U U e e U U6 6 ACK ACK SYN SYN&6 6 F F V V f f V V7 7 BEL BEL ETB

14、 ETB 7 7 G G W W g g W W8 8 BS BS CAN CAN(8 8 H H X X h h X X9 9 HT HT EM EM)9 9 I I Y Y i i Y YA A LF LF SUB SUB*:J J Z Z j j Z ZB B VT VT ESC ESC+;K K k k C C FF FF FS FS,N N n n F F SI SI US US/?O O_ _ o o DEL DELNUL 空SOH 标题开始STX 正文结束ETX 本文结束EOT 传输结束ENQ 询问ACK 承认BEL 报警符BS 退格HT 横向列表LF 换行VT 垂直制表FF 走

15、纸控制CR 回车SO 移位输出SI 移位输入SP 空格DLE 数据链换码DC1 设备控制1DC2 设备控制2DC3 设备控制3DC4 设备控制4NAK 否定SYN 空转同步ETB 信息组传送结束CAN 作废EM 纸尽SUB 减ESC 换码FS 分隔符GS 组分隔符RS 记录分隔符US 单元分隔符DEL 作废 微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 A A B B C C D D E E F F0 0 0 0 P P p p 1 1!1 1 A A Q Q a a q q 2 2“2 2 B B R

16、 R b b r r 3 3#3 3 C C S S c c s s 4 4$4 4 D D T T d d t t 5 5%5 5 E E U U e e u u 6 6&6 6 F F V V f f v v 7 7 7 7 G G W W g g w w 8 8(8 8 H H X X h h x x 9 9)9 9 I I Y Y i i y y A A*:J J Z Z j j z z B B+;K K k k C C,N N n n F F/?O O_ _ o o NULLSpaceASCII字符表微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学3.3.中文编码 中文编码

17、中文字符用二个字节表示，每个字节的最高位置1，余下的14位表示字符，构成汉字内码(GB2312-80)。汉字内码 是对汉字的唯一标识。汉字输入码 各种输入法所采用的汉字编码统称为输入码 汉字内码 输入的汉字在机器中必须转换为统一的机内码汉字输出码 用于输出汉字字型的点阵编码 微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学第 第一 一代 代1971 1971年 年 Intel 4004 Intel 4004 4 4位 位 2300 2300 108KHz 108KHz 每秒 每秒6 6万次 万次1972 1972年 年 Intel 8008 Intel 8008 8 8位 位 3500

18、 3500 基本指令周期为 基本指令周期为20 20 50s 50s第 第二 二代 代1974 1974年 年 Intel 8080 Intel 8080 8 8位 位 6000 6000 2MHz 2MHzMC6800 MC6800 8 8位 位 6800 68001976 1976年 年 Z80 Z80 8 8位 位 10000 10000 2.5MHz 2.5MHz第 第三 三代 代1978 1978年 年 Intel 8086 Intel 8086 16 16位 位 29000 29000 5MHz 5MHz 基本指令周期 基本指令周期0.5 0.5 s s1982 1982年 年 I

19、ntel 80286 Intel 80286 16 16位 位13.4 13.4万 万 基本指令周期 基本指令周期0.2 s 0.2 s第 第四 四代 代1985 1985年 年 10 10月 月 80386 80386 32 32位 位 27.5 27.5万 万 16-33MHz 16-33MHz 3-4 MIPS 3-4 MIPS 1989 1989年 年4 4月 月 80486 80486 32 32位 位 120 120万 万 33-120MHz/41-54 MIPS 33-120MHz/41-54 MIPS第 第五 五代 代1993.3.22 1993.3.22 Pentium Pe

20、ntium 32 32位 位310 310万 万 75-133M Hz 0.6 m 75-133M Hz 0.6 m1995.11.8 1995.11.8 Pentium pro Pentium pro 32 32位 位 550 550万 万 200MHz/400 MIPS 200MHz/400 MIPS 1997 1997年 年 Pentium Pentium 32 32位 位700 700万 万 266MHz/400 MIPS 266MHz/400 MIPS 1999.2.26 1999.2.26 Pentium Pentium 32 32位 位2800 2800万 万 450MHz 45

21、0MHz1999.2.24 1999.2.24 AMD-K6-AMD-K6-32 32位 位2130 2130万 万 450MHz 0.25 m 450MHz 0.25 m2000.11.24 2000.11.24 Pentium 4 Pentium 4 32 32位 位4200 4200万 万 1.4GHz 0.18 m 1.4GHz 0.18 m更新 更新 1.2 1.2 微机发展概况 微机发展概况微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学Intel 2004年2月1日发布基于Prescott核心的第三代Pentium 4处理器。采用0.09微米的制造工艺，拥有一亿两千五百万

