微型计算机孙德文技术答案wjjs

1、微型计算机原理微型计算机技术微型计算机技术及应用，清华大学出版社，戴梅萼等编著。第一章 微型计算机概论1.1 微型计算机简介1.1.1 基本概念一、微处理器由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器功能的中央处理器（CPU或MPU）二、微型计算机三、微型计算机系统 运算器 微处理器 控制器 寄存器组 微型计算机 内部总线（片总线） （主机） 内存储器（RAM和ROM） 输入/输出接口（并行和串行） 系统总线（内总线、微机总线）（AB、DB、CB） 硬件 定时电路（时钟脉冲发生器） 外存储器（磁盘、磁带、光盘） 外部设备 输入设备（键盘、鼠标等）微型 输出设备（CRT、打印机、绘图仪等）

2、计算机 外围设备 专用电路（过程控制I/O通道）（A/D、D/A、数据终端等）系统 外总线（通信总线） 电源、面板和机架等 软件 系统软件 应用软件 考虑到总线的微机系统，如图1-31.1.2 微处理器发展简况从1946年经历了5代,从71年开始,微机是第四代,也已经历了4代.第一代(197173) 4位和低档8位微处理器集成度：2300管子/片，时钟：1MHz如：Intel 4004、Intel 4040、 Intel 8008第二代（7378） 中、高档8位微处理器集成度：5400管子/片，时钟：24MHz如：Intel 8080、 MC6800、Z-80、 Intel 8085第三代（7

3、881） 16位微处理器集成度：68000管子/片，时钟：410MHz如：Intel 8086、 MC68000和68010、Z-8000性能欲赶上中档小型机。第四代（81 ） 32位微处理器集成度：17万100万管子/片，时钟：20，200MHz如：Intel 80386、 Intel 80486、Pentium（Pro、MMX、IIV）、MC68020、MC68030、MC68040、Z800001.1.3 微型计算机的分类概述 (一)按数据总线位数划分1、4位微机 应用：2、8位微机3、16位微机4、32位微机5、位片式(二)按组装形式和系统规模划分1、单片机（微控制器、嵌入式计算机）微

4、型计算机制作在一个芯片中，有时包括A/D、D/A转换器。应用：智能化仪器仪表，控制领域。特点：体积小、功耗低。常用：MCS-518系列，-96系列，MC6805。2、单板机微型计算机、小键盘、发光二极管显示器、监控程序等安装在一块印刷电路板上。如：TP-801、TP-86应用：生产过程的实时控制、教学实验。3、个人计算机（Personal Computer）由微处理器芯片、存储器、接口装在印刷电路上，加上插件板组成主机，再配上外部设备、系统软件组成。特点：便于搬动，不需要维护，价格低，可供个人或家庭使用的计算机。如：Altair 8080、Apple II、IBM-PC/XT、IBM-PC/A

5、T、IBM-PS/2、PC兼容机（PC286、386、486、Pentium等）应用：商业、家用、科学和教育领域。4、工程工作站和超级微型机第二章 80X86微处理器的结构重点介绍8086和80386的结构特点、编程结构、引脚信号功能及总线时序。2.1 从8086到Pentium III2.1.1 Intel 8086微处理器的基本结构16位，约29000个晶体管，频率有5、8、10MHz。一、组成由总线接口部件BIU和执行部件EU组成。1、总线接口部件BIU负责与存储器、I/O端口传送数据。组成：16位段寄存器（CS、DS、SS、ES） 16位指令指针（IP） 6个字节指令队列 地址形成逻辑

6、（20位地址加法器） （I/O）总线控制逻辑功能：1）在EU执行指令的过程中，BIU始终能从存储器中预先取出一些指令送到指令队列中排队，遵从先进先出的次序。2）根据EU的请求，完成CPU与存储器或I/O设备之间的数据传送，形成20位的内存物理地址。2、执行部件EU负责指令的执行。组成：16位的算术/逻辑单元ALU（加法器） 16位状态标志寄存器 4个通用寄存器（AX、BX、CX、DX） AH和AL 4个专用寄存器（SP、BP、DI、SI） 暂存（运算）寄存器 EU控制系统注：1）寄存器组和数据传输通路间可进行快速传输。2）EU不与系统总线相联。功能：1）从BIU的指令队列中获取指令、执行指令。

7、2）向BIU发出请求，提供数据和所需访问的内存或I/O端口的地址信息。3）对通用寄存器和标志寄存器进行管理，主要操作类型：1）算术/逻辑运算、串处理、BCD码调整。2）计算寻址要求的单元地址的位移量，EU将这个16位位移量送BIU。二、工作方式 微处理器通过总线和外部部件交换信息，当执行一条指令时，一般要占用二次总线，总线非常忙，要提高微处理器的利用率和整个系统的执行速度，必须充分利用总线。并行工作方式：BIU和EU处于并行工作状态，取指令与数据不占用额外时间，在执行指令时同时取下一条指令与数据，这样总线总不空闲。2.1.2 Intel 80286微处理器的基本结构标准的16位处理器,8086

