教学课件-微机原理(第四版)

微机原理（第四版）第1章微型计算机简介（目录）1.1微型计算机系统概述1.1.1微型计算机的体系结构和系统构成1.1.2微机系统的主要性能指标1.1.3微型计算机的基本工作过程1.1.4微型计算机的应用及发展1.2微处理器概述1.2.1IntelIA-32架构处理器的起源和发展1.2.2

IntelIA-32架构处理器简介1.2.3其他主流的微处理器简介1.3PC系列微型计算机基本结构1.3.1PC系列微机的发展简史和结构演化1.3.2IBMPC/AT微机的基本结构1.3.380386/80486微机的基本结构1.3.4现代微机的基本结构

1.4主板芯片组简述1.4.1主板芯片组的起源1.4.2Intel芯片组1.4.3其他主流芯片组简介

计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。计算机能够完成的基本操作及主要功能为：输入：接受由输入设备（如键盘）提供的数据处理：对数据、字符、图像等各种类型的数据进行操作，按指定的方式进行转换输出：将处理所产生的结果（信息）由输出设备进行输出存储：程序和数据的存储1.1微型计算机系统概述1.1.1微型计算机的体系结构和系统构成以上4种基本操作通常被称为IPOS循环，它反映了计算机进行数据处理的基本步骤，即输入（Input）、处理(Processing)、输出(Output）和存储(Storage)，如图1.1所示。图1.1计算机系统示意图1.1微型计算机系统概述从系统组成的角度看，一个微型计算机系统包括硬件和软件两大部分。其中微机硬件系统无论是8位机、16位机、32位机还是更高档的64位机，它们的基本组成结构相似，由处理器子系统、系统总线、存储器、I/O接口和I/O设备等组成，如图1.2所示。1.1微型计算机系统概述1.1微型计算机系统概述处理器子系统是由微处理器及其支持电路一起构成微机系统的，是微机系统的控制中心，对系统各个部件进行统一的协调和控制。1.1微型计算机系统概述存储器分为主存和外存两类主存也称内存，速度快，但容量小、造价高，主要存放当前正在运行的程序和正待处理的数据。主存通常在主机内的主板上，CPU可以通过总线直接存取。外存也称为辅存，容量大、造价低、信息可长期保存，但速度慢，主要存放当前暂不运行的程序和暂不处理的数据。外存安装在主机箱内或主机箱外，CPU通过I/O接口进行存取。1.1微型计算机系统概述I/O设备也称外部设备或外围设备，或简称外设，其功能是为微机提供具体的输入输出手段。一般外设需要有I/O接口电路来充当它们和CPU间的桥梁，通过该电路来完成信号变换、数据缓冲、与CPU联络等工作。1.1微型计算机系统概述微型计算机的硬件系统是由主机系统和外部设备两部分组成的，下面分别予以介绍。

1、主机系统微型计算机的主机系统主要包括微处理器、内存储器、输入输出接口和系统总线等部分，具体结构见图1.3。1.1微型计算机系统概述1.1微型计算机系统概述2、微型计算机的外部设备微型计算机的外部设备包括外存储器、输入设备和输出设备等，如图1.4所示。1.1微型计算机系统概述1.1微型计算机系统概述外存储器外存储器又称辅助存储器或辅存，是计算机系统中除内存储器外，以计算机能接受的形式存储信息的其他媒体，如磁盘存储器、光盘存储器、U盘等。它们的特点是能长期保存数据，而且设备价格便宜，存储量大。1.1微型计算机系统概述输入设备输入设备是计算机外部设备之一，是向计算机输送数据的设备。其功能是将计算机程序、文本、图形、图像、声音以及现场采集的各种数据转换为计算机能处理的数据形式并输送到计算机。常见的输入设备有键盘和鼠标等。1.1微型计算机系统概述输出设备输出设备是将计算机中的数据信息传送到外部媒介，并转化成某种人们所认识的表示形式。在微型计算机中，最常用的输出设备有显示器和打印机。1.1微型计算机系统概述1.1.2微机系统的主要性能指标微型计算机的主要性能指标有以下一些内容:字长字长以二进制位为单位，是CPU能够同时处理的二进制数据的位数，它直接关系到计算机的计算精度、功能和运算能力。微机字长一般都是以2的幂次为单位，如4位、8位、16位、32位和64位等。1.1微型计算机系统概述运算速度计算机的运算速度（平均运算速度）是指每秒钟所能执行的指令条数，一般用百万条指令/秒（MIPS）来描述。因为微机执行不同类型指令所需时间是不同的，通常用各类指令的平均执行时间和相应指令的运行比例综合计算，作为衡量微机运行速度的标准。目前微机的运行速度已达200MIPS～300MIPS。1.1微型计算机系统概述时钟频率（主频）时钟频率是指CPU在单位时间（秒）内发出的脉冲数。通常，时钟频率以兆赫（MHz）或吉赫（GHz）为单位。一般的时钟频率越高，其运算速度就越快。1.1微型计算机系统概述内存容量内存一般以KB或MB、GB为单位。内存容量反映了内存储器存储数据的能力。存储容量越大，其处理数据的范围就越广，运算速度一般也就越快。1.1微型计算机系统概述存取周期对内存储器进行一次完整的读写操作所需的时间称为存取周期，即从发出一次读写命令到能够发出下一次读写命令所需要的最短时间。对于破坏性读写存储器（如动态半导体存储器DRAM等），存取周期包括存取时间、重写时间和恢复时间三部分。存取周期的大小影响微机运行速度。微机内存储器的存取周期一般在几十到几百纳秒（ns，即10-9秒）1.1微型计算机系统概述1.1.3微型计算机的基本工作过程计算机的基本结构是由美藉匈牙利科学家冯.诺依曼于1946年提出的。迄今为止所有投入实用的计算机都是按冯.诺依曼的提出的结构体系和工作原理设计制造的，故又统称为“冯.诺依曼型计算机”。1.1微型计算机系统概述冯.诺依曼型计算机的工作原理：(如图1.8所示)存储程序将要执行的程序和数据事先编成二进制形式的编码存入主存储器中；程序控制执行时，由CPU调用主存储器中的程序和数据进行运算。1.1微型计算机系统概述1.1微型计算机系统概述1.1.4微型计算机的应用及发展归纳起来可分为以下几个方面：科学计算(数值计算)科学计算也称数值计算。计算机最开始是为解决科学研究和工程设计中遇到的大量数学问题的数值计算而研制的计算工具。随着现代科学技术的进一步发展，数值计算在现代科学研究中的地位不断提高，在尖端科学领域中，显得尤为重要。1.1微型计算机系统概述数据处理(信息处理)在科学研究和工程技术中，会得到大量的原始数据，其中包括大量图片、文字、声音等信息处理就是对数据进行收集、分类、排序、存储、计算、传输、制表等操作。自动控制自动控制是指通过计算机对某一过程进行自动操作，它不需人工干预，能按人预定的目标和预定的状态进行过程控制。所谓过程控制是指对操作数据进行实时采集、检测、处理和判断，按最佳值进行调节的过程。目前被广泛用于操作复杂的钢铁企业、石油化工业、医药工业等生产中。1.1微型计算机系统概述计算机辅助设计和辅助教学计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，简称CAD)是指借助计算机的帮助，人们可以自动或半自动地完成各类工程设计工作。目前CAD技术已应用于飞机设计、船舶设计、建筑设计、机械设计、大规模集成电路设计等。人工智能方面的研究和应用人工智能(ArtificialIntelligence，简称AI)。人工智能是指计算机模拟人类某些智力行为的理论、技术和应用。人工智能是计算机应用的一个新的领域，这方面的研究和应用正处于发展阶段，在医疗诊断、定理证明、语言翻译、机器人等方面，已有了显著的成效。1.1微型计算机系统概述多媒体技术应用随着电子技术特别是通信和计算机技术的发展，人们已经有能力把文本、音频、视频、动画、图形和图像等各种媒体综合起来，构成一种全新的概念—“多媒体”(Multimedia)。在医疗、教育、商业、银行、保险、行政管理、军事、工业、广播和出版等领域中，多媒体的应用发展很快。1.1微型计算机系统概述1.2微处理器概述如果把计算机比作人，那么CPU就是人的大脑。CPU的发展非常迅速，个人电脑从8088(XT)发展到现在的Pentium4时代，只经过了不到二十年的时间。从生产技术来说，最初的8088集成了29000个晶体管，而PentiumⅢ的集成度超过了2810万个晶体管；CPU的运行速度，以MIPS(百万个指令每秒)为单位，8088是0.75MIPS，到高能奔腾时已超过了1000MIPS。从工作原理来看，不管什么样的CPU，其内部结构归纳起来一般都可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，这三个部分相互协调，对命令和数据进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。1.2.1IntelIA-32架构处理器的起源和发展CPU从最初发展至今已经有三十多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，CPU可以分为：4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器，可以说个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的。1.2微处理器概述

