《微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用(第三版)第4章》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用(第三版)第4章（40頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),4.,16,位微處理器,4.1 16,位微處理器概述,4.2 8086/8088 CPU,的結(jié)構(gòu),4.3 8086/8088 CPU,的引腳信號(hào)和工作模式,4.4 8086/8088,的主要操作功能,微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成,微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的三個(gè)層次,微處理器,(Microprocessor),微型計(jì)算機(jī),(Microcomputer),微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),(Microcomputer,System),微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成,微處理器,存儲(chǔ)器,I/O,接口,總線,硬件系統(tǒng),軟件系統(tǒng),微 型,計(jì)算機(jī),系 統(tǒng),微 型,計(jì)算

2、機(jī),(,主,機(jī),),外 設(shè),ALU,寄存器,控制器,鍵盤、鼠標(biāo),顯示器,軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū),打印機(jī)、掃描儀,系統(tǒng)軟件,應(yīng)用軟件,微處理器（,Micro Processing Unit,）,微處理器（,Micro Processing Unit），,即微型化的中央處理器。中央處理器,CPU,的英文全稱是,Central Processing Unit。,早期微處理器以,MPU,表示，以區(qū)別于大型主機(jī)的多芯片,CPU。,但現(xiàn)在已經(jīng)不加區(qū)分，都用,CPU,表示。,與,CPU,有關(guān)的術(shù)語(yǔ),主頻,CPU,內(nèi)部的時(shí)鐘頻率，是,CPU,進(jìn)行運(yùn)算時(shí)的工作頻率。一般來(lái)說(shuō)，主頻越高，一個(gè)時(shí)鐘周期里完成的指令數(shù)也越多

3、，,CPU,的運(yùn)算速度也就越快。但由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，并非所有時(shí)鐘頻率相同的,CPU,性能一樣。,外頻,即系統(tǒng)總線、,CPU,與周邊設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的頻率，具體是指,CPU,到芯片組之間的總線速度。,倍頻,原先并沒(méi)有倍頻概念，,CPU,的主頻和系統(tǒng)總線的速度是一樣的，但,CPU,的速度越來(lái)越快，倍頻技術(shù)也就應(yīng)允而生。它可使系統(tǒng)總線工作在相對(duì)較低的頻率上，而,CPU,速度可以通過(guò)倍頻來(lái)提升。,CPU,主頻的計(jì)算方式為：,主頻,=,外頻,x,倍頻,。也就是倍頻是指,CPU,和系統(tǒng)總線之間相差的倍數(shù)，當(dāng)外頻不變時(shí)，提高倍頻，,CPU,主頻也就越高。,與,CPU,有關(guān)的術(shù)語(yǔ),緩存（,Cache,）,CPU,

4、進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)信息多是從內(nèi)存中調(diào)取的，但,CPU,的運(yùn)算速度要比內(nèi)存快得多，為此在此傳輸過(guò)程中放置一存儲(chǔ)器，存儲(chǔ),CPU,經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)和指令。這樣可以提高數(shù)據(jù)傳輸速度。可分一級(jí)緩存和二級(jí)緩存。,一級(jí)緩存（,L1 Cache,）,集成在,CPU,內(nèi)部中，用于,CPU,在處理數(shù)據(jù)過(guò)程中數(shù)據(jù)的暫時(shí)保存。,L1,級(jí)高速緩存的容量越大，存儲(chǔ)信息越多，可減少,CPU,與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換次數(shù)，提高,CPU,的運(yùn)算效率。但因高速緩沖存儲(chǔ)器均由靜態(tài),RAM,組成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在有限的,CPU,芯片面積上，,L1,級(jí)高速緩存的容量不可能做得太大。,二級(jí)緩存（,L2 Cache,）,由于,L1,級(jí)高速緩存容量的

