x86體系結(jié)構(gòu)課件

1、基本硬件知識和PC架構(gòu)昭營科技西安公司昭營科技西安公司 簡清舟簡清舟2010/04/01X86 Architecturel是英代爾Intel首先開發(fā)制造的一種微處理器體系結(jié)構(gòu)的泛稱。l包括Intel 8086、80186、80286、80386以及80486，因此其架構(gòu)被稱為“x86”。l從1978年推出intel 8086 中央處理器的第三年被IBM PC選用。由此X86架構(gòu)便成為個人電腦的一個標(biāo)準(zhǔn)平臺。X86 Architecture 主要的特點l馮.諾依曼結(jié)構(gòu)（普林斯頓）。lCISC指令集。l分別是真實模式，保護模式，系統(tǒng)管理模式以及虛擬V86模式IBM PClIBM PC 想在家用電腦

2、市場立足的產(chǎn)物。l使用現(xiàn)成的、不同原始設(shè)備制造商的元件。l他們決定使用開放結(jié)構(gòu)，這樣其它生產(chǎn)商可以生產(chǎn)和出售兼容的元件和軟件。lIBM還出售其IBM PC技術(shù)參考資料。IBM PC Compatiblel是指與IBM的PC機兼容的個人電腦。l一般用于指80486及之前的PC機，之后漸漸代之以“標(biāo)準(zhǔn)PC”的說法。Motherboard（主板）l主機板Motherboard或是Mainboard是計算機最主要的電路板 Central Processing Unit(中央處理器單元 )lCPU主要組成：主要組成：運算器：運算器：算術(shù)、邏輯（部件：算術(shù)邏輯單元、累加器、寄存器組、路徑轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線）

3、控制器：控制器：復(fù)位、使能（部件：程序計數(shù)器、指令寄存器、指令解碼器、狀態(tài)寄存器、時鐘發(fā)生器、微操作信號發(fā)生器）寄存器。寄存器。 lCPU的運作原理可分為四個階段：的運作原理可分為四個階段：提取提取：從程序內(nèi)存中檢索指令。解碼解碼：指令被拆解為有意義的片斷。執(zhí)行執(zhí)行：連接到各種能夠進行所需運算的CPU部件， 執(zhí)行。寫回寫回：執(zhí)行階段的結(jié)果寫回。 l主頻主頻 主頻也叫時鐘頻率，單位是MHz（或GHz），用來表示CPU的運算、處理數(shù)據(jù)的速度,主頻和實際的運算速度存在一定的關(guān)系，但目前還沒有一個確定的公式能夠定量兩者的數(shù)值關(guān)系，因為CPU的運算速度還要看CPU的流水線的各方面的性能指標(biāo)（緩存、指令集

4、，CPU的位數(shù)等等） 。l外頻外頻 外頻是CPU的基準(zhǔn)頻率，單位是MHz。CPU的外頻決定著整塊主板的運行速度 。l倍頻系數(shù)倍頻系數(shù) 倍頻系數(shù)是指CPU主頻與外頻之間的相對比例關(guān)系 l前端總線前端總線(FSB)頻率頻率 前端總線(FSB)頻率(即總線頻率)是直接影響CPU與內(nèi)存直接數(shù)據(jù)交換速度。lCPU的位和字長的位和字長 l緩存緩存 Cachel指令集指令集 CISC指令集 l指令多。l減少編譯代碼中的指令的數(shù)目。l尋址方式比較復(fù)雜。l取指令操作所需的內(nèi)存訪問數(shù)量達到最小化。l編碼長度可變。（1-15）字節(jié)。RISC指令集 l指令少。l統(tǒng)一指令編碼（編碼長度固定），通常為4個字節(jié)。l簡單尋址

5、方式。l泛用寄存器。 （寄存器數(shù)量多，算術(shù)邏輯運算指令的操作數(shù)都在通用寄存器中存?。?。Endiannness (端序)l大端序大端序（英：big-endian）或稱大尾序大尾序以0 x0A0B0C0D為例： 地址增長方向 8bit為單位 0 x0A , 0 x0B , 0 x0C , 0 x0D l小端序小端序（英：little-endian）或稱小尾序小尾序。以0 x0A0B0C0D為例： 地址增長方向 8bit為單位 0 x0D , 0 x0C , 0 x0B , 0 x0A l混合序混合序（英：middle-endian）具有更復(fù)雜的順序。 以0 x0A0B0C0D為例： 地址增長方向

