x86体系结构课件

1、基本硬件知识和PC架构昭营科技西安公司昭营科技西安公司 简清舟简清舟2010/04/01X86 Architecturel是英代尔Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称。l包括Intel 8086、80186、80286、80386以及80486，因此其架构被称为“x86”。l从1978年推出intel 8086 中央处理器的第三年被IBM PC选用。由此X86架构便成为个人电脑的一个标准平台。X86 Architecture 主要的特点l冯.诺依曼结构（普林斯顿）。lCISC指令集。l分别是真实模式，保护模式，系统管理模式以及虚拟V86模式IBM PClIBM PC 想在家用电脑

2、市场立足的产物。l使用现成的、不同原始设备制造商的元件。l他们决定使用开放结构，这样其它生产商可以生产和出售兼容的元件和软件。lIBM还出售其IBM PC技术参考资料。IBM PC Compatiblel是指与IBM的PC机兼容的个人电脑。l一般用于指80486及之前的PC机，之后渐渐代之以“标准PC”的说法。Motherboard（主板）l主机板Motherboard或是Mainboard是计算机最主要的电路板 Central Processing Unit(中央处理器单元 )lCPU主要组成：主要组成：运算器：运算器：算术、逻辑（部件：算术逻辑单元、累加器、寄存器组、路径转换器、数据总线）

3、控制器：控制器：复位、使能（部件：程序计数器、指令寄存器、指令解码器、状态寄存器、时钟发生器、微操作信号发生器）寄存器。寄存器。 lCPU的运作原理可分为四个阶段：的运作原理可分为四个阶段：提取提取：从程序内存中检索指令。解码解码：指令被拆解为有意义的片断。执行执行：连接到各种能够进行所需运算的CPU部件， 执行。写回写回：执行阶段的结果写回。 l主频主频 主频也叫时钟频率，单位是MHz（或GHz），用来表示CPU的运算、处理数据的速度,主频和实际的运算速度存在一定的关系，但目前还没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系，因为CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标（缓存、指令集

4、，CPU的位数等等） 。l外频外频 外频是CPU的基准频率，单位是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度 。l倍频系数倍频系数 倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系 l前端总线前端总线(FSB)频率频率 前端总线(FSB)频率(即总线频率)是直接影响CPU与内存直接数据交换速度。lCPU的位和字长的位和字长 l缓存缓存 Cachel指令集指令集 CISC指令集 l指令多。l减少编译代码中的指令的数目。l寻址方式比较复杂。l取指令操作所需的内存访问数量达到最小化。l编码长度可变。（1-15）字节。RISC指令集 l指令少。l统一指令编码（编码长度固定），通常为4个字节。l简单寻址

5、方式。l泛用寄存器。 （寄存器数量多，算术逻辑运算指令的操作数都在通用寄存器中存取）。Endiannness (端序)l大端序大端序（英：big-endian）或称大尾序大尾序以0 x0A0B0C0D为例： 地址增长方向 8bit为单位 0 x0A , 0 x0B , 0 x0C , 0 x0D l小端序小端序（英：little-endian）或称小尾序小尾序。以0 x0A0B0C0D为例： 地址增长方向 8bit为单位 0 x0D , 0 x0C , 0 x0B , 0 x0A l混合序混合序（英：middle-endian）具有更复杂的顺序。 以0 x0A0B0C0D为例： 地址增长方向

6、8bit为单位 0 x0B , 0 x0A , 0 x0D , 0 x0C System on Chip (SOC 片上系统)lSOC是指在单芯片上集成数字型号处理器、微控制器、存储器、数据转换器、接口电路等电路模块。追求最大包容的集成器件。RAM/ROMlROM只读存储器。其特点：l烧入后无需外加电即可保存数据。l速度慢。l适用于长期保留不变的数据。分类：lMask ROM(掩摸ROM)lPROM（Programmable ROM 可编程ROM）。全0或全1，一次性编程写入。lEPROM（Erasable Programmable ROM 电可擦写ROM）：紫外线光的照射擦写。可重复烧录。l

7、EEPROM（E2PROM）：电可擦除可编程ROM，通过高压脉冲可以写入数据（+12V DC）。可重复烧录。lFlash ROM（闪存存储器）：适用（+5V ）即可到EEPROM的功能。可重复烧录。lRAM随机存储器。特点：可以被读写存储器。速度快。断电不保存数据。 种类：SRAM（Static RAM,静态随机存储器）：没有刷新周期，由触发器构成基本单元。速度快，用于高速缓冲存储器。DRAM（Dynamic RAM，动态随机存储器）：由一个晶体管和一个电容器件构成。需要有规律的定时的进行刷新来稳定数据，主要用于主存储。SDRAM（Synchronous DRAM）同步DRAM：将RAM于CP

