計算機硬件基礎第二章微處理器

計算機硬件基礎

第二章微處理器

2.1微處理器概述

上、微處理器的概念

微處理器(MicroProcessingUnit,MPU),即

微型化的中央處理器。微處理器由算術邏輯部件(ALU)、

控制部件、寄存器組和片內(nèi)總線等幾部分組成。

中央處理器CPU的英文全稱是CentralProcessing

Unito

早期微處理器以MPU表示，以區(qū)別于大型主機的多

芯片CPU。但現(xiàn)在已經(jīng)不加區(qū)分，都用CPU表示。

2.1微處理器概述

微處理器的發(fā)展

微處理器的發(fā)展階段早期一般以其處理數(shù)據(jù)的位數(shù)

作為劃分階段的依據(jù)，后來有重大的技術和工藝改進也

進行階段劃分。

2.1微處理器概述

；、微處理器的發(fā)展

■L4位微處理器

1971年Intel公司推出的i4004和i8008,采用

PMOS工藝的4位和8位微處理器，只能進行串行的十進

制運算，集成度達到2000個晶體管/片。

2.1微處理器概述

、微處理器的發(fā)展

2.8位微處理器

1974年Intel推出的i8080,后來又推出i8085。它

們是采用NMOS工藝的8位微處理器，集成度達到9000個

晶體管/片。在許多要求不高的工業(yè)生產(chǎn)和科研開發(fā)中已

可運用。典型8位微處理器有一條16位地址線，因此最多

可尋址64K個存儲單元，對于具有大量數(shù)據(jù)的大型復雜程

序都可能是不夠的。

Motorola--M6800

Zilog--Z-80

Apple公司生產(chǎn)蘋果機AppleII

2.1微處理器概述

「、微處理器的發(fā)展

?3,16位微處理器

20世紀70年代后期，超大規(guī)模集成電路投入使用，

出現(xiàn)了第三代微處理器。Intel公司的8086/8088,

Motorola公司的M68000和Zilog公司的Z8000等16位

微處理器相繼問世，它們的運算速度比8位微處理器快

2?5倍，采用HMOS高密度工藝，集成度達29000個晶

體管/片，趕上或超過了20世紀70年代小型機的水平。

2.1微處理器概述

「、微處理器的發(fā)展

'3.16位微處理器

20世紀80年代以來，Intel公司又推出了高性能的

16位微處理器80186及80286。它們與8086/8088向

上兼容。80286是為滿足多用戶和多任務系統(tǒng)的微處理

器，速度比8086快5?6倍。

2.1微處理器概述

、微處理器的發(fā)展

3.16位微處理器

IBM公司1978年推出了IBM-PC系列微機，推動了

Intel微處理器的應用。

IBM-PC8086

IBM-PC/XT8088

IBM-PC/AT80286

2.1微處理器概述

「、微處理器的發(fā)展

'3.32位微處理器

1985年，第四代微處理器80386及M68020推出市

場，集成度達45萬個晶體管/片。它們是32位微處理器,

時鐘頻率達40MHz,速度之快、性能之高，足以同高檔

小型機相匹敵。

2.1微處理器概述

；、微處理器的發(fā)展

■3?32位微處理器

1989年推出了80486。

80486與80386的區(qū)別。

同時代的微處理生產(chǎn)廠家：AMD,Cyrix

2.1微處理器概述

「、微處理器的發(fā)展

?3.32位微處理器

Pentium及以后的處理器：

Pentium,32位結構，連接主存的外部數(shù)據(jù)總線卻

是64位，采用了超標量技術、雙路高速緩沖結構。

PentiumPro,原稱P6,中文名稱為“高能奔騰”，

二級緩存技術、擴展的超標量技術、動態(tài)執(zhí)行技術。

PentiumMMX（MMX,MutliMediaextension,

多媒體擴展指令），中文名稱為“多能奔騰”），將

MMX指令應用于Pentium處理器。

2.1微處理器概述

「、微處理器的發(fā)展

'3.32位微處理器

Pentium及以后的處理器：

PentiumH,MMX指令應用于PentiumPro。

PentiumIII,SSE指令應用于PentiumII。

SSE指令，StreamingSIMDExtensions,數(shù)據(jù)

