計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)第二章微處理器

計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)

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(shù)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(jī)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(lái)有重大的技術(shù)和工藝改進(jìn)也

進(jìn)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(jìn)行串行的十進(jìn)

制運(yùn)算，集成度達(dá)到2000個(gè)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(lái)又推出i8085。它

們是采用NMOS工藝的8位微處理器，集成度達(dá)到9000個(gè)

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(yùn)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(gè)存儲(chǔ)單元，對(duì)于具有大量數(shù)據(jù)的大型復(fù)雜程

序都可能是不夠的。

Motorola--M6800

Zilog--Z-80

Apple公司生產(chǎn)蘋果機(jī)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(jì)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(yùn)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(dá)29000個(gè)晶

體管/片，趕上或超過(guò)了20世紀(jì)70年代小型機(jī)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(jì)80年代以來(lái)，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(wù)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(jī)，推動(dòng)了

Intel微處理器的應(yīng)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(chǎng)，集成度達(dá)45萬(wàn)個(gè)晶體管/片。它們是32位微處理器,

時(shí)鐘頻率達(dá)40MHz,速度之快、性能之高，足以同高檔

小型機(jī)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(shí)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(jié)構(gòu)，連接主存的外部數(shù)據(jù)總線卻

是64位，采用了超標(biāo)量技術(shù)、雙路高速緩沖結(jié)構(gòu)。

PentiumPro,原稱P6,中文名稱為“高能奔騰”，

二級(jí)緩存技術(shù)、擴(kuò)展的超標(biāo)量技術(shù)、動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)。

PentiumMMX（MMX,MutliMediaextension,

多媒體擴(kuò)展指令），中文名稱為“多能奔騰”），將

MMX指令應(yīng)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(yīng)用于PentiumPro。

PentiumIII,SSE指令應(yīng)用于PentiumII。

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

流SIMD擴(kuò)展指令，浮點(diǎn)單精度多媒體運(yùn)算指令，提高浮

點(diǎn)3D數(shù)據(jù)的處理能力。

SIMD,SingleInstructionMultipleData,表

示一條指令具有同時(shí)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(shù)（提高工作的并行性）、SSE2指令（增強(qiáng)浮點(diǎn)雙精度

多媒體運(yùn)算能力）、SSE3指令（增強(qiáng)和完善MMX,

SSE和SSE2指令）o

APPLE公司的Macintosh機(jī)

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(gè)工6位數(shù)據(jù)字時(shí)，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(jìn)行操作及存儲(chǔ)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(duì)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(jié)構(gòu)

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(duì)列蝮沖器

標(biāo)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(jié)構(gòu)

-1.執(zhí)行部件EU

執(zhí)行部件(EU)的功能就是負(fù)責(zé)指令的執(zhí)行。將指令

譯碼并利用內(nèi)部的寄存器和ALU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行所需的處理。

從結(jié)構(gòu)圖可見到執(zhí)行部件由下列部分組成：

4個(gè)通用寄存器，即AX,BX,CX,DX；

4個(gè)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(biāo)志寄存器(FR)；

算術(shù)邏輯部件(ALU)。

2.28086/8088微處理器

、8086/8088CPU的結(jié)構(gòu)

1.執(zhí)行部件EU

8086/8088EU的特點(diǎn)：

(工)4個(gè)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(dāng)BX寄存器作為8位寄存器時(shí),

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(guò)累加器的動(dòng)作來(lái)執(zhí)行的。

(3)加法器是算術(shù)邏輯的主要部件，絕大部分指令的執(zhí)

行都由加法器來(lái)完成。

2.28086/8088微處理器

、8086/8088CPU的結(jié)構(gòu)

1.執(zhí)行部件EU

8086/8088EU的特點(diǎn)：

(4)標(biāo)志寄存器FR共有工6位，其中7位未用。

8086的標(biāo)志可分為兩類：

狀態(tài)標(biāo)志——它是操作在執(zhí)行后，決定算術(shù)邏輯部件ALU處在

何種狀態(tài)，這種狀態(tài)會(huì)影響后面的操作。

控制標(biāo)志——它是人為設(shè)置的，指令系統(tǒng)中有專門的指令用于

控制標(biāo)志的設(shè)置和清除，每個(gè)控制標(biāo)志都對(duì)每一種特定的功能起控

制作用。

1$1413121110987654

狀態(tài)標(biāo)志位

OF溢出標(biāo)志AF半（輔）進(jìn)位標(biāo)志位

SF符號(hào)標(biāo)志位PF奇偶標(biāo)志位

ZF零標(biāo)志位CF進(jìn)位標(biāo)志位

控制標(biāo)志位

DF方向標(biāo)志位

IF中斷允許標(biāo)志位

TF自陷（跟蹤方式）標(biāo)志位

2.28086/8088微處理器

日8086/8088CPU的結(jié)構(gòu)

■2.總線接口部件BW

總線接口部件的功能是負(fù)責(zé)與存儲(chǔ)器、I/O端口傳

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

處理過(guò)程?？偩€接口部件由下列各部分組成：

4個(gè)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(duì)列（8088為4字節(jié)）。

2.28086/8088微處理器

、8086/8088CPU的結(jié)構(gòu)

-2.總線接口部件BW

8086/8088BIU的特點(diǎn)：

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

指令或下幾條指令，取來(lái)的指令就放在指令隊(duì)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(jì)算機(jī)讓CPU輪番進(jìn)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(jié)構(gòu)

