第2章 计算机硬件基础.pdf

第第2 2 2 2章章 计算机硬件基础计算机硬件基础 2 1 计算机发展简史 2 2 微型计算机系统概述 2 3 8086 8088 80286 16位微处理器 2 4 80386 80486 32位微处理器 2 5 奔腾系列微处理器 计算机基础 计算机的理论基础计算机的理论基础 美国数学家乔治 布 尔 George Boole 于1854年提出了一 种推论事物的符号计算方法 后来称为 符号逻辑或布尔代数 计算机的结构基础计算机的结构基础 1945年 美国普林 斯顿大学研究院冯 诺依曼 Von Noumann 博士提出了一种 存储程序 的 概念 即将要执行的程序 以编码的形 式存放在存储器里 利用它们来进行计 算 远在600多年前 我国劳动人民就发明了 算盘 17世纪中叶 出现了计算尺和机械计算 机 世界上首台电子计算机 简称计算机 是由美国宾夕法尼亚大学 Pennsylvania University 于1946年研制成功 它使用了18800个电子管 7500个继电器 和开关 体积85M3 占地170M2 重约30 吨 耗电约150千瓦 小时 运算速度每秒钟 近5000次 2 1 2 1 2 1 2 1 计算机发展简史计算机发展简史 ENIAC 计算机 ENIAC是 Electronic Numerical Integrator And Computer 电子数字积分计算机 的缩写 它于1946年2月15 日诞生 当时的资助者是美国军方 目的是计算 弹道的各种非常复杂的非线性方程组 ENIAC的 程序设计 需要插拔N多的插 头 发展到微处理器半导体存储器1971年 超 大规模集成电路第四代 发展到总线结构半导体存储器1964年 1970年集成电路时代第三代 发展到高级语言磁芯存储器1958年 1963年晶体管时代第二代 机器语言磁鼓存储器1946年 1957年电子管时代第一代 重 要 特 征存 储 器年 份 计 算 机 时 代 表表2 12 12 12 1 四代计算机的概况四代计算机的概况 第一代的主要机型有UNIVAC ENIAC IBM701等 第二代主要机型有IBM7094计算机 其容量为32KB 字长32位 其它还 有UNIvAC 1 cDc6600等计算机 第三代主要机型有 由美国IBM公司研制成功的IBM360系列计算机 数 字设备公司研制的PDP 11小型计算机等 第四代主要机型有IBM 4300 VAX 11和IBM PC等 现在发展仍然处于 第四代 但是CPU以及总线性能已经得到极大提高 第五代电子计算机为智能计算机 现仍处于发展阶段 表2 1 Intel公司的历代微处理器 3400万64322000 11Pentium IV 950万64321999 01 Pentium III 750万64321997 05 Pentium II 450万64321997 01Pentium MMX 550万64321995 11Pentium Pro 310万64321993 03 Pentium 120万3232198980486 27 5万3232198580386 13万16161982 80286 5 6万16161982 80186 2 9万8161979 8088 2 9万16161978 8086 0 6万881976 8085 0 5万881974 8080 22504419714004 含晶体管只数外部数据总线内部数据总线推出年份型号 Intel 4004 1971 Intel 8080 1974 基于8080芯片的计算机Processor Technology Sol 20 Intel 8085 1976 2 2 1 微机硬件系统的基本结 构 存储器 输入输出 接口 输入设备 输出设备 数据总线 DB 控制总线 CB 地址总线 AB 中 央 处 理 器 CPU 定时电路 1 CPU基本结构 2 存储器的组织模型 3 I O接口和外部设备 4 微型计算机的总线结构 CPU基本结构 中央处理器 Central Processing Unit 缩 写为CPU 是计算机的核心部件 微机上 的CPU也成为微处理器 