6、8bit為單位 0 x0B , 0 x0A , 0 x0D , 0 x0C System on Chip (SOC 片上系統(tǒng))lSOC是指在單芯片上集成數(shù)字型號處理器、微控制器、存儲器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口電路等電路模塊。追求最大包容的集成器件。RAM/ROMlROM只讀存儲器。其特點：l燒入后無需外加電即可保存數(shù)據(jù)。l速度慢。l適用于長期保留不變的數(shù)據(jù)。分類：lMask ROM(掩摸ROM)lPROM（Programmable ROM 可編程ROM）。全0或全1，一次性編程寫入。lEPROM（Erasable Programmable ROM 電可擦寫ROM）：紫外線光的照射擦寫?？芍貜?fù)燒錄。l

7、EEPROM（E2PROM）：電可擦除可編程ROM，通過高壓脈沖可以寫入數(shù)據(jù)（+12V DC）?？芍貜?fù)燒錄。lFlash ROM（閃存存儲器）：適用（+5V ）即可到EEPROM的功能。可重復(fù)燒錄。lRAM隨機存儲器。特點：可以被讀寫存儲器。速度快。斷電不保存數(shù)據(jù)。 種類：SRAM（Static RAM,靜態(tài)隨機存儲器）：沒有刷新周期，由觸發(fā)器構(gòu)成基本單元。速度快，用于高速緩沖存儲器。DRAM（Dynamic RAM，動態(tài)隨機存儲器）：由一個晶體管和一個電容器件構(gòu)成。需要有規(guī)律的定時的進行刷新來穩(wěn)定數(shù)據(jù)，主要用于主存儲。SDRAM（Synchronous DRAM）同步DRAM：將RAM于CP

8、U以同樣時鐘頻率進行控制，使RAM和CPU的外頻同步，減少等待的時間。1.DDRAM（Double Data Rate SDRAM，雙倍速率隨機存儲器）：雙倍預(yù)取技術(shù)，差分輸入技術(shù)，低電壓技術(shù)。BIOS（Basic Input/Output System）基本輸入輸出系統(tǒng)l開機自檢開機自檢：檢查CPU和各個控制器的狀態(tài)。l初始化初始化：針對內(nèi)存，主板芯片組，顯卡及其周邊裝置初始化。l記錄系統(tǒng)設(shè)定值記錄系統(tǒng)設(shè)定值：提供各元件的基本設(shè)置，如顯示器，鍵盤， 處理器， 內(nèi)存等。l提供常駐程序庫提供常駐程序庫：提供操作系統(tǒng)或是應(yīng)用程序回調(diào)的中斷常駐程序。l加載操作系統(tǒng)加載操作系統(tǒng)：從存儲裝置中加載操作系

9、統(tǒng)到內(nèi)存中。BUS（總線）lBUS就是一組通信線路。lBUS分類有： 并行總線，串行總線。地址總線，數(shù)據(jù)總線，控制總線。內(nèi)部總線，外部總線。同步總線，異步總線。l總線的性能：l總線的帶寬總線的帶寬：單位時間內(nèi)，總線的數(shù)據(jù)的最大傳輸量，一般用MBbye/s表示。l總線的寬度總線的寬度：通信線路的數(shù)目的多少稱為總線寬度。l總線的單元時鐘頻率總線的單元時鐘頻率：對同步總線，采用統(tǒng)一的時鐘脈沖作為總線定時基準(zhǔn)。l總線的負載能力：總線的負載能力：總線上可以連接模塊的最大數(shù)目。ISA（Industry Standard Acrchitecture）工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)架體系l8位ISA總線：IBM PC XT 采用

