微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與接口-電子教案

微型計(jì)算機(jī)技術(shù)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系趙雁南溫冬嬋楊澤紅前言 0.1、教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)

0.2、教學(xué)要求

0.3、教材與參考書(shū)

0.4、教學(xué)日歷及其他0.1、教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)0.1.1 教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ) 以微計(jì)算機(jī)的基本概念為基礎(chǔ)主線 以微計(jì)算機(jī)的技術(shù)發(fā)展作為課 程的主線

重點(diǎn) 以微計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)為重點(diǎn)， 掌握要點(diǎn)和應(yīng)用方法0.1、教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)（續(xù)）0.1.2 教學(xué)目標(biāo)—培養(yǎng)能力資料閱讀能力分析軟硬件能力設(shè)計(jì)接口，擴(kuò)充系統(tǒng)能力使用設(shè)計(jì)與調(diào)試工具、設(shè)計(jì)與調(diào)試能力0.1、教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)（續(xù)）0.1.3 學(xué)習(xí)方法——“問(wèn)題驅(qū)動(dòng)”方法（Question-Driven）提出問(wèn)題Why?

體會(huì)事物發(fā)展的動(dòng)因，培養(yǎng)創(chuàng)新思維分析問(wèn)題What?

培養(yǎng)分析問(wèn)題的能力，抓住事物的本質(zhì)如何解決

How?

學(xué)習(xí)具體的技術(shù)，積累創(chuàng)新的技能和方法舉例：

Why？為什么選擇本課程…… What?本課程能學(xué)到什么內(nèi)容…… How?怎樣學(xué)好本課程……0.2、教學(xué)要求0.2.1 注意基本能力的培養(yǎng)0.2.2 理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)并重0.2.3 關(guān)于作業(yè)0.2.4 關(guān)于考核0.3、教材與參考書(shū)教材：趙雁南、溫冬嬋、楊澤紅《微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與接口》

清華大學(xué)出版社參考書(shū)：1、BarryB.Brey,“TheIntelMicroprocessors8086/8088……PentiumⅡProcessorsArchitecture，ProgramingandInterfacing”（有中譯本）2、戴梅萼、史家權(quán)，《微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用—從16 位到32位》 清華大學(xué)出版社3、The8086FamillyUser’sManual4、TomShanleyetc.“PentiumProcessorSystem Architecture”第一章 概述什么是微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評(píng)價(jià)微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況1.1 什么是微型計(jì)算機(jī)從體積、功能和價(jià)格劃分大型—中型—小型—微型從組成劃分電子管—晶體管—集成電路—LSI—VLSI

一般，把臺(tái)式計(jì)算機(jī)類(lèi)型的個(gè)人計(jì)算機(jī)、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等統(tǒng)稱(chēng)為微型計(jì)算機(jī)1.2 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評(píng)價(jià)

1.2.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成

微處理器、微計(jì)算機(jī)、微機(jī)系統(tǒng)圖1-1 微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.2 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評(píng)價(jià)

1.2.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成

μC:圖1-2 微計(jì)算機(jī)1.2 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評(píng)價(jià)

1.2.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成圖1-3 微處理器μP:1.2 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評(píng)價(jià)

1.2.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成圖1-4 微處理器μP:1.2 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評(píng)價(jià)

1.2.2微型計(jì)算機(jī)的性能描述微處理器的字長(zhǎng)和指令執(zhí)行時(shí)間ALU的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度為字長(zhǎng)MIPSPentium100150MIPS，PentiumPro200440MIPSP（intelCOmparableMicroprocessorPerformance）指數(shù)評(píng)測(cè)方案Pentium100815，Pentium20018101.2 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評(píng)價(jià)