流SIMD擴展指令，浮點單精度多媒體運算指令，提高浮

點3D數(shù)據(jù)的處理能力。

SIMD,SingleInstructionMultipleData,表

示一條指令具有同時處理多組數(shù)據(jù)的能力。

2.1微處理器概述

「、微處理器的發(fā)展

?3.32位微處理器

Pentium及以后的處理器：

Pentium4,超線程HT（HyperThreading）技

術（提高工作的并行性）、SSE2指令（增強浮點雙精度

多媒體運算能力）、SSE3指令（增強和完善MMX,

SSE和SSE2指令）o

APPLE公司的Macintosh機

2.1微處理器概述

；、微處理器的發(fā)展

■4?64位微處理器

安騰處理器

酷睿處理器(Core,Core2)

多核處理器

2.28086/8088微處理器

1j、8086/8088CPU概述

8086和8088CPU的內(nèi)部基本相同，但它們的夕卜部性能是有

區(qū)別的。8086是16位數(shù)據(jù)總線，而8088是8位數(shù)據(jù)總線，

在處理一個工6位數(shù)據(jù)字時，8088需要兩步操作而8086只

需要~"步。

8086和8088CPU的內(nèi)部都采用16位字進行操作及存儲器尋

址，兩者的軟件完全兼容，程序的執(zhí)行也完全相同。然而,

由于8088要比8086有較多的外部存取操作，所以，對相

同的程序，它將執(zhí)行得較慢。這兩種微處理器都封裝在相

同的40腳雙列直插組件中。

2.28086/8088微處理器

、8086/8088CPU的結構

8086CPU從功能上可分為兩部分，即總線

接口部件BIU(BusInterfaceUnit)和執(zhí)行部

件EU(ExecutionUnit)。

20ft

通用

寄存器AHAL

BHBL

CHCL

DHDL

SP

BP二＞

DI外部

總線

SI

(123456

3tt'~>~~~~~~1―

指令隊列蝮沖器

標志

執(zhí)行部件(EU)總線接口部件(BIU)

2.28086/8088微處理器

、8086/8088CPU的結構

-1.執(zhí)行部件EU

執(zhí)行部件(EU)的功能就是負責指令的執(zhí)行。將指令

譯碼并利用內(nèi)部的寄存器和ALU對數(shù)據(jù)進行所需的處理。

從結構圖可見到執(zhí)行部件由下列部分組成：

4個通用寄存器，即AX,BX,CX,DX；

4個專用寄存器，即基數(shù)指針寄存器BP,堆棧指針

寄存器SP,源變址寄存器SI,目的變址寄存器DI；

標志寄存器(FR)；

算術邏輯部件(ALU)。

2.28086/8088微處理器

、8086/8088CPU的結構

1.執(zhí)行部件EU

8086/8088EU的特點：

(工)4個通用寄存器既可以作為16位寄存器使用，也可以

作為8位寄存器使用。如，當BX寄存器作為8位寄存器時,

分為BH和BL,BH為高8位，BL為低8位。

(2)AX寄存器也常稱為累加器，8086指令系統(tǒng)中有許多

指令都是通過累加器的動作來執(zhí)行的。

(3)加法器是算術邏輯的主要部件，絕大部分指令的執(zhí)