4位和8位微处理器1971年，Intel公司推出了世界上第一款微处理器4004，这是第一个可用于微型计算机的四位微处理器，它包含2300个晶体管，随后Intel又推出了性能更强的8位处理器8008，见图1.9。1.2微处理器概述1.2微处理器概述16位微处理器1978年Intel公司生产的8086是第一个16位的微处理器。作为第三代微处理器的起点，8086微处理器最高主频速度为8MHz，具有16位数据通道，内存寻址能力为1MB。与此同时Intel还生产出与之相配合的数学协处理器i8087，这两种芯片使用相互兼容的指令集，统一称之为x86指令集。1979年，Intel公司又开发出了8088处理器，见图1.10。8086和8088在芯片内部均采用16位数据传输，所以都称为16位微处理器。1981年，美国IBM公司将8088处理器用于其研制的个人计算机中（称为IBMPC）见图1.10右图，从而开创了全新的微型计算机时代。1.2微处理器概述1.2微处理器概述1982年，Intel公司在8086的基础上，研制出了80286处理器，见图1.11。80286CPU集成了大约130000个晶体管，最大主频达到了20MHz。从总体来看，80286在以下四个方面比它的前辈有显著的改进：①支持更大的内存；②能够模拟内存空间；③能同时运行多个任务；④提高了处理速度1.2微处理器概述32位微处理器1985年10月17日，Intel划时代的产品—80386DX正式发布了，其内部包含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，见图1.12。1.2微处理器概述1989年，Intel推出性能更强的80486处理器，见图1.13。1.2微处理器概述它首次实破了100万个晶体管的界限，达到了120万个晶体管，使用1微米的制造工艺。1993年Intel公司把自己的新一代586CPU产品命名为Pentium(奔腾)，以此区别AMD和Cyrix等其他公司的产品，见图1.14。1.2微处理器概述为提高多媒体处理能力，Intel公司在1996年底发布了多能奔腾(PentiumMMX)，它的正式名称是“带有MMX技术的Pentium处理器”，见图1.15。1.2微处理器概述PentiumPro(高能奔腾，686级的CPU)的核心架构代号为P6，见图1.16。1.2微处理器概述1998年4月16日，Intel第一个支持100MHz外频的CPU正式推出，见图1.17。1.2微处理器概述

1999年Intel公司发布了采用Katmai核心的新一代微处理器—PentiumⅢ，见图1.18。该微处理器除采用0.25微米工艺制造，内部集成950万个晶体管。除在安装模式上采用Slot1架构之外，它还具有以下新特点：系统总线频率为100MHz；采用第六代CPU核心—P6微架构，并针对32位应用程序进行优化，采用双重独立总线；一级缓存为32KB，二级缓存大小为512KB；新增加了能够增强音频、视频和3D图形效果的指令集，共70条新指令。1.2微处理器概述图1.18slot1接口的IntelPentiumⅢ处理器1.2微处理器概述

图1.19是2000年11月Intel公司发布新一款CPU，Pentium4。这是一款在技术上以Willamette为核心，外形结构上采用全新的Socket423插座，集成有256KB的二级缓存，支持更为强大的SSE2指令集和多达20级的超标量流水线的高性能处理器。1.2微处理器概述Intel的64位微处理器为了满足更高速度的处理要求，2001年Intel发布了64位的Itanium(安腾)处理器。2002年Intel发布了Itanium2处理器。代号为McKinley的Itanium2处理器是Intel第二代64位系列的产品。Itanium2处理器是以Itanium架构为基础所建立与扩充的产品，提供了32位的兼容性，具有6.4GB/sec的系统总线带宽、高达3MB的L3缓存，可与专为第一代Itanium处理器优化编译的应用程序兼容，并大幅提升了处理器的性能。1.2微处理器概述

微处理器或微型计算机的分类原则是按其单位时间能处理的数据的二进制位数来分，即它们的字长。表1.1（见教材）Intel的4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器和32位微处理器字长、时钟频率、数据总线和地址总线位数，以及集成的晶体管数目等性能指标。1.2.2

IntelIA-32架构处理器简介1.2微处理器概述半导体加工技术的进步直接推动微处理器的发展。半导体器件的几何尺寸日益缩小，发展到今天加工工艺可达几微米。由于器件的几何尺寸的缩小，芯片的集成度大大提高，即在同样尺寸的硅片上可集成更多的晶体管，同时也提高了芯片的工作速度。1.2微处理器概述1.2.3其他主流的微处理器简介Intel