Microprocessor 算术逻辑单元ALU Arithmetic Logic Unit 控制器 Control Unit 寄存器 Register 组 2 存储器的组织模型 存储器的职能是存放程序和数据 统称为 信息或内容 存储器被划分成许多存储单元 每个存 储单元所能存储的二进制位数都是8位 即1个字节 Byte 每个存储单元有一个 固定的地址 有关存储器的名词 1 地址 标志存储单元位置的二进制编码 存储器访问 存放或取出存储单元信息的过程 存储器寻址 由地址译码器将CPU发出的单元地址进行译 码 找到相应的存储单元的过程 有关存储器的名词 2 存储器读操作 从存储器中取出信息的过程 存储器写操作 向存储器中写入信息的过程 内部存储器 简称为内存 也称为主存 由速度极高的寄存器组 高速缓存Cache和高速的 系统存储器组成 可直接通过地址总线寻址存储单 元 本书中讨论的存储器是指主存 外部存储器 简称为外存 也称为辅存 外存属于外部设备 需要通过I O接口访问其中的 存储单元 如磁盘 光盘与USB盘 等 3 I O3 I O3 I O3 I O接口和外部设备接口和外部设备 I O接口 Input Output Interface 是为 使CPU与I O设备相连接而专门设计的 逻辑电路 功能有 1 数据缓存 解决低速的外设与高速CPU之 间的速度匹配问题 2 通信转换 包括信息格式的相容性变换 正负逻辑转换 串并间的转换等 3 控制与状态信息寄存 报告外设状态 传 达计算机命令 输入 输出设备 I O Device 是变换信息输入 输出形式的部件 它将人们熟悉的信息形式变换成计算机能 接收并识别的信息形式 或者将计算机处理结 果的二进制信息转换成人类或其他设备接收和 识别的形式 如字符 图形 模拟量等 每个I O接口可以有多个I O端口 I O Port 每个I O端口都有唯一固定的地址 4 4 4 4 微型计算机的总线结构微型计算机的总线结构 总线 Bus 进行信息交换的公共电路通 道 连接CPU 存储器和各种I O设备使它们 之间能够相互传送信息的信号线及其相 应的控制电路称之为系统总线 System Bus 地址总线 Address Bus 数据总线 Data Bus 控制总线 Control Bus 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 微型计算机的工作原理微型计算机的工作原理 名词 指令 Instruction 计算机中的基本操作 命令 指令集 Instruction Set 计算机所能执 行的全部指令 程序 Program 实现既定任务的指令序 列 指令 使用二进制数字编码形式表示 与数据 一起存放于存储器中 操作码 Operation Code 表示计算机执行 什么操作 操作数 Operand 指明参加操作的数据或 者数据所在的地址 2 2 3 2 2 3 2 2 3 2 2 3 简单程序执行过程简单程序执行过程 取出指令 执行指令 分析指令 执行完毕 开始 结束 Y N 简单程序实例 程序实现48 22 相应的三条汇编指 令以及相应的操作码为 MOV AL 30H 10110000B 操作码 00110000B 操作数 ADD AL 16H 00000100B 操作码 00010110B 操作数 HLT 11110100B 操作码 2 3 8086 8088 80286 16位微处 理器 Intel 公司1978年推出微处理器 8086 8088 IBM个人计算机 IBM PC 是1981年中期 问世的 采用了8088作为CPU 几年以 后 又推出另一种IBM个人计算机PC AT 机 Personal Computer Advanced Technology 采用了80286微处理器 8086 80186 8088 原始的原始的IBM PCIBM PC 使用80286的 IBM PC AT 日本东芝公司的T1000 使用8088芯片的笔 记本 世界第一台笔记本 1985 2 3 1 8086 8088 CPU2 3 1 8086 8088 CPU2 3 1 8086 8088 