微處理器結(jié)構(gòu)

1、微機原理及應(yīng)用微機原理及應(yīng)用 參考書：微機原理與接口技術(shù)參考書：微機原理與接口技術(shù)龔尚福龔尚福西安電子科大出版社西安電子科大出版社 從理論和實踐上掌握微機的組成、從理論和實踐上掌握微機的組成、工作原理、接口電路及硬件的連接，建工作原理、接口電路及硬件的連接，建立微機系統(tǒng)的整體概念，具備微機應(yīng)用立微機系統(tǒng)的整體概念，具備微機應(yīng)用系統(tǒng)軟、硬件開發(fā)的初步能力。系統(tǒng)軟、硬件開發(fā)的初步能力。1. 了解微處理器發(fā)展概要了解微處理器發(fā)展概要 2.理解微機的基本結(jié)構(gòu)。理解微機的基本結(jié)構(gòu)。3. 掌握掌握 Intel 8086 / 8088 CPU 的執(zhí)行環(huán)境。的執(zhí)行環(huán)境。1.熟悉熟悉Intel8086/8088

2、的尋址方式。的尋址方式。2.掌握掌握Intel8086/8088的指令系統(tǒng)。的指令系統(tǒng)。1.掌握匯編語言的基本語法、語句、操作數(shù)掌握匯編語言的基本語法、語句、操作數(shù)的尋址方式與匯編表示、常量與數(shù)值表達的尋址方式與匯編表示、常量與數(shù)值表達式，標號、變量與地址表達式。式，標號、變量與地址表達式。2.2.掌握順序、分支、循環(huán)程序設(shè)計的基掌握順序、分支、循環(huán)程序設(shè)計的基本方法和一般技巧。本方法和一般技巧。3.3.掌握子程序與堆棧技術(shù)。掌握子程序與堆棧技術(shù)。1.1.了解存儲器的分類及特性。了解存儲器的分類及特性。2.2.了解了解RAM的結(jié)構(gòu)原理（靜態(tài)的結(jié)構(gòu)原理（靜態(tài)RAM，動態(tài)，動態(tài)RAM) )。3.3

3、.了解只讀了解只讀ROM結(jié)構(gòu)原理，結(jié)構(gòu)原理，PROM、EPROM、 EEPROM的的 工作特點。工作特點。 4.4.掌握存儲器芯片特性及與掌握存儲器芯片特性及與CPU的連接方法，存儲空的連接方法，存儲空 間擴展，存儲芯片的選用，控制邏輯與總線連接邏間擴展，存儲芯片的選用，控制邏輯與總線連接邏 輯。輯。1.1.了解了解I/O的作用、尋址方式、控制方式。的作用、尋址方式、控制方式。2.2.理解理解I/O設(shè)備與主機之間的交換數(shù)據(jù)的控制方式（程設(shè)備與主機之間的交換數(shù)據(jù)的控制方式（程 序控制序控制I/O方式、中斷方式、中斷I/O方式、直接存儲器存取方式、直接存儲器存取DMA 方式）。方式）。3.3.理解

4、中斷原理、中斷系統(tǒng)、理解中斷原理、中斷系統(tǒng)、Intel8259A中斷。中斷。1.1.理解并行數(shù)據(jù)通信及可編程理解并行數(shù)據(jù)通信及可編程I/O接口、接口、Intel8255A結(jié)構(gòu)與應(yīng)用。結(jié)構(gòu)與應(yīng)用。2.2.理解數(shù)理解數(shù)/ /模（模（D / A) )轉(zhuǎn)換與模轉(zhuǎn)換與模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換（數(shù)轉(zhuǎn)換（A / D ) )。微型計算機系統(tǒng)的層次微型計算機系統(tǒng)的層次 微處理器微處理器（Microprocessor） 微型計算機微型計算機（Microcomputer） 微型計算機系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)（Microcomputer system）微處理器微處理器（Microprocessor） 由算數(shù)邏輯部件、寄存器、控制部件