Celeron(赛扬)为满足低端市场的需要，Intel于1998年4月推出了一款廉价的CPU产品，Celeron（中文名叫赛扬）。早期的Celeron与PentiumⅡ相比，去掉了片上的L2

Cache，此举虽然大大降低了成本，但也正因为没有二级缓存，该微处理器在性能上大打折扣，其整数性能甚至不如Pentium

MMX。1.2微处理器概述AMD

系列处理器在处理器的发展历程中，AMD（AdvancedMicroDevices）的地位和作用是不容忽视的。K5处理器是AMD第一个独立生产的x86级CPU。AMD公司在1997年推出的K6处理器，性能要优于奔腾MMX，接近同主频PⅡ的水平。1999年6月23日，AMD公司推出了具有重大战略意义的K7微处理器，并将其正式命名为Athlon。AMD公司在2003年成功地开发出了全球第一款桌面系统64bit处理器K8。1.2微处理器概述Cyrix与VIA公司的处理器Cyrix

MⅡ是Cyrix公司于1998年3月开始生产的，也是Cyrix公司独自研发的最后一款微处理器。VIA公司在收购Cyrix之后，正式推出了代号为Joshua的第一款微处理器，它采用0.18微米工艺制造，Socket

370架构，支持133MHz外频，并拥有256KB

L2

Cache及3D

NOW！指令集。1.2微处理器概述

Rise公司是一家成立于1993年11月的美国公司，主要生产x86兼容的CPU，在1998年推出了mP6

CPU。mp6不仅价格便宜，而且性能优异，有着很好的多媒体性能和强大的浮点运算。mp6使用Socket

7/Super

7兼容插座，只有16KB的一级缓存。1.2微处理器概述我国的龙芯2002年9月28日，中国科学院计算技术研究所正式发布国内首枚高性能通用CPU芯片-龙芯(Godson)，如图1.25所示。龙芯一号CPU是以中国科学院计算技术研究所研制的通用CPU为核心，由神州龙芯公司拥有知识产权，是神州龙芯公司推出的兼顾通用及嵌入式CPU特点的新一代32位CPU。龙芯一号是基于0.18微米CMOS工艺的32位微处理器，通过了以SPECCPU2000为代表的一批性能和功能测试程序的严格测试。龙芯一号CPU的诞生打破了我国长期依赖国外CPU产品的历史，也标志着国产安全服务器CPU和通用的嵌入式微处理器产业化的开始。1.2微处理器概述1.2微处理器概述双核心处理器双核心处理器(DualCoreProcessor)，简单地说就是在一块CPU基板上集成两个处理器核心并通过并行总线将各处理器核心连接起来，是美国斯坦福大学提出的CMP(ChipMultiProcessors，单芯片多处理器)技术中最基本、最简单、最容易实现的一种类型。CMP技术的主要思想是在一块芯片内实现SMP(SymmetricalMulti-Processing，对称多处理)架构，且并行执行不同的进程。1.2微处理器概述

AMD是将两个内核做在一个Die（晶元）上，通过直连架构连接起来，集成度更高。Intel则是将放在不同Die（晶元）上的两个内核封装在一起，因此有人将Intel的方案称为“双芯”，认为AMD的方案才是真正的“双核”。1.2微处理器概述（1）Intel双核心处理器

Intel推出的台式机双核心处理器常见的有PentiumD、PentiumEE(PentiumExtremeEdition)和CoreDuo、Core2Duo等几种类型。PentiumD是英特尔公司的双核心处理器系列之一，它简单地把两颗Pentium4Prescott核心叠加在一起放在同一块晶片上，实现了双核，其外形见图1.27。1.2微处理器概述

PentiumExtremeEdition(PentiumEE)是在2005年春天Intel推出的一系列Intel微处理器品牌的名称。PentiumEE是以双核心的PentiumD为基础，但他拥有超线程，因此任何的操作系统会看到四个逻辑的处理器(2x2实体核心)，其外形见图1.27。1.2微处理器概述图1.27

Pentium

D、Pentium

EE处理器1.2微处理器概述

Intel双核心处理器的两个核心共享前端总线，并依靠前端总线在两个核心之间传输缓存同步数据，其结构原理见图1.28。1.2微处理器概述图1.28

MCH协调两颗核心之间的相互调用1.2微处理器概述（2）AMD的双核心处理器

AMD推出的双核心处理器分别是双核心的Opteron系列和全新的Athlon64X2系列处理器，见图1.29。Athlon64X2是由两个Athlon64处理器上采用的Venice核心组合而成，每个核心拥有独立的512KB(1MB)L2缓存及执行单元。除了多出一个核芯之外，从架构上相对于目前Athlon64在架构上并没有任何重大的改变。1.2微处理器概述图1.29

AMD

的Dual

Core

Opteron

和

Athlon

64

X21.2微处理器概述

AMD在Athlon64X2双核心处理器的内部提供了一个称为SystemRequestQueue(系统请求队列)的技术，在工作的时候每一个核心都将其请求放在SRQ中，当获得资源之后请求将会被送往相应的执行核心，也就是说所有的处理过程都在CPU核心范围之内完成，并不需要借助外部设备，双核心AMDAthlon64X2内部架构见图1.301.2微处理器概述图1.30

双核心AMD

Athlon

64

X2内部架构1.2微处理器概述1.3PC系列微型计算机基本结构PC系列微型计算机从诞生到现在经历了几十年的发展过程，一些部件和标准虽然进行了一些调整和改进，但其基本结构并未发生很大变化。下面我们将分别介绍PC系列微机的发展简史和80X86系列微机的基本结构等内容。1.3.1PC系列微机的发展简史和结构演化微机的发展简史第一代PC为准16位微机，以IBM公司的IBMPC/XT机为代表；第二代PC为16位微机，以IBMPC/AT为代表；第三代PC为32位微机，如386SX386DX微机；第四代PC（32位微机)，如486SX和486DX微机；第五代PC（32位微机），以Intel公司的Pentium微机为代表；第六代PC（32位微机），以Intel公司推出PentiumII、PentiumIII、Pentium4微机为代表；第七代PC为64位微机，AMD发布了Athlon64和Athlon64FX，标志着64位PC时代的到来。1.3PC系列微型计算机基本结构微型计算机总线发展简介ISA和EISA总线

