微機(jī)原理課件第一章.ppt

第1章微型計算機(jī)系統(tǒng) 微型計算機(jī)原理及應(yīng)用 2009年 第1章微型計算機(jī)系統(tǒng) 1 1微處理器發(fā)展1 1 1微處理器歷史1 1 2Intel80 x86系列微處理器1 2微型計算機(jī)組成1 2 1微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)1 2 2個人微機(jī)結(jié)構(gòu) 1 1 0什么是微型計算機(jī) 微型計算機(jī) Microcomputer 采用微處理器為核心構(gòu)造的計算機(jī)微處理器 Microprocessor 一塊大規(guī)模集成電路芯片微型機(jī)的運算和控制核心中央處理單元 CPU CentralProcessingUnit 相對來說 微機(jī)性能 價格 體積較小工作學(xué)習(xí)中使用的個人微機(jī)生產(chǎn)生活中運用的各種智能化電子設(shè)備 微處理器的基本性能指標(biāo) 字長微處理器每個時間單位處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)例如一次進(jìn)行運算 傳輸?shù)奈粩?shù)時鐘頻率微處理器的處理速度反映微處理器的基本時間單位集成度表明微處理器的生產(chǎn)工藝水平常用芯片上集成的晶體管數(shù)量來表達(dá) 1 1 1 1通用微處理器 4位微處理器1971年 Intel4004 第一個微處理器8位微處理器M6800 Z80和Intel8080 8085Apple公司蘋果機(jī)16位微處理器Intel8086 808816位個人計算機(jī) PC PersonalComputer 32位微處理器80386 80486 Pentium Pentium432位PC機(jī) APPLE公司的Macintosh機(jī)64位微處理器 1 1 1 2專用微處理器 單片機(jī) 微控制器 嵌入式控制器 MCU Intel的MCS 48 MCS 51 MCS 96 98系列Freescale Philips AtemlMicrochipTechnology公司的PIC系列數(shù)字信號處理器 DSP 專注于數(shù)字信號的高速處理美國德州儀器TI公司TMS320各代產(chǎn)品主要應(yīng)用于通信 消費類電子產(chǎn)品和計算機(jī)主要應(yīng)用形式 嵌入式系統(tǒng)IP級結(jié)構(gòu) SoC 芯片級結(jié)構(gòu) 最常見 模塊級結(jié)構(gòu) 80 x86微處理器構(gòu)成的計算機(jī)模塊嵌入應(yīng)用系統(tǒng) 1 1 2 180861978年 16位結(jié)構(gòu)微處理器 數(shù)據(jù)總線為16位主存容量1MB 地址總線為20位時鐘頻率5MHz IBMPC使用4 77MHz 準(zhǔn)16位微處理器8088 外部數(shù)據(jù)總線為8位IBMPC和PC XT機(jī)使用Intel8088CPU處理器總線 Bus 微處理器的對外引腳 Pin 數(shù)據(jù) 地址和控制三組信號電源和地線 處理器總線 數(shù)據(jù)總線 DB DataBus 處理器與存儲器或外設(shè)交換信息的通道個數(shù) 條數(shù) 是一次能夠傳送數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù)地址總線 AB AddressBus 指定存儲器或外設(shè)的具體單元個數(shù)反映訪問的主存儲器容量或外設(shè)范圍控制總線 CB ControlBus 控制處理器數(shù)據(jù)傳送等操作 一個信號兩種狀態(tài) 高或低 兩種編碼 1或0 N 2N 地址就是號碼 1 1 2 2802861982年 16位數(shù)據(jù)總線 24位地址總線 16MB主存 實方式 RealMode 與8086工作方式一樣保護(hù)方式 ProtectedMode 提供存儲管理 保護(hù)機(jī)制和多任務(wù)管理的硬件支持IBMPC AT機(jī)使用Intel80286CPU 1KB 210B 1024B1MB 220B 1024KB1GB 230B 1024MB 20 22024 22432 232 1 1 2 3803861985年 32位結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)總線32位 地址總線32位 可尋址4GB主存虛擬8086方式 Virtual8086Mode 保護(hù)方式下的8086工作方式系統(tǒng)管理方式 SystemManagementMode 低功耗節(jié)能狀態(tài) 英特爾32位結(jié)構(gòu) IA 32 IntelArchitecture 32 IA 32微處理器 80386 80486 Pentium系列 1 1 2 4804861989年 80486 80386 80387 8KBCache浮點處理單元FPU8086 