8、U以同样时钟频率进行控制，使RAM和CPU的外频同步，减少等待的时间。1.DDRAM（Double Data Rate SDRAM，双倍速率随机存储器）：双倍预取技术，差分输入技术，低电压技术。BIOS（Basic Input/Output System）基本输入输出系统l开机自检开机自检：检查CPU和各个控制器的状态。l初始化初始化：针对内存，主板芯片组，显卡及其周边装置初始化。l记录系统设定值记录系统设定值：提供各元件的基本设置，如显示器，键盘， 处理器， 内存等。l提供常驻程序库提供常驻程序库：提供操作系统或是应用程序回调的中断常驻程序。l加载操作系统加载操作系统：从存储装置中加载操作系

9、统到内存中。BUS（总线）lBUS就是一组通信线路。lBUS分类有： 并行总线，串行总线。地址总线，数据总线，控制总线。内部总线，外部总线。同步总线，异步总线。l总线的性能：l总线的带宽总线的带宽：单位时间内，总线的数据的最大传输量，一般用MBbye/s表示。l总线的宽度总线的宽度：通信线路的数目的多少称为总线宽度。l总线的单元时钟频率总线的单元时钟频率：对同步总线，采用统一的时钟脉冲作为总线定时基准。l总线的负载能力：总线的负载能力：总线上可以连接模块的最大数目。ISA（Industry Standard Acrchitecture）工业标准构架体系l8位ISA总线：IBM PC XT 采用

10、8位的机器，扩充槽是62脚。l带宽：8bitl兼容：8bit isal针脚：62l工作电压：+5V, -5V,+12,-12Vl时钟频率：4.77MHz l16位ISA总线：IBM PC AT 采用16位的机器，扩充槽是62+36脚。l带宽：16bitl兼容：8bit isa，16bit isal针脚：98l工作电压：+5V, -5V,+12,-12Vl时钟频率：8.33MHz EISAlEISA是为配合32位CPU而设计的总线扩展标准 l带宽：32bitl兼容：8bit isa，16bit isa， 32bitEISAl针脚：98+ 100l工作电压：+5V, -5V,+12,-12Vl时钟

11、频率：8.33MHz PCI（Peripheral Component Interconnect）外部设备互连总线lIntel 推出的局部总线。l地址和数据数据线分时复用。l采用同步传送方式式和集中式总线总裁策略。l有自动配置能力，（支持PNP）l中断共享。PCI-E (PCI - Express)l点对点串行连接 (传输通道)l双工连接l使用多层协议AGP(Accelerated Graphics Port )加速图像处理端口l1997年由Intel提出。l从PCI标准上建立起来的。l一种高速点对点传输通道。l是供显卡专用接口，主要应用在三维计算机图形的加速上。l为了消除PCI在处理3D图形

12、时的速度瓶颈。l阔度 66针 l每接口最多连接 1 个 设备l带宽 最高达 2133 MB/s l并行 l不支持热插拔l标准版本VESA Local Bus （Video Electronics Standards Association Local Bus ）扩充ISA局部总线l是一个扩充标准工业插槽（ISA）的总线。l负责掌控装置的内存映射I/O和直接内存存取（DMA）的内存高速管道 。lVLB插槽本身就是现存ISA插槽的延伸，伸长的部份通常被涂成棕色，和一般黑色ISA插槽分别。Video Card （显卡）l显卡的用途是将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动显示器。l向显示器提供行扫描

13、信号 。l是“人机对话”的重要设备之一。 l显卡主要元件：l显示芯片lBIOS（基本输出的固件程序）l显存l输出接口l显卡按接口分类：ISA显卡PCI显卡AGP显卡VESA显卡PCI-Express显卡USB显卡Graphic Processing Unit(图形处理器)l计算机中处理图形输出的显示芯片。lNVIDIA公司在发布GeForce 256绘图处理芯片时首先提出的概念lGPU使显卡减少了对CPU的依赖l并分担了部分原本是由CPU所担当的工作 USB（Universal Serial Bus）通用串口总线l1994年底Intel、Microsoft、康柏、IBM等公司倡导的串口总线标准