ISA是IBM开发的用于个人计算机的总线标准。有8位和16位两种。ISA总线的最高传输速率是8MB/秒。PCI总线

PCI是一种高速的32位或64位总线，其速度比ISA快20倍以上。PCI总线的最高传输速率可达132MB/秒。AGP总线

AGP总线专门用于加速图像显示，迄今为止，共有四种AGP标准：AGP、AGP2X、AGP4X和AGP8X。USBUSB全称为UniversalSerialBus（通用串行总线），目前为USB2.0版本。1.3PC系列微型计算机基本结构1.3.2IBMPC/AT微机的基本结构在微型计算机系统的发展历程中，IBMPC/AT计算机奠定了现代微型计算机结构的基础。系统主机板的组成

IBMPC/AT采用80286微处理器作为核心处理器，兼容8086/8088的指令系统，有更快的工作速度，支持虚拟存储和多任务操作，对存储器的访问有两种方式，即实地址方式和保护虚地址方式。IBMPC/AT主板构成的具体电路框图可参见第六章中的图6.11.3PC系列微型计算机基本结构存储空间的分配

80286的地址总线共24根A0～A23，因而最多可配置224=16MB字节的内存。I/O空间的分配

80286在寻址I／0口时也只使用它的低16位地址线A0—A15，可寻址64K个端口。1.3PC系列微型计算机基本结构1.3.380386／80486微机的基本结构386微机是32位的，硬件系统的基本组成仍然和PC/XT及PC/AT微机系统类似。这些微机最核心的芯片—80386微处理器和80387数字协处理器是一致的，外围芯片则各不相同。386微机的系统总线采用的是ISA总线，386微机的主频一般配置为33MHz，内存2MB~8MB，硬盘容量为100MB。1.3PC系列微型计算机基本结构486微机和386微机的硬件结构大体相同，它们都是具有32位数据总线和32位地址总线的32位微机。486微机的系统配置较386微机的规模更大—些，例如，内存通常为4MB~8MB，硬盘容量为160MB~500MB。总线结构在ISA总线的基础上，又增加了3个VL-BUS总线插槽。1.3PC系列微型计算机基本结构现代微机采用的是Pentium及其以上级别的微处理器，为了提高微机系统的整体性能，规范了系统的接口标准，根据各部件处理或传输信息的速度快慢，采用了三级总线结构，即CPU总线（HomBus）、局部总线（PCI总线）和系统总线（ISA总线）。其外围总线由低速总线发展到以高速的PCI总线为主，这对现代微机性能的提高起了很重要的作用。1.3PC系列微型计算机基本结构另外，三级总线之间采用芯片组相连，形成一个统一的整体。这些桥路芯片起到信号速度缓冲、电平转换和控制协议转换的作用。按照发展的先后不同，Pentium及其以上级别微机的主板采用的芯片组通常分为南北桥架构和加速集线架构两种。有关这两种架构的内容将在第六章进行介绍。1.3PC系列微型计算机基本结构1.4主板芯片组简述

芯片组是主板的核心组成部分，如果说中央处理器（CPU）是整个电脑系统的心脏，那么芯片组将是整个身体的躯干。1.4.1主板芯片组的起源

早期微机的控制电路由中小规模的集成电路(IC)芯片构成，可分为两类：一类是通用的IC电路，另一类是专用功能的IC电路。在当今的微机系统中，几乎毫无例外地采用了由超大规模集成电路制作的控制芯片组来完成微机系统的控制。现在芯片组的生产主要有两大阵营，一方是生产CPU的主流厂商Intel，另一方是以VIA、SIS及ALI为代表的非Intel阵营。1.4主板芯片组简述1.4.2Intel芯片组

目前，Intel芯片组的845系列、865系列、915系列、925系列等芯片组分别支持的前端总线频率有：400MHz、533MHz、800MHz和1066MHz等。1.4主板芯片组简述1.4.3其他主流芯片组简介由于CPU两大阵营Intel和AMD互不兼容，因此芯片组也分成两大系列。VIA芯片组如，支持Intel平台的芯片组有，P4X266、P4X266E、PT800和PM880等；支持AMD平台的芯片组有，KT266、KT333、KT600和KT880等。SIS芯片组如，支持Intel平台的芯片组有，SIS645、SIS651和SIS656等；支持AMD平台的芯片组有，SIS735、SIS741GX和SIS748等。1.4主板芯片组简述ATI芯片组如，支持Intel平台的芯片组有，Radeon9100IGP、Radeon9100ProIGP、RX330等。ULI芯片组如，支持Intel平台的芯片组有，M1683和M1685等；支持AMD平台的芯片组有，M1647等。1.4主板芯片组简述本章小结

本章简要介绍了微型计算机系统，对微型计算机的体系结构、重要性能指标和基本工作过程进行了说明。通过对Intel8086～pentium4处理器的生产时间性能指标等内容的介绍，读者可以基本了解处理器的起源和发展过程。在本章中我们介绍了AMD、Cyrix、Celeron、我国的龙芯、以及双核心处理器等，对IBMPC/AT、80386、80486和现代微机的基本结构做了说明。主板芯片组是主板的核心，通过对Intel等主板芯片组的简介，读者可以了解芯片组的基本知识，为继续深入学习做好准备。习题1.

在微型计算机中，主机系统主要包括什么？2.解释下列术语： 微处理器、微型计算机、微型计算机系统。简述冯.诺依曼型计算机的工作原理。画出IBMPC/AT微型计算机的结构框图。简述微机系统的重要性能指标。6.计算机系统中，硬件是指什么？软件是指什么？硬件与软件之间是什么关系？7.绘制出计算机工作原理示意图．8.简单描述我国处理器发展的过程和现状。9.Intel公司的第一个4位微处理器叫什么？8位微处理器叫什么？16位习题

微处理器叫什么？32位微处理器叫什么？何谓系统总线？一般微型计算机中有哪些系统总线？简述外频与前端总线频率的区别。什么是主板芯片组？主流的芯片组厂商有那些？习题ThankYou!米昶孙杰苑伟编著微机原理（第四版）第2章微处理器（目录）2.1微处理器的硬件结构2.1.1中央处理单元（CPU）的构成2.1.2基本功能部件2.1.3微处理器的基本寄存器2.2处理器的总线2.2.1总线的结构2.2.2总线的操作2.3微处理器的基本操作流程2.3.1指令执行的基本过程2.3.2微处理器的时序2.4Intel处理器的结构和原理2.4.180X86处理器的结构2.4.2Pentium4处理器结构2.4.3微处理器的主要性能指标