行都由加法器來完成。

2.28086/8088微處理器

、8086/8088CPU的結構

1.執(zhí)行部件EU

8086/8088EU的特點：

(4)標志寄存器FR共有工6位，其中7位未用。

8086的標志可分為兩類：

狀態(tài)標志——它是操作在執(zhí)行后，決定算術邏輯部件ALU處在

何種狀態(tài)，這種狀態(tài)會影響后面的操作。

控制標志——它是人為設置的，指令系統(tǒng)中有專門的指令用于

控制標志的設置和清除，每個控制標志都對每一種特定的功能起控

制作用。

1$1413121110987654

狀態(tài)標志位

OF溢出標志AF半（輔）進位標志位

SF符號標志位PF奇偶標志位

ZF零標志位CF進位標志位

控制標志位

DF方向標志位

IF中斷允許標志位

TF自陷（跟蹤方式）標志位

2.28086/8088微處理器

日8086/8088CPU的結構

■2.總線接口部件BW

總線接口部件的功能是負責與存儲器、I/O端口傳

送數(shù)據(jù)，即BIU管理在存儲器中存取程序和數(shù)據(jù)的實際

處理過程?？偩€接口部件由下列各部分組成：

4個段地址寄存器，即CS代碼段寄存器，DS數(shù)據(jù)段

寄存器，ES附加段寄存器，SS堆棧段寄存器。

指令指針寄存器IP。

20位的地址加法器。

6字節(jié)的指令隊列（8088為4字節(jié)）。

2.28086/8088微處理器

、8086/8088CPU的結構

-2.總線接口部件BW

8086/8088BIU的特點：

（工）8086/8088在執(zhí)行指令的同時，從內(nèi)存中取下一條

指令或下幾條指令，取來的指令就放在指令隊列中。這

樣，一般情況下，CPU執(zhí)行完一條指令就可以立即執(zhí)行

下一條指令，而不需要像此前的計算機讓CPU輪番進行

取指令和執(zhí)行指令的操作，從而提高了CPU的效率。

2.28086/8088微處理器

8086/8088CPU的結構

?2.總線接口部件BRJ

8086/8088BIU的特點：

(2)地址加法器用來產(chǎn)生20位地址。8086可用20位地

址尋址1M字節(jié)的內(nèi)存空間，但8086內(nèi)部所有的寄存器

都是16位的，所以需要由一個附加的機構來根據(jù)16位寄

存器提供的信息計算出20位的物理地址，這個機構就是

20位的地址加法器。

例如，一條指令的物理地址就是根據(jù)代碼段寄存器CS和

指令指針寄存器IP的內(nèi)容得到的。

具體計算時，要將段寄存器的內(nèi)容左移4位，然后再與

IP的內(nèi)容相加。

假設CS=OFEOOH（工6位）,IP=0400H（16位），

此時指令的物理地址為OFE400H（20位）。

2.28086/8088微處理器

、8086/8088CPU的結構

3.EU與BIU工作的配合

EU和BIU并不是同步工作的，它們是按以原則管理：

(1)每當8086的指令隊列中有兩個空字節(jié)，或者8088的指令

隊列中有一個空字節(jié)時，BIU就會自動把指令取到指令隊列中。

(2)EU在執(zhí)行指令的過程中，如果必須訪問存儲器或者輸入/

輸出設備，那么，EU就會請求BIU,進入總線周期，進行一次總線

操作。

如果此時BIU正好處于空閑狀態(tài)，會立即響應EU的總線請求。

但如果EU發(fā)出請求時，BIU正在將某個指令取到指令隊列中，

此時BIU將首先完成這個取指令的總線周期，然后再去響應EU的請

求。

2.28086/8088微處理器

、8086/8088CPU的結構

3.EU與BIU工作的配合

(3)當指令隊列已滿，而且EU又沒有總線訪問時，BIU便進入

空閑狀態(tài)。

(4)在執(zhí)行轉移指令、調用指令和返回指令時，下面要執(zhí)行的

指令就不是在程序中緊接著的那條指令了，而BIU往指令隊列裝入