8088 8087 80286 80287 80386 80387高速緩沖存儲器Cache微處理器與主存之間速度很快但容量較小的存儲器用于提高整個存儲器系統(tǒng)的存取速度復(fù)雜指令集計算機(jī)CISC融合精簡指令集計算機(jī)RISC的技術(shù)特點 例如 指令流水線指令執(zhí)行劃分成多個步驟在多個部件中獨立地進(jìn)行多條指令可以在不同的執(zhí)行階段同時進(jìn)行 1 1 2 5Pentium1993年 俗稱的80586微處理器 奔騰微處理器32位結(jié)構(gòu) 連接主存的外部數(shù)據(jù)總線卻是64位超標(biāo)量 Superscalar 技術(shù)具有可以并行工作的2條整數(shù)處理流水線 可以達(dá)到每個時鐘周期執(zhí)行2條指令雙路高速緩沖結(jié)構(gòu)8KB代碼高速緩沖存儲器8KB數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器 1 1 2 6PentiumPro1995年 原稱P6 中文名稱為 高能奔騰 兩個芯片組成CPU 一級 L1 Cache 8KB代碼和8KB數(shù)據(jù) 二級 L2 Cache 256KB或512KB 擴(kuò)展的超標(biāo)量技術(shù)12級指令流水線能同時執(zhí)行3條指令動態(tài)執(zhí)行技術(shù)分支預(yù)測 數(shù)據(jù)流分析和推測執(zhí)行 1 1 2 7PentiumII1997年 多媒體擴(kuò)展指令 MMX指令 MMX MutliMediaeXtension 整數(shù)運算多媒體指令對圖像 音頻 視頻和通信方面的程序進(jìn)行優(yōu)化提升微機(jī)對多媒體的處理能力PentiumMMX 多能奔騰 MMX指令應(yīng)用于Pentium處理器PentiumII MMX指令應(yīng)用于PentiumPro 高能奔騰 1 1 2 8PentiumIII1999年 數(shù)據(jù)流SIMD擴(kuò)展指令 SSE指令 運算 速度 因特網(wǎng) 三維多媒體程序SSE StreamingSIMDExtensions 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 PentiumIII SSE指令應(yīng)用于PentiumII單指令多數(shù)據(jù)SIMDSingleInstructionMultipleData表示一條指令具有同時處理多組數(shù)據(jù)的能力 1 1 2 9Pentium42000年11月 NetBurst的微結(jié)構(gòu) Microarchitecture 指令級并行ILP Instruction LevelParallel 進(jìn)一步發(fā)掘指令之間可以同時執(zhí)行的能力超線程HT HyperThreading 線程級并行TLP Thread LevelParallel 發(fā)掘程序中的并行性一個物理處理器形成兩個邏輯處理器SSE2指令 76條數(shù)據(jù)流SIMD擴(kuò)展指令 增強(qiáng)浮點雙精度多媒體運算能力SSE3指令 新增13條數(shù)據(jù)流SIMD擴(kuò)展指令 增強(qiáng)和完善MMX 多媒體擴(kuò)展 SSE和SSE2指令 Intel80 x86微處理器 Celeron 賽揚 微處理器面向低端 低價位 PC機(jī)Xeon 至強(qiáng) 微處理器面向高端服務(wù)器 工作站AMD微處理器AMD公司生產(chǎn)的IA 32微處理器兼容芯片Intel公司最主要的競爭對手雙核微處理器單芯片多處理器SMP技術(shù)Intel的PentiumD 單芯片雙Pentium4核心64位微處理器AMD的K8核心 兼容IA 32的64位微處理器Intel的EM64T 擴(kuò)展64位技術(shù) IA 32的64位擴(kuò)展 1 2 1微型計算機(jī)結(jié)構(gòu) 1 微處理器2 存儲器3 I O接口和I O設(shè)備4 系統(tǒng)總線 控制總線CB 數(shù)據(jù)總線DB 地址總線AB 微處理器 I O設(shè)備 I O接口 存儲器 系統(tǒng)總線BUS 1 2 1 1微處理器 微機(jī)的核心 控制中心 中央處理器CPU大規(guī)模集成電路VLSI芯片 集成控制器運算器 整數(shù)運算器 寄存器 高速存儲單元 高性能微處理器內(nèi)部還有浮點處理單元甚至多媒體數(shù)據(jù)運算單元存儲管理單元Cache 1 2 1 2存儲器 存儲器 Memory 是存放程序和數(shù)據(jù)的部件高性能微機(jī)的存儲系統(tǒng)微處理器內(nèi)部的寄存器 Register 高速緩沖存儲器 Cache 主板上的主存儲器以外設(shè)形式出現(xiàn)的輔助存儲器主存儲器 主存 內(nèi)存 半導(dǎo)體存儲器芯片組成RAM部分?jǐn)嚯姾笮畔G失相對造價高 速度快 但容量小輔助存儲器 簡稱輔存或外存 