2.5IA-32微处理器相关技术术语2.5.1CISC与RISC2.5.2流水线2.5.3超流水线和超标量2.5.4乱序执行2.5.5分支预测和推测执行2.5.6Cache2.6IA-32微处理器的工作方式本章小结习题2.1微处理器的硬件结构从外部封装形式来看，CPU常常是矩形或正方形的块状物，通过众多的引脚与主板相连。从内部来看，CPU是一片大小通常不到1/4英寸的薄薄的硅晶片，其英文名称为die（核心）。在这块小小的硅片上，密布着数以百万计的晶体管，它们好像大脑的神经元，相互配合协调，完成着各种复杂的运算和操作。2.1.1中央处理单元（CPU）的构成

下面我们以Intel的8086CPU（如图2.1所示）为例，对CPU的结构做一个介绍。从功能上来看，8086CPU可以分为两部分，即总线接口部件（BusInterfaceUnit，BIU）和执行部件（ExecutionUnit，EU）。CPU在工作时，BIU不断地从存储器取指令送入指令预取队列（IPQ），EU不断地从IPQ取出指令执行，EU和BIU构成了一个简单的2工位流水线，其中指令预取队列IPQ是实现流水线操作的关键（如同流水线的传送带）。Pentium及其以后的CPU将一条指令划分成更多的阶段，以便可以同时执行更多的指令。2.1微处理器的硬件结构2.1微处理器的硬件结构2.1.2基本功能部件

1、总线接口部件（BusInterfaceUnit，BIU）总线接口部件负责与存储器、I/O端口传送数据。总线接口部件将从内存中取出的指令送到指令队列，并配合执行部件从内存或外设端口中取数据，同时还要把执行完的数据结果送到指定的内存单元或外设端口中。8086的总线接口部件由下列4部分组成：2.1微处理器的硬件结构4个16位段地址寄存器（CS、DS、ES、SS）16位的指令指针寄存器IP（InstructionPointer）20位的地址加法器6字节的指令队列缓冲器除了以上提到的4部分外，总线接口部件中还包含总线控制逻辑（输入/输出控制电路），它主要功能是分时传递地址信息或数据信息。2.1微处理器的硬件结构2、执行部件（ExecutionUnit，EU）执行部件负责指令的执行，8086CPU的执行部件由下列4部分组成：（1）4个通用寄存器，即AX、BX、CX、DX；（2）4个专用寄存器，即基数指针寄存器BP（BasePointer）堆栈指针寄存器SP（StackPointer）源变址寄存器SI（SourceIndex）目的变址寄存器DI（DestinationIndex）；2.1微处理器的硬件结构（3）标志寄存器（又称作程序状态字PogramStatusWord，简记作PSW）；（4）算术逻辑部件ALU（ArithmeticLogicUnit）。执行部件的功能如下：从指令队列中取出指令。对指令进行译码，发出相应的控制信号。接收由总线接口送来的数据或发送数据至接口。进行算术运算。2.1微处理器的硬件结构3、8086CPU执行程序的操作过程8086CPU执行程序的操作过程如下：（1）形成20位的物理地址，并根据此地址找到程序所在的存储器单元，从该单元取出指令字节，依次放入指令队列中。（2）当8086的指令队列中有2个空字节时，总线接口部件就会自动取指令至队列中。2.1微处理器的硬件结构（3）执行部件从总线接口的指令队列首取出指令代码，执行该指令。（4）当指令队列已满，而执行部件又不使用总线时，总线接口部件进入空闲状态。（5）执行转移指令、调用指令、返回指令时，先清空指令队列内容，再将要执行的指令放入指令队列中。2.1微处理器的硬件结构2.1.3微处理器的基本寄存器

早期的8086，8088和80286的内部结构为16位（二进制位），是图2.3所示的寄存器组的子集。而对于80386，80486，Pentium，PentiumPro等CPU的内部结构为32位（二进制位）的。2.1微处理器的硬件结构

微处理器的基本寄存器中包括8、16、32位的三种不同寄存器组，见图2.3。8位的寄存器有AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH和DL等8个，16位寄存器有AX、BX、CX、DX、SP、BP、DI、SI、IP、FLAGS、CS、DS、ES、SS、FS和GS，扩展的32位寄存器有EAX、EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、EDI、ESI、EIP和EFLAGS。这些寄存器是由它们的字母名称引用。需要注意的是32位寄存器和两个16位寄存器FS、GS只存在于80386及更高级的微处理器中。2.1微处理器的硬件结构2.1微处理器的硬件结构寄存器分为通用寄存器（或多功能寄存器）和专用寄存器两种。1、通用寄存器32位的通用寄存器包括EAX、EBX、ECX、EDX、EBP、EDI和ESI。下面分别予以说明。EAX（累加器）它可以是一个32位的寄存器（EAX）、或是一个16位的寄存器（AX）也可以是一个8位寄存器AH和AL中的任一个。2.1微处理器的硬件结构EBX（基地址寄存器）可以用EBX、BX、BH或BL的形式访问。BX寄存器在微处理器中用来保存存储单的偏移地址，在80386及其以上的微处理器中，EBX也可寻址存储器数据。ECX（计数寄存器）可以通过ECX、CX、CH或CL的形式访问，是可以保存计数值的通用寄存器。在80386及其以上的微处理器中，它也可以保存存储单元的偏移地址。2.1微处理器的硬件结构

EDX（数据寄存器）可以EDX、DX、DH或DL的形式访问，是一个通用寄存器，用来存放乘法结果的—部分或除法执行前被除数的一部分。在80386及其以上的微处理器中，该寄存器也可以寻址存储器数据。EBP（基址指针寄存器）可指向所有型号微处理器的存储器地址，用来传送存储器数据。该寄存器可以BP或EBP的形式来访问。2.1微处理器的硬件结构

EDI（目的变址寄存器）通常在串操作指令中用来访问目的串数据。它也可作为一个32位或16位通用寄存器用。

ESI（源变址寄存器）通常在串操作指令中用来访问源串数据。它也可作为一个32位或16位通用寄存器用。2.1微处理器的硬件结构2、

专用寄存器EIP、ESP专用寄存器包括EIP、ESP、EFLAGS和段寄存器CS、DS、ES、SS、FS和GS。下面先介绍一下EIP和ESP。

EIP（指令指针寄存器）存储指令在代码段中的偏移地址，通常不能被直接访问，也不能直接赋值，指令中不会出现对指令指针寄存器的操作。当微处理器工作在实方式下时，该寄存器为IP（16位），当80386及其以上的微处理器工作于保护方式时，它为EIP（32位）。2.1微处理器的硬件结构