5、組成。由算數(shù)邏輯部件、寄存器、控制部件組成。 不包含微型計算機硬件的全部功能，但它是微不包含微型計算機硬件的全部功能，但它是微型計算機控制、處理的核心。型計算機控制、處理的核心。 單片單片VLSI電路，體系結(jié)構(gòu)技術(shù)、工作頻率已達電路，體系結(jié)構(gòu)技術(shù)、工作頻率已達空前高的水平?？涨案叩乃健?主流微處理器具有通用性，不僅用于微型機也主流微處理器具有通用性，不僅用于微型機也用于工作站及超級計算機。用于工作站及超級計算機。微型計算機微型計算機 微處理器：執(zhí)行指令的核心。微處理器：執(zhí)行指令的核心。 存儲器：指令碼、操作數(shù)、結(jié)果的存儲。存儲器：指令碼、操作數(shù)、結(jié)果的存儲。 外圍接口電路：并口、串口、外存接

6、口、顯示外圍接口電路：并口、串口、外存接口、顯示器接口、網(wǎng)絡(luò)接口、聲音接口等。器接口、網(wǎng)絡(luò)接口、聲音接口等。 系統(tǒng)總線：不同層次的總線將上述模塊連接起系統(tǒng)總線：不同層次的總線將上述模塊連接起來，作為各種信息的通路，按信息類別分為數(shù)來，作為各種信息的通路，按信息類別分為數(shù)據(jù)、地址、控制三類總線。據(jù)、地址、控制三類總線。微型計算機邏輯框圖微型計算機邏輯框圖微計算機系統(tǒng)微計算機系統(tǒng) 微計算機：微計算機：微處理器、存儲器、外圍接口電路、微處理器、存儲器、外圍接口電路、系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線。 軟件：軟件：系統(tǒng)系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件。軟件、應(yīng)用軟件。 外部設(shè)備：軟驅(qū)、硬驅(qū)、光驅(qū)、鍵盤、鼠標、外部設(shè)備：軟驅(qū)、硬驅(qū)

7、、光驅(qū)、鍵盤、鼠標、顯示器。顯示器。 電源、機箱、控制面板。電源、機箱、控制面板。 算術(shù)邏輯單元 寄存器陣列 控制器電路數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線只讀存儲器隨機訪問存儲器串行輸入輸出接口并行輸入輸出接口外存儲器接口顯示器接口等等鍵盤、鼠標顯示示器、打印機軟磁盤驅(qū)動器硬磁盤驅(qū)動器光盤驅(qū)動器等等微處理器微處理器系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器外圍接口電外圍接口電 路路電源、機箱、控制面板電源、機箱、控制面板系統(tǒng)軟件中間件應(yīng)用軟件軟件軟件外圍設(shè)備外圍設(shè)備微型計算機系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)微型計算機微型計算機微處理器，微計算機，微處理器，微計算機，微計算機系統(tǒng)三者關(guān)系微計算機系統(tǒng)三者關(guān)系 C PIntel微處

8、理器技術(shù)發(fā)展概況微處理器技術(shù)發(fā)展概況 20世紀世紀80年代年代IBM公司以公司以Intel 8086/8088作為核心處理器作為核心處理器研制出個人計算機研制出個人計算機IBM PC，Intel微處理器成為市場主微處理器成為市場主流流。 1985年年Intel推出推出80386微處理器，完成微處理器，完成16位結(jié)構(gòu)向位結(jié)構(gòu)向32位結(jié)位結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，構(gòu)的轉(zhuǎn)換，386是一個里程碑。是一個里程碑。 1989年年Intel推出推出80486微處理器，片內(nèi)集成了微處理器，片內(nèi)集成了Cache和浮和浮點部件，基本指令用硬線邏輯實現(xiàn)，指令執(zhí)行效率大點部件，基本指令用硬線邏輯實現(xiàn)，指令執(zhí)行效率大大提高，比大提高