5、限制，為了再次提高,CPU,的運(yùn)算速度，在,CPU,外部放置一高速存儲(chǔ)器，即二級(jí)緩存。工作主頻比較靈活，可與,CPU,同頻，也可不同。,CPU,在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，先在,L1,中尋找，再?gòu)?L2,尋找，然后是內(nèi)存，最后是外存儲(chǔ)器。,與,CPU,有關(guān)的術(shù)語(yǔ),生產(chǎn)工藝,在生產(chǎn),CPU,過(guò)程中，要進(jìn)行加工各種電路和電子元件，制造導(dǎo)線連接各個(gè)元器件。其生產(chǎn)的精度以微米（,um,）來(lái)表示，精度越高，生產(chǎn)工藝越先進(jìn)。在同樣的材料中可以制造更多的電子元件，連接線也越細(xì)，提高,CPU,的集成度，,CPU,的功耗也越小。這樣,CPU,的主頻也可提高，在,0.25,微米的生產(chǎn)工藝最高可以達(dá)到,600MHz,的頻率。而,

6、0.18,微米的生產(chǎn)工藝,CPU,可達(dá)到,G,赫茲的水平上。,工作電壓,是指,CPU,正常工作所需的電壓，提高工作電壓，可以加強(qiáng),CPU,內(nèi)部信號(hào)，增加,CPU,的穩(wěn)定性能。但會(huì)導(dǎo)致,CPU,的發(fā)熱問(wèn)題，,CPU,發(fā)熱將改變,CPU,的化學(xué)介質(zhì)，降低,CPU,的壽命。早期,CPU,工作電壓為,5V,，隨著制造工藝與主頻的提高，,CPU,的工作電壓有著很大的變化，,Core 2 Duo CPU,的電壓為,1.7V,，解決了,CPU,發(fā)熱過(guò)高的問(wèn)題。,與,CPU,有關(guān)的術(shù)語(yǔ),MMX,（,MultiMedia Extensions,，多媒體擴(kuò)展指令集）,英特爾開(kāi)發(fā)的最早期,SIMD,指令集，可以增強(qiáng)

7、浮點(diǎn)和多媒體運(yùn)算的速度。,SSE(Streaming SIMD Extensions,，單一指令多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展,),英特爾開(kāi)發(fā)的第二代,SIMD,指令集，有,70,條指令，可以增強(qiáng)浮點(diǎn)和多媒體運(yùn)算的速度。,3DNow!(3D no waiting),AMD,公司開(kāi)發(fā)的,SIMD,指令集，可以增強(qiáng)浮點(diǎn)和多媒體運(yùn)算的速度，它的指令數(shù)為,21,條。,Intel Core 2 Duo E6300 1.86GHz,基本參數(shù),CPU,內(nèi)核,內(nèi)核電壓,1.248V,制作工藝,0.065,微米,CPU,頻率,主頻,1860MHz,倍頻（倍）,7,外頻,266MHz,CPU,緩存,L1,緩存,32KB,L2,緩存

8、,2MB,CPU,指令集,指令集,MMX,SSE,SSE2,SSE3,SSE4,EM64T,4,.1 16,位微處理器概述,8086/8088,內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，但外部性能有區(qū)別：,8086,是,16,位數(shù)據(jù)總線，,8088,是,8,位數(shù)據(jù)總線。處理一個(gè),16,位數(shù)據(jù)字時(shí)，,8088,需要兩步操作，,8086,只要一步。,8086/8088,的,CPU,的內(nèi)部都采用,16,位字進(jìn)行操作及存儲(chǔ)器尋址，軟件完全兼容、程序執(zhí)行也一樣。但是,8088,有相對(duì)較多的外部存取操作，所以程序執(zhí)行速度相對(duì)較慢。,封裝模式：,都封裝在,40,腳雙列直插組件（,DIP,）中。,4,.2,8086/8088 CPU,的

