微機(jī)原理課件第一章.ppt

第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 2009年 第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1 1微處理器發(fā)展1 1 1微處理器歷史1 1 2Intel80 x86系列微處理器1 2微型計(jì)算機(jī)組成1 2 1微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)1 2 2個(gè)人微機(jī)結(jié)構(gòu) 1 1 0什么是微型計(jì)算機(jī) 微型計(jì)算機(jī) Microcomputer 采用微處理器為核心構(gòu)造的計(jì)算機(jī)微處理器 Microprocessor 一塊大規(guī)模集成電路芯片微型機(jī)的運(yùn)算和控制核心中央處理單元 CPU CentralProcessingUnit 相對來說 微機(jī)性能 價(jià)格 體積較小工作學(xué)習(xí)中使用的個(gè)人微機(jī)生產(chǎn)生活中運(yùn)用的各種智能化電子設(shè)備 微處理器的基本性能指標(biāo) 字長微處理器每個(gè)時(shí)間單位處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)例如一次進(jìn)行運(yùn)算 傳輸?shù)奈粩?shù)時(shí)鐘頻率微處理器的處理速度反映微處理器的基本時(shí)間單位集成度表明微處理器的生產(chǎn)工藝水平常用芯片上集成的晶體管數(shù)量來表達(dá) 1 1 1 1通用微處理器 4位微處理器1971年 Intel4004 第一個(gè)微處理器8位微處理器M6800 Z80和Intel8080 8085Apple公司蘋果機(jī)16位微處理器Intel8086 808816位個(gè)人計(jì)算機(jī) PC PersonalComputer 32位微處理器80386 80486 Pentium Pentium432位PC機(jī) APPLE公司的Macintosh機(jī)64位微處理器 1 1 1 2專用微處理器 單片機(jī) 微控制器 嵌入式控制器 MCU Intel的MCS 48 MCS 51 MCS 96 98系列Freescale Philips AtemlMicrochipTechnology公司的PIC系列數(shù)字信號處理器 DSP 專注于數(shù)字信號的高速處理美國德州儀器TI公司TMS320各代產(chǎn)品主要應(yīng)用于通信 消費(fèi)類電子產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)主要應(yīng)用形式 嵌入式系統(tǒng)IP級結(jié)構(gòu) SoC 芯片級結(jié)構(gòu) 最常見 模塊級結(jié)構(gòu) 80 x86微處理器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)模塊嵌入應(yīng)用系統(tǒng) 1 1 2 180861978年 16位結(jié)構(gòu)微處理器 數(shù)據(jù)總線為16位主存容量1MB 地址總線為20位時(shí)鐘頻率5MHz IBMPC使用4 77MHz 準(zhǔn)16位微處理器8088 外部數(shù)據(jù)總線為8位IBMPC和PC XT機(jī)使用Intel8088CPU處理器總線 Bus 微處理器的對外引腳 Pin 數(shù)據(jù) 地址和控制三組信號電源和地線 處理器總線 數(shù)據(jù)總線 DB DataBus 處理器與存儲器或外設(shè)交換信息的通道個(gè)數(shù) 條數(shù) 是一次能夠傳送數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù)地址總線 AB AddressBus 指定存儲器或外設(shè)的具體單元個(gè)數(shù)反映訪問的主存儲器容量或外設(shè)范圍控制總線 CB ControlBus 控制處理器數(shù)據(jù)傳送等操作 一個(gè)信號兩種狀態(tài) 高或低 兩種編碼 1或0 N 2N 地址就是號碼 1 1 2 2802861982年 16位數(shù)據(jù)總線 24位地址總線 16MB主存 實(shí)方式 RealMode 與8086工作方式一樣保護(hù)方式 ProtectedMode 提供存儲管理 保護(hù)機(jī)制和多任務(wù)管理的硬件支持IBMPC AT機(jī)使用Intel80286CPU 1KB 210B 1024B1MB 220B 1024KB1GB 230B 1024MB 20 22024 22432 232 1 1 2 3803861985年 32位結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)總線32位 地址總線32位 可尋址4GB主存虛擬8086方式 Virtual8086Mode 保護(hù)方式下的8086工作方式系統(tǒng)管理方式 SystemManagementMode 低功耗節(jié)能狀態(tài) 英特爾32位結(jié)構(gòu) IA 32 IntelArchitecture 32 IA 32微處理器 80386 80486 Pentium系列 