《处理器结构》PPT课件.ppt

第二章微处理器系统结构,2.1微处理器基本功能和结构2.2微处理器主要性能指标2.3INTEL8086/8088微处理器2.48086/8088微处理器基本时序2.5INTEL80X86微处理器2.680X8632位编程结构*,2.1微处理器基本功能和结构,微处理器是微型计算机的核心部件，也称为中央处理单元，简称CPU（CentralProcessingUnit）。它负责微型计算机中各部件的协调，完成指令的执行和数据处理工作。其主要功能包括：,指令控制：指令执行顺序操作控制：各部件功能协调时序控制：各信号时序数据加工：算术/逻辑运算,微处理器基本结构微处理器基本结构包括控制器、运算器、寄存器组等部件。,运算器ALU（ArithmeticLogicUnit）：计算机的核心功能部件，主要负责算术、逻辑运算等数据加工功能。,控制器CU（ControlUnit）：计算机的指挥控制中心，负责按照一定顺序自动读取程序中的指令，将指令译码后产生相应控制信号，控制各部件协同工作。,寄存器组RS（RegisterSet）：是CPU中暂存数据和指令的逻辑部件，用于临时存放数据或地址。,除此以外，微处理器常常还包括一定的高速缓存部件。,2.2微处理器的主要性能指标,微处理器的性能对微型计算机系统起着举足轻重的影响，微型计算机的很多性能指标都与微处理器性能直接相关。微处理器的主要性能指标包括：,工作频率处理器字长前端总线速度地址总线宽度数据总线宽度高速缓冲容量和级数生产工艺等,工作频率：包括主频、外频、倍频。主频是微处理器的工作频率，反映微处理器工作节奏的快慢；外频是指系统总线的工作频率，它反映外部设备的工作速度；倍频是指微处理器工作频率对系统总线工作频率的倍数。三者之间的关系可以用下式表示：主频外频倍频,处理器字长：反映微处理器单次数据处理能力，字长越长表示单次处理数据能力越强。,前端总线速度（FSB）：前端总线指主板芯片组中的北桥芯片与CPU之间传输数据的通道，因此也称为CPU的外部总线。它反映CPU与内存和显示部件之间交换数据的能力，前端总线速度越快，CPU与外界交换信息的能力越好，有利于提高整体处理速度。,地址总线宽度：描述微处理器可以访问物理存储空间的重要指标。微处理器通过地址总线表达其访问数据所在的地址，地址总线越多则表示该微处理器可以给出的物理地址数越多，可以连接的物理内存就越大。,数据总线宽度：描述微处理器与外界交换数据能力的一个重要指标。微处理器每一根数据线表示一个比特数据，数据线越多则表示每一次与外界交换的数据位数就越多，相对交换速度就越快。,高速缓存容量和级数：高速缓存（Cache）是设置在微处理器内部的一种存储器。由于其存取速度要比内存高一个数量级，可以达到与微处理器部件同频的工作速度，因此利用高速缓存可以提高处理器的工作效率。Cache根据速度和位置不同可分一级（L1）、两级（L2）或三级（L3）。,生产工艺：不同的生产工艺对CPU的功耗和工作频率有较大影响，生产工艺越先进CPU功耗越低，工作频率越高。,其它性能指标：包括特殊指令扩展、超线程、流水线、乱序执行、动态执行，以及新一代CPU的双核、多核技术等体系结构方面的技术。而且体系结构对现代微处理器性能的影响已经超过制造工艺对计算机性能的影响，成为现代微处理器设计的重要技术指标。,2.3INTEL8086/8088微处理器,2.3.1Intel8086/8088CPU的基本特点基本性能：工作频率：510MHz字长：16位地址总线宽度：20位数据总线宽度：16位（8086），8位（8088）生产工艺：3m，2.9万个晶体管工作电压：5V封装：40脚，双列直插式(DIP),将取指令部件与执行指令部件分开，使它们可以并行工作，从而实现并行流水线，提高系统运行速度；对内存空间分段管理，利用16位段基址和16位段内偏移地址实现对1MB空间的寻址；设有两种工作模式，分别支持单处理器工作和多处理器工作；基本指令执行时间为0.3s0.6s。,主要特点：,2.3.28086/8088微处理器组成结构,由两个功能部件构成：执行部件EU（ExecutionUnit），主要实现指令和数据处理功能总线接口部件BIU（BusInterfaceUnit），主要实现与外界交换数据的功能,执行部件EU、总线接口部件BIU。,算术逻辑单元（ALU）：用于算术、逻辑运算功能。