Intel結(jié)構(gòu)32位計(jì)算機(jī)技術(shù)

Intel結(jié)構(gòu)32位計(jì)算機(jī)技術(shù)深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院高等教育出版社課程任務(wù)

以IA-32計(jì)算機(jī)為對(duì)象，介紹當(dāng)今流行的32位計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，以達(dá)到具備IA-32計(jì)算機(jī)硬件分析能力的目的。同時(shí)，介紹MASM6.1x匯編語(yǔ)言的知識(shí)以及以MASM6.1x匯編語(yǔ)言為工具來(lái)輔助觀察硬件動(dòng)作行為的方法，以達(dá)到具備初步IA-32計(jì)算機(jī)硬件功能測(cè)試能力的目的。 IA-32計(jì)算機(jī)——IntelArchitecture 32位計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)方法:1.課程內(nèi)容前后交叉，常規(guī)的循序漸進(jìn)式的學(xué)習(xí)方法不管用了。2.書(shū)、手冊(cè)、資料是學(xué)習(xí)硬件的主要手段。3.硬件的規(guī)律性較差，要求在理解的基礎(chǔ)上記憶。4.英文是學(xué)習(xí)好硬件的工具之一。1.1馮·諾依曼計(jì)算機(jī)

的基本概念和結(jié)構(gòu)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)：

(VonNeumannmachine)按程序存儲(chǔ)（Stored-Program）概念建造的計(jì)算機(jī)稱之為馮·諾依曼計(jì)算機(jī)。

馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的要點(diǎn)：1、使用二進(jìn)制（Binary）表示指令和數(shù)據(jù)；2、使用程序存儲(chǔ)工作原理；3、計(jì)算機(jī)的硬件由 運(yùn)算器（ALU）、

控制器（CU）、

存儲(chǔ)器（Memory,也稱內(nèi)存或主存）、

輸入設(shè)備（Inputdevice)、

輸出設(shè)備(Outputdevice)

五部件組成。幾個(gè)術(shù)語(yǔ)：

指令（instruction）

：

也稱機(jī)器指令（Machineinstruction）。 它是控制計(jì)算機(jī)硬件進(jìn)行工作的命令（Command）。數(shù)據(jù)（Data）：

指的是能夠由計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字、字母和符號(hào)等。機(jī)器語(yǔ)言（MachineLanguage）：

由于計(jì)算機(jī)的硬件僅能識(shí)別二進(jìn)制代碼表示的指令和數(shù)據(jù)，所以這種二進(jìn)制代碼也稱之為機(jī)器語(yǔ)言。注：計(jì)算機(jī)硬件如何識(shí)別內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)： 指令和數(shù)據(jù)分區(qū)存放（程序存儲(chǔ)區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)），分區(qū)訪問(wèn)。程序（Program)：

指的是為求解某一問(wèn)題而設(shè)計(jì)的一系列指令的集合。

CISC(ComplexInstructionSetComputer)：復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。RISC(ReducedInstructionSetComputer)：精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。1、使用二進(jìn)制表示指令和數(shù)據(jù) 計(jì)算機(jī)為什么要使用二進(jìn)制而不使用十進(jìn)制： 主要因?yàn)槎M(jìn)制的一個(gè)數(shù)位使用僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的電路即可表示，而十進(jìn)制則需要具有十種穩(wěn)定狀態(tài)的電路才可表示。顯然，使用二進(jìn)制比使用十進(jìn)制，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單多了。另外二進(jìn)制進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算都很方便。 以使用5V直流電源的邏輯電路為例，在正邏輯的情況下：3V以上的電平稱之為高電平，代表數(shù)字1。0.8V以下的電平稱之為低電平,代表數(shù)字0。 數(shù)字信號(hào)的波形示意圖：2、使用存儲(chǔ)程序工作原理 程序存儲(chǔ)工作原理的要點(diǎn)： 程序設(shè)計(jì)， 把程序置入內(nèi)存， 從內(nèi)存中取指令并執(zhí)行。

注意： 匯編語(yǔ)言中的可執(zhí)行語(yǔ)句（ExecutableStatement）與機(jī)器指令有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即一條匯編語(yǔ)言可執(zhí)行語(yǔ)句，能且僅能翻譯成一條相應(yīng)的機(jī)器指令； 而一條高級(jí)語(yǔ)言語(yǔ)句可翻譯成相應(yīng)的數(shù)條機(jī)器指令。3.計(jì)算機(jī)硬件的結(jié)構(gòu)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)五部件的功能: 運(yùn)算器的主要功能是從存儲(chǔ)器中取出原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)算，并把結(jié)果送回存儲(chǔ)器。 存儲(chǔ)器的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)。 輸入設(shè)備的主要功能是把程序和原始數(shù)據(jù)輸入到存儲(chǔ)器。 輸出設(shè)備的主要功能是把存放在存儲(chǔ)器中的結(jié)果輸出。 控制器是計(jì)算機(jī)全機(jī)的控制中心。微處理機(jī)（Microprocessor）:

把運(yùn)算器和控制器制造在一塊硅片上，稱之為微處理機(jī)。微型計(jì)算機(jī):

