微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與接口：ch11

1、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)趙雁南 溫冬嬋 楊澤紅1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20.1、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(jì)算機(jī)的基本概念為基礎(chǔ)主線以微計(jì)算機(jī)的技術(shù)發(fā)展作為課程的主線 重點(diǎn)以微計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)為重點(diǎn)，掌握要點(diǎn)和應(yīng)用方法30.1、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(jì)接口，擴(kuò)充系統(tǒng)能力使用設(shè)計(jì)與調(diào)試工具、設(shè)計(jì)與調(diào)試能力40.1、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(dòng)”方法（Question-Driven）提出問題Why? 體會(huì)事物發(fā)展的動(dòng)因，培養(yǎng)創(chuàng)新思維分析問題What? 培養(yǎng)分析問

2、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50.2、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(shí)驗(yàn)并重0.2.3關(guān)于作業(yè)0.2.4關(guān)于考核60.3、教材與參考書教材： 趙雁南、溫冬嬋、楊澤紅微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與接口 清華大學(xué)出版社參考書：1、Barry B. Brey, “The Intel Microprocessors 8086/8088Pentium Processors Architecture，Programing and Interfacing”（有

3、中譯本）2、戴梅萼、史家權(quán)，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用從16位到32位清華大學(xué)出版社3、 The 8086 Familly Users Manual4、 Tom Shanley etc. “ Pentium Processor System Architecture”7第一章 概 述什么是微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評(píng)價(jià)微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況81.1什么是微型計(jì)算機(jī)從體積、功能和價(jià)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LSIVLSI 一般，把臺(tái)式計(jì)算機(jī)類型的個(gè)人計(jì)算機(jī)、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等統(tǒng)稱為微型計(jì)算機(jī) 91.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評(píng)價(jià) 1.2.1 微型計(jì)算機(jī)系

4、統(tǒng)的基本組成 微處理器、微計(jì)算機(jī)、微機(jī)系統(tǒng)圖1-1微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)101.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評(píng)價(jià) 1.2.1 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成 C:圖1-2微計(jì)算機(jī)111.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評(píng)價(jià) 1.2.1 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成圖1-3微處理器P:121.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評(píng)價(jià) 1.2.1 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成圖1-4微處理器P:131.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評(píng)價(jià) 1.2.2 微型計(jì)算機(jī)的性能描述微處理器的字長(zhǎng)和指令執(zhí)行時(shí)間ALU的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度為字長(zhǎng)MIPS Pentium100 150MIPS，Pentium Pro200 440MIPS iCOMP（

5、intel COmparable Microprocessor Performance）指數(shù)評(píng)測(cè)方案 Pentium100 815，Pentium200 1810141.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和性能評(píng)價(jià) 1.2.2 微型計(jì)算機(jī)的性能描述內(nèi)存儲(chǔ)器容量和速度處理機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)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(jià)格DRAM，訪問時(shí)間，遠(yuǎn)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ISA 5.3MB/S; 66MHz、64位的PCI峰值傳送速率528MB/S 151.3微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況1.3.1 Intel 系列微處理器161.3.1 Intel 系列微

6、處理器171974年第一個(gè)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(diǎn)，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)被廣泛地應(yīng)用在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)當(dāng)中。8080和8085奠定了80 x86系列的雛形。 Intel 80808085181978年，80 x86第一代16位微處理器。第一次將流水線思想引進(jìn)微處理器：指令級(jí)流水。存儲(chǔ)器分段管理機(jī)制引入處理器，擴(kuò)大尋址能力。只有整數(shù)運(yùn)算指令?？膳涮讌f(xié)處理器8087、I/O處理器8089，具備較強(qiáng)大計(jì)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)

7、構(gòu)基本相同?；?088微處理器的IBM PC-XT以及兼容系統(tǒng)。Intel 8086191982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(chǔ)器的保護(hù)管理模式引入CPU的體系結(jié)構(gòu)，從80286開始，處理器支持實(shí)地址模式和虛擬保護(hù)模式?；?0286的IBM個(gè)人計(jì)算機(jī)即IBM PC/AT。 Intel 802862085年，是第一個(gè)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(chǔ)管理部件，并按照速度的不同，采用了分級(jí)的總線結(jié)構(gòu)。80386也是第一個(gè)支持

