第二章 微处理器结构及微机工作原理

1、第二章 微处理器结构及微机工作原理,本章重点： 微机的组成 微机的工作原理 8086/8088、80286、80386、80486、Pentium微处理器结构,一、计算机系统的硬件组成 现代计算机的硬件结构建立在冯诺依曼提出的计算机逻辑结构和存储程序概念上的。 存储程序：将指令、数据以二进制形式存入计算机系统的存储器中； 程序控制：计算机在启动后，自动取出并执行存于存储其中的指令，完成预定的操作,图21：计算机系统的硬件组成,输 入 设 备,运算器,存储器,控制器,输 出 设 备,二、计算机系统的软件组成 （1）系统软件 面向计算机管理的软件，如操作系统等 数据库管理系统：SYBASE,FOX

2、BASE; 计算机网络管理软件 语言处理、服务性软件 （2）应用软件,微处理器 存储器 I/O设备和I/O接口 系统总线,三、计算机的硬件结构,四、计算机系统结构,区别3个概念,明确3个概念的区别,微处理器（Microprocessor） 一个大规模集成电路芯片 内含控制器、运算器和寄存器等 微机中的核心芯片 微型计算机（Microcomputer） 通常指微型计算机的硬件系统 还有一般的说法：微机、微型机 微型计算机系统（Microcomputer system） 指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统,返回,补充：计算机系统的发展,1946年，世界上出现第一台数字式电子计算机ENIAC（

3、电子数据和计算器） 发展到以大规模集成电路为主要部件的第四代，产生了微型计算机 1971年，Intel公司设计了世界上第一个微处理器芯片Intel4004，开创了一个全新的计算机时代,以大规模、超大规模集成电路为主要部件,以集成了计算机主要部件控制器和运算器的微处理器为核心所构造出的计算机系统,第1代：4位和低档8位微机 400440408008 第2代：中高档8位微机 Z80、I8085、M6800，Apple-II微机 第3代：16位微机 8086808880286，IBM PC系列机 第4代：32位微机 8038680486PentiumPentium II / III / 4 32位P

4、C机、Macintosh机、PS/2机 第5代：64位微机 Itanium、64位RISC微处理器芯片 微机服务器、工程工作站、图形工作站,返回,世界上第一台计算机ENIAC,Intel4004和采用4004的计算器,返回,Apple微型计算机,Apple-I,Apple-II,返回,IBM PC系列机,8088CPU,IBM PC机,IBM PC/AT机,IBM PC/XT机,返回,80386,Pentium,英特尔微处理器芯片,返回,补充： 计算机应用通常分成如下各个领域 科学计算，数据处理，实时控制 计算机辅助设计，人工智能， 由于微型计算机具有如下特点 体积小、价格低 工作可靠、使用方

5、便、通用性强 所以，可以分为两个主要应用方向,用于数值计算、数据处理及信息管理方向 通用微机，例如：PC微机 功能越强越好、使用越方便越好 用于过程控制及智能化仪器仪表方向 专用微机，例如：工控机、单片机 可靠性高、实时性强 程序相对简单、处理数据量小,将CPU以及其他主要部件（如ROM、RAM、I/O接口）都集成在一个微处理器芯片中 例如：常用的MCS-51、MCS-96,计算机的主要性能指标,1）字长 字长是微型计算机内部一次可以处理的二进制数码的 位数。 计算机字长取决于它的通用寄存器、内存储器、ALU的位数和数据总线的宽度。 2）存储器容量 衡量计算机存储二进制信息量多少的一个重要标志

6、,3）运算速度 用每秒钟所能执行的指令条数来表示。 常用的计算方法： 根据不同类型的指令出现的频率，乘上不同的系数，求得统计平均值，作为运算速度。 MIPS指令条数/执行时间106时钟平率/CPI 106 执行时间最短的指令为标准来 估算速度 直接给出CPU的主频和每条指令的执行所需的时钟周期。主频以MHz为单位,4）外设扩展能力 指微型计算机配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性 5）软件配置,Intel系列微处理器,微处理器基本结构,8088/8086的功能结构,8088的内部结构从功能上分成两个单元 1. 总线接口单元BIU 管理8088与系统总线的接口 负责CPU对存储器和外设进行访

7、问 2. 执行单元EU 负责指令的译码、执行和数据的运算 两个单元相互独立，分别完成各自操作，还可以并行执行，实现指令预取（指令读取和执行的流水线操作）,8088的内部结构,8088的指令执行过程,8088的存储格式,低地址,LSB,MSB,逻辑段的分配,80286是Intel公司于1982年推出的，它是更加 先进的16位处理器，内部操作和寄存器均是16位 的。 1、芯片内集成了13.5万个晶体管，68只引脚，具有独立的16条数据线和24条地址线（16MB），内部时钟频率为8MHZ到10MHZ。 2、增加了存储器管理和虚地址保护机构，对存储器采用分段管理，每段最大64KB，并支持虚拟存储器。,

8、80286微处理器,80286的基本结构,1、1985年10月Intel公司推出了80386，集成了32万个晶体管，片内集成了存储管理部件和保护机构，内部操作和寄存器都是32位的。 2、芯片有132只引脚，数据线、地址线各32条 3、80386存储管理部件可进行段页式存储管理，支持虚拟存储器。,80386微处理器,4、1986年后Intel推出了多种型号的80386： 80386SX，外部数据总线只有16位 80386DX，标准80386 80386SL，低功耗、节能芯片 80386DL，低功耗、节能型的80386DX 80386EX，基于80386SX，但地址总线是 26位，且低功耗、节能型

