微型计算机的发展、结构与工作过程.ppt

1,微机原理与接口技术,马福民 fmma_,2,本课程在计算机课程体系中的位置,硬件类,软件类,CPU及整机设计（计算机组成原理）,BIOS与接口驱动程序设计,模拟电路、数字逻辑电路设计,嵌入式/单片机系统,SOC芯片设计,计算机系统结构,外围接口电路设计,操作系统,编译系统,数据库,数据结构,C+,JAVA,离散数学,计算机系统综合设计,电子商务,多媒体技术,算法设计、数值分析、信号与系统、计算机理论课程、数学基础课程,汇编语言,软件工程,VB,3,本课程的教学目的,掌握先进微处理器芯片结构、微型计算机实现技术、计算机主板构成、各种接口技术原理及其应用编程方法； 掌握汇编语言程序的编写方法，尤其掌握接口访问的方法。 了解微机技术新的发展趋势，系统科学地获得分析问题和解决问题的训练；提高分析和设计接口的能力。,4,第 1章 ：微型计算机的发展、结构及工作过程,5,本章主要内容,微型计算机发展历史 计算机基本结构 计算机工作过程 指令及程序的执行过程 微型计算机的特点及分类,6,1.1 微型计算机的发展历史,1971年，世界第一个微处理器，Intel 4004 (4位) 70年代中期 Intel 8080、8085 (8位) 80年代初 Intel 8086、8088 (16位)。 从8086（8088）到80286、80386、80486、奔腾（也称为80586）、奔腾MMX、奔腾PRO（也称为80686）、奔腾、奔腾，直至奔腾 4，形成了IA（Intel Architecture）-32结构。,7,1.1.1 8086,IA-32结构起源：Intel 8086 从历史的观点来看，IA-32结构同时包括了16位处理器和32位处理器。 16位的处理器，包括8086处理器、80186与80286。 8086有16位寄存器和16位外部数据总线，具有20位地址总线，可寻址1M字节地址空间。 8086处理器引进了段结构,8,x86系列结构的最重要的成就之一是，从1978开始的那些处理器上建立的目标程序仍能在x86系列结构系列的最新的处理器上执行。(后向兼容性),9,1.1.2 80386,IA-32结构系列中的第一个32位处理器。 在结构中引入了32位寄存器，用于容纳操作数和地址。每个32位寄存器的后一半保留两个早期处理器版本（8086和80286）的16位寄存器的特性，以提供完全的后向兼容。 32位地址总线，能支持多至4G字节的物理存储器。 引入分页，包括若干并行操作部分。,10,1.1.3 80486,指令译码和执行单元扩展为五个流水线段，增加了并行执行能力，Intel486处理器能在每个时钟周期执行一条指令。 在IA-32处理器的芯片中引入了缓存(8KB一级缓存)。 第一次把x87 FPU（浮点处理单元）集成到处理器上并增加了新的引脚、位和指令，以支持更复杂和更强有力的系统。 把支持电源保存和其他一些系统功能加入至IA-32结构。,11,1.1.4 奔腾（Pentium）,Intel奔腾处理器增加了第二个执行流水线以达到超标量性能（两个已知的流水线u和v，一起工作能实现每个时钟执行两条指令）。 一级cache也加倍了，8K字节用于代码，另8K字节用于数据。 主要的寄存器仍是32位，但内部数据通路是128和256位以加速内部数据传送，且外部数据总线已经增加至64位。 增加了高级的可编程中断控制器（APIC）以支持多奔腾处理器系统，新的引脚和特殊的方式（双处理）设计以支持无连接的两个处理器系统。,12,1.1.6 奔腾II,Intel Pentium II处理器把MMX技术加至P6系列处理器，并具有新的包装和若干硬件增强。 第一级数据和指令caches每个扩展至16 K字节，支持二级cache的尺寸为256 K字节、512 K字节和1 M字节。,13,1.1.7 奔腾III,Pentium III处理器引进流SIMD扩展（SSE）至IA-32系列结构。SSE扩展把由Intel MMX引进的SIMD执行模式扩展为新的128位寄存器和能在包装的单精度浮点数上执行SIMD操作。,14,1.1.8 Intel Pentium4,2000年推出的IA-32处理器，并是第一个基于Intel NetBurst微结构的处理器。 Intel NetBurst微结构是新的32位微结构，它允许处理器能在比以前的IA-32处理器更高的时钟速度和性能等级上进行操作。,15,1.1.9 Intel 超线程处理器,Intel公司于2002年推出了具有超线程技术的IA-32列处理器。 超线程（Hyper-Threading HT）技术允许单个物理处理器用共享的执行资源并发地执行两个或多个分别的代码流（线程）。以提高IA-32处理器执行多线程操作系统与应用程序代码的性能。,16,图1-1显示支持HT技术（用两个逻辑处理器实现的IA-32处理器与传统的双处理器系统的比较)。,从体系结构上说，支持HT技术的IA-32处理器，在一个物理处理器核中由两个或多个逻辑处理器构成，每个逻辑处理器有它自己拥有的IA-32体系结构状态。每个逻辑处理器由全部的IA-32数据寄存器、段寄存器、控制寄存器与大部分的MSR构成。,17,在支持HT技术的IA-32处理器中的逻辑处理器共享物理处理器的核心资源。包括执行引擎和系统总线接口。 在每个时钟周期期间最大地使用执行单元，提高了处理器的性能。,18,1.1.10 Intel 双核技术处理器,双核技术是在IA-32处理器系列中硬件多线程能力的另一种形式。 双核处理器(Dual Core Processor)： 双核处理器是指在一个处理器上集成两个运算核心，从而提高计算能力。 双核技术在单个物理包中有两个分别的执行核心提供硬件多线程能力。 Intel Pentium处理器极品版(引入双核技术第一个处理器)用双核技术与超线程技术一起提供硬件多线程支持，在一个物理包中提供四个逻辑处理器（每个处理器核有两个逻辑处理器）。 Intel Pentium D处理器用双核技术提供硬件多线程支持，但它不提供超线程技术。因此，Intel Pentium D处理器在一个物理包中提供两个逻辑处理器，每个逻辑处理器拥有处理器核的执行资源。,19,20,1.2 计算机基本结构,21,存储器,22,存储单元的地址和内容都是二进制数码，但它们是完全不同的两个概念，如同高级语言中的变量名和变量的值是不同的两个概念一样。 地址的位数由控制器地址线的位数确定，每个存储单元中内容(数据或指令)的位数由设计计算机时对存储器的编址方法确定。,23,如果控制器有n条地址线，则它所能管理的存储单元最多为2n个。如果对存储器采用的是按字节编址，则每个存储单元只能存放8位二进制数码。 每个存储单元的地址都是惟一的，不同存储单元的地址互不相同。 每次读、写存储器时都必须先给出存储单元的地址，然后才能访问(读或写)存储单元中的内容。,24,25,26,27,28,29,30,31,32,5.,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,1.5 微型计算机的特点与分类,1.5.1微型计算机的特点 1. 体积小、重量轻、功耗低 20世纪50年代时占地上百平方米、耗电量上百千瓦的电子计算机的能力，也就相当于如今的一片大规模集成电路的微型计算机。 2. 可靠性高，使用环境要求低 3. 软件丰富 4. 结构设计灵活、便于组装 5. 价格便宜,43,1.5.2 微型计算机的分类,按微处理器的位数(即字长)分类，可将微型计算机分为4位机、8位机、16位机、32位