CPU2 3 1 8086 8088 CPU的内的内 部结构部结构 执行单元EU Execution Unit 总线接口单元BIU Bus Interface Unit 地址总线 外部总线 内部总线 AHAL SP BP DI SI BHBL CHCL DHDL 通 用 寄 存 器 AX BX CX DX 运算寄存器 EU 控制 系统 FLAG 执行单元 EU ALU 总线 控制 逻辑 123456 指令队列寄存器 总线接口单元 BIU 数据总线 CS DS SS ES IP 内部暂存器 图 2 4 8086内部结构 2 3 2 8086 8088 CPU2 3 2 8086 8088 CPU2 3 2 8086 8088 CPU2 3 2 8086 8088 CPU中的寄中的寄 存器结构存器结构 14个寄存器 分为4类 1 通用寄存器组 2 指令指示器 3 状态标志寄存器 4 段寄存器 AHAL BHBL CHCL DHDL SP BP SI DI IP F CS DS SS ES AX BX CX DX Accumulator Base Register Count Register Data Register Destination Source Index Stack Point Base Point Instruction Point Flags Code Register Data Register Stack Register Extra Register 计数 寄存 器 数据寄存器 堆栈指示器 基址指示器 源变址寄存器 基址寄存器 累加器 指令指示器 状态标志寄存器 代码段寄存器 数据段寄存器 堆栈段寄存器 附加段寄存器 1 通用寄存器组 在输入在输入 输出指令中作间址寄存器输出指令中作间址寄存器 在乘法与除法指令中作辅助累加器在乘法与除法指令中作辅助累加器 DXDXDXDX 在移位指令中作移位位数计数器在移位指令中作移位位数计数器CLCLCLCL 在循环控制指令和字符串指令中作计数器在循环控制指令和字符串指令中作计数器CXCXCXCX 作间址和基址寄存器作间址和基址寄存器BXBXBXBX 在在BCDBCDBCDBCD数运算指令和调整指令中作累加器数运算指令和调整指令中作累加器 在在XLATXLATXLATXLAT指令中作累加器和数据表的位移量指令中作累加器和数据表的位移量 ALALALAL 在在LAHFLAHFLAHFLAHF指令中作目的寄存器指令中作目的寄存器 在在SAHFSAHFSAHFSAHF指令中作源寄存器指令中作源寄存器 在非压缩在非压缩BCDBCDBCDBCD数的调整指令中作目的寄存器数的调整指令中作目的寄存器 AHAHAHAH 在乘法 除法指令中作累加器在乘法 除法指令中作累加器 在输入在输入 输出指令中作数据寄存器输出指令中作数据寄存器 AXAXAXAX ALALALAL 专专专专 门门门门 用用用用 途途途途 寄存器寄存器寄存器寄存器 作间址和变址寄存器作间址和变址寄存器 在字符串指令中作目的地址间址和变址寄存器在字符串指令中作目的地址间址和变址寄存器 DIDIDIDI 作间址和变址寄存器作间址和变址寄存器 在字符串指令中作源地址间址或变址寄存器在字符串指令中作源地址间址或变址寄存器 SISISISI 作堆栈指示器作堆栈指示器SPSPSPSP 作间址和基址寄存器作间址和基址寄存器BPBPBPBP 2 2 2 2 指令指示器指令指示器 指令指示器IP Instruction Point 是一个 专用的16位寄存器 指向下一条指令的 地址 注意 IP一般不提供给用户直接使用 3 3 3 3 状态标志寄存器状态标志寄存器 状态标志 6个 C A O S Z P 控制标志 3个 D I T C C C CP P P PA A A AZ Z Z ZS S S ST T T TI I I ID D D DO O O O 状态标志 1 1 进位标志位C Carry Flag 最高位有进位或借位 C 1 无进位或借位 C 0 STC STC STC STC SeT Carry flag 置1 CLC CLC CLC CLC Clear Carry flag 