14、。l可以热插拔 ，即插即用。l工作在5V电压。100mA500mA，USB设备可以采用自供电方式。l支持同步和异步传输。l设备和主机由管道pipe（逻辑通道）联系在一起。l半双工的差分信号 并协同工作 。l携带方便（USB设备大多以“小、轻、薄”见长）。l标准统一（USB硬盘、USB鼠标、USB打印机）。l可以连接多个设备（127个）。l第一代：USB 1.0/1.1的最大传输速率为12Mbps。1996年推出。 l第二代：USB 2.0的最大传输速率高达480Mbps。USB 1.0/1.1与USB 2.0的接口是相互兼容的。l第三代：USB 3.0 最大传输速率5Gbps, 向下兼容USB

15、 1.0/1.1/2.0，支持全双工。现标准中将USB统一为USB 2.0高速：传输速率25Mbps400Mbps（最大480Mbps） 全速：传输速率500Kbps10Mbps（最大12Mbps） 低速：传输速率10Kbps100Kbps（最大1.5Mbps） l控制传输（Control）一般用于短的、简单的对设备的命令和状态反馈，例如用于总线控制的0号管道。 l同步传输（Isochronous）按照有保障的速度（可能但不必然是尽快地）传输，可能有数据丢失，例如实时的音频、视频。 l中断传输（Interrupt）用于必须保证尽快反应的设备（有限延迟），例如鼠标、键盘。 l批量传输（Bulk）

16、使用余下的带宽大量地（但是没有对于延迟、连续性、带宽和速度的保证）传输数据，例如普通的文件传输。FireWire(IEEE1394 火线接口)lIEEE1394接口是苹果公司领导开发的高速串行工业总线标准。l支持即插即用，热插拔。l支持两种传输方式同步传输和异步传输。l支持点对点通信模式。l支持较远的距离，普通线缆可以达到4.5m，高级线缆可以达到15m，1394b可以使用多种介质，玻璃光缆或是5类双绞线传输可以达到100m。l使用840V的直流电。lIEEE1394理论上可以将63台设备串接在同一网络上。lIEEE 1394 继承了成熟的SCSI指令体系，因此传输的稳定度和效率都相当地高。l

17、和USB2.0相比，对于CPU的负担也较低。lIEEE 1394a-2000（FireWire 400）：6Pin接口，最高速为400MbpslIEEE 1394b-2002（FireWire 800）：接头的形状从IEEE 1394a的6 Pin变成9 Pin，理论最高速为800Mbps。lIEEE 1394c-2006（FireWire S800T）：新的接头规格和RJ45相同，并使用CAT-5（5类双绞线）和相同的自动协议，可以使用相同的端口来连接任何IEEE 1394设备或IEEE 802.3（1000BASE-T以太网双绞线）的设备lS1600和S3200：S1600（理论值达到1.

18、6 Gbit/s）和S3200模式（理论值达3.2 Gbit/s）Low Pin Count(LPC)l是Intel于1998年公布的一个取代传统ISA BUS的一种新接口规范。lISA BUS的地址/数据分离译码，改为地址/数据共享译码。l信号的数量大幅降低(36线)，工作频率有PCI总线驱动。Parallel Port 并口l是计算机上数据以并行方式传递的端口。l主要有25和30针两种。平常25针居多。l主要连接打印机、老实的扫描仪，老实的摄像头。l随着速度迅速提高，并口上导线之间数据同步成为一个很难处理的难题，导致并口在速度竞赛中逐渐被淘汰。Serial Port (串口)l是计算机上数

19、据以串行方式逐位数据传输的端口。lRS-232RS-232通信距离短、速率低。25针D形接口和9针D形接口（COM1，COM2）， 传输15米。lRS-422 采用4线，全双工，差分传输，多点通信的数据传输协议。一发多收，不可逆，一个发送端就可以连接10个接受端。可进行长距离传输，超过4000英尺，1200米。lRS-485采用2线，半双工，多点双向通信，差分传输。可多发多收。可进行长距离传输，超过4000英尺，1200米。lUSBlRJ-45接口是以太网最为常用的接口。I2C(内部集成电路总线)l由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。l支持多主控。l主控能够控制信号的传输和时钟频率，同一时间只能有一个主控。lI2C总线是由数据线SDA和时钟控制线SCL构成的串行总线。l标准模式（100Kbits/s）l快速模式（400Kbits/s）。l高速模式，其速度可达3.4Mbits/s。（Serial Peripheral Interface ）SPI l由Motorola首先开发定义。lSPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。l主要应用在 EEPROM，FLAS