8、片外Cache的CPU。因此，基于386的微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，總體性能上有了很大提高。 Intel 803862180486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(chǔ)器訪問的速度。486采用了取指、兩級(jí)譯碼、執(zhí)行和寫回五級(jí)流水，流水線上多數(shù)指令的執(zhí)行僅需一個(gè)時(shí)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(yùn)算協(xié)處理器被集成在主處理器內(nèi)部。Intel 8048622九十年代初的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(dú)立的8

9、KB代碼Cache和8KB數(shù)據(jù)Cache，避免取指和讀寫操作數(shù)時(shí)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(cè)技術(shù)，集成了高性能的浮點(diǎn)處理單元。多數(shù)情況下，超標(biāo)量流水線每個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行兩條整型指令和一條浮點(diǎn)處理指令。整數(shù)處理能力比486提高2倍，浮點(diǎn)處理能力比486提高510倍。相同頻率（100MHz）的Pentium比80486 iCOMP指數(shù)提高2倍。 Intel 80586Pentium23486DX4100Pentium10024繼Pentium之后，第六代微處理器Pentium Pro在2年以后面世。Pentium Pro處理器內(nèi)部同時(shí)集成了16KB的L

10、1 Cache和256/512KB的L2 Cache。并通過指令亂序執(zhí)行以及重排序緩沖器進(jìn)一步提高指令級(jí)的并行性。Pentium Pro的首批CPU頻率就達(dá)到200MHz，性能為440MIPS。 Intel 80686Pentium Pro251997年，Pentium II處理器誕生，PII內(nèi)部L1級(jí)指令Cache和數(shù)據(jù)Cache分別增加到16MB，內(nèi)部L2級(jí)Cache仍為256/512KB。在超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu)中增強(qiáng)了MMX指令的處理能力。從PII開始采用了雙獨(dú)立總線結(jié)構(gòu)，一條用于連接處理器內(nèi)核和L2 Cache，一條連接系統(tǒng)總線，處理器可以在2條總線上同時(shí)傳送數(shù)據(jù)。 Pentium II2

11、6Pentium III在PII的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了性能，它的集成度達(dá)到820萬晶體管，第一批CPU的主頻為500MHz，運(yùn)行速度為1000MIPS。P III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(kuò)展。P III還增強(qiáng)了動(dòng)態(tài)執(zhí)行的微結(jié)構(gòu)。 Pentium III27P4采用了混合流水線技術(shù)和快速執(zhí)行引擎，增強(qiáng)的浮點(diǎn)和多媒體單元。P4的L1級(jí)Cache增加了12K的執(zhí)行跟蹤C(jī)ache ，系統(tǒng)總線達(dá)到400 MHz。 P4的主頻達(dá)到2200MHz，指令執(zhí)行速度高達(dá)3000

12、MIPS。 Pentium 428Pentium 429Pentium 4 EE (Extreme Expensive） 90納米工藝3.74GHz （3.46）1066MHz前端數(shù)據(jù)總線 支持64位計(jì)算 集成度1.69億個(gè)晶體管2MB L2 Cache“execute bit disable”安全技術(shù) 30Pentium 4 Extreme Expensive Extreme 多核結(jié)構(gòu)311.3.1 Intel 系列微處理器 Pentium Available at 1.13, 1.26 and 1.40GHz 512KB Advanced Transfer Cache (L2) with

13、Error Correcting Code (ECC)Integrated high performance 16KB instruction and 16KB data level one cache Dual Independent Bus (DIB) architecture Separate dedicated external System Bus，dedicated internal high-speed cache busInternet Streaming SIMD Extensions Dynamic execution micro architectureQuad Quad

14、word Wide (256 bit) cache data bus321.3.1 Intel 系列微處理器 Pentium 4Hyper Pipelined Technology 400 MHz System Bus Level 1 Execution Trace Cache Rapid Execution Engine 256KB or 512KB Level 2 Advanced Transfer Cache Advanced Dynamic Execution Enhanced Floating-Point and Multimedia UnitInternet Streaming SIMD Extensions 2 331.3.1 Intel 系列微處理器341.3.2 近年來與Intel 競(jìng)爭(zhēng)的微處理器 整數(shù)運(yùn)算： 6X86AMD K5Pentium 浮點(diǎn)運(yùn)算： 6X86AMD K5AMD K6Pentium MMX，6x86MX 0.25um工藝 浮點(diǎn)運(yùn)算： AMD K6PentiumMMX；6x86MX, M很差 M技術(shù)與P接近 1998，AMD K6-2 改進(jìn)體系結(jié)構(gòu)，支持3Dnow!指令，優(yōu)于MMX，近于P 1998，