8、向上兼容。一、组成： 4个部件地址部件AU：形成物理地址指令部件IU：译码，放已被译码指令队列执行部件EU：执行指令总线部件BU：取代码和读写数据，CPU与系统间的高速接口，放预取队列。二、并行工作方式指令可预取、预译，提高吞吐率。三、优点1、速度更快2、地址空间更大，24位，虚存可达1GB。3、工作于两种方式1）实方式（实地址方式）DOS应用程序占用全部系统资源。2）保护方式（保护虚地址方式）A、通过硬件控制多任务间快速切换，用四层特权支持操作系统和任务分离及程序和数据的保密，具有多用户和多任务处理功能。B、具有虚拟内存管理，通过软件切换进入虚拟的8086工作方式。2.1.3 Intel 8

9、0386微处理器的基本结构1985年推出，32位微处理器,片内集成27.5万只晶体管,速率从12.5MHz,高达50MHz。一、组成由三大部分的六个部件组成。如图2-3所示。1、总线接口部件BIU中央处理部件与系统之间的高速接口，对总线使用进行排优，进行总线传送的控制以充分利用总线宽度，并对80386和协处理器的协调进行控制。2、中央处理部件CPU1）指令预取部件IPU16字节长，在总线空闲周期，读4个字节，可存5条指令（平均3.5字节/条）。2）指令预译码部件IDU（译码器和译码指令队列）3）执行部件EUALU、8个32位通用寄存器、64位移位寄存器、乘/除法器。采用流水线技术：1）指令提取

10、和执行重叠进行；2）有效地址形成，逻辑地址往线性地址转换，线性地址往物理地址转换这三个动作重叠进行。3、（集成的）存储管理部件MMU1）分段部件SU：管理逻辑地址空间，将逻辑地址转换为线性地址，面向程序员。为便于多任务实现指令与数据区的重新定位及任务间的隔离，以提供模块性和保护性。各任务的程序以段空间为目标分别编程。段长度可变，小于4GB，整个逻辑空间为16K个段=214=64MMB2）分页部件PU：管理物理地址空间，将线性地址转为物理地址。段可分为页面，页小于等于4KB，取4KB。把活动任务当前所需的少量页面放在存储器中，提高存取效率。在禁止分页或无PU时，物理地址=线性地址。二、主要性能1

11、、灵活的32位微处理器可8、16、32或位场等多种数据类型。2、存储空间32位地址总线 232=4GB虚拟存储空间 246=64TB存储器分段结构，段长可达4GB3、集成的存储管理部件（1）支持虚拟存储器（2）可选择的片内分页机构（3）4级保护（4）与80286完全兼容4、目标代码与8086系列微处理器兼容5、三种工作方式（1）实地址方式（2）保护方式 支持硬件调度（3）虚拟8086方式允许在受保护和分页的系统中运行8086软件，可同时模拟多个8086微处理器，使DOS程序能在保护方式下作为其中一个任务运行。6、优化的系统性能（1）指令的流水线结构（2）具有片内地址转换的高速缓冲存储器（3）时

12、钟可达33MHz，总线周期仅2T（4）总线带宽32MB/S7、通过80387协处理器支持高速数值处理8、完整的系统开发工具9、高速CHMOSIII技术当系统闲置时，CPU将工作频率降到0MHz，此时功耗极低。2.1.4 Intel 80486微处理器的基本结构特点1989年问世，集成120万晶体管，频率可达50MHz，支持二级Cache，基本沿用80386的体系结构，同80386相比，其特点：（1）采用RISC技术，同时以布线逻辑代替微代码控制，在一个时钟周期执行一条指令；（2）采用片内Cache、片内浮点运算协处理器FPU，引线缩短、片内数据总线加宽，CPU与FPU间采用高速总线传输，数据通

13、路是64位和128位，且Cache与浮点寄存器间可直接进行数据交换，不必经过80486，提高处理速度。（3）采用突发式总线方式，使与一地址相关的一组数据都可输入/输出，加速CPU与内存的数据交换；（4）可模拟多个80286实现多层次的多任务功能。2.1.5 Intel Pentium微处理器的基本结构1993年推出，集成310万只晶体管，频率达150MHz，性能超过工作站和超级小型机，同等80486相比，结构上的特点：（1）超标量流水线超标量：含多个指令执行部件和多条指令流水线。有U和V两条指令流水线，各自有独立的ALU、地址生成逻辑和Cache接口，每条流水线分指令预取、指令译码、地址生成、