9、，比386快快2-3倍。倍。Intel微處理器技術(shù)發(fā)展概況微處理器技術(shù)發(fā)展概況 1993年年3月月Intel推出推出Pentium（奔騰）微處理器，片內(nèi)（奔騰）微處理器，片內(nèi)L1 Cache分為分為I Cache和和D Cache，設(shè)有兩條流水線，提高了指，設(shè)有兩條流水線，提高了指令執(zhí)行的并行性，是一種超標量結(jié)構(gòu)（令執(zhí)行的并行性，是一種超標量結(jié)構(gòu)（Super scalar) )。 1994年又推出年又推出Pentium/MMX（多媒體擴充技術(shù)）微處理器。（多媒體擴充技術(shù)）微處理器。 Pentium, Pentium/MMX為第一代為第一代“奔騰奔騰”微處理器，簡稱微處理器，簡稱P5。Intel

10、微處理器技術(shù)發(fā)展概況微處理器技術(shù)發(fā)展概況 1995年年2月月Intel推出第推出第2代代Pentium微處理器，微處理器，Pentium Pro（高能奔騰），簡稱（高能奔騰），簡稱P6。 P6的創(chuàng)新點是：的創(chuàng)新點是： ( (A)L2 Cache 集成到封裝內(nèi)，微處理器與集成到封裝內(nèi)，微處理器與L2 Cache數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)交換頻寬大大提高。交換頻寬大大提高。 （B)B)采用采用“無序執(zhí)行無序執(zhí)行”技術(shù)（技術(shù)（Out of order execution),),使使處理器內(nèi)部保持很高的指令執(zhí)行并行度處理器內(nèi)部保持很高的指令執(zhí)行并行度。Intel微處理器技術(shù)發(fā)展概況微處理器技術(shù)發(fā)展概況 1997年年5月

11、月Intel 推出名為推出名為Pentium II 的微處理器，是具的微處理器，是具有有MMX 技術(shù)的技術(shù)的Pentium Pro 微處理器，微處理器，Intel微體系結(jié)構(gòu)微體系結(jié)構(gòu)從從P5 內(nèi)核轉(zhuǎn)向內(nèi)核轉(zhuǎn)向P6 內(nèi)核。內(nèi)核。 1999年年3月月Intel 推出名為推出名為Pentium III 的微處理器。它基的微處理器。它基于于P6微內(nèi)核，具有微內(nèi)核，具有MMX 技術(shù)，提供數(shù)據(jù)流技術(shù)，提供數(shù)據(jù)流SIMD擴展擴展（SSE）指令（）指令（70條），進一步支持多媒體信息處理。條），進一步支持多媒體信息處理。由于采用先進的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，其工作頻率可達由于采用先進的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，其工作頻率可達1

12、000MHz以上，前沿總線頻率為以上，前沿總線頻率為100MHz或或133MHz。Intel微處理器技術(shù)發(fā)展概況微處理器技術(shù)發(fā)展概況 2000年年11月月Intel 推出名為推出名為Pentium 4 的微處理器。采用的微處理器。采用全新的全新的, ,稱之為稱之為Net Burst的微結(jié)構(gòu)（的微結(jié)構(gòu)（IA-32) )，為第四代奔，為第四代奔騰微處理器。其特點是：騰微處理器。其特點是： (A)20級的超長流水線，便于提高片內(nèi)主頻，最低級的超長流水線，便于提高片內(nèi)主頻，最低1.4GHz。 (B)更先進的動態(tài)執(zhí)行技術(shù)，更高的分支預(yù)測準確性。更先進的動態(tài)執(zhí)行技術(shù)，更高的分支預(yù)測準確性。 (C)雙倍速雙

13、倍速ALU部件，部件，SSE2指令集指令集. .單線程與超線程單線程與超線程 在個人電腦時代早期，大多數(shù)程序僅含有單個線程。在個人電腦時代早期，大多數(shù)程序僅含有單個線程。當時的操作系統(tǒng)在某一時間僅能運行一個此類程序。當時的操作系統(tǒng)在某一時間僅能運行一個此類程序。 英特爾通過在相同的處理器內(nèi)核上同時執(zhí)行兩個單獨英特爾通過在相同的處理器內(nèi)核上同時執(zhí)行兩個單獨的線程。英特爾將這種同步處理稱為超線程技術(shù)，采的線程。英特爾將這種同步處理稱為超線程技術(shù)，采用多個線程編寫的應(yīng)用可獲得高達用多個線程編寫的應(yīng)用可獲得高達 30% 30% 的性能提升。的性能提升。 單內(nèi)核處理器技術(shù)的發(fā)展遇到了瓶頸，而多內(nèi)核技術(shù)則