22、个晶体管，管线也增加到了31级。配备1MB二级缓存，16KB的数据缓存。2005/02/21：P4 6XX发布起跳频率为3.2GHz，L2 Cache 2MB，售价为215欧元 微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学 Pentium 4E Pentium 4E Pentium 4 Pentium 4Pentium 4 Pentium 4 Extreme Extreme Edition EditionAthlon 64 Athlon 64 Athlon 64 FX Athlon 64 FX核心 核心 Prescott Prescott Northwood Northwood G

23、allatin GallatinClawHamme ClawHammer rSledgeHammer SledgeHammerSocket Socket Socket478 Socket478 Socket478 Socket478 Socket478 Socket478 Socket754 Socket754 Socket940 Socket940频率 频率 2.8-3.4GHz 2.8-3.4GHz 1.6-3.4GHz 1.6-3.4GHz3.2-3.2-3.4GHz 3.4GHz2.0-2.2GHz 2.0-2.2GHz 2.2GHz 2.2GHz生产技术 生产技术0.09 0.09微

24、米，应变 微米，应变硅晶技术 硅晶技术0.13 0.13微米 微米 0.13 0.13微米 微米0.13 0.13微米，微米，SOI SOI0.13 0.13微米，微米，SOI SOI晶体管数 晶体管数 125 125百万 百万 55 55百万 百万 178 178百万 百万 105.9 105.9百万 百万 105.9 105.9百万 百万内核尺寸 内核尺寸m m2 2112 112 131 131 237 237 193 193 193 193L1 L1数据缓 数据缓存 存16KB 16KB 8KB 8KB 8KB 8KB 64KB 64KB 64KB 64KBL1 L1指令缓 指令缓存

25、存1200 1200微指令 微指令 12000 12000微指令 微指令 2000 2000微指令 微指令64KB 64KB 64KB 64KBL2 L2缓存 缓存 1024KB 1024KB 512KB 512KB 512KB 512KB 1024/512KB 1024/512KB 1024KB 1024KBL3 L3缓存 缓存 2MB 2MB SIMD SIMD指令 指令 SSE3/SSE2/SSE SSE3/SSE2/SSE SSE2/SSE SSE2/SSE SSE2/SSE SSE2/SSESSE2/SSE/SSE2/SSE/3DNow 3DNow！SSE2/SSE/SSE2/SSE

26、/3DNow 3DNow！微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学 Gordon Moore 1965的预言已经40年了，这条IT第一定律还能走多远？1971/11 Intel 4004 2300 Transistors1978/6 Intel 8086 29000 Transistors 3m2002/4 Pentium 4-2.2G 55Million Transistors 0.13m2004/2 Prescott 3.4G P4125Million Transistors 90nmGordon Moore made his famous 微机系统原理与接口技术微机系统原

27、理与接口技术电子科技大学摩尔定律 摩尔定律 CPU CPU性能每 性能每18 18个月增加一倍 个月增加一倍 微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学u u 摩尔定律 摩尔定律 晶体管数目每两年增加一倍 晶体管数目每两年增加一倍4200280070055031012027.513.42.9 0.490500100015002000250030003500400045001973 1978 1982 1985 1989 1993 1995 1997 1999 2000年万晶体管微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学1.由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备

28、五大部分组成；2.数据和程序以二进制代码形式存放；3.控制器根据存放在存储器中的程序来工作。1.3.1 1.3.1 微机系统结构 微机系统结构一台计算机是以运算器为中心，由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成。1.3 微机系统工作原理原始数据和指令计算结果微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学微处理器系统的总线结构MPURAM ROM I/O接口 外设ABDBCB2 组成微机系统的各部分通过地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB联系在一起。1 总线是计算机中各类公共信号线的集合，是计算机系统中各部分联络的规范通道。微处理器是将运算器和控制器以及其它部件集为一体的大

29、规模集成电路。微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学微处理器系统的总线结构微处理器系统的总线结构MPURAM ROM I/O接口 外设ABDBCB微处理器MPU包含运算器和控制器，是微机系统的核心部件。称为中央处理单元(CPU)存储器用来存放数据和程序；分为只读存储器ROM(Read Only Memory)和随机存取存储器RAM(Random Access Memory)输入输出接口又称为I/O接口(Input/Output interface)，是微机系统与外部设备交换信息的电路和通道。微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学总线结构 总线结构MPUMI/