9、。,80386的基本结构,1、80386的功能结构 80386由中央处理部件CPU、存储管理部件MMU和总线接口部件BIU组成。 中央处理部件由指令部件和执行部件组成， 包括预取、译码、执行三个部件。 MMU分为分段部件和分页部件。分段部件对逻辑地址空间进行管理，分页部件对物理地址空间进行管理。 BIU负责与存储器、I/O端口传送数据。 80386的预取、译码、执行、分段、分页、总线接口这6个部件可以并行操作，从而加快指令执行速度。,CPU,BIU,MMU,2、80486微处理器体系结构特点,1）80486CPU在1989年推出，集成120万晶体管，168引脚。 2）数据线32条，地址线32条

10、。最高工作频率133MHz。 3）采用突发总线（Burst Bus）同内存进行高速数据交换。 4）片内带有高速缓存（Cache），为8KB的数据指令统一缓存。 5）带有浮点运算功能。 6）指令执行单元采用RISC技术和流水线技术，大部分基 本指令执行时间为1个时钟周期。 7）芯片内有存储管理部件（分段部件和分页部件）。 8）与80386一样有三种工作方式，并提供4级保护机制。 9）软件向下兼容。,4、80486的内部结构,80486基本寄存器组,1、基本结构寄存器,80486微处理器的地址空间,1、存储地址空间 虚拟空间：应用程序员编写程序的空间，其相应的地址称作虚拟地址或逻辑地址。246字节

11、 物理空间：计算机中主存储器的实际空间，相应的地址称作物理地址或主存地址。 232字节 80486微处理器通过分段部件把虚拟空间变换为32位的线性空间，如果分段不见未被选用，线性地址就是物理地址。,分段部件,分页部件,存储器,虚拟地址,线性地址,位,物理地址,位,地址变换,、输入输出地址空间 80486微处理器有两个独立的物理空间，一个是存储空间，另外一个是I/O空间。,4GB,FFFFFFFFH,00000000H,物理存储空间,64KB,0000FFFFH,00000000H,可访问,不可访问,物理I/O空间,80486微处理器 的I/O空间由216 （64K）个地址组 成。它与存储地址

12、不重叠，这是因为 80486微处理器芯 片的M/IO引脚把 它们从逻辑上给 区分开来了,80486的工作模式介绍,实地址模式：80486具有与8086同样的基本体系结构 1、存储空间及实地址模式下的编址。 220 在实地址方式下分页功能是不允许的，线性地址就是物理地址。 物理地址的形成：段寄存器内容左移4位加上有效地址，因此在实地址模式下，所有的段总是起始于16 字节的边界。,2、保留的地址空间 地址0000:0000H0000:03FFH是中断向量区，每一中断向量占用4个字节。 地址FFFF:FFF0HFFFF:FFFFH为系统初始化区。,保护虚拟地址模式 保护的定义,0级,1级,2级,3级

13、,操作系统核心,系统服务及接口,应用程序,规则！,存储空间：在保护方式下，80486可为每一个任务提供232字节的物理空间，并允许程序在246字节的物理空间内运行。,CPUMEMORY连接逻辑图,2、存储器构成原理,存储器接口特性信号线作用和时序信号线和总线的连接时序,存储器的分类,按制造工艺 双极型：速度快、集成度低、功耗大 MOS型：速度慢、集成度高、功耗低 按使用属性 随机存取存储器RAM：可读可写、断电丢失 只读存储器ROM：正常只读、断电不丢失,存储器的分类,内容是取之不尽的，即取出内容后，原单元的内容不变。 直到存入新的内容。,存储器的特性,存储器读写操作,读操作从指定存储单元读取

14、信息。 过程：CPU将20位物理地址放在AB上，通过地址移码器，“选中”存储单元。然后，CPU发“存储器读命令”，被选中单元的内容读到DB上，送到CPU的某个寄存器中。,存储器读写操作,写操作将信息写入指定单元。 过程：CPU将20位物理地址放在AB上，通过地址移码器，“选中”存储单元。CPU把信息放在DB上，然后，CPU发“存储器写命令”，从而将DB上的信息写到指定的存储单元。,金字塔结构：,读写存储器RAM,只读存储器ROM,掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改 PROM：允许一次编程，此后不可更改 EPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程 EEPROM（E2PR

15、OM）：采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写 Flash Memory（闪存）：能够快速擦写的EEPROM，但只能按块（Block）擦除,存储器芯片的结构, 存储体 存储器芯片的主要部分，用来存储信息 地址译码电路 根据输入的地址编码来选中芯片内某个特定的存储单元 片选和读写控制逻辑 选中存储芯片，控制读写操作,存储体,每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储1位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据 存储容量与地址、数据线个数有关： 芯片的存储容量 存储单元数存储单元的位数2MN M：芯片的地址线根数 N：芯片的数据线根数,地址译码电路,单译码结构 双译码结构 双译码可简化芯片设计

16、主要采用的译码结构,SRAM芯片示例,存储容量为8K8 28个引脚： 13根地址线A12A0 8根数据线D7D0 片选CS1*、CS2 读写WE*、OE*,SRAM的功能,EPROM,顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透过擦除原有信息 一般使用专门的编程器（烧写器）编程 编程后，应该贴上不透光封条 出厂未编程前，每个基本存储单元都是信息 “1” 编程就是将某些单元写入信息0,EPROM 2716 EPROM 2764,EPROM芯片示例,存储容量为8K8 28个引脚： 13根地址线A12A0 8根数据线D7D0 片选CE* 编程PGM* 读写OE* 编程电压VPP,EPROM 功能,存储器与CPU的连接,SRAM、EPROM与CPU的连接 译码方法同样适合I/