以微處理機(jī)為核心，再加上內(nèi)存和I/O設(shè)備組成。

1.2IA-32Intel計(jì)算機(jī)的概況1.2.1計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史

1946年誕生世界上第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。 通常以所采用的基本硬件技術(shù)來(lái)劃分計(jì)算機(jī)發(fā)展的不同階段：第一代計(jì)算機(jī)

使用的電路器件是電子管或真空管。第二代計(jì)算機(jī)

使用的電路器件是晶體管（Transistor）。第三代計(jì)算機(jī)

使用的電路器件是小規(guī)模集成電路SSI（SmallScaleIntegrated）和中規(guī)模集成電路MSI（MiddleScaleIntegrated）。第四代計(jì)算機(jī)

使用的電路器件是大規(guī)模集成電路LSI（LargeScaleIntegrated）和超大規(guī)模集成電路VLSI（VeryLSI）。

包括IA-32Intel計(jì)算機(jī)在內(nèi)的許多微型計(jì)算機(jī)都屬于第四代計(jì)算機(jī)。1.2.2IA-32Intel系列CPU的概況 分為兩個(gè)階段：

·x86結(jié)構(gòu)

時(shí)代·IA-32時(shí)代。X86：16位：8086、8088、80186、 80286（引入保護(hù)方式）32位：80386（引入虛存）、 80486（在CISC

上應(yīng)用 RISC）64位：PentiumCPUIA—32： PentiumProCPU出現(xiàn)后，就不在使用x86的名稱了，而改稱IA-32了（其實(shí)，從80386開(kāi)始都屬于IA-32）。 PentiumProCPU之后開(kāi)始采用P6微結(jié)構(gòu)。P6微結(jié)構(gòu)： 動(dòng)態(tài)、雙獨(dú)立總線、超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)。NetBurst結(jié)構(gòu)： 超流水線、減少預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移失敗、保持ALU處于忙狀態(tài)、減少執(zhí)行任務(wù)指令數(shù)。P6微結(jié)構(gòu)CPU:

Celeron、PentiumIII、

PentiumIIIXeon。NetBurst微結(jié)構(gòu)CPU：Pentium4、

Xeon。

（注： CPU結(jié)構(gòu)： 指的是CPU中程序員可見(jiàn)的部分，如指令系統(tǒng)、寄存器和數(shù)據(jù)格式等。CPU的微結(jié)構(gòu)： 指的是CPU結(jié)構(gòu)在芯片上的實(shí)現(xiàn)，即通常所說(shuō)的組織層次。）（部分技術(shù)介紹：·以RISC技術(shù)為基礎(chǔ)，支持CISC型指令： 其作法是通過(guò)把CISC指令分解為幾個(gè)不同的RISC指令，在并行執(zhí)行的流水線上運(yùn)行，巧妙地解決了CISC型指令也能在RISC型的流水線上執(zhí)行的問(wèn)題，從而極大地提高了CPU的性能。

·PentiumCPU中引入的雙路超標(biāo)量技術(shù)：

在x86結(jié)構(gòu)CPU中首次實(shí)現(xiàn)了雙路超標(biāo)量技術(shù)。做法是：在Pentium內(nèi)部設(shè)置有兩條指令流水線，所以Pentium就可以在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)處理兩條指令，進(jìn)一步提高了指令處理的并行度，從而進(jìn)一步加速了指令的處理速度。理論上說(shuō)，Pentium的指令處理速度可達(dá)80486的2倍?！6微結(jié)構(gòu)中的動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)：所謂動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)，包含 轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)、

數(shù)據(jù)流分析、

指令池、 推測(cè)執(zhí)行等要點(diǎn)。

·P6微結(jié)構(gòu)中的雙獨(dú)立總線：在P6核心中，實(shí)際上有兩條互相獨(dú)立的總線。 一條連接系統(tǒng)主存，稱之為前端總線(FrontSideBus)。

另一條連接系統(tǒng)L2Cache,稱之為后端總線(BackSideBus)。）系列化的IA-32Intel計(jì)算機(jī)系列計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)：軟件向上兼容（Up-compatible）。系列計(jì)算機(jī)的六個(gè)統(tǒng)一:指令系統(tǒng)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一、字符編碼統(tǒng)一、中斷系統(tǒng)統(tǒng)一、控制方式統(tǒng)一、I/O操作方式統(tǒng)一。計(jì)算機(jī)功能的層次結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件：

是一組通用的軟件，往往由計(jì)算機(jī)制造公司隨機(jī)帶給用戶或者由相關(guān)的軟件公司提供給用戶。包括: 操作系統(tǒng)（OperatingSystems）、

語(yǔ)言處理程序; 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng);

實(shí)用程序（如：編輯、鏈接、調(diào)試、診斷程序等）。應(yīng)用軟件：

是指計(jì)算機(jī)在各種各樣的應(yīng)用領(lǐng)域中，人們?yōu)榱藨?yīng)用計(jì)算機(jī)來(lái)解決本領(lǐng)域內(nèi)所獨(dú)有的問(wèn)題而設(shè)計(jì)的軟件。 分為： 科學(xué)計(jì)算； 事務(wù)處理； 自動(dòng)控制； 計(jì)算機(jī)輔助工作； 人工智能等。操作系統(tǒng)基本功能