10、8位的機器，擴充槽是62腳。l帶寬：8bitl兼容：8bit isal針腳：62l工作電壓：+5V, -5V,+12,-12Vl時鐘頻率：4.77MHz l16位ISA總線：IBM PC AT 采用16位的機器，擴充槽是62+36腳。l帶寬：16bitl兼容：8bit isa，16bit isal針腳：98l工作電壓：+5V, -5V,+12,-12Vl時鐘頻率：8.33MHz EISAlEISA是為配合32位CPU而設(shè)計的總線擴展標(biāo)準(zhǔn) l帶寬：32bitl兼容：8bit isa，16bit isa， 32bitEISAl針腳：98+ 100l工作電壓：+5V, -5V,+12,-12Vl時鐘

11、頻率：8.33MHz PCI（Peripheral Component Interconnect）外部設(shè)備互連總線lIntel 推出的局部總線。l地址和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)線分時復(fù)用。l采用同步傳送方式式和集中式總線總裁策略。l有自動配置能力，（支持PNP）l中斷共享。PCI-E (PCI - Express)l點對點串行連接 (傳輸通道)l雙工連接l使用多層協(xié)議AGP(Accelerated Graphics Port )加速圖像處理端口l1997年由Intel提出。l從PCI標(biāo)準(zhǔn)上建立起來的。l一種高速點對點傳輸通道。l是供顯卡專用接口，主要應(yīng)用在三維計算機圖形的加速上。l為了消除PCI在處理3D圖形

12、時的速度瓶頸。l闊度 66針 l每接口最多連接 1 個 設(shè)備l帶寬 最高達 2133 MB/s l并行 l不支持熱插拔l標(biāo)準(zhǔn)版本VESA Local Bus （Video Electronics Standards Association Local Bus ）擴充ISA局部總線l是一個擴充標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)插槽（ISA）的總線。l負責(zé)掌控裝置的內(nèi)存映射I/O和直接內(nèi)存存取（DMA）的內(nèi)存高速管道 。lVLB插槽本身就是現(xiàn)存ISA插槽的延伸，伸長的部份通常被涂成棕色，和一般黑色ISA插槽分別。Video Card （顯卡）l顯卡的用途是將計算機系統(tǒng)所需要的顯示信息進行轉(zhuǎn)換驅(qū)動顯示器。l向顯示器提供行掃描

13、信號 。l是“人機對話”的重要設(shè)備之一。 l顯卡主要元件：l顯示芯片lBIOS（基本輸出的固件程序）l顯存l輸出接口l顯卡按接口分類：ISA顯卡PCI顯卡AGP顯卡VESA顯卡PCI-Express顯卡USB顯卡Graphic Processing Unit(圖形處理器)l計算機中處理圖形輸出的顯示芯片。lNVIDIA公司在發(fā)布GeForce 256繪圖處理芯片時首先提出的概念lGPU使顯卡減少了對CPU的依賴l并分擔(dān)了部分原本是由CPU所擔(dān)當(dāng)?shù)墓ぷ?USB（Universal Serial Bus）通用串口總線l1994年底Intel、Microsoft、康柏、IBM等公司倡導(dǎo)的串口總線標(biāo)準(zhǔn)

14、。l可以熱插拔 ，即插即用。l工作在5V電壓。100mA500mA，USB設(shè)備可以采用自供電方式。l支持同步和異步傳輸。l設(shè)備和主機由管道pipe（邏輯通道）聯(lián)系在一起。l半雙工的差分信號 并協(xié)同工作 。l攜帶方便（USB設(shè)備大多以“小、輕、薄”見長）。l標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一（USB硬盤、USB鼠標(biāo)、USB打印機）。l可以連接多個設(shè)備（127個）。l第一代：USB 1.0/1.1的最大傳輸速率為12Mbps。1996年推出。 l第二代：USB 2.0的最大傳輸速率高達480Mbps。USB 1.0/1.1與USB 2.0的接口是相互兼容的。l第三代：USB 3.0 最大傳輸速率5Gbps, 向下兼容USB

