微机原理课件.

南京理工大学机械学院NanjingUniversityofScience&Technology微机原理及应用第1讲微机基础微机原理及应用Intel8086/8088微处理器结构微机的一般概念计算机中数的表示和编码微机概述1.1微型计算机概述世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的ENIAC。ElectronicNumericalIntegratorandComputer（电子数字积分机和计算机）这一庞然大物装有18,000个电子管，总重量达30吨，耗资近50万美元，不过它还没有引入CPU的概念。第1章微机基础微型计算机MC(MicroComputer)以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读存储器(ROM)、读写存储器(RAM)、输入／输出接口电路及系统总线等所组成的计算机，称为微型计算机。将这些组成部分集成在一片超大规模集成电路芯片上称为单片微型计算机，简称单片机（MCU、EMCU）。1.1微型计算机概述微型计算机系统的基本概念微处理器MP（MicroProcessor）微型计算机系统的基本概念严格讲，微处理器≠CPUCPU由算术逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成，实现运算功能和控制功能。微处理器除算术逻辑部件和控制部件以外，还包含一组寄存器(Registers)以及高速缓冲存储器(Cache)等特殊的存储器。将这些部件集成在一片大规模集成电路或超大规模集成电路封装之中，这个器件才被称为微处理器。1.1微型计算机概述微型计算机系统MCS(MicroComputerSystem)以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。微型计算机系统通常由硬件和软件组成，没有配软件的计算机称为裸机。软件分为系统软件和应用软件两大类。1.1微型计算机概述微型计算机系统的基本概念系统软件应用软件微处理器硬件软件微型计算机系统微型计算机外设电源ALU寄存器控制部件键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪存储器I/O接口总线1.1微型计算机概述微型计算机系统的基本概念微型计算机的常用术语和指标1．位、字节和字•位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单位时记作b。•字节（byte）由8个二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位，字节作为单位时记作B。•字（Word）由16个二进制位组成，通常定义为两个字节为一个字，字作为单位时记作W。K是kelo的缩写，1K=1024=210个字节；M是mega的缩写，1M=1024K=220个字节；G是giga的缩写，1G=1024M=230个字节；T是tera的缩写，1T=1024G=240个字节。1.1微型计算机概述2．字长半字节字节字双字03034707078F8F1017181F•字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位和32位等等。•8088称为准16位微处理器，8086称为16位微处理器80386SX称为准32位微处理器。1.1微型计算机概述微型计算机的常用术语和指标3．主频主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz。早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从80486DX2开始，主频=外部总线频率倍频系数通过提高外频或倍频系数，可以使微处理器工作在比标称主频更高的时钟频率上，这就是所谓的超频。1.1微型计算机概述微型计算机的常用术语和指标4．MIPSMIPS是MillionsofInstructionPerSecond的缩写，用来表示微处理器的性能，意思是每秒钟能执行多少百万条指令由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所以MIPS通常是根据不同指令出现的频度乘上不同的系数求得的统计平均值。主频为25MHz的80486其性能大约是20MIPS，主频为400MHz的PentiumII的性能为832MIPS1.1微型计算机概述微型计算机的常用术语和指标5．微处理器的生产工艺•指在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线的宽度，一般以m为单位，数值越小，生产工艺越先进，微处理器的功耗和发热量越小。6．微处理器的集成度•指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。•最早Intel4004的集成度为2250个晶体管，PentiumIII的集成度已经达到950万个晶体管以上，集成度提高了3000多倍。1.1微型计算机概述微型计算机的常用术语和指标微型计算机的发展微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的微处理器的集成度每隔18个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍------摩尔定律GordonE.MooreIntel公司的创始人之一1.1微型计算机概述•电子计算机技术的发展：电子管计算机（1946-1956）晶体管计算机（1957-1964）中小规模集成电路计算机（1965-1970）大规模集成电路计算机（1971-今）微型计算机是第四代计算机的典型代表•电子计算机按其性能分类：大型计算机中型计算机小型计算机微型计算机1.1微型计算机概述微型计算机的发展1971年～1977年是微处理器发展的早期阶段:字长为4位或8位，集成度约为3000～10000晶体管/片，微处理器的主频为0.1～5MHzIntel4004Intel8008•1971年：Intel4004，是世界上第一片4位微处理器寻址空间为4096个半字节,指令系统包括45条指令。