1.2.2微型計(jì)算機(jī)的性能描述內(nèi)存儲(chǔ)器容量和速度處理機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器的最大容量和處理器的地址線寬度有關(guān)，配置綜合性能價(jià)格DRAM，訪問(wèn)時(shí)間，遠(yuǎn)低于處理器速度系統(tǒng)總線傳輸速率總線每秒鐘能夠傳送的最大字節(jié)數(shù)8MHz,16位ISA5.3MB/S;66MHz、64位的PCI峰值傳送速率528MB/S1.3 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況1.3.1Intel系列微處理器1.3.1Intel系列微處理器1974年第一個(gè)通用8位微處理器8080誕生。8085將8080的三片結(jié)構(gòu)集成為一片，并優(yōu)化。8085與其它器件接口方便且中斷系統(tǒng)功能完善等特點(diǎn)，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)被廣泛地應(yīng)用在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)當(dāng)中。8080和8085奠定了80x86系列的雛形。Intel8080~80851978年，80x86第一代16位微處理器。第一次將流水線思想引進(jìn)微處理器：指令級(jí)流水。存儲(chǔ)器分段管理機(jī)制引入處理器，擴(kuò)大尋址能力。只有整數(shù)運(yùn)算指令?？膳涮讌f(xié)處理器8087、I/O處理器8089，具備較強(qiáng)大計(jì)算能力和I/O處理能力。推出8088，8位外部數(shù)據(jù)總線，兼容豐富的8位配套器件，8088內(nèi)部與8086結(jié)構(gòu)基本相同?；?088微處理器的IBMPC-XT以及兼容系統(tǒng)。Intel80861982年，80286誕生，16位處理器，80286在性能上比8086有了很大的提高。80286將存儲(chǔ)器的保護(hù)管理模式引入CPU的體系結(jié)構(gòu)，從80286開(kāi)始，處理器支持實(shí)地址模式和虛擬保護(hù)模式?；?0286的IBM個(gè)人計(jì)算機(jī)即IBMPC/AT。

Intel8028685年，是第一個(gè)32位微處理器，內(nèi)部寄存器均為32位，32根地址線，最大地址空間為4G字節(jié)。在處理器內(nèi)部，80386增加了系統(tǒng)管理等專(zhuān)用寄存器，集成了規(guī)范的存儲(chǔ)管理部件，并按照速度的不同，采用了分級(jí)的總線結(jié)構(gòu)。80386也是第一個(gè)支持片外Cache的CPU。因此，基于386的微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，總體性能上有了很大提高。Intel8038680486將8M字節(jié)的Cache集成在處理器芯片內(nèi)部，極大的提高存儲(chǔ)器訪問(wèn)的速度。486采用了取指、兩級(jí)譯碼、執(zhí)行和寫(xiě)回五級(jí)流水，流水線上多數(shù)指令的執(zhí)行僅需一個(gè)時(shí)鐘就能完成。首批486的主頻從386DX的20MHz僅提高到了25MHz，指令的執(zhí)行速度卻提高了3倍多，從386的6MIPS（每秒百萬(wàn)指令流）提高到20MIPS。從80486開(kāi)始，數(shù)值運(yùn)算協(xié)處理器被集成在主處理器內(nèi)部。Intel80486九十年代初的Pentium微處理器：32位，外部數(shù)據(jù)總線寬度64位。內(nèi)部集成了獨(dú)立的8KB代碼Cache和8KB數(shù)據(jù)Cache，避免取指和讀寫(xiě)操作數(shù)時(shí)產(chǎn)生的Cache訪問(wèn)沖突。Pentium采用了超標(biāo)量流水線和指令分支預(yù)測(cè)技術(shù)，集成了高性能的浮點(diǎn)處理單元。多數(shù)情況下，超標(biāo)量流水線每個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行兩條整型指令和一條浮點(diǎn)處理指令。整數(shù)處理能力比486提高2倍，浮點(diǎn)處理能力比486提高5~10倍。相同頻率（100MHz）的Pentium比80486P指數(shù)提高2倍。Intel80586－Pentium486DX4100~Pentium100繼Pentium之后，第六代微處理器PentiumPro在2年以后面世。PentiumPro處理器內(nèi)部同時(shí)集成了16KB的L1Cache和256/512KB的L2Cache。并通過(guò)指令亂序執(zhí)行以及重排序緩沖器進(jìn)一步提高指令級(jí)的并行性。PentiumPro的首批CPU頻率就達(dá)到200MHz，性能為440MIPS。Intel80686－PentiumPro1997年，PentiumII處理器誕生，PII內(nèi)部L1級(jí)指令Cache和數(shù)據(jù)Cache分別增加到16MB，內(nèi)部L2級(jí)Cache仍為256/512KB。在超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu)中增強(qiáng)了MMX指令的處理能力。從PII開(kāi)始采用了雙獨(dú)立總線結(jié)構(gòu)，一條用于連接處理器內(nèi)核和L2Cache，一條連接系統(tǒng)總線，處理器可以在2條總線上同時(shí)傳送數(shù)據(jù)。PentiumIIPentiumIII在PII的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了性能，它的集成度達(dá)到820萬(wàn)晶體管，第一批CPU的主頻為500MHz，運(yùn)行速度為1000MIPS。PIII的最高頻率為1.40GHz。PIII具有256bit寬的Cache數(shù)據(jù)總線，它增加了128位的SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）寄存器，用于Internet流式SIMD擴(kuò)展。PIII還增強(qiáng)了動(dòng)態(tài)執(zhí)行的微結(jié)構(gòu)。PentiumIIIP4采用了混合流水線技術(shù)和快速執(zhí)行引擎，增強(qiáng)的浮點(diǎn)和多媒體單元。P4的L1級(jí)Cache增加了12K的執(zhí)行跟蹤C(jī)ache，系統(tǒng)總線達(dá)到400MHz。P4的主頻達(dá)到2200MHz，指令執(zhí)行速度高達(dá)3000MIPS。Pentium4Pentium4Pentium4EE(ExtremeExpensive）90納米工藝3.74GHz（3.46）1066MHz前端數(shù)據(jù)總線支持64位計(jì)算集成度1.69億個(gè)晶體管2MBL2Cache“executebitdisable”安全技術(shù)Pentium4ExtremeExpensive