9、結(jié)構(gòu),8086 CPU,從功能上可以分為兩部分：,總線接口部件（,bus interface unit,BIU,),執(zhí)行部件（,execution unit,，,EU,）,AH AL,BH BL,CH CL,DH DL,SP,BP,DI,SI,通用寄存器,運(yùn)算寄存器,ALU,標(biāo)志,執(zhí)行部分控制電路,1 2 3 4 5 6,CS,DS,SS,ES,IP,內(nèi)部寄存器,I/O,控制電路,地址加法器,20,位,16,位,8,位,指令隊(duì)列緩沖器,外部總線,執(zhí)行部件,（,EU,）,總線接口部件,（,BIU,）,8086CPU,結(jié)構(gòu)圖,AX,BX,CX,DX,16,位,專用寄存器,4,.2.1,執(zhí)行部件,功

10、能：負(fù)責(zé)指令的執(zhí)行。,（,1,）從指令隊(duì)列中取出指令。,（,2,）對(duì)指令進(jìn)行譯碼，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。,（,3,）接收由總線接口送來(lái)的數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)至接口。,（,4,）利用內(nèi)部寄存器和,ALU,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。,4,.2.1,執(zhí)行部件,執(zhí)行部件的組成：,（,1,）,4,個(gè)通用寄存器：,AX,、,BX,、,CX,、,DX,。,（,2,）,4,個(gè)專用寄存器,:,BP-,基數(shù)指針寄存器,(base pointer),SP-,堆棧指針寄存器,(stack pointer),SI-,源變址寄存器,(source index),DI-,目的變址寄存器,(destination index),（,3,）,FR

11、-,標(biāo)志寄存器,(flag register),（,4,）,ALU-,算術(shù)邏輯部件（,arithmetic-logic unit,）,4,.2.1,執(zhí)行部件,8086/8088,的,EU,具有如下,4,個(gè)特點(diǎn)：,（,1,）,4,個(gè)通用寄存器既可以作為,16,位寄存器來(lái)使用，也可以作,為,8,位寄存器使用。例如：,BX,作為,8,位寄存器時(shí)，分為,BH,高,8,位和,BL,低,8,位。,（,2,）,AX,寄存器常常稱為,累加器,，,8086,指令系統(tǒng)中有許多指令,是通過(guò)累加器的動(dòng)作來(lái)執(zhí)行的。例如，累加器作為,16,位來(lái),使用的時(shí)候，可以按照,“字”,進(jìn)行乘、除等操作；當(dāng)累加器,作為,8,位來(lái)使用

12、的時(shí)候，可以按照,“字節(jié)”,進(jìn)行乘、除等操,作。,（,3,）加法器是算術(shù)邏輯單元（,ALU）,的主要部件，絕大部分指,令的執(zhí)行都由加法器來(lái)完成。,4,.2.1,執(zhí)行部件,（,4,）,標(biāo)志寄存器,FR,共有,16,位，其中有,7,位未用。,D15,D0,OF,DF IF TF,SF ZF AF PF CF,進(jìn)位標(biāo)志,奇偶標(biāo)志,輔助進(jìn)位標(biāo)志,零標(biāo)志,符號(hào)標(biāo)志,跟蹤標(biāo)志,中斷標(biāo)志,方向標(biāo)志,溢出標(biāo)志,1-,有進(jìn)、借位,0-,無(wú)進(jìn)、借位,加減法中第,3,位向第,4,位有進(jìn)、借位，,BCD,碼運(yùn)算中是否調(diào)整,1-,當(dāng)前運(yùn)算結(jié)果為,0,0-,結(jié)果不為,0,狀態(tài)標(biāo)志：,操作執(zhí)行后，決定,ALU,在何種狀態(tài)，

13、這種狀態(tài)影響以后的操作。,控制標(biāo)志：,人為設(shè)定的，對(duì)特定的功能起控制作用。,標(biāo)志寄存器功能舉例,0101 0100 0011 1001,5439H,+0100 0101 0110 1010,456AH,1001 1001 1010 0011,低8位中“,1”,的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，,PF=1,運(yùn)算結(jié)果不為0，,ZF=0,低4位向前有進(jìn)位，,AF=1,最高位向前沒(méi)有進(jìn)位，,CF=0,15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,O,D I T,S Z A P C,4,.2.2,總線接口部件,功能：負(fù)責(zé),CPU,與存儲(chǔ)器、,I/O,端,口之間的數(shù)據(jù)傳送。,（,1,）取指令送到