ESP（堆栈指针寄存器）用来访问被称为堆栈的存储区域。堆栈通过这—指针来存取数据。该寄存器的16位寄存器形式为SP，32位寄存器形式为ESP。堆栈在微处理器中起着重要的作用，它用于暂存数据和过程的返回地址。堆栈是一个LIFO（Last-inFirst-out后进先出）存储区，后进先出是数据入栈和出栈的规则。2.1微处理器的硬件结构3、标志寄存器EFLAGS标志寄存器EFLAGS是一个专用的寄存器，在早期的8086-80286微处理器中它的位数是16位，用FLAGS表示，在80386及更高级的32位微处理器中，标志寄存器是一个32位的，用EFLAGS表示。标志寄存器的作用是用来存放有关微处理机工作过程中的状态标志信息、控制标志信息以及系统标志信息，各种条件码（例如进位、符号、溢出）及方式位等信息。寄存器中各位的含义如图2.4所示。2.1微处理器的硬件结构下面将各有效位的意义做一简要的说明：（1）CF（CarryFlag）进位标志位。若CF=1，表示本次运算中最高位（第7位或第15位）有进位（加法运算时）或有借位（减法运算时）。（2）PF（ParityFlag）奇偶标志位。PF=1，表示本次运算结果的低八位中有偶数个“1”；PF=0，表示有奇数“1”。2.1微处理器的硬件结构2.1微处理器的硬件结构（3）AF（AuxiliaryCarryFlag）辅助进位标志位。AF=1，表示8位运算结果（限使用AL寄存器）中低4位向高4位有进位（加法运算时）或有借位（减法运算时），这个标志位只在BCD数运算中才起作用。（4）ZF（ZeroFlag）零标志位。ZF=1，表示运算结果为0（各位全为0），否则ZF=0。（5）SF（SignFlag）符号标志位。SF=1，表示运算结果的最高位（第7位或第15位）为“1”（有符号数的负数），否则SF=0。2.1微处理器的硬件结构（6）TF（rapflag）陷阱控制标志位。陷阱标志可使微处理器进入跟踪方式，即进入单步调试状态；如果T标志为1，微处理器可以根据调试寄存器和控制寄存器指示的条件中断程序的执行。如果T为0，则不进入跟踪（调试）方式。（7）IF（InterruptFlag）中断允许标志位。控制输入引脚INTR的操作。若I＝l，INTR信号被允许；若I＝0，则INTR信号被屏蔽。IF的状态由指令STI置位（置1）和指令CLI复位（清0）。2.1微处理器的硬件结构（8）DF（DirectionFlag）方向标志位。在串操作指令中，通过方向标志可选择对DI或SI寄存器内容进行递增或递减方式。若D＝1，则寄存器的内容自动地递减；若D＝0，则寄存器内容自动地递增。DF标志由STD指令置位，由CLD指令复位。（9）OF（OverflowFlag）溢出标志位。OF=1表示二个用补码表示的有符号数的加法或减法结果超出了该字长所能表示的范围。例如，进行8位运算时，OF=1表示运算结果大于+127或小于－128，此时不能得到正确的运算结果。OF标志对无符号数的运算结果没有意义。2.1微处理器的硬件结构（10）IOPL（I/OPrivilegeLevel）I/O特权级标志位。在保护方式操作中使用，用于选择I/O设备的特权级。如果当前特权级高于IOPL，I/O指令能顺利执行。如果当前特权级低于IOPL，则产生中断，使任务挂起。注意，这里IOPL＝00为最高级，IOPL＝11为最低级。（11）NT（NestedTask）嵌套标志位。嵌套标志表示在保护方式下，当前执行的任务嵌套于另一任务中。当一个任务被软件嵌套时，该标志置1。恢复标志与调试操作一起使用．用于控制在下一条指令后，恢复程序的运行。2.1微处理器的硬件结构（12）VM（VirtualMode）虚拟8086方式标志位。用来在保护方式系统中选择虚拟8086方式，一个虚拟8086系统允许在存储器系统中同时存在多个1MB的DOS存储器分区。这就允许系统执行多个DOS程序。（13）AC（AlignmentCheckt）地址对齐检测标志位。当访问字或双字时，如果地址不处在字或双字的边界上，则地址对齐捡测标志置1。只有80486SXCPU中含有AC标志，该标志供协处理器80487SX使用，用于同步。（14）VIF（VirtualInterruptFlag）虚拟中断标志位。该标志只存在于Pentium/Pentiumpro微处理器中，它是中断允许标志的复本。2.1微处理器的硬件结构（15）VIP（VirtualInterruptPending）虚拟中断挂起标志位。用于在Pentium/Pentiumpro微处理器中提供有关虚拟8086方式中断的信息。它在多任务环境下为操作系统提供虚拟8086方式中断和中断挂起信息。（16）ID（Identification）CPU的标识标志位。表示Pentium/Pentiumpro支持CPUID指令。CPUID指令为系统提供厂有关Pentium处理器的信息，如其型号及制造商。2.1微处理器的硬件结构4、段寄存器编程时，程序和各种不同类型的数据分别存放在不同的逻辑段中，它们的“段基址”存放在“段寄存器”中，段内的偏移地址存放在其他相应的寄存器中。下面给出了各个段寄存器及其在系统中的功能。（1）CS（code）代码段寄存器。代码段是微处理器用来存放代码（程序和过程）的—段存储区域。代码段寄存器定义了代码段存储区的起始地址。2.1微处理器的硬件结构（2）DS（data）数据段寄存器。数据段是一段存放供程序使用的数据的存储区。数据段中的数据根据其偏移地址来访问。（3）ES（extra）附加段寄存器。附加段是一个附加的数据段，供串操作指令用来存放目的串数据。（4）SS（stack）堆栈段寄存器。堆栈段定义了一个用作堆栈的存储区。堆栈段当前的入口地址由堆栈指针寄存器（SP）确定。2.1微处理器的硬件结构2.2处理器的总线处理器的总线称作片内总线是，指的是在微处理机芯片内部的总线，它是专门用来连接各功能部件的信息通路。

2.2.1总线的结构

1、总线标准的四个特性物理特性功能特性电器特性时间特性2.2处理器的总线

2、总线分类片内总线根据其功能可以分为地址总线、数据总线和控制总线。地址总线数据总线控制总线2.2处理器的总线2.2.2总线的操作微处理机系统中的各种操作，包括从CPU把数据写入存储器、从存储器把数据读到CPU、从CPU把数据写入输出端口、从输出端口把数据读到CPU、CPU中断操作、直接存储器存取操作、CPU内部寄存器操作等，本质上都是通过总线进行的信息交换，统称为总线操作。2.2处理器的总线

为完成一个总线操作周期，一般要分成4个阶段：总线请求和仲裁（BusRequestandArbitration）阶段寻址（Addressing）阶段数据传送（DataTransfering）阶段结束（Ending）阶段2.2处理器的总线2.3微处理器的基本操作流程2.3.1指令执行的基本过程