14、指令执行和回写5个步骤，这样每个时钟周期内可执行两条整数指令。（2）重新设计的浮点部件执行过程分8个流水步级，对MUL、LOAD及MOV、PUSH、DEC、INC等常用指令不用微程序而由硬件来实现，提高速度。（3）独立的指令Cache和数据Cache减少争用Cache的冲突，采用32*8线宽，以支持64位总线，数据Cache有两种接口分别与U和V流水线相连，可支持突发式读写操作（即向Cache写数据和释放回内存可同时进行），提高数据传输速度。（4）分支预测有两条预取指令缓冲队列，一个以顺序方式预取，一个以转移方式预取（称分支目标缓冲器。某条指令产生分支时，记下该指令和分支目标地址，以预测再次产

15、生分支时的路径，保证流水线的预取在执行前取完，而不落空。适用于循环操作。（5）采用64位外部数据总线Pentium内部数据总线32位，但CPU和内存进行数据交换的外部数据总线采用64位总线，提高数据传输速度，可达528MB/S。但功耗大15W，浮点运算能力低于一些RISC处理器。可见从16位到32位，主要从体系结构设计上有概念性的更新。2.1.6 Pentium Pro微处理器（高能奔腾）1995年推出，比Pentium芯片增加的内容：（1）一封装内两个芯片CPU内核有2个8KB的L1 Cache；256KB的L2 Cache，与CPU内核用全速总线相连，提高程序运行速度。（2）指令分解为微操

16、作采用RISC技术，便于流水线并行执行，提高指令运行速度。（3）乱序执行和推测执行使指令流能最有效地利用内部资源。（4）超级流水线和超标量技术14级超级流水线结构，3路超标量结构，提高并行处理能力，提高性能。2.1.7 Pentium MMX微处理器Intel P55C（多能奔腾）MMXMulti Media extension 多媒体扩展1997年推出，在Pentium微处理器中增加新数据类型，8个64位寄存器和57条新指令，增加的技术：一、引入新的数据类型 1） 用紧缩表示紧缩字节8个字节紧缩在一个64位数据中紧缩字4个字紧缩在一个64位数据中紧缩双字2个双字紧缩在一个64位数据中4字64

17、位紧缩的64位数据可存放在64通用寄存器中，一次操作可处理8个数元，适用于多媒体处理。例：图象的灰度级256级，用8位（1字节）表示一像素。2）技术采用SIMD（单指令多数据流）技术，在运行一条指令同时并行处理多个数据元素（32位），例：在一个T内处理4种类型或最多8组64位的模拟/数字数据二、采用饱和运算（溢出处理）上溢或下溢的结果被截取（饱和）至该类数据类型的最大值或最小值。例：两16位带符号数相加F000H H=13000 取FFFFH（而不是3000） 适用于图形学处理。否则，若图形最高值为黑，最小值为淡色，而一像素上溢则成了淡色。三、具有积和运算能力 提高矢量点积和矩阵乘法的运算速度

18、。适用于音频和视频图像的压缩和解压缩中。2.1.8 Pentium II 微处理器1997年5月推出，把多媒体增强技术（MMX技术）融入高能奔腾处理器。具有整数运算、浮点运算和多媒体信息处理功能。采用的先进技术：一、多媒体增强技术1）单指令多数据流（SIMD）减少计算密集的循环。2）增强了57条功能强大的指令，便于处理声音、图像及视频数据。二、动态执行技术1）多分支跳转预测2）数据流分析 判定指令是否符合处理条件或他们决定于其他指令，以确定最佳处理顺序，有效地执行指令。3）推测执行 预先查找程序计数器和执行那些可能会运算的指令，并进行排序，增加被执行指令的数量。三、双重独立总线结构 如图2-6

19、（b）两条总线，提高吞吐量；二级Cache，运行速度提高；流水线系统总线，可同时并行事务处理；带宽性能是单一总线体系结构的3倍。四、采用SEC插盒封装技术2.1.9 Pentium III 微处理器1999年2月推出，带有70条附加浮点多媒体指令，分2阶段发展。一、带SSE指令集的Pentium II 微处理器增加了8个新128位单精度寄存器，70条分三类：（1）（3） p20增强音频、视频和3D图形处理能力二、新一代Pentium III 微处理器（Coppermine）1999年10月推出，主频733MHz，外频133MHz主要特性：（1）集成度高，发热量少，功耗低；（2）256KB二级缓存内置，用256位的宽带数据通路；（3）采用先进的缓存转换结构，使处理器核心与二级Cache间理论数据带宽达11.2GB/s;（4）采用先进的系统缓冲器增加了许多缓冲器或队列；（5）采用speedstep技术用电池时，降低电源功耗，延长运行时间；用外接电源时，全速与全电压方式运行，提高系统灵活性。2.1.10 Pentium 4 微处理器2000年6月推出，重新设计内核体系结构. 2000年6月推出主频3.8GHz的Pentium 4 /750.主要技术特性：(1)采用3条超标量流水线(2)改进了分支预测单元(3)采用跟踪缓存和低延迟数据缓存(4)采用高级动态执行技术(5)采用64