交大微機原理與接口技術課件

1、第一章 微型計算機概述一.馮諾伊曼計算機基本結構(馮氏結構)1.“存儲程序”概念的產生及其重要意義。ENIAC（Electronic Numerrical Integrator And Computer）不具備“存儲程序”的功能EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）采用“存儲程序”的概念，并付諸實現(xiàn)， “開創(chuàng)了整個程序設計時代的到來”2.馮氏計算機結構： P2二.計算機的基本組成框圖及功能部件簡介1.框圖（計算機的一般結構模型） P2圖1.12.主要功能部件 存儲器控制邏輯RDWR地址寄存器地址譯碼器數(shù)據寄存器00000HF

2、FFFFH1 0 1 0 1 0 0 1 0MAR存儲體MDR運算器控制器輸入設備輸出設備三.計算機的工作流程1.模型機結構2.指令的執(zhí)行過程(P7)模型機結構簡圖控制邏輯陣列指令譯碼器ID指令寄存器IR累加寄存器AALU標志寄存器FR程序計數(shù)器PC地址寄存器MAR數(shù)據寄存器MDR微操作控制信號存儲器CPU系統(tǒng)總線（BUS）存儲體+1*注：I/O接口電路在圖中省略未畫四.微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)（ puter System）微機系統(tǒng)硬件軟件微處理器應用軟件系統(tǒng)軟件外設微型計算機主存儲器I/O接口電路系統(tǒng)總線ALU控制單元并行I/O接口串行I/O接口ABRAMDBCBROM寄存器組1

3、.微處理器 也稱微處理機，由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的具有控制器和運算器功能的中央處理器，統(tǒng)稱微處理器。例如：Intel 8080,8085; Intel 8086,80286,80386,80486;Pentitum,Pentium II(P6),Pentium III,Pentium IV.Zilog Z80; Z8000; Z80000.Motorola MC6800(8位),MC68000（16位）,MC68020(32位)Power PC 620(64位)四.微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)（續(xù)）（ puter System）1.Moore定律： “晶體管的大小將以指數(shù)速率變

4、小，而集成到芯片上的晶體管數(shù)目將23年【1824個月】翻一番?！?Gordon Moore，1965* Gordon MooreInter公司的創(chuàng)始人，著名半導體科學家。四.微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)（續(xù)）（ puter System）1978年 8086 2.9萬 （3萬）1982年 80286 13.5萬1985年 80386 32萬1990年 80486 120萬1993年 Pentium 320萬1996年 Pentium Pro 550萬1997年2月 Pentium II 750萬，300MHz1999年 Pentium III 2000年(4季度) Pentium IV

5、 4200萬，1.4GHz(0.18um工藝)Bill Gates在未來之路中曾提到，假若Moore定律能再持續(xù)20年.其他新型技術，如激光計算機。從計算機結構及信息理論方面，“非馮結構”（神經網絡仿人腦的思維和記憶模型），更便于處理某些智能型問題。四.微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)（續(xù)）（ puter System）微處理器具有運算和控制功能，是整個微型計算機的核心，也稱中央處理器CPU（Central Processing Unit）。注意，微處理器并不是一臺完整的計算機，要構成一臺完整的計算機（主機），還需要有：存儲器、I/O接口及系統(tǒng)總線。微處理器的主要功能部件（1）算術邏輯部件

6、（ALU）：用來進行算術和邏輯運算。 例如，SUB AL，5； AND AL，F(xiàn)EH；ADD AL，10；OR AL，01H；（2）累加器：運算前存放操作數(shù)，運算后存放運算結果。輸入/輸出指令也通過累加器來完成。 例如：IN AL，50H； OUT 51H，AL； （3）程序計數(shù)器（Program Counter-PC），也稱指令計數(shù)器（Instruction Counter），由它指出下一條要執(zhí)行指令所在存儲單元的地址，具有加1計數(shù)的功能。 （4）指令寄存器：用來存放從存儲器中取出的指令碼。 （5）指令譯碼器：對指令碼進行譯碼，確定指令的操作（如加、減、移位等）。 （6）時序和控制部件 四.