30、O总线MPUM存储器总线I/OI/O总线单总线双总线 全局 M 全局I/ODMA控制器双重总线MPU局部I/O局部M缓冲器总线控制逻辑局部总线全局总线微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学 数 数据 据总 总钱 钱DB DB（Data Data Bus Bus）用 用来 来传 传输 输数 数据 据信 信息 息，是 是双 双向 向总 总线 线，CPU CPU既 既可 可通 通过 过DB DB从 从内 内存 存或 或输 输入 入设 设备 备读 读入 入数 数据 据，又 又可 可通过 通过DB DB将内部数据送至内存或输出设备。将内部数据送至内存或输出设备。地 地址 址总 总线 线

31、AB AB（Address Address Bus Bus）用 用于 于传 传送 送CPU CPU发 发出 出的 的地 地址 址信 信息 息，是 是单 单向 向总 总线 线。目 目的 的是 是指 指明 明与 与CPU CPU交 交换 换信 信息 息的 的内 内存 存单 单元或 元或I/O I/O设备。设备。控 控制 制总 总线 线CB CB（Control Control Bus Bus）用 用来 来传 传送 送控 控制 制信 信号 号、时 时序 序信 信号 号和 和状 状态 态信 信息 息等 等。其 其中 中有 有的 的是 是CPU CPU向 向内 内存 存和 和外 外设 设发 发出 出的

32、的信 信息 息，有 有的 的则 则是 是内 内存 存或 或外 外设 设向 向CPU CPU发 发出 出的 的信 信息 息。可 可见 见，CB CB中 中每 每一 一根 根线 线的 的方 方向 向是 是一 一定 定的 的、单 单向 向的 的，但 但作 作为 为一 一个 个整 整体 体则 则是 是双 双向 向的 的，所 所以 以在 在各 各种 种结 结构 构框 框图 图中 中，凡 凡涉 涉及 及到 到控 控制 制总 总线 线CB CB，均以双向线表示。均以双向线表示。微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学(系统)外总线如并口、串口(系统)内总线如ISA、PCI片(间)总线 三总线

33、形式片内总线单总线形式微机总线结构运算器寄存器控制器CPU存储芯片I/O芯片主板扩展接口板扩展接口板微机系统其 他 微 机系 统其 他 仪 器系 统微机系统的四级总线示意图微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学以全加器为基础，辅之以移位寄存器及相应控制逻辑，完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算存放运算操作数和结果寄存器组(RS)通用寄存器组堆栈指针(SP)程序计数器(PC)指令寄存器(IR)指令译码器(ID)累加器(ACC)累加锁存器标志寄存器(FR)暂存器算术逻辑单元(ALU)根据指令发出控制信号地址缓冲器数据缓冲器地址总线数据总线操作控制器(OC)控制总线临时存放单元

34、：暂时存放数据和地址指示栈项地址 存放下一条要执行的指令的地址 寄存ALU操作结果的状态1.3.2 微处理器简化模型微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学 指令概述 指令概述 指令是规定计算机执行特定操作的命令。通常条指令包括两部分：操作码和地址码。操作码指明要完成操作的性质，如加、减、乘、除、数据传送、移位等；地址码指明参加上述规定操作的数据存放地址或操作数。微型计算机每执行一条指令都是分成三个阶段进行：取指令（Fetch）、分析指令（Decode）和执行指令（Execute）。取指令阶段的任务是根据程序计数器PC中的值，从存储器读出现行指令,送到指令寄存器IR，然后PC自

35、动加1指向下一条指令地址。微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学u u 分 分析 析指 指令 令阶 阶段 段的 的任 任务 务是 是将 将IR IR中 中的 的指 指令 令操 操作 作码 码译 译码 码，分 分析 析其 其指 指令 令性 性质 质。如 如指 指令 令要 要求 求操 操作 作数 数，则 则寻 寻找 找操 操作 作数 数地 地址。址。u u 执 执行 行指 指令 令阶 阶段 段的 的任 任务 务是 是取 取出 出操 操作 作数 数，执 执行 行指 指令 令规 规定 定的操作。根据指令不同还可能写入操作结果。的操作。根据指令不同还可能写入操作结果。u u 微型机程序