磁盤 光盤存儲器等構(gòu)成相對造價低 容量大 信息可長期保存 但速度慢 RAM和ROM 1 2 1 3I O接口和I O設(shè)備 I O設(shè)備 Peripheral 用戶與微機(jī)交互輸入 Input 設(shè)備 如標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備 鍵盤輸出 Output 設(shè)備 如標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備 顯示器I O接口 Interface 外設(shè)和主機(jī)間的橋梁完成信號變換 數(shù)據(jù)緩沖 聯(lián)絡(luò)控制等工作較簡單的I O接口電路與主板一體較復(fù)雜的I O接口電路制成獨立的電路板 接口卡Card 1 2 1 4系統(tǒng)總線 總線 Bus 傳遞信息的一組公用導(dǎo)線 信息通道系統(tǒng)總線 SystemBus 微機(jī)系統(tǒng)中信息交換的主要公共通道地址總線 單向輸出主存單元或I O端口的地址信息數(shù)據(jù)總線 讀 Read 操作數(shù)據(jù)輸入微處理器 寫 Write 操作數(shù)據(jù)輸出到外界 主存或外設(shè) 控制總線 有些控制信號或狀態(tài)信號輸出 有些請求或聯(lián)絡(luò)信號輸入微機(jī)系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu) 總線連接使得微機(jī)組合靈活 擴(kuò)展方便 1 2 2個人微機(jī) 8位時代 Apple II機(jī) 中華學(xué)習(xí)機(jī)16位時代 IBMPC系列機(jī)1981年 IBMPC機(jī) Intel8088 DOS1982年 IBMPC XT ExpandedTechnology 1984年 IBMPC AT AdvancedTechnology IBMPC XT AT機(jī)的兼容微機(jī)32位時代 32位PC機(jī)IA 32或其兼容微處理器Windows或Linux64位時代 1 2 2 116位微型機(jī)IBMPC AT結(jié)構(gòu) 微處理器 Intel80286主存儲器ROM BIOS 固化基本輸入輸出系統(tǒng) BasicInput OutputSystem 主存主要由RAM組成I O接口兩個中斷控制器8259A兩個DMA控制器8237A定時控制器8254并行接口電路系統(tǒng)總線 ISA總線 I O通道 示意圖 1 2 2 232位PC微型機(jī)結(jié)構(gòu) 微處理器 IA 32或其兼容微處理器 含Cache 控制芯片組 微處理器的主要輔助器件主存儲器 主存插槽和主存條多總線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線 PCI總線 低速ISA總線 存儲總線顯示AGP總線擴(kuò)展槽和外設(shè)接口主存條插槽 AGP插槽 PCI插槽 IDE插槽PS 2鍵盤接口和PS 2鼠標(biāo)接口 并行打印接口LPT COM1和COM2串行通信接口通用串行總線USB接口 高速視頻接口IEEE1394 示意圖 1 2 2 3 DOS及其啟動方法 Windows下進(jìn)入MS DOS模擬環(huán)境的方法 開始 程序 附件 命令提示符 開始 運行 對話框中 輸入 cmd 命令 開始 運行 對話框中 輸入 Windows的模擬DOS程序CMD EXE文件 支持漢字輸入輸出 功能更強(qiáng)COMMAND COM文件 對DOS應(yīng)用程序的兼容性更好使用CMD EXE有異常 可改用COMMAND COM 1 2 2 3 目錄和路徑 目錄 Directory 對應(yīng)Windows的文件夾路徑 Path 分區(qū) 根目錄 子目錄 文件名絕對路徑 文件的完整路徑d ml615 progs eg301 asm相對路徑 相對當(dāng)前目錄的路徑progs eg301 asm轉(zhuǎn)換分區(qū)d 進(jìn)入當(dāng)前目錄 CurrentDirectory cd ml615 1 2 2 3 內(nèi)部命令 DOS內(nèi)部命令 隨DOS駐留主存的DOS命令使用方法命令關(guān)鍵字參數(shù)選項常用命令改變目錄CD文件列表DIR文件拷貝COPY清除屏幕CLS中止DOS環(huán)境EXIT幫助命令HELP 1 2 2 3 外部命令 DOS的外部命名 與其他可執(zhí)行文件一樣 以文件形式保存在磁盤上 執(zhí)行時 路徑 文件名參數(shù)路徑搜索順序 先當(dāng)前目錄 后搜索路徑內(nèi)部命令PATH 查看和設(shè)置當(dāng)前的搜索路徑DOS支持的可執(zhí)行文件COM文件EXE文件BAT批處理文件 純文本文件 1 2 2 3 匯編語言和匯編程序 匯編語言 AssemblyLanguage 用助記符表示指令操作碼和操作數(shù)本質(zhì)上是機(jī)器語言優(yōu)勢 可以