7、微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)（續(xù)）（ puter System）1.特點：2.分類：可以從不同角度進行分類 按字長分,可分為4位64位; 按組裝形式,可分為“單片、單板、多板式”微型計算機。3.微型計算機(主機)的基本結構 “CPU+存儲器+I/O接口+系統(tǒng)總線”。五.微型計算機CPUI/O接口控制總線存儲器地址總線外圍設備數(shù)據總線微型計算機的各個部件之間通過三組不同的總線相連它們是： 數(shù)據總線（Data Bus -DB）-雙向 地址總線（Address Bus-AB）-單向 控制總線（Control BusCB）-雙向 總線是計算機的部件與部件之間傳輸信息的公共通路，它能分時地發(fā)送和

8、接收各部件的信息?？偩€不僅僅是一組傳輸線，它還包括與數(shù)據傳輸有關的控制邏輯。所以，在一個計算機系統(tǒng)中，總線應被看成一個獨立的部件。五.微型計算機（續(xù)）4.微型計算機的主要技術指標 (1)字長:參與運算的數(shù)的位數(shù).它決定著計算機的內部寄存器、加法器及數(shù)據總線（數(shù)據通路）的位數(shù)。有4位，8位，16位，32位，64位等。 (2)主存容量:主存儲器所能存儲信息的總量。通常以字節(jié)數(shù)(Byte)來表示。例：內存128MB。有時也用到“位容量”-2pXq. (3)運算速度:有不同的計量方法和測試標準。 MIPS(Million Instruction Per Second) (4)平均無故障運行時間(可靠性

9、) MTBF(Mean Time Between Failures),平均無故障間隔時間 (5)性能/價格比五.微型計算機（續(xù)）五.微型計算機（續(xù)）5.性能測試標準：*SPEC(Standard Performance Evaluation Corporation) 美國標準性能評價協(xié)會 SPEC發(fā)表的第一套標準化測試基準程序（Benchmarks）是SPEC89* P(intel Comparative Microprocessor Performance) 微處理器性能比較指數(shù)體系。 1992， P Index 1.0版； 1996， P 2.0版五.微型計算機（續(xù)）- Intel 微處理

10、器性能評估微處理器種類日趨繁多，應用也日益廣泛，單靠CPU型號和主頻已遠不能充分說明處理器的性能。為此，Intel制定并發(fā)展了 P指數(shù)體系，通過它希望能給處理器性能一個較為科學、公正的評價。 P Index 1.0和2.0 為向一般用戶提供一個理解和比較Intel微處理器性能相對差異的易用工具，Intel公司與1992年推出了 P微處理器性能比較指數(shù)體系。這后來被稱為 P Index1.0(版)。 P Index1.0考慮了那個時期桌面計算機系統(tǒng)的應用，綜合了九項評估項目：適用于DOS應用的16位整數(shù)運算，適用于CAD/CAM的16位浮點運算，適用于UNIX應用的32位整數(shù)運算和32位浮點運算

11、，適用于多媒體應用的16位和32位視頻運算，以及16位和32位圖形處理。每項制定了測試基準BM（benchmark）,并分別予以不同的權值P，如表1-6所示。注意，他的視頻運算和圖形處理的權值為0，Intel當時的打算是隨著多媒體和3D動畫應用的普及將來再逐漸改變權值分配。 五.微型計算機（續(xù)）- Intel 微處理器性能評估表1-6 P 1.0的評估條件評估項目測試基準權值(P)16位整數(shù)運算ZD Labs CPUmix67%16位浮點運算Whetstone2%16位浮點運算ZD Labs CPUmix1% 32位整數(shù)運算SPEC int9225%32位浮點運算SPEC fp 925%16位

12、視頻運算ZD Labs/SPEC int920%32位視頻運算ZD Labs/SPEC int920%16位圖形運算ZD Labs/SPEC int920%32位圖形運算ZD Labs/SPEC int920%五.微型計算機（續(xù)）- Intel 微處理器性能評估 P Index1.0以不含F(xiàn)PU的主頻25MHz的80486(486SX-25)作為性能測試的底值(Base)，即它的 P值為100。以如下公式計算某類型處理器的 P值：其中Base-BMi代表486SX_25在第i項下的測試值， BMi 代表被測處理器在第i項下的實測值，Pi為第i項的權值。五.微型計算機（續(xù)）- Intel 微處理

13、器性能評估早期某些主頻Pentium處理器的測試，按前式加權平均計算出的 P1.0值列于下表CPU類型主頻(MHz)外總線時鐘頻率(MHz)倍頻因子 P1.0指數(shù)Pentium-6060601510Pentium-6666661567Pentium-7575501.5610Pentium-9090601.5735Pentium-100100661.5815AHALCSBHBLCHCLDHDLBPSIDISPDSESSSEFlagsEIPEAXEBXECXEDXEBPESIEDIESPGeneral RegistersEach short block is 8-bits longSegment RegistersAXBXCXDXFlags RegisterInstruction Pointer RegisterSome of the registers in the PentiumMicrocodeROMFloatingPointUnitData Cache8KBCode Cache8KBALUALU11011101010000010101pentiumExe