14、可以提升處理器的整體性能。由于處理器功耗和散熱問題日益突出，英特爾逐步放棄了通過提升主頻來增強處理器性能的傳統(tǒng)方法，轉(zhuǎn)而更加關(guān)注處理器的功能以及支持多核技術(shù)的軟件。 多內(nèi)核處理器多內(nèi)核處理器，顧名思義，就是在同一個物理封裝中包含兩個或多個獨立的內(nèi)核。在一個芯片上集成兩個CPU，而不是將它們插入到兩個獨立的插座上，大大加快了CPU之間的通信速度，減少了等待時間。 如果需要，如果需要，英特爾英特爾將推出十內(nèi)核、百內(nèi)核甚至是千內(nèi)核將推出十內(nèi)核、百內(nèi)核甚至是千內(nèi)核的處理器。到的處理器。到2016年，處理器將采用年，處理器將采用11納米生產(chǎn)工藝，納米生產(chǎn)工藝，處理器晶體管數(shù)量達到處理器晶體管數(shù)量達到12

15、80億個；到億個；到2018年，處理器將年，處理器將采用采用8納米生產(chǎn)工藝，處理器晶體管的數(shù)量達到納米生產(chǎn)工藝，處理器晶體管的數(shù)量達到2560億個。億個。 對于某些應(yīng)用，雙核處理器的性能最多將比同樣速度的單對于某些應(yīng)用，雙核處理器的性能最多將比同樣速度的單核處理器的性能高核處理器的性能高70，雙核芯片非常適合于處理器利用，雙核芯片非常適合于處理器利用率非常高的應(yīng)用（如當率非常高的應(yīng)用（如當服務(wù)器服務(wù)器運行虛擬化軟件時）以及像運行虛擬化軟件時）以及像媒體編輯、計算機媒體編輯、計算機輔助設(shè)計輔助設(shè)計、仿真程序和、仿真程序和Adobe Acrobat等桌面應(yīng)用程序。等桌面應(yīng)用程序。 1.2 微型計算

16、機的結(jié)構(gòu) (P26)1 微型計算機的總線 大部分微型計算機有三組總線：地址總線(Address Bus)、數(shù)據(jù)總線(Data Bus)和控制總線(Control Bus)。 地址總線：地址總線： 通常為32位，可尋址的內(nèi)存單元為232=4GB。 I/O接口也是通過地址總線來尋址的，它可以尋址64K個外設(shè)端口。 數(shù)據(jù)總線：數(shù)據(jù)總線： 目前常用的為32位。數(shù)據(jù)在CPU與存儲器和CPU與I/O接口之間的傳送是雙向的，故數(shù)據(jù)總線為雙向總線?？刂瓶偩€：控制總線： 它傳送各種控制信號，有的是CPU到存儲器和外設(shè)接口的控制信號，例如存儲器請求/MREQ，I/O請求/IORQ，讀信號/RD，寫信號/WR等；有

17、的是由外設(shè)到CPU的信號，如8086中的READY以及INT等。2 微型計算機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 微處理器的內(nèi)部主要由三部分組成： (1) (1) 內(nèi)部寄存器陣列內(nèi)部寄存器陣列。其中，一部分是用來寄存。其中，一部分是用來寄存參與運算的數(shù)據(jù)，它們也可以連成寄存器對，用參與運算的數(shù)據(jù)，它們也可以連成寄存器對，用以寄存操作數(shù)的地址；另一部分是以寄存操作數(shù)的地址；另一部分是1616位的專用寄位的專用寄存器，如程序計數(shù)器存器，如程序計數(shù)器PCPC和堆棧指針和堆棧指針SP(Stack SP(Stack Pointer)Pointer)等。等。(2) (2) 累加器和算術(shù)邏輯單元累加器和算術(shù)邏輯單元。這是對數(shù)據(jù)進行