标志寄存器FLAG：用于存放一个CPU的状态或控制标志。反映CPU最近一次运算结果的一些状况。数据暂存寄存器：协助ALU完成运算，暂存参加运算的数据，如从内存读入的数据。通用寄存器：用于存放参与运算的数据或数据在内存中的偏移地址。EU控制电路：负责接收从BIU指令队列中取来的指令，经指令译码后形成定时控制信号，对EU各部件实现特定的控制操作。,EU中各部件功能如下：,指令队列缓冲器：存放最多6字节的指令，按“先进先出”原则进行存取操作。地址加法器：完成20位物理地址计算。段地址寄存器：用于存放段的基地址值。指令指针寄存器IP：指令指针寄存器用于存放BIU要取出的下一条指令的偏移地址。总线控制电路与内部通信寄存器：总线控制电路用于产生外部总线操作时的相关控制信号；内部通信寄存器用于暂存总线接口单元BIU与执行单元EU之间交换的信息。,BIU中各部件的功能如下：,EU与BIU并行执行的优势假设计算机处理数据的过程简化为取指和执行两个步骤组成，如果微处理器只有一个功能部件，则完成一系列指令的过程可描述如下：,如果将微处理器的功能分为EU和BIU两个部件，分别完成取指令和执行指令的操作，虽然单个指令仍然需要取指令再执行，但从而指令流角度看，取指令和执行指令可以同时进行：,很显然，采用两个功能部件独立运行时，效率比单个部件提高了近一倍！,2.3.38086/8088微处理器的寄存器结构,1.通用寄存器8086微处理器中有8个通用寄存器，每个寄存器长度为16位，用于存放数据或地址，8个通用寄存器分别是：,累加器AX（AHAL）Accumulator基址寄存器BX（BHBL）Base计数寄存器CX（CHCL）Counter数据寄存器DX（DHDL）Data堆栈指针寄存器SPStackPointer基址指针寄存器BPBasePointer源变址寄存器SISourceIndex目的变址寄存器DIDestinationIndex,2.段寄存器8086具有20位地址线，可以寻址1MB的存储空间，但在8086微处理器中所有寄存器都只有16位长，也就不可能从寄存器中直接得到20位的地址。因此8086采用了分段式的管理模式管理存储空间。分段地址采用“16位段地址：16位偏移量”的模式表示一个20位的地址，存放段地址的寄存器称为段寄存器，8086中有4个段寄存器：,代码段寄存器CSCodeSegment数据段寄存器DSDataSegment堆栈段寄存器SSStackSegment附加段寄存器ESExtraSegment,8086存储器的分段管理存储器的物理地址8086微处理器以字节为最小基本存储单元进行顺序编址。地址共有20位，即可以访问1M个地址空间(220=1024K=1M),其地址编号从00000H到FFFFFH，称为物理地址。,存储器的逻辑地址为了便于使用和管理，8086微处理器的1M地址空间，被分为若干段，每一段是一个小于等于216=64K的连续存储空间。采用段地址：偏移地址的方式表示，称为逻辑地址。如，逻辑地址2000H:0100H,逻辑地址中段地址表示段的起始地址，是该段的最低地址。而偏移地址表示相对于起始地址的距离。,8086同时可有4个段被激活（称当前段）。它们是代码段、数据段、堆栈段、附加段。其段地址分别保存于CS，DS，SS，ES中。分段要求：1保持16个字节或其整数倍为段地址间距。216位段寄存器表示段基址。段寄存器加1实际上存储器地址加16。3段可连续、分散、重迭。,可以表示为0100H：0023HPA=0100H10H+0023H=01023H,也可表示为0102H：0003HPA=0102H10H+0003H=01023H,【例】对于物理地址01023H单元,逻辑地址（LA）与物理地址（PA）的转换需要作如下计算：20位物理地址(PA)=（16位段地址）16（16位偏移地址）,3控制寄存器8086微处理器中有2个用于控制目的的寄存器，一个是指令指针寄存器IP（InstructionPointer），另一个是标志寄存器FLAG（PSW，ProgramStatusWord）。,IP用于保存微处理器下一条待执行指令的地址（偏移量）标志寄存器FLAG保存了两组状态信息，一组是微处理器当前的运行状态称为控制标志；另一组是微处理器执行上一条指令后的结果信息，称为状态标志。,TF,DF,IF,OF,SF,ZF,AF,PF,CF,控制标志,状态标志,跟踪,状态标志