清0 CMCCMCCMCCMC CoMplement Carry flag 取反 2 辅助进位标志位A Auxiliary carry flag 低4位D3 D0向高4位D7 D4有进位或借位 A 1 无进位或借位 A 0 用于BCD数的算术运算调整指令 状态标志 2 3 溢出标志位O Overflow flag 运算结果当符号数来影响标志位 若指令执行后结果超出了机器数所能表示的数 的范围 置O 1 反之则O 0 注意 只有 正数 正数 以及 负数 负数 才有可能溢出 状态标志 3 4 符号标志位S Sign flag 表示运算结果的符号 S与结果的符号位相同 结果为负数 S 1 结果为正数 S 0 5 零标志位Z zero flag 指令执行后结果为0 Z 1 指令执行后结果不为0 Z 0 状态标志 4 6 奇偶标志位P parity flag 低八位中1的个数为偶数 P 1 低八位中1的个数为奇数 P 0 控制标志 1 1 方向标志位D direction flag 用于控制数据串操作的步进方向 D 0 则串操作指令自动增量地从低地址 指向高地址 若D 1 串操作的方向是从高地址向低地 址方向自动减量 相关指令 CLD D清0 STD D置1 控制标志 2 中断允许标志位I interrupt enable flag I 1 允许响应外部可屏蔽中断 开中断 I 0 不允许CPU响应外部可屏蔽中断 关 中断 相关指令 STI I置1 CLI I清0 控制标志 3 跟踪标志位T trap flag 又称为陷阱标志 位 T 1 CPU每执行一条指令就自动地发生一 个内部中断 T 0 CPU正常执行程序 4 4 4 4 段寄存器段寄存器 段地址与段内偏移地址段地址与段内偏移地址 段地址段地址 8086 8088把20位地址的存储器分 成若干个段来表示 段寄存器中的内容称为 该段的段地址 又称为基地址或首地址 它 是该段第一个存储器单元的地址 段内偏移地址段内偏移地址 段内由16位二进制数来寻 址 段内寻址的16位二进制数地址是存储单 元到段首址的距离 称为段内偏移地址 简 称偏移地址偏移量 逻辑地址 一个存储单元的地址由段地址和偏移地 址两部分组成 用冒号连接段地址和偏 移地址 即 段地址 偏移地址 例如 CS IPCS IPCS IPCS IP 这样表示的地址称为逻辑地址 段寄存器就是用来存 放段地址的寄存器 代码段寄存器 CS code segment 数据段寄存器 DS data segment 堆栈段寄存器 SS stack segment 附加段寄存器 ES extra segment CS 代码段 堆栈段 数据段 附加段 DS ES SS IP 2 3 3 2 3 3 2 3 3 2 3 3 存储器的分段与物理地址存储器的分段与物理地址 形成形成 1 存储器的分段 8086 8088有20条地址线 可寻址 1M 220 字节的地址空间 其地址范围 为00000H FFFFFH 字节 Byte 与字 Word 每字含两个字节 存放规则为 高地址放高 位字节 例如 7816H 78H 16Hn n 1 当n为偶数时 n和n 1号两个存储单元 的内容组成的字称为规则字 通常都应 选用这种存放方式 当n为奇数时 n和n 1号两个存储单元 的内容组成的字称为非规则字 存储器分段注意事项 每段可寻址的地址空间限制在216 64KB 字节 段寄存器中的内容是可变的 存储器的 分段不是唯一的 因此段可以互相重叠 2 2 2 2 物理地址的形成物理地址的形成 主存储器中存储单元的实际地址 物理地址的生成 段 寄 存 器0 0 0 0 1 5 0 偏 移 地 址 1 5 0 2 0 位 物 理 地 址 1 9 0 例如 CS 0016H IP 1104H 则逻辑 地址CS IP 0016H 1104H 物理地址 为 H01264 H1104 H00160 操作数有效地址EA effective address 操作数的物理地址 一般由DS给出数据段地址 偏移地址可以是由指令直接给出 也可以由BX SI DI给出 或者由执行单元EU计算 指令的寻址方式实际上就是如何计算操 