18、算。這是對數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算、邏輯運算的場所。術(shù)運算、邏輯運算的場所。(3) (3) 指令寄存器，指令譯碼器和定時及各種控制指令寄存器，指令譯碼器和定時及各種控制信號的產(chǎn)生電路信號的產(chǎn)生電路。它們把用戶程序中的指令一條。它們把用戶程序中的指令一條條譯出來，然后以一定時序發(fā)出相應(yīng)的控制信號，條譯出來，然后以一定時序發(fā)出相應(yīng)的控制信號，其功能相當于控制器。其功能相當于控制器。1.3 8086的功能結(jié)構(gòu)的功能結(jié)構(gòu)P348086CPU從功能上來說分成兩大部從功能上來說分成兩大部分：總線接口單元分：總線接口單元BIU（Bus Interface Unit）和執(zhí)行單元）和執(zhí)行單元EU（Execution U

19、nit）。）。BIU負責負責8086CPU與存儲器之與存儲器之間的信息傳送。間的信息傳送。EU部分負責指令的執(zhí)行。部分負責指令的執(zhí)行。8086中，由于中，由于BIU和和EU是分開的，所以，取是分開的，所以，取指和執(zhí)行可以重疊進行。指和執(zhí)行可以重疊進行。一方面可以提高整個程序的執(zhí)行速度，另一方面又降低了一方面可以提高整個程序的執(zhí)行速度，另一方面又降低了與之相配的存儲器的存取速度的要求。與之相配的存儲器的存取速度的要求。8080/8085中中1.4 8086微處理器的執(zhí)行環(huán)境微處理器的執(zhí)行環(huán)境（重點）（重點）描述處理器如何執(zhí)行指令及如何存儲和操作數(shù)據(jù)。執(zhí)行環(huán)境包括內(nèi)存（地址空間）、通用數(shù)據(jù)寄存器、

20、段寄存器、標志寄存器（EFLAGES）和指令指針寄存器等。1 基本執(zhí)行環(huán)境概要基本執(zhí)行環(huán)境概要用于存儲代碼、數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的資源構(gòu)成了8086處理器的執(zhí)行環(huán)境。 地址空間地址空間。8086處理器上運行的任一任務(wù)或程序能尋址1MB（220）字節(jié)的線性地址空間。 基本程序執(zhí)行寄存器基本程序執(zhí)行寄存器。 八個通用寄存器、四個段寄存器、標志寄存八個通用寄存器、四個段寄存器、標志寄存器器FLAGSFLAGS和和IPIP（指令指針）寄存器（指令指針）寄存器 堆棧（堆棧（stack）。 為支持過程或子程序調(diào)用并在過程或子程為支持過程或子程序調(diào)用并在過程或子程序之間傳遞參數(shù)，堆棧和堆棧管理資源包含在基序之間傳

21、遞參數(shù)，堆棧和堆棧管理資源包含在基本執(zhí)行環(huán)境中。堆棧定位在內(nèi)存中。本執(zhí)行環(huán)境中。堆棧定位在內(nèi)存中。 I/O端口端口。 8086結(jié)構(gòu)支持數(shù)據(jù)在處理器和輸入輸出結(jié)構(gòu)支持數(shù)據(jù)在處理器和輸入輸出（I/O）端口之間的傳送。）端口之間的傳送。2 基本的程序執(zhí)行寄存器基本的程序執(zhí)行寄存器 通用寄存器。這八個寄存器能用于存放操作數(shù)和指針。 段寄存器。4個段寄存器CS、DS、SS、ES。 FLAGS（程序狀態(tài)和控制）寄存器。FLAGS寄存器報告正在執(zhí)行的程序的狀態(tài)，并允許有限地（應(yīng)用程序級）控制處理器。 IP（指令指針）寄存器。IP寄存器包合下一條要執(zhí)行的指令的16位指針。1）通用寄存器）通用寄存器八個八個16