36、的执行过程实际上就是周而复始地完成 微型机程序的执行过程实际上就是周而复始地完成这三阶段操作的过程，直至遇到停机指令时才结束整个 这三阶段操作的过程，直至遇到停机指令时才结束整个机器的运行。机器的运行。微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学1.3.4 1.3.4 指令示例 指令示例 ORG 1000HMOV A，5CH B0H 5CHADD A，2EH 04H 2EHJO 100AH CAH 0AH 10HMOV 0200H，A A2H 00H 02HHLT F4H汇编语言源程序 对应机器码地址立即数微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学指令执行过程图指令执

37、行过程图CBABDBALU累加器ACC 暂存器标志寄存器FR寄存器组 操作控制器OC指令译码器ID指令寄存器IR 操作码,地址码内部总线地址缓冲器 数据缓冲器程序计数器PC地址译码读控制B0H5CH04H2EH地址1001H1002H1003H内容1000H内存储器MOV AL，5CHADD AL，2EH1CPU外CPU内微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学1.4 微机硬件u字长字长 计算机内部 计算机内部一次 一次可处理的二进制数的位数。可处理的二进制数的位数。取决于微 取决于微处理器内部通用 处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度 寄存器的位数和数据总线的宽度。字。

38、字长越长，则表示的数据精度越高，完成相同精度的数 长越长，则表示的数据精度越高，完成相同精度的数据运算速度越快 据运算速度越快u运算速度运算速度 常用 常用平均运算速度 平均运算速度MIPS(Millions of Instruction MIPS(Millions of Instruction Per Second)Per Second)和 和CPU CPU的主频 的主频表示。表示。主频 主频：微处理器运行的时钟频率。：微处理器运行的时钟频率。外频 外频：微处理器外：微处理器外部总线的频率。早期微处理器的主频与外部总线的频 部总线的频率。早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从 率相同，从

39、80486 80486DX2 DX2开始，主频 开始，主频=外部总线频率 外部总线频率 倍频 倍频系数 系数1.4.1 1.4.1 1.4.1 微机系统的主要性能指标 微机系统的主要性能指标微机系统的主要性能指标微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学微机系统的主要性能指标u 存储器容量：内存和外存，通常以字节为单位。内存：微处理器的寻址空间和实际配置的存储内存：微处理器的寻址空间和实际配置的存储器容量器容量(内存条容量内存条容量)。外存：硬盘容量。外存：硬盘容量。1K=21K=21010=1024=1024；1M=21M=22020=1024K=1024K；1G=21G=23

40、030=1024M=1024M；1T=21T=24040=1024G=1024Gu 外设扩展能力计算机系统配接各种外部设备的可能性、灵活计算机系统配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。性和适应性。微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学1.4.2 1.4.2 微型计算机先进技术 微型计算机先进技术1 1 微程序控制技术 微程序控制技术 根据要完成的操作控制信号编成若干“微指令”，存放在一个只读存储器里一条机器指令对应一段微指令。运行时，一条又一条地读出这些微指令，从而产生所需要的各种操作控制信号（微操作），使相应部件执行所规定的操作。这种利用软件方法来设计硬件的技术称作“微

41、程序控制”2 虚拟存储器技术 一种通过硬件和软件的结合来扩大用户可用存储空间的技术。程序预先放在外存储器中，在操作系统的统一管理和调度下，按某种置换算法依次调入内存储器被CPU执行。微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学微型计算机先进技术 微型计算机先进技术流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作 流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠进行，从而实现几条指令并行处理的技术。重叠进行，从而实现几条指令并行处理的技术。Pentium使用的6步流水线结构（1）取指令：CPU从高速缓存或内存中取一条指令。（2）指令译码：分析指令性质。（3）地址生成：很多指令

42、要访问存储器中的操作数，操作数的地址也许在指令字中，也许要经过某些运算得到。（4）取操作数：当指令需要操作数时，就需再访问存储器，对操作数寻址并读出。（5）执行指令：由ALU执行指令规定的操作。（6）存储或写回结果：最后运算结果存放至某一内存单元或写回累加器A中。3 流水线技术微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学微型计算机先进技术 微型计算机先进技术4 4 高速缓冲存储器技术 高速缓冲存储器技术 为了加快运算速度，普遍在 为了加快运算速度，普遍在CPU CPU与常规主存储器之间 与常规主存储器之间增设了一级或两级高速小容量存储器（增设了一级或两级高速小容量存储器（Cache

43、 Cache）。将将要）。将将要执行的指令和数据复制到缓存中，加快执行速度。执行的指令和数据复制到缓存中，加快执行速度。动态执行是目前CPU主要采用的先进技术之一。采用分支预测和动态执行的主要目的是为了提高CPU的运算速度。推测执行是依托于分支预测基础上的，在预测程序是否分支后所进行的处理也就是推测执行。推测执行技术的核心就是取指时，在局部范围内预先执行并判断所取指令的下一条指令最有可能的位置，Pentium 4系列CPU的分支预测正确率达到了90%。参考5 分支预测（branch prediction）和推测执行（speculation execution）微机系统原理与接口技术微机系统原理