作数的有效地址 指令寻址 2 3 4 802862 3 4 802862 3 4 802862 3 4 80286微处理器微处理器 CPU内部和外部数据总线都是16位 地 址总线为24位 可寻址224字节 16MB 内 存 CPU片内具有存储器管理和保护机构 它 有实地址和受保护的虚地址两种工作方 式 分别称为实模式与保护模式 在实地址方式中 80286和8086工作方式完 全一样 使用24位地址中的低20位A19 A0 寻址能力为1 MB 物理地址与逻辑地址的含 义也与8086一样 80286对比8086的改进 支持更大的内存 达到了当时前所未有的 16MB 模拟内存空间 处理器可以使用外存储设备 模拟大量的存储空间 多达1 MB的虚拟存储器 能同时运行多个任务 多任务是通过多任务 硬件机构使处理器在各种任务间来回快速切换 处理速度提升 最早8086版本的速度是 4MHz 80286的运行速度为6 MHz 8MHz 后 期的80286版本达到了20 MHz 性能上有了重 大的进步 80286 CPU的内部结构 地址单元AU Address Unit 指令单元IU Instruction Unit 总线单元BU Bus Unit 执行单元EU 80286的寄存器 通用寄存器 段寄存器和指令寄存器与 8086完全一样 机器状态字MSW Machine Status Word 寄存器 最低位为保护允许 PE 位 PE 0 实模式 PE 1 保护模式 标志寄存器新增加了2个标志位 即I O 特权标志IOPL 位12 13 和嵌套任务标 志NT 位14 2 42 42 42 4 80386 80486 32 80386 80486 32 80386 80486 32 80386 80486 32位微位微 处理器处理器 2 4 1 80386 80386 80386 80386微处理器微处理器 首款32位微处理器 1 内部数据总线 32位 2 外部数据总线 32位 3 段寄存器 16位 4 地址总线 32位 可寻址232 4GB 字节地 址空间 80386 CPU 80387 协处理器 80386 CPU结构 1 总线接口单元BIU 2 指令译码单元IDU Instruction Decode Unit 3 指令代码预取单元IPU Instruction Prefetch Unit 4 执行单元EU 5 段管理单元SU Segment Unit 6 页管理单元PU Paging Unit 80386 CPU寄存器 1 控制寄存器 2 系统地址寄存器 3 调试寄存器 4 测试寄存器 以上寄存器用于简化设计和对系统进行调 试 5 通用寄存器 6 段寄存器 7 指令指示器 8 标志寄存器 80386的部分寄存器图 FLAGS I P AH AL BH BL CH CL DH DL S I D I B P S P 31 16 15 8 7 0 E A X E B X E C X E D X ESI EDI E B P E S P E IP EFLAGS C S S S D S E S F S G S 数 据 堆 栈 代 码 15 0 80386 CPU工作模式 实地址 虚地址保护 虚拟8086 在虚地址保护方式下 能够在多任务系统 中执行8086任务的一种特殊方式 2 4 2 804862 4 2 804862 4 2 804862 4 2 80486微处理器微处理器 1 内部数据总线 32位 2 外部数据总线 32位 3 地址总线 32位 4 段寄存器 16位 80486 CPU结构 1 总线接口单元BIU 2 指令译码单元IDU 3 指令预取单元IPU 4 执行单元EU 5 段管理单元SU 6 页管理单元PU 7 浮点处理单元FPU Float Process Unit 8 高速缓存 Cache memory 流水线 流水线是CPU运作中的一种并行模式 例如 486将一个指令的执行过程分为5步 取指令 指令译码 取操作数 执行运算 写回结果 当指令单元完成第一条指令的读取后 直接就 可以读取第二条指令 其它单元也这样 于是 就形成了一个流水线系统 这样 本来一个指 令需要5个时钟周期 