微型計算機系統(tǒng)與接口-電子教案

微型計算機技術(shù)清華大學(xué)計算機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

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) 以微計算機的基本概念為基礎(chǔ)主線 以微計算機的技術(shù)發(fā)展作為課 程的主線

重點 以微計算機的關(guān)鍵技術(shù)為重點， 掌握要點和應(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)計接口，擴充系統(tǒng)能力使用設(shè)計與調(diào)試工具、設(shè)計與調(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——“問題驅(qū)動”方法（Question-Driven）提出問題Why?

體會事物發(fā)展的動因，培養(yǎng)創(chuàng)新思維分析問題What?

培養(yǎng)分析問題的能力，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)與實驗并重0.2.3 關(guān)于作業(yè)0.2.4 關(guān)于考核0.3、教材與參考書教材：趙雁南、溫冬嬋、楊澤紅《微型計算機系統(tǒng)與接口》

清華大學(xué)出版社參考書：1、BarryB.Brey,“TheIntelMicroprocessors8086/8088……PentiumⅡProcessorsArchitecture，ProgramingandInterfacing”（有中譯本）2、戴梅萼、史家權(quán)，《微型計算機技術(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 概述什么是微型計算機微型計算機系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評價微型計算機的發(fā)展概況1.1 什么是微型計算機從體積、功能和價格劃分大型—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，把臺式計算機類型的個人計算機、結(jié)構(gòu)相對簡單的工業(yè)控制計算機等統(tǒng)稱為微型計算機1.2 微型計算機系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評價

1.2.1微型計算機系統(tǒng)的基本組成

微處理器、微計算機、微機系統(tǒng)圖1-1 微計算機系統(tǒng)1.2 微型計算機系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評價

1.2.1微型計算機系統(tǒng)的基本組成

μC:圖1-2 微計算機1.2 微型計算機系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評價

1.2.1微型計算機系統(tǒng)的基本組成圖1-3 微處理器μP:1.2 微型計算機系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評價

1.2.1微型計算機系統(tǒng)的基本組成圖1-4 微處理器μP:1.2 微型計算機系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評價

1.2.2微型計算機的性能描述微處理器的字長和指令執(zhí)行時間ALU的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度為字長MIPSPentium100150MIPS，PentiumPro200440MIPSP（intelCOmparableMicroprocessorPerformance）指數(shù)評測方案Pentium100815，Pentium20018101.2 微型計算機系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評價

1.2.2微型計算機的性能描述內(nèi)存儲器容量和速度處理機內(nèi)存儲器的最大容量和處理器的地址線寬度有關(guān)，配置綜合性能價格DRAM，訪問時間，遠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 微型計算機的發(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，在很長時間內(nèi)被廣泛地應(yīng)用在計算機控制系統(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微處理器：指令級流水。存儲器分段管理機制引入處理器，擴大尋址能力。只有整數(shù)運算指令。可配套協(xié)處理器8087、I/O處理器8089，具備較強大計算能力和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將存儲器的保護管理模式引入CPU的體系結(jié)構(gòu)，從80286開始，處理器支持實地址模式和虛擬保護模式?；?0286的IBM個人計算機即IBMPC/AT。

Intel8028685年，是第一個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)管理等專用寄存器，集成了規(guī)范的存儲管理部件，并按照速度的不同，采用了分級的總線結(jié)構(gòu)。80386也是第一個支持片外Cache的CPU。因此，基于386的微計算機系統(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，極大的提高存儲器訪問的速度。486采用了取指、兩級譯碼、執(zhí)行和寫回五級流水，流水線上多數(shù)指令的執(zhí)行僅需一個時鐘就能完成。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（每秒百萬指令流）提高到20MIPS。從80486開始，數(shù)值運算協(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)部集成了獨立的8KB代碼Cache和8KB數(shù)據(jù)Cache，避免取指和讀寫操作數(shù)時產(chǎn)生的Cache訪問沖突。Pentium采用了超標(biāo)量流水線和指令分支預(yù)測技術(shù)，集成了高性能的浮點處理單元。多數(shù)情況下，超標(biāo)量流水線每個時鐘周期可以執(zhí)行兩條整型指令和一條浮點處理指令。整數(shù)處理能力比486提高2倍，浮點處理能力比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)部同時集成了16KB的L1Cache和256/512KB的L2Cache。并通過指令亂序執(zhí)行以及重排序緩沖器進一步提高指令級的并行性。PentiumPro的首批CPU頻率就達到200MHz，性能為440MIPS。Intel80686－PentiumPro1997年，PentiumII處理器誕生，PII內(nèi)部L1級指令Cache和數(shù)據(jù)Cache分別增加到16MB，內(nèi)部L2級Cache仍為256/512KB。在超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu)中增強了MMX指令的處理能力。從PII開始采用了雙獨立總線結(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條總線上同時傳送數(shù)據(jù)。PentiumIIPentiumIII在PII的基礎(chǔ)上進一步提高了性能，它的集成度達到820萬晶體管，第一批CPU的主頻為500MHz，運行速度為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擴展。PIII還增強了動態(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，增強的浮點和多媒體單元。P4的L1級Cache增加了12K的執(zhí)行跟蹤Cache，系統(tǒng)總線達到400MHz。P4的主頻達到2200MHz，指令執(zhí)行速度高達3000MIPS。Pentium4Pentium4Pentium4EE(ExtremeExpensive）90納米工藝3.74GHz（3.46）1066MHz前端數(shù)據(jù)總線支持64位計算集成度1.69億個晶體管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近年來與Intel競爭的微處理器

①整數(shù)運算：6X86>AMDK5>Pentium

浮點運算：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 類似486+緩存、MMX技術(shù)，速度接近Pentium,價格最低③ 整數(shù)運算：6x86MX>AMDK6>>PentiumMMX，6x86MX0.25um工藝浮點運算：AMDK6<PentiumMMX；6x86MX,MⅡ很差

MⅡ技術(shù)與PⅡ接近

④

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