22、位通用寄存器位通用寄存器AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP和和SP AX、BX、CX、DX通常稱為數(shù)據(jù)寄存通常稱為數(shù)據(jù)寄存器，用以存放操作數(shù)。器，用以存放操作數(shù)。 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器AX、BX、CX和和DX又可以又可以分別作為分別作為AH、BH、CH和和DH（高字節(jié)）（高字節(jié)）以及以及AL、BL、CL和和DL（低字節(jié)）（低字節(jié)）8位寄位寄存器引用。存器引用。 SI、DI、BP、SP通常稱為通常稱為指針寄存器指針寄存器。雖然它們也可以存放操作數(shù)，但主要用作雖然它們也可以存放操作數(shù)，但主要用作地址指針。地址指針。 SI、DI存放當前數(shù)據(jù)段中某個單元的偏存放當前數(shù)據(jù)段中某個單元的偏移量。移量

23、。 BP指出要處理數(shù)據(jù)在堆棧中的地址指出要處理數(shù)據(jù)在堆棧中的地址 SP 指出棧頂?shù)刂分赋鰲ｍ數(shù)刂?2）段寄存器）段寄存器段寄存器（段寄存器（CS、DS、SS、ES）保存）保存16位段位段選擇子選擇子。一個段選擇子是標志內(nèi)存中一個段的特。一個段選擇子是標志內(nèi)存中一個段的特殊指針。殊指針。CSCS表示當前使用的指令代碼可以從該段寄存器指定的表示當前使用的指令代碼可以從該段寄存器指定的存儲器段中獲得，相應(yīng)的偏移值由存儲器段中獲得，相應(yīng)的偏移值由IPIP提供；提供；DSDS指示當前程序使用的數(shù)據(jù)所存放段的起始地址；指示當前程序使用的數(shù)據(jù)所存放段的起始地址；SSSS表示當前堆棧的起始地址；表示當前堆棧的

24、起始地址；ESES表示當前程序使用附加段的起始地址，一般用來存表示當前程序使用附加段的起始地址，一般用來存放原始數(shù)據(jù)和運算結(jié)果放原始數(shù)據(jù)和運算結(jié)果3）FLAGS寄存器16位FLAGS寄存器包含1組狀態(tài)標志、1個控制標志、2個系統(tǒng)標志。在處理器初始化（由RESET腳或INIT腳有效）之后，F(xiàn)LAGS寄存器是0002H。（1）狀態(tài)標志 進位標志CF（Carry Flag）當結(jié)果的最高位（字節(jié)操作時的D7或字操作時的Dl5、雙字操作的D31）產(chǎn)生一個進位或借位，則C1，否則為0。 這個標志主要用于多字節(jié)數(shù)的加、減法運算。 輔助進位標志AF（Auxitiary Carry Flag）在字節(jié)操作時，則由

25、低半字節(jié)（一個字節(jié)的低4位）向高半字節(jié)有進位或借位，則AF1，否則為0。這個標志用于十進制算術(shù)運算指令中。 溢出標志OF（Overflow Flag）在算術(shù)運算中，帶符號數(shù)的運算結(jié)果超出了8位、16位帶符號數(shù)能表達的范圍，即在字節(jié)運算時+127或128，在字運算時+32767或32768此標志置位，否則復(fù)位。例：計算64+65 符號標志SF（Sign Flag）它的值與運算結(jié)果的最高位相同。即結(jié)果的最高位（字操作時為D15）為1，則SF1；否則，SF0。 由于在X86系列結(jié)構(gòu)微處理器中，符號數(shù)是用補碼表示的，所以S表示了結(jié)果的符號，SF=0為正，SF=1為負。 奇偶標志PF（Parity Flag）若操作結(jié)果中“1”的個數(shù)為偶數(shù)，則PF1，否則PF0。這個標志可用于檢查在數(shù)據(jù)傳送過程中是否發(fā)生錯誤。 零標志ZF（Zero Fiag）若運算的結(jié)果為0，則ZF1，否則ZF0（2）控制標志 方向標志D（Direction Flag） 若用指令置DF1，則引起串操作指令為自動減量指令，也就是從高地址到低地址或是“從右到左”來處理串；若使DF0，則串操作指令就為自動增量指令。 中斷允許標志IF（Interrupt-enable Flag）