1 1 2 4804861989年 80486 80386 80387 8KBCache浮點(diǎn)處理單元FPU8086 8088 8087 80286 80287 80386 80387高速緩沖存儲器Cache微處理器與主存之間速度很快但容量較小的存儲器用于提高整個(gè)存儲器系統(tǒng)的存取速度復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)CISC融合精簡指令集計(jì)算機(jī)RISC的技術(shù)特點(diǎn) 例如 指令流水線指令執(zhí)行劃分成多個(gè)步驟在多個(gè)部件中獨(dú)立地進(jìn)行多條指令可以在不同的執(zhí)行階段同時(shí)進(jìn)行 1 1 2 5Pentium1993年 俗稱的80586微處理器 奔騰微處理器32位結(jié)構(gòu) 連接主存的外部數(shù)據(jù)總線卻是64位超標(biāo)量 Superscalar 技術(shù)具有可以并行工作的2條整數(shù)處理流水線 可以達(dá)到每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行2條指令雙路高速緩沖結(jié)構(gòu)8KB代碼高速緩沖存儲器8KB數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器 1 1 2 6PentiumPro1995年 原稱P6 中文名稱為 高能奔騰 兩個(gè)芯片組成CPU 一級 L1 Cache 8KB代碼和8KB數(shù)據(jù) 二級 L2 Cache 256KB或512KB 擴(kuò)展的超標(biāo)量技術(shù)12級指令流水線能同時(shí)執(zhí)行3條指令動態(tài)執(zhí)行技術(shù)分支預(yù)測 數(shù)據(jù)流分析和推測執(zhí)行 1 1 2 7PentiumII1997年 多媒體擴(kuò)展指令 MMX指令 MMX MutliMediaeXtension 整數(shù)運(yùn)算多媒體指令對圖像 音頻 視頻和通信方面的程序進(jìn)行優(yōu)化提升微機(jī)對多媒體的處理能力PentiumMMX 多能奔騰 MMX指令應(yīng)用于Pentium處理器PentiumII MMX指令應(yīng)用于PentiumPro 高能奔騰 1 1 2 8PentiumIII1999年 數(shù)據(jù)流SIMD擴(kuò)展指令 SSE指令 運(yùn)算 速度 因特網(wǎng) 三維多媒體程序SSE StreamingSIMDExtensions 浮點(diǎn)單精度多媒體運(yùn)算指令提高浮點(diǎn)3D數(shù)據(jù)的處理能力 PentiumIII SSE指令應(yīng)用于PentiumII單指令多數(shù)據(jù)SIMDSingleInstructionMultipleData表示一條指令具有同時(shí)處理多組數(shù)據(jù)的能力 1 1 2 9Pentium42000年11月 NetBurst的微結(jié)構(gòu) Microarchitecture 指令級并行ILP Instruction LevelParallel 進(jìn)一步發(fā)掘指令之間可以同時(shí)執(zhí)行的能力超線程HT HyperThreading 線程級并行TLP Thread LevelParallel 發(fā)掘程序中的并行性一個(gè)物理處理器形成兩個(gè)邏輯處理器SSE2指令 76條數(shù)據(jù)流SIMD擴(kuò)展指令 增強(qiáng)浮點(diǎn)雙精度多媒體運(yùn)算能力SSE3指令 新增13條數(shù)據(jù)流SIMD擴(kuò)展指令 增強(qiáng)和完善MMX 多媒體擴(kuò)展 SSE和SSE2指令 Intel80 x86微處理器 Celeron 賽揚(yáng) 微處理器面向低端 低價(jià)位 PC機(jī)Xeon 至強(qiáng) 微處理器面向高端服務(wù)器 工作站AMD微處理器AMD公司生產(chǎn)的IA 32微處理器兼容芯片Intel公司最主要的競爭對手雙核微處理器單芯片多處理器SMP技術(shù)Intel的PentiumD 單芯片雙Pentium4核心64位微處理器AMD的K8核心 兼容IA 32的64位微處理器Intel的EM64T 擴(kuò)展64位技術(shù) IA 32的64位擴(kuò)展 1 2 1微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu) 1 微處理器2 存儲器3 I O接口和I O設(shè)備4 系統(tǒng)總線 控制總線CB 數(shù)據(jù)總線DB 地址總線AB 微處理器 I O設(shè)備 I O接口 存儲器 系統(tǒng)總線BUS 1 2 1 1微處理器 微機(jī)的核心 控制中心 中央處理器CPU大規(guī)模集成電路VLSI芯片 集成控制器運(yùn)算器 整數(shù)運(yùn)算器 寄存器 高速存儲單元 高性能微處理器內(nèi)部還有浮點(diǎn)處理單元甚至多媒體數(shù)據(jù)運(yùn)算單元存儲管理單元Cache 1 2 1 2存儲器 存儲器 Memory 是存放程序和數(shù)據(jù)的部件高性能微機(jī)的存儲系統(tǒng)微處理器內(nèi)部的寄存器 Register 高速緩沖存儲器 Cache 