指令時，總是按順序進行的，這樣，指令隊列中已經(jīng)裝入的字節(jié)就

沒有用了。遇到這種情況，指令隊列中的原有內(nèi)容被自動消除，

BIU會接著往指令隊列中裝入另一個程序段中的指令。

2.28086/8088微處理器

三、8086/8088的存儲器管理

8086/8088系統(tǒng)中存儲器按字節(jié)編址，可尋址的

存儲器空間為1MB,由于:LMB為22。，因此每個字節(jié)所

對應的地址應是20位（二進制數(shù)），這20位的地址稱為物

理地址。

2.28086/8088微處理器

三、8086/8088的存儲器管理

-L存儲器的分段

20位的物理地址在CPU內(nèi)部就應有20位的地址寄存器，而機內(nèi)

的寄存器是16位的(16位機)，16位寄存器只能尋址64KB。

8086/8088系統(tǒng)中把1M存儲空間分成若干個邏輯段，每個邏

輯段容量W64KB,因此:LM的存儲空間可分成16個邏輯段(0—15)。

允許它們在整個存儲空間浮動，即段與段之間可以部分重疊、

完全重疊、連續(xù)排列、斷續(xù)排列，非常靈活。在整個存儲空間中可

設置若干個邏輯段，

00000

=64K字節(jié)

OFFFF0段

10000

1段=64K字節(jié)

1FFFF上16個

對于任何一個物理「邏輯段

地址，可以惟一地被包

含在一個邏輯段中，也

可包含在多個相互重疊

的邏輯段中，只要有段

地址和段內(nèi)偏移地址就FOOOO-------

可以訪問到這個物理地

址所對應的存儲空間。15段=64K字節(jié)J

FFFFF

00000

邏輯段1起點［邏輯段1

武64KB

邏輯段2起點邏輯段2

W64KB

邏輯段3起點『邏輯段3

N64KB

邏輯段4,5起點.邏輯段4,5

<64KB

FFFFF

2.28086/8088微處理器

*、8086/8088的存儲器管理

?L存儲器的分段

在8086/8088存儲空間中，把16字節(jié)的存儲空間稱作一節(jié)

(paragraph)o

為了簡化操作，要求各個邏輯段從節(jié)的整數(shù)邊界開始，也就是

說段首地址低4位應該是“0”，因此就把段首地址的高16位稱為

“段基址”，存放在段寄存器DS或CS或SS或ES中，段內(nèi)的偏移地

址存放在IP或SP中。

2.28086/8088微處理器

:、8086/8088的存儲器管理

L存儲器的分段

例：

代碼段

若已知當前有效的

代碼段、數(shù)據(jù)段、附

加段和堆棧段的段基數(shù)據(jù)段

址分別為

1055H250AH,8FFB

z附加段

H和EFF0H,那么它們

在存儲器中的分布情

況如圖所示。堆棧段

2.28086/8088微處理器

三、8086/8088的存儲器管理

-2,存儲器中的邏輯地址和物理地址

采用分段結構的存儲器中，任何一個邏輯地址由段基址和偏移

地址兩個部分構成，它們都是無符號的16位二進制數(shù)。

任何一個存儲單元對應一個20位的物理地址，也可稱為絕對地

址，它是由邏輯地址變換得來的。當CPU需要訪問存儲器時，必須

完成如下的地址運算：

物理地址=段基址X16+偏移地址

物理地址的形成如下圖所示，它是通過的BIU的地址加法器來

實現(xiàn)的。

1503210

11

19物理地址0

2.28086/8088微處理器

片、8086/8088的存儲器管理

?2.存儲器中的邏輯地址和物理地址

例：

彳弋碼段寄存器CS=2000H

指令指針寄存器存放的是偏移地址IP=2200H

存儲器的物理地址為20000H+2200H=22200H。

2.28086/8088微處理器

■二、8086/8088的存儲器管理

-2,存儲器中的邏輯地址和物理地址

我們可以把每一個存儲單元看成是具有兩種類型的地址：物理

地址和邏輯地址。物理地址就是