如图2.5所示，计算机指令执行的基本过程一般按照以下步骤进行：取指令，从指令指针所指的内存单元中取出一条指令送到指令寄存器。译码，对指令进行译码，并且对指令指针进行增值，以便取得下一条指令。取操作数，根据指令要求到内存单元或寄存器中取得操作数，对某些特定指令不需要取操作数这一步骤。执行指令，依据指令的要求完成相应的运算，如果执行的是转移指令、调用指令或者返回指令，则重新设置指令指针的值，以便取得下一条要执行的指令。存结果，将运算的结果进行保存，此结果既包括操作数的运算结果，也包括相应的指令执行状态信息。2.3微处理器的基本操作流程2.3微处理器的基本操作流程2.3.2微处理器的时序

微处理器的各种不同操作的实现都是在时钟信号的同步控制下，按时序一步一步进行的。因此，时序是反映微处理器功能特性的一个重要方面。2.3微处理器的基本操作流程总线时序基本概念（1）时钟周期、总线周期及指令周期CPU的操作都是在系统时钟CLK的控制下按节拍有序地进行的。系统时钟一个周期信号所持续的时间称为时钟周期（T），大小等于频率的倒数，是CPU的基本时间计量单位。CPU与存储器或I/O接口交换信息是通过总线进行的。CPU通过总线完成一次访问存储器或I/O接口操作所需要的时间，称为总线周期（buscycle）。一个总线周期由多个时钟周期（T）组成。对于不同型号的微处理器，一个总线周期所包含的时钟周期数并不相同。2.3微处理器的基本操作流程（2）等待状态和空闲状态通过一个总线周期完成一次数据传送，一般要有输出地址和传送数据两个基本过程。在实际应用中，当一些慢速设备在T2、T3、T4三个时钟周期内不能完成数据读写时，那么总线就不能被系统正确使用。为此，允许在总线周期中插入用以延长总线周期的T状态，称为“等待状态”（Tw）。另外，如果在一个总线周期后不立即执行下一个总线周期，即总线上无数据传输操作，此时总线则处于所谓“空闲状态”，在这期间，CPU执行空闲周期Ti，Ti也以时钟周期T为单位。图2.6给出了8086CPU的总线周期及其“等待状态”和“空闲状态”的情况。2.3微处理器的基本操作流程2.3微处理器的基本操作流程基本的总线时序总线操作按数据传送方向可分为总线读操作和总线写操作。前者是指CPU从存储单元或I/O端口中读取数据，后者是指CPU将数据写入指定存储单元或I/O端口。2.3微处理器的基本操作流程（1）简化的8086读总线周期若要从存储器读出数据，则微处理器首先在地址总线上输出所读存储单元的地址，接着发出一个读命令信号（RD）给存储器，经过一定时间（时间的长短取决于存储器的工作速度），数据被读出到数据总线上，然后微处理器通过数据总线将数据接收到它的内部寄存器中。一个简化的8086读总线周期时序如图2.7所示。在总线读周期中，CPU在T1状态送出地址及相关信号；T2发出读命令和总线驱动器8286控制命令；在T3、Tw等待数据的出现；在T4状态将数据读入CPU。2.3微处理器的基本操作流程2.3微处理器的基本操作流程（2）简化的8086写总线周期8086/8088的写总线周期与读总线周期有很多相似之处，基本写周期也包含4个状态T1，T2，T3和T4。当存储器或I/O设备速度较慢时，在T3和T4之间插入1个或多个等待状态Tw。为了把数据写入存储器，微处理器首先要把欲写入数据的存储单元的地址输出到地址总线上，然后把要写入存储器的数据放在数据总线上，同时发出一个写命令信号（WR）给存储器。一个简化的8086写总线周期时序如图2.8所示。2.3微处理器的基本操作流程2.3微处理器的基本操作流程 8086CPU的总线操作有以下几点特征：8086的一个总线周期包含4个时钟周期（即T1、T2、T3和T4）；8086采用地址和数据总线复用技术，即在一组复用的“地址/数据”总线上，先传送地址信息（T1期间），然后传送数据信息（T2、T3、T4期间），从而可以减少微处理器的引脚。最大模式下，8086的总线读写操作在逻辑上和最小模式下的读写操作是一样的，但在分析操作时序时有所不同。最大模式下应考虑总线控制器8288产生的一些控制信号的作用。2.3微处理器的基本操作流程2.4Intel处理器的结构和原理

Intel公司后来开发的80x86系列CPU在8088/8086的基础上各方面的技术和性能又有了很大的提高和改进。2.4.180X86处理器的结构1、Intel80286CPU1982年1月Intel公司推出的80286CPU是比8086/8088更先进的16位微处理器芯片，其特征是内部操作和寄存器都是16位的，内部功能结构见图2.9。该芯片集成了13.5万个晶体管，采用68引线4列直插式封装。80286不再使用分时复用地址/数据引脚，具有独立的16条数据线D15D0和24条地址线A23A0。2.4Intel处理器的结构和原理2.4Intel处理器的结构和原理2、Intel80386CPU 1985年Intel公司推出了与8086/8088、80286兼容，具有的高性能32位微处理器80386，见图2.10。该处理器芯片以132条引线网络阵列式封装，其中数据引脚和地址引脚各32条，时钟频率为12.5MHz及16MHz。2.4Intel处理器的结构和原理

Intel80386微处理器的主要特点如下：采用全32位结构，其内部寄存器、ALU等都是32位，数据线和地址线也均为32位提供32位外部总线接口，最大数据传输率为32MB/s，具有自动切换数据总线宽度的功能具有片内集成的存储器管理部件MMU，可支持虚拟存储和特权保护，虚拟存储器空间可达64太字节（TB）具有实地址方式、保护方式和虚拟8086方式3种工作方式采用了比8086更先进的流水线结构，使其能高效、并行地完成取指、译码、执行和存储管理功能（指令队列16字节长）2.4Intel处理器的结构和原理2.4Intel处理器的结构和原理图2.11给出了Intel80386微处理器包括的6个功能部件分段部件SU分页部件PU执行部件EU预取部件IPU译码部件IDU总线部件BIU线性地址译码指令数据（操作和结果）有效地址物理地址32位指令字节指令图2.11Intel80386的6个功能部件2.4Intel处理器的结构和原理Intel80386微处理器包括的6个功能部件：（1）总线接口部件（BIU）BIU是微处理器与系统的接口，在取指令、取数据、分段部件请求和分页部件请求时，能有效地满足微处理器对外部总线的传输要求。（2）指令预取部件（IPU）IPU的功能是从存储器预先取出指令，它有一个能容纳16条指令的队列。（3）指令译码部件（IDU）IDU的功能是从预取部件的指令队列中取出指令字节，对它们进行译码后存入自身的已译码指令队列中，并且作好供执行部件处理的准备工作。2.4Intel处理器的结构和原理（4）指令执行部件（EU）EU由控制部件、数据处理部件和保护测试部件组成。EU负责执行指令。（5）分段部件（SU）分段部件的作用是应执行部件的请求，把逻辑地址转换成线性地址。（6）分页部件（PU）分页部件的作用是把由分段部件产生的线性地址转换成物理地址。2.4Intel处理器的结构和原理3、Intel80486CPU