Extreme多核結(jié)構(gòu)1.3.1Intel系列微處理器PentiumⅢAvailableat1.13,1.26and1.40GHz512KBAdvancedTransferCache(L2)withErrorCorrectingCode(ECC))Integratedhighperformance16KBinstructionand16KBdatalevelonecacheDualIndependentBus(DIB)architectureSeparatededicatedexternalSystemBus，dedicatedinternalhigh-speedcachebusInternetStreamingSIMDExtensionsDynamicexecutionmicroarchitectureQuadQuadwordWide(256bit)cachedatabus1.3.1Intel系列微處理器Pentium4HyperPipelinedTechnology

400MHzSystemBus

Level1ExecutionTraceCache

RapidExecutionEngine

256KBor512KBLevel2AdvancedTransferCache

AdvancedDynamicExecution

EnhancedFloating-PointandMultimediaUnitInternetStreamingSIMDExtensions2

1.3.1Intel系列微處理器1.3.2近年來(lái)與Intel競(jìng)爭(zhēng)的微處理器

①整數(shù)運(yùn)算：6X86>AMDK5>Pentium

浮點(diǎn)運(yùn)算：6X86<AMDK5<PentiumK5與X86兼容，丟棄INTEL產(chǎn)權(quán)，操作方式與PENTIUM不同，結(jié)果同② 類(lèi)似486+緩存、MMX技術(shù)，速度接近Pentium,價(jià)格最低③ 整數(shù)運(yùn)算：6x86MX>AMDK6>>PentiumMMX，6x86MX0.25um工藝浮點(diǎn)運(yùn)算：AMDK6<PentiumMMX；6x86MX,MⅡ很差

MⅡ技術(shù)與PⅡ接近

④

1998，AMDK6-2改進(jìn)體系結(jié)構(gòu)，支持3Dnow!指令，優(yōu)于MMX，近于PⅡ1998，WinchipC6-2支持3D