14、指令隊(duì)列。,（,2,）,CPU,執(zhí)行指令時(shí)，到指定的位置取數(shù)據(jù)，并將其送至指令,要求的位置單元中。,總線接口部件由下列各部分組成：,（1）4個(gè)段地址寄存器；,CS16,位代碼段寄存器；,DS16,位數(shù)據(jù)段寄存器；,ES16,位附加段寄存器；,SS16,位堆棧段寄存器；,4,.2.2,總線接口部件,（,2）16位指令指針寄存器,IP；,（3）20,位的地址加法器；,（4）6字節(jié)的指令隊(duì)列緩沖器。,8086/8088,的,BIU,具有如下特點(diǎn)：,（,1,）,指令隊(duì)列緩沖器：,在執(zhí)行指令的同時(shí)，從內(nèi)存中 取下一,條或者下幾條指令，并放入指令隊(duì)列緩沖器中。,CPU,執(zhí)行,完一條指令后，可以立即執(zhí)行下一

15、條指令,（流水線技術(shù)），,而無(wú)需輪番取指令和執(zhí)行指令，從而提高,CPU,效率。,（,2,）,地址加法器：,產(chǎn)生,20,位地址。,CPU,內(nèi)無(wú)論是段地址寄存器,還是偏移量都是,16,位的，通過(guò)地址加法器產(chǎn)生,20,位地址。,4,.2.2,總線接口部件,指令的一般執(zhí)行過(guò)程：,取指令 指令譯碼 讀取操作數(shù) 執(zhí)行指令 存放結(jié)果,8088之前的,CPU,采用串行工作方式：,CPU,訪問(wèn)存儲(chǔ)器,(,存取數(shù)據(jù)或指令,),時(shí)要等待總線操作的完成,CPU,執(zhí)行指令時(shí)總線處于空閑狀態(tài),缺點(diǎn)：,CPU,無(wú)法全速運(yùn)行,解決：,總線空閑時(shí)預(yù)取指令，使,CPU,需要指令時(shí)能立刻得到,取指令,1,執(zhí)行,1,取操,作數(shù),2,

16、執(zhí)行,2,CPU,BUS,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,存結(jié)果,1,取指令,2,4,.2.2,總線接口部件,8086/8088CPU,采用并行工作方式,取指令2,取操作數(shù),BIU,存結(jié)果,取指令3,取操作數(shù),取指令4,執(zhí)行1,執(zhí)行2,執(zhí)行3,EU,BUS,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,指令預(yù)取隊(duì)列的存在使,EU,和,BIU,兩個(gè)部分可同時(shí)進(jìn)行工作，,提高了,CPU,的效率,降低了對(duì)存儲(chǔ)器存取速度的要求,4,.2.2,總線接口部件,總線接口部件和執(zhí)行部件不是同步工作的，它們按照以下的,流水線技術(shù)原則,管理：,（,1,）,每當(dāng),8086,的指令隊(duì)列中有,2,個(gè)空字節(jié)，,8088,指令隊(duì)列中有,1,個(gè)空字節(jié)時(shí)，總線接口部件就會(huì)自動(dòng)取指令至隊(duì)列中。,（,2,）,執(zhí)行部件從總線接口的指令隊(duì)列前部取出指令代碼，執(zhí)行,該指令。,（,3,）,當(dāng)隊(duì)列已滿，執(zhí)行部件又不使用總線時(shí)，總線接口部件進(jìn),入空閑狀態(tài)。,（,4,）,執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令、調(diào)用指令、返回指令時(shí)，先清空隊(duì)列內(nèi),容，再將要執(zhí)行的指令放入隊(duì)列中。,數(shù)據(jù)與指令的存儲(chǔ)與訪問(wèn),地址,內(nèi) 容,0,00000100,B（4）,1,10000000,B（128