?2.總線接口部件BRJ

8086/8088BIU的特點(diǎn)：

(2)地址加法器用來(lái)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(gè)附加的機(jī)構(gòu)來(lái)根據(jù)16位寄

存器提供的信息計(jì)算出20位的物理地址，這個(gè)機(jī)構(gòu)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(jì)算時(shí)，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(shè)CS=OFEOOH（工6位）,IP=0400H（16位），

此時(shí)指令的物理地址為OFE400H（20位）。

2.28086/8088微處理器

、8086/8088CPU的結(jié)構(gòu)

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(dāng)8086的指令隊(duì)列中有兩個(gè)空字節(jié)，或者8088的指令

隊(duì)列中有一個(gè)空字節(jié)時(shí)，BIU就會(huì)自動(dòng)把指令取到指令隊(duì)列中。

(2)EU在執(zhí)行指令的過(guò)程中，如果必須訪問存儲(chǔ)器或者輸入/

輸出設(shè)備，那么，EU就會(huì)請(qǐng)求BIU,進(jìn)入總線周期，進(jìn)行一次總線

操作。

如果此時(shí)BIU正好處于空閑狀態(tài)，會(huì)立即響應(yīng)EU的總線請(qǐng)求。

但如果EU發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，BIU正在將某個(gè)指令取到指令隊(duì)列中，

此時(shí)BIU將首先完成這個(gè)取指令的總線周期，然后再去響應(yīng)EU的請(qǐng)

求。

2.28086/8088微處理器

、8086/8088CPU的結(jié)構(gòu)

3.EU與BIU工作的配合

(3)當(dāng)指令隊(duì)列已滿，而且EU又沒有總線訪問時(shí)，BIU便進(jìn)入

空閑狀態(tài)。

(4)在執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令、調(diào)用指令和返回指令時(shí)，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(duì)列裝入

指令時(shí)，總是按順序進(jìn)行的，這樣，指令隊(duì)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(duì)列中的原有內(nèi)容被自動(dòng)消除，

BIU會(huì)接著往指令隊(duì)列中裝入另一個(gè)程序段中的指令。

2.28086/8088微處理器

三、8086/8088的存儲(chǔ)器管理

8086/8088系統(tǒng)中存儲(chǔ)器按字節(jié)編址，可尋址的

存儲(chǔ)器空間為1MB,由于:LMB為22。，因此每個(gè)字節(jié)所

對(duì)應(yīng)的地址應(yīng)是20位（二進(jìn)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(chǔ)器管理

-L存儲(chǔ)器的分段

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

的寄存器是16位的(16位機(jī))，16位寄存器只能尋址64KB。

8086/8088系統(tǒng)中把1M存儲(chǔ)空間分成若干個(gè)邏輯段，每個(gè)邏

輯段容量W64KB,因此:LM的存儲(chǔ)空間可分成16個(gè)邏輯段(0—15)。

允許它們?cè)谡麄€(gè)存儲(chǔ)空間浮動(dòng)，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(gè)存儲(chǔ)空間中可

設(shè)置若干個(gè)邏輯段，

00000

=64K字節(jié)

OFFFF0段

10000

1段=64K字節(jié)

1FFFF上16個(gè)

對(duì)于任何一個(gè)物理「邏輯段

地址，可以惟一地被包

含在一個(gè)邏輯段中，也

可包含在多個(gè)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(gè)物理地

址所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間。15段=64K字節(jié)J

FFFFF

00000

邏輯段1起點(diǎn)［邏輯段1

武64KB

邏輯段2起點(diǎn)邏輯段2

W64KB

邏輯段3起點(diǎn)『邏輯段3

N64KB

邏輯段4,5起點(diǎn).邏輯段4,5

<64KB

FFFFF

2.28086/8088微處理器

*、8086/8088的存儲(chǔ)器管理

?L存儲(chǔ)器的分段

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

(paragraph)o

為了簡(jiǎn)化操作，要求各個(gè)邏輯段從節(jié)的整數(shù)邊界開始，也就是

說(shuō)段首地址低4位應(yīng)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(chǔ)器管理

L存儲(chǔ)器的分段

例：

代碼段

若已知當(dāng)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(chǔ)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(chǔ)器管理

-2,存儲(chǔ)器中的邏輯地址和物理地址

采用分段結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器中，任何一個(gè)邏輯地址由段基址和偏移

地址兩個(gè)部分構(gòu)成，它們都是無(wú)符號(hào)的16位二進(jìn)制數(shù)。

任何一個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)20位的物理地址，也可稱為絕對(duì)地

址，它是由邏輯地址變換得來(lái)的。當(dāng)CPU需要訪問存儲(chǔ)器時(shí)，必須

完成如下的地址運(yùn)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(guò)的BIU的地址加法器來(lái)

實(shí)現(xiàn)的。

1503210

11

19物理地址0

2.28086/8088微處理器

片、8086/8088的存儲(chǔ)器管理

?2.存儲(chǔ)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(chǔ)器的物理地址為20000H+2200H=22200H。

2.28086/8088微處理器

■二、8086/8088的存儲(chǔ)器管理

-2,存儲(chǔ)器中的邏輯地址和物理地址

我們可以把每一個(gè)存儲(chǔ)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