80486是Intel公司1990年推出的第二代32位微处理器，内部结构见图2.12。80486CPU使用1微米的制造工艺，在芯片内部集成了120万个晶体管，其数目是80386的4倍以上。Intel80486微处理器数据线和地址线均为32条，168个引脚的网络阵列式封装2.4Intel处理器的结构和原理从内部结构组成上看，80486微处理器是由提高了效率的80386微处理器、增强了性能的80387数值协同处理器、一个完整的片内Cache及其控制器组合而成。从程序设计角度看，其体系结构与80386相比几乎没有变化，可以说是对80386的照搬。80486CPU芯片内较之80386增加了了三个新的部件，它们分别是浮点部件FPU、控制和保护部件和Cache部件。同时还新增6条80386没有的指令。2.4Intel处理器的结构和原理2.4Intel处理器的结构和原理80486微处理器的微体系结构包括有9个功能部件，它们分别是：总线接口部件。片内高速缓冲存储器Cache。指令预取部件。指令译码部件。控制部件。整数运算和数据通路。浮点部件。分段部件。分页部件。2.4Intel处理器的结构和原理80486微处理器的寄存器种类可分为以下几种：（1）基本体系结构寄存器。其中包括以下4种： ①通用寄存器②指令指针寄存器③标志寄存器④段寄存器（2）系统级寄存器，包括以下2种：①控制寄存器②系统地址寄存器2.4Intel处理器的结构和原理（3）浮点寄存器，其中包括以下5种：①数据寄存器②标记字寄存器③状态字寄存器④指令和数据指针寄存器⑤控制字寄存器（4）调试和测试寄存器2.4Intel处理器的结构和原理4、IntelPentiumCPU IntelPentiumCPU是Intel公司1993年推出的第5代微处理器芯片。该芯片内部集成了310万个晶体管，有64条数据线和36条地址线。PentiumCPU采用了新的体系结构，其具有两条流水线，这两条流水线与浮点部件能够独立工作。PentiumCPU内部有两个超高速缓冲存储器（Cache）。一个是指令超高速缓冲存储器，另一个是数据超高速缓冲存储器，这比只有一个指令与数据合用的超高速缓冲存储器的80486更为先进。Pentium微处理器的原理结构图如图2.13所示。2.4Intel处理器的结构和原理2.4Intel处理器的结构和原理 PentiumCPU内部的主要部件有：总线接口部件U流水线和V流水线指令高速缓冲存储器Cache数据高速缓冲存储器Cache指令预取部件指令译码器浮点处理部件FPU分支目标缓冲器BTB微程序控制器中的控制ROM寄存器组2.4Intel处理器的结构和原理 Pentium的寄存器可以分为三组：基本寄存器组：包括通用寄存器、指令寄存器、标示寄存器以及段寄存器；系统寄存器组：包括系统地址寄存器、控制寄存器；2.4Intel处理器的结构和原理浮点部件寄存器组：包括数据寄存器堆、控制寄存器、状态寄存器、指令指针寄存器和数据指针寄存器以及标记字寄存器。

Pentium处理器的虚拟存储器（VirtualStorage）技术、高速缓存（Cache）技术以及超标量流水线技术是现代微型计算机系统的三大支柱。2.4Intel处理器的结构和原理2.4.2Pentium4处理器结构

Pentium4处理器是一个在Pentium处理器基础上完全重新设计的处理器。它拥有很多改进了的革新特性的新技术和性能，比如“乱序推测执行”和“超标量执行”等。很多这种新的革新和改进使得处理器技术、处理技术和以前不能在高容量中实现的电路设计、可制造方法等方面的改进成为可能。2.4Intel处理器的结构和原理图2.14给出了使用了NetBurst（网际爆发）微结构的Pentium4处理器的内部结构原理。NetBurst结构具有不少明显的优点，包括20段的超级流水线、高效的乱序执行功能、2倍速的ALU、新型的片上缓存、SSE2指令扩展集和400MHz的前端总线等等。2.4Intel处理器的结构和原理2.4Intel处理器的结构和原理Pentium4处理器的主要部件和工作特性：

BTB（BranchTargetBuffer）分支目标缓存μOP（Micro-Operation）微指令或微操作AGU（AddressGenerationUnit）地址生成单元ALU算术逻辑单元InstructionTLB指令转换旁视缓冲存储器InstructionDecoder指令译码器TraceCache追踪缓存Registerrenaming寄存器重命名2.4Intel处理器的结构和原理Pentium4处理器的主要部件和工作特性：（续）μOPQueues和Schedulers（微操作队列和调度）SSE2（StreamingSIMDExtension）数据流单指令多数据扩展2前端总线采用了QDR（QuadDataRate）技术先进的乱序推测执行动态引擎时钟频率（ALU的频率、CPU的主频和流水线频率、追踪缓存频率）2.4Intel处理器的结构和原理2.4.3微处理器的主要性能指标1、主频、倍频和外频一般来说CPU的频率可分为主频、倍频和外频。主频也称做CPU的时钟频率，简单地说也就是CPU运算时的工作频率。外频指的是系统总线的工作频率；倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。三者是有十分密切的关系：主频=外频×倍频。

2.4Intel处理器的结构和原理2、前端总线（FSB）频率前端总线（FSB）频率（即总线频率）直接影响CPU与内存之间数据交换的速度。数据传输率最大值取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率，即数据传输率＝（总线频率×数据带宽）/8。例如，有一个64位的CPU，其前端总线频率是800MHz，按照公式计算，它的数据传输率最大值是6.4GB/秒。2.4Intel处理器的结构和原理3、CPU的字长通常我们把CPU在单位时间内（同一时间）能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以，能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。字长的长度是不固定的，对于不同的CPU、字长的长度也不一样。2.4Intel处理器的结构和原理4、工作电压

CPU工作电压指的是CPU正常工作所需要的供电电压。早期的CPU（Intel8