主板上的主存儲器以外設(shè)形式出現(xiàn)的輔助存儲器主存儲器 主存 內(nèi)存 半導(dǎo)體存儲器芯片組成RAM部分?jǐn)嚯姾笮畔G失相對造價(jià)高 速度快 但容量小輔助存儲器 簡稱輔存或外存 磁盤 光盤存儲器等構(gòu)成相對造價(jià)低 容量大 信息可長期保存 但速度慢 RAM和ROM 1 2 1 3I O接口和I O設(shè)備 I O設(shè)備 Peripheral 用戶與微機(jī)交互輸入 Input 設(shè)備 如標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備 鍵盤輸出 Output 設(shè)備 如標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備 顯示器I O接口 Interface 外設(shè)和主機(jī)間的橋梁完成信號變換 數(shù)據(jù)緩沖 聯(lián)絡(luò)控制等工作較簡單的I O接口電路與主板一體較復(fù)雜的I O接口電路制成獨(dú)立的電路板 接口卡Card 1 2 1 4系統(tǒng)總線 總線 Bus 傳遞信息的一組公用導(dǎo)線 信息通道系統(tǒng)總線 SystemBus 微機(jī)系統(tǒng)中信息交換的主要公共通道地址總線 單向輸出主存單元或I O端口的地址信息數(shù)據(jù)總線 讀 Read 操作數(shù)據(jù)輸入微處理器 寫 Write 操作數(shù)據(jù)輸出到外界 主存或外設(shè) 控制總線 有些控制信號或狀態(tài)信號輸出 有些請求或聯(lián)絡(luò)信號輸入微機(jī)系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu) 總線連接使得微機(jī)組合靈活 擴(kuò)展方便 1 2 2個(gè)人微機(jī) 8位時(shí)代 Apple II機(jī) 中華學(xué)習(xí)機(jī)16位時(shí)代 IBMPC系列機(jī)1981年 IBMPC機(jī) Intel8088 DOS1982年 IBMPC XT ExpandedTechnology 1984年 IBMPC AT AdvancedTechnology IBMPC XT AT機(jī)的兼容微機(jī)32位時(shí)代 32位PC機(jī)IA 32或其兼容微處理器Windows或Linux64位時(shí)代 1 2 2 116位微型機(jī)IBMPC AT結(jié)構(gòu) 微處理器 Intel80286主存儲器ROM BIOS 固化基本輸入輸出系統(tǒng) BasicInput OutputSystem 主存主要由RAM組成I O接口兩個(gè)中斷控制器8259A兩個(gè)DMA控制器8237A定時(shí)控制器8254并行接口電路系統(tǒng)總線 ISA總線 I O通道 示意圖 1 2 2 232位PC微型機(jī)結(jié)構(gòu) 微處理器 IA 32或其兼容微處理器 含Cache 控制芯片組 微處理器的主要輔助器件主存儲器 主存插槽和主存條多總線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線 PCI總線 低速ISA總線 存儲總線顯示AGP總線擴(kuò)展槽和外設(shè)接口主存條插槽 AGP插槽 PCI插槽 IDE插槽PS 2鍵盤接口和PS 2鼠標(biāo)接口 并行打印接口LPT COM1和COM2串行通信接口通用串行總線USB接口 高速視頻接口IEEE1394 示意圖 1 2 2 3 DOS及其啟動方法 Windows下進(jìn)入MS DOS模擬環(huán)境的方法 開始 程序 附件 命令提示符 開始 運(yùn)行 對話框中 輸入 cmd 命令 開始 運(yùn)行 對話框中 輸入 Windows的模擬DOS程序CMD EXE文件 支持漢字輸入輸出 功能更強(qiáng)COMMAND COM文件 對DOS應(yīng)用程序的兼容性更好使用CMD EXE有異常 可改用COMMAND COM 1 2 2 3 目錄和路徑 目錄 Directory 對應(yīng)Windows的文件夾路徑 Path 分區(qū) 根目錄 子目錄 文件名絕對路徑 文件的完整路徑d ml615 progs eg301 asm相對路徑 相對當(dāng)前目錄的路徑progs eg301 asm轉(zhuǎn)換分區(qū)d 進(jìn)入當(dāng)前目錄 CurrentDirectory cd ml615 1 2 2 3 內(nèi)部命令 DOS內(nèi)部命令 隨DOS駐留主存的DOS命令使用方法命令關(guān)鍵字參數(shù)選項(xiàng)常用命令改變目錄CD文件列表DIR文件拷貝COPY清除屏幕CLS中止DOS環(huán)境EXIT幫助命令HELP 1 2 2 3 外部命令 DOS的外部命名 與其他可執(zhí)行文件一樣 以文件形式保存在磁盤上 執(zhí)行時(shí) 路徑 文件名參數(shù)路徑搜索順序 先當(dāng)前目錄 后搜索路徑內(nèi)部命令PATH 查看和設(shè)置當(dāng)前的搜索路徑DOS支持的可執(zhí)行文件COM文件EXE文件BAT批處理文件 純文本文件 1 2 2 3 匯編語言和匯編程序 匯編語言 AssemblyLanguage 用助記符表示指令操作碼和操作數(shù)本質(zhì)上是機(jī)器語言優(yōu)勢 可以