那么如果引入了流水 线 在第5个时钟周期之后 486就能以一个时 钟周期运算一个指令了 也就是每个周期输出 一个指令 比未采用流水线技术每5个周期输 出一个指令的效率要高很多 流水线图示 2 5 2 5 2 5 2 5 奔腾系列微处理器奔腾系列微处理器 超标量结构 将芯片内的数据Cache与代码Cache分开 提供分支预测 流水线浮点单元 支持双处理器系统 芯片中具有本地多 处理器中断控制器以及电源管理特性等 等 Intel Pentium 处理器 1993 Pentium处理器的内核结构 Pentium家族成员 2 5 1 Pentium2 5 1 Pentium2 5 1 Pentium2 5 1 Pentium的结构的结构 总 线 部 件 8KB指令 高速缓存 指令缓冲器 指令译码 控制ROM 页 面 部 件 控制部件 地址生成 V流水线 TLB 预取 地址 指令指针 ALU V流水线 ALU U流水线 整数寄存器 滚筒式移位 器 转移 校验 目标 地址 8KB数据高速缓存 TLB 32 32 32 32 32 32 寄存器组 控制 乘法 除法 加法 浮点部件 80 80 地址生成 U流水线 转移日标 缓冲器 内 部 总 线 控制 总线 32位地址 总线 64位数据 总线 1 奔腾具有U V两条流水线 每条流水线长度 流水岗 为5 能同时执行2条整型指令 是超标量 Superscalar 为2的首款Intel微处理 器 5级流水岗为取指 译码 取操作数 或译码2 执行 回写 超流水线 Superpiplined 是指CPU内部流水线长度 超过通常的5 6步以上 2 指令Cache与数据Cache完全分开 各为8 KB 而且每组Cache都有各自的转换旁视缓 冲器 Translation Look aside Buffers TLB 3 浮点部件相对80486有彻底的改进 有 8级流水岗 每个时钟可执行一条指令 4 借助跳转目标缓冲器 Branch Target Buffer BTB 等逻辑部件实现了分支转 移的动态预测 5 外部数据总线经总线接口部件扩展到64 位 该接口电路与内部Cache连接 2 5 2 Pentium2 5 2 Pentium2 5 2 Pentium2 5 2 Pentium的寄存器的寄存器 31 16 15 0 指令指针 EIP IP 31 16 15 0 标志寄存器 Eflag Flag 31 16 15 0 累加寄存器 EAX AH AL 基址寄存器 EBX BH BL 计数寄存器 ECX CH CL 数据寄存器 EDX DH DL 源变址寄存器 ESI SI 目的变址寄存器 EDI DI 基址指针寄存器 EBP BP 通 用 寄 存 器 堆栈指针寄存器 ESP SP 15 0 代码段寄存器 CS 数据段寄存器 DS 堆栈段寄存器 SS 附加段寄存器 ES 附加段寄存器 FS 6 个段 寄存器 附加段寄存器 GS 15 0 11 0 31 0 19 0 IDTR IDT 基地址 IDT 段界 GDTR GDT 基地址 GDT 段界 LDTR LDT 选择器 属性 12b 基地址 32b 段界 20b 由描述符 Cache 实现 存储器管 理寄存器 TR TSS 选择器 属性 12b 基地址 32b 段界 20b 由描述符 Cache 实现 31 16 15 0 5 个控制寄存器 CR4 CR3 CR2 CR1 CR0 31 16 15 0 8 个调试寄存器 DR7 DR6 DR5 DR4 DR3 DR2 DR1 DR0 63 48 47 32 31 16 15 0 机器检测地址寄存器 机器检测类型寄存器 专用模式寄存 器 测试寄存器 TR12 TR1 1 1 1 1 通用寄存器通用寄存器 奔腾的通用寄存器都为32位宽 但也兼容了 8086 80186 80286处理器的8位与16位寄存 器 1 累加器EAX 主要用于暂存数据与操作码 可分解为16位的AX寄存器 或者AH与AL两个8位 寄存器 2 基址寄存器EBX 用于暂存数据 或者作为直接寻址的某数据对象 的起始地址指针 可分解为16位的BX寄存器 或者BH与BL两个8位 寄存器 3 计数寄