44、与接口技术电子科技大学微型计算机先进技术 微型计算机先进技术6 6 乱序执行（乱序执行（out-of-order execution out-of-order execution）CPU根据各单元电路的空闲状态和各指令能否提前执行的具体情况分析后，将能提前执行的指令立即发送给相应电路执行。当然在各单元不按规定顺序执行完指令后还必须由相应电路再将运算结果重新按原来程序指定的指令顺序排列后才能返回程序。这种将各条指令不按顺序拆散后执行的运行方式就叫乱序执行（也有叫错序执行）技术。RISC的指令简单，CPU在每一周期的任务单纯，因此CPU结构简单，有利于流水作业。从Pentium Pro开始，x86

45、CPU都采用RISC内核+CISC到RISC译码器的结构。当今多媒体信息处理对微机处理高速数据流提出了更新、更高要求。为满足这一要求，在微处理器中加入了新的用于多媒体处理的指令和数据类型，支持单指令多数据，支持并行处理。7 CISC指令集加RISC微结构8 多媒体技术微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学1.4.3 1.4.3 微机系统组成 微机系统组成微机主板电源、机箱外围设备外部设备外存储器模拟量I/O：A/D、D/A转换器、开关量I/O过程I/O通道微处理器内存储器I/O接口电路系统总线算术逻辑单元控制器寄存器阵列只读存储器（ROM）随机存储器（RAM）高速缓存（Cac

46、he）并行输入/输出接口串行输入/输出接口磁盘、磁带光盘、U盘PC总线、ISA、EISA、PCI、AGP键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、显示器、打印机、绘图仪、数码相机输入/输出设备微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学1 1 存储器 存储器存储器是计算机的存储和记忆部件，用来存储数据和程序。u 内存单元与地址计算机的内存储器是由若干内存单元组成的，每个内存单元存放一个字节的二进制信息。内存单元的总数目叫内存容量；计算机中每个内存单元有惟一的地址，CPU通过地址对指定单元的数据进行访问（读写）；内存容量的大小由CPU的寻址空间决定。寻址空间=2n。u 内存操作读操作CPU将内存单

47、元的内容读入到CPU；写操作CPU将数据写到内存单元。u 内存分类 ROM、RAM 每个内存单元有一个地址，每个地址的内存单元可存放1字节的数据内存单元的地址和内容是不同的概念8086:220=1MBPII:236=64GB微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学2 2外设及输入输出接口 外设及输入输出接口微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学微机系统组成结构举例 微机系统组成结构举例 典型结构是主板+CPU+存储器+外设。主板及其上的逻辑芯片组承担各部件总线连接和逻辑控制的作用。微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学微机系统原理与接口技术微

48、机系统原理与接口技术电子科技大学Pentium III550MHzL1Cache550MHzL2Cache处理机总线 100MHzPCI 总线 33MHzPCI 插槽IDE2南桥PIIX4ECMOS&RTCUSBIDE1硬盘光驱超级I/OCOM1COM2LPT1ROM BIOS软驱键盘鼠标打印机MODEM北桥440BXAGP100MHz内存条显示器66MHz显卡ISA 插槽ISA总线 8MHz微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学Intel925X芯片组微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学Intel Pentium Intel Pentium Intel

49、Pentium 4AMD K6-2Intel Pentium 4 3.0GHz(2002/4)微处理器微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学P4EE 与Intel925X芯片组（南北桥）微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学采用 采用I 925X I 925X的主板 的主板800 MHz系统总线 支持HT 双通道DDR2（Max 8GB）PCI Express USB2.0*8SATA/150*4微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技

50、大学微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学4 4条 条DDR2 DDR2内存插槽 内存插槽 在双通道内存模式下 在双通道内存模式下925x 925x芯片组最高可以提供 芯片组最高可以提供8.5GB/s 8.5GB/s的带宽 的带宽微机系统原理与接口技术微机系统原理与接口技术电子科技大学PC8374L Super I/O PC8374L Super I/O芯片具备风扇监控和控制功能，具备 芯片具备风扇监控和控制功能，具备Heceta6 Heceta6兼容寄存器组，可通过 兼容寄存器组，可通过 LPC LPC端口以及 端口以