15、 1.0/1.1/2.0，支持全雙工。現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)中將USB統(tǒng)一為USB 2.0高速：傳輸速率25Mbps400Mbps（最大480Mbps） 全速：傳輸速率500Kbps10Mbps（最大12Mbps） 低速：傳輸速率10Kbps100Kbps（最大1.5Mbps） l控制傳輸（Control）一般用于短的、簡單的對設(shè)備的命令和狀態(tài)反饋，例如用于總線控制的0號管道。 l同步傳輸（Isochronous）按照有保障的速度（可能但不必然是盡快地）傳輸，可能有數(shù)據(jù)丟失，例如實時的音頻、視頻。 l中斷傳輸（Interrupt）用于必須保證盡快反應(yīng)的設(shè)備（有限延遲），例如鼠標(biāo)、鍵盤。 l批量傳輸（Bulk）

16、使用余下的帶寬大量地（但是沒有對于延遲、連續(xù)性、帶寬和速度的保證）傳輸數(shù)據(jù)，例如普通的文件傳輸。FireWire(IEEE1394 火線接口)lIEEE1394接口是蘋果公司領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的高速串行工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。l支持即插即用，熱插拔。l支持兩種傳輸方式同步傳輸和異步傳輸。l支持點對點通信模式。l支持較遠的距離，普通線纜可以達到4.5m，高級線纜可以達到15m，1394b可以使用多種介質(zhì)，玻璃光纜或是5類雙絞線傳輸可以達到100m。l使用840V的直流電。lIEEE1394理論上可以將63臺設(shè)備串接在同一網(wǎng)絡(luò)上。lIEEE 1394 繼承了成熟的SCSI指令體系，因此傳輸?shù)姆€(wěn)定度和效率都相當(dāng)?shù)馗摺

17、和USB2.0相比，對于CPU的負擔(dān)也較低。lIEEE 1394a-2000（FireWire 400）：6Pin接口，最高速為400MbpslIEEE 1394b-2002（FireWire 800）：接頭的形狀從IEEE 1394a的6 Pin變成9 Pin，理論最高速為800Mbps。lIEEE 1394c-2006（FireWire S800T）：新的接頭規(guī)格和RJ45相同，并使用CAT-5（5類雙絞線）和相同的自動協(xié)議，可以使用相同的端口來連接任何IEEE 1394設(shè)備或IEEE 802.3（1000BASE-T以太網(wǎng)雙絞線）的設(shè)備lS1600和S3200：S1600（理論值達到1.

18、6 Gbit/s）和S3200模式（理論值達3.2 Gbit/s）Low Pin Count(LPC)l是Intel于1998年公布的一個取代傳統(tǒng)ISA BUS的一種新接口規(guī)范。lISA BUS的地址/數(shù)據(jù)分離譯碼，改為地址/數(shù)據(jù)共享譯碼。l信號的數(shù)量大幅降低(36線)，工作頻率有PCI總線驅(qū)動。Parallel Port 并口l是計算機上數(shù)據(jù)以并行方式傳遞的端口。l主要有25和30針兩種。平常25針居多。l主要連接打印機、老實的掃描儀，老實的攝像頭。l隨著速度迅速提高，并口上導(dǎo)線之間數(shù)據(jù)同步成為一個很難處理的難題，導(dǎo)致并口在速度競賽中逐漸被淘汰。Serial Port (串口)l是計算機上數(shù)

19、據(jù)以串行方式逐位數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩丝凇RS-232RS-232通信距離短、速率低。25針D形接口和9針D形接口（COM1，COM2）， 傳輸15米。lRS-422 采用4線，全雙工，差分傳輸，多點通信的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。一發(fā)多收，不可逆，一個發(fā)送端就可以連接10個接受端。可進行長距離傳輸，超過4000英尺，1200米。lRS-485采用2線，半雙工，多點雙向通信，差分傳輸?？啥喟l(fā)多收?？蛇M行長距離傳輸，超過4000英尺，1200米。lUSBlRJ-45接口是以太網(wǎng)最為常用的接口。I2C(內(nèi)部集成電路總線)l由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。l支持多主控。l主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率，同一時間只能有一個主控。lI2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘控制線SCL構(gòu)成的串行總線。l標(biāo)準(zhǔn)模式（100Kbits/s）l快速模式（400Kbits/s）。l高速模式，其速度可達3.4Mbits/s。（Serial Peripheral Interface ）SPI l由Motorola首先開發(fā)定義。lSPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線。l主要應(yīng)用在 EEPROM，F(xiàn)LAS