•1972年：Intel8008，是世界上第一片8位微处理器8008采用了10m生产工艺，集成度为3500个晶体管。1.1微型计算机概述微型计算机的发展•1974年：Intel8080采用了6m生产工艺，集成度为6000个晶体管，主频为2MHzIntel8085•1975年4月MITS公司推出了以8080为CPU的世界上第一台个人计算机Altair8800。值得一提的是，Altair8800的BASIC语言解释器是BillGates编写的•1976年：Intel8085Intel公司生产的最后一种8位通用微处理器，8085的工作频率提高到5MHz，指令系统的指令数上升到246条。1.1微型计算机概述微型计算机的发展X86系列第一代：8086/8088（1978年-1981年）•1979年Intel8088除了它的数据总线为8位以外，其余均与8086相同。8088采用8位数据总线是为了利用当时现有的8位设备控制芯片。由于8088内部支持16位运算，而与I/O之间传输为8位，故8088称为准16位微处理器。Intel8086Intel8088•1978年Intel8086采用了3m工艺，集成了29,000个晶体管，工作频率为4.77MHz，它的寄存器和数据总线均为16位，地址总线为20位，从而使寻址空间达1MB。•1981年8月，IBM公司推出以8088为CPU的世界上第一台16位微型计算机IBM5150PersonalComputer，即著名的IBMPC。1.1微型计算机概述微型计算机的发展X86系列第二代：Intel80286（1982年-1984年）80年代中期到90年代初，80286一直是微型计算机的主流CPU。在这一时期，还诞生了世界上最早的芯片组（chipsets）。•Intel80286采用1.5m工艺，集成了134,000个晶体管，工作频率为6MHz，80286的数据总线仍然为16位，但是地址总线增加到24位，使存储器寻址空间达到16MB。1985年IBM公司推出以80286为CPU的微型计算机IBMPC/AT，并制定了一个新的开放系统总线结构，这就是工业标准结构(ISA)。该结构提供了一个16位、高性能的I/O扩展总线。1.1微型计算机概述微型计算机的发展•80386的其他一些版本：80386SX，包含16位数据总线和24位地址总线，寻址空间为16MB；80386SL／80386SLC，包含l6位数据总线和25位地址总线，寻址空间为32MB。由于这些微处理器与I/O之间传输为16位，故也称为准32位微处理器。Intel80386第一个实用的32位微处理器，采用了1.5m工艺，集成了275,000个晶体管，工作频率达到16MHz。80386的内部寄存器、数据总线和地址总线都是32位的。通过32位的地址总线，80386的可寻址空间达到4GB。这时由32位微处理器组成的微型计算机已经达到超级小型机的水平。X86系列第三代：Intel80386（1985年-1988年）1.1微型计算机概述微型计算机的发展X86系列第四代：Intel80486（1989年-1992年）Intel公司还生产过80486的其他一些版本：•80486SX，工作频率20MHz，不包含数学协处理器；•80486DX2，采用双倍时钟，内部执行速度达到66MHZ，内存存取速度为33MHz•80486DX4，采用三倍时钟，内部执行速度达到100MHZ，内存存取速度为33MHz。•Intel80486采用1m工艺，集成了120万个晶体管，工作频率为25MHz。80486微处理器由三个部件组成：一个80386体系结构的主处理器，一个与80387相兼容的数学协处理器和一个8KB容量的高速缓冲存储器，80486还支持主板上的二级缓存。80486大约有一半的指令在一个时钟周期内完成，而不是原来的两个，这样80486的处理速度一般比80386快2到3倍。1.1微型计算机概述微型计算机的发展X86系列第五代：Pentium（1993年-1997年）•第二代Pentium处理器（P54C1994年）采用0.6m工艺，Sockt7接口，工作频率为90MHz/100MHz。•第三代PentiumMMX（P55C1997年）增加了57条多媒体指令，在体系结构上Pentium内核中采用了RISC技术，可以说它是CISC和RISC技术相结合的产物•第一代Pentium处理器(P51993年)采用0.8m工艺技术，集成了310万个晶体管，工作频率为60MHz/66MHz。拥有超标量结构，一个时钟周期执行多条指令1.1微型计算机概述微型计算机的发展PentiumPro、PentiumII、PentiumIII•采用0.6m-0.18m工艺，集成度550万-950万晶体管，时钟频率166MHz-1GHz，采用二级高速缓存，2级超标量流水线结构，一个时钟周期可以执行3条指令。PentiumII采用Slot1接口，PentiumIII采用Socket370接口。X86系列第六代：P6（1996-今）1.1微型计算机概述微型计算机的发展X86系列第6.5代：P67（2000-今）IntelPentiumIV•2000年研发代号Willamette，采用Socket423结构，•2002年改用Northwood，采用Socket478结构。•采用0.13m--0.18m工艺，主频率1.4GHz~3.2GHz•20段的超级流水线、高效的乱序执行功能、2倍速的ALU、新型的片上缓存512KB、400MHz的前端总线。•2003年采用超线程技术1.1微型计算机概述微型计算机的发展X86系列第7代：64位处理器P7(IA64体系结构)•2001年5月发布Itanium（研发代号:Merced）Itanium处理器的内部/外部数据总线及地址总线都是64位。•2003年发布Prescott，主频3.2GHz,二级缓存达1MB，采用0.09m工艺。•2004年发布Tejas，该处理器支持4线程，采用0.09m工艺。1.1微型计算机概述微型计算机的发展1980’1990’2005201020151980’1990’2005201020154核80x86Pentium80核双核年代性能提高CPU性能的3大措施提高主频增加逻辑复杂度增加内核数目•双核•多核•异构的多核处理器性