第二章 微处理器结构及微机工作原理

第二章微处理器结构及微机工作原理本章重点：微机的组成微机的工作原理8086/8088、80286、80386、80486、Pentium微处理器结构一、计算机系统的硬件组成现代计算机的硬件结构建立在冯·诺依曼提出的计算机逻辑结构和存储程序概念上的。存储程序：将指令、数据以二进制形式存入计算机系统的存储器中；程序控制：计算机在启动后，自动取出并执行存于存储其中的指令，完成预定的操作图2－1：计算机系统的硬件组成输入设备运算器存储器控制器输出设备二、计算机系统的软件组成（1）系统软件面向计算机管理的软件，如操作系统等数据库管理系统：SYBASE,FOXBASE;计算机网络管理软件语言处理、服务性软件（2）应用软件控制总线CB数据总线DB地址总线AB系统总线形成处理器子系统I/O设备I/O接口存储器系统总线BUS1.微处理器2.存储器3.I/O设备和I/O接口4.系统总线三、计算机的硬件结构四、计算机系统结构运算器控制器寄存器组内存储器总线输入输出输出接口电路外部设备软件微处理器微型计算机微型计算机系统区别3个概念补充：计算机系统的发展1946年，世界上出现第一台数字式电子计算机ENIAC（电子数据和计算器）发展到以大规模集成电路为主要部件的第四代，产生了微型计算机1971年，Intel公司设计了世界上第一个微处理器芯片Intel4004，开创了一个全新的计算机时代以大规模、超大规模集成电路为主要部件,以集成了计算机主要部件——控制器和运算器的微处理器为核心所构造出的计算机系统第1代：4位和低档8位微机4004→4040→8008第2代：中高档8位微机Z80、I8085、M6800，Apple-II微机第3代：16位微机8086→8088→80286，IBMPC系列机第4代：32位微机80386→80486→Pentium→PentiumII/III/432位PC机、Macintosh机、PS/2机第5代：64位微机Itanium、64位RISC微处理器芯片微机服务器、工程工作站、图形工作站补充：计算机应用通常分成如下各个领域科学计算，数据处理，实时控制计算机辅助设计，人工智能，……由于微型计算机具有如下特点体积小、价格低工作可靠、使用方便、通用性强……所以，可以分为两个主要应用方向用于数值计算、数据处理及信息管理方向通用微机，例如：PC微机功能越强越好、使用越方便越好用于过程控制及智能化仪器仪表方向专用微机，例如：工控机、单片机可靠性高、实时性强程序相对简单、处理数据量小将CPU以及其他主要部件（如ROM、RAM、I/O接口）都集成在一个微处理器芯片中例如：常用的MCS-51、MCS-96计算机的主要性能指标1）字长字长是微型计算机内部一次可以处理的二进制数码的位数。计算机字长取决于它的通用寄存器、内存储器、ALU的位数和数据总线的宽度。2）存储器容量衡量计算机存储二进制信息量多少的一个重要标志3）运算速度用每秒钟所能执行的指令条数来表示。常用的计算方法：①根据不同类型的指令出现的频率，乘上不同的系数，求得统计平均值，作为运算速度。MIPS＝指令条数/执行时间×106＝时钟平率/CPI×106①执行时间最短的指令为标准来估算速度②直接给出CPU的主频和每条指令的执行所需的时钟周期。主频以MHz为单位4）外设扩展能力指微型计算机配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性5）软件配置Intel系列微处理器微处理器基本结构内部数据总线控制总线数据总线地址总线暂存器累加器ALU标志寄存器指令寄存指令译码时序和控制逻辑通用寄存器组地址寄存器组地址总线控制数据总线控制8088/8086的功能结构8088的内部结构从功能上分成两个单元1.总线接口单元BIU管理8088与系统总线的接口负责CPU对存储器和外设进行访问2.执行单元EU负责指令的译码、执行和数据的运算两个单元相互独立，分别完成各自操作，还可以并行执行，实现指令预取（指令读取和执行的流水线操作）80286是Intel公司于1982年推出的，它是更加先进的16位处理器，内部操作和寄存器均是16位的。1、芯片内集成了13.5万个晶体管，68只引脚，具有独立的16条数据线和24条地址线（16MB），内部时钟频率为8MHZ到10MHZ。2、增加了存储器管理和虚地址保护机构，对存储器采用分段管理，每段最大64KB，并支持虚拟存储器。80286微处理器80286的基本结构1、1985年10月Intel公司推出了80386，集成了32万个晶体管，片内集成了存储管理部件和保护机构，内部操作和寄存器都是32位的。2、芯片有132只引脚，数据线、地址线各32条3、80386存储管理部件可进行段页式存储管理，支持虚拟存储器。80386微处理器4、1986年后Intel推出了多种型号的80386：80386SX，外部数据总线只有16位80386DX，标准8038680386SL，低功耗、节能芯片80386DL，低功耗、节能型的80386DX80386EX，基于80386SX，但地址总线是26位，且低功耗、节能型。80386的基本结构1、80386的功能结构80386由中央处理部件CPU、存储管理部件MMU和总线接口部件BIU组成。⑴中央处理部件由指令部件和执行部件组成，包括预取、译码、执行三个部件。⑵MMU分为分段部件和分页部件。分段部件对逻辑地址空间进行管理，分页部件对物理地址空间进行管理。⑶BIU负责与存储器、I/O端口传送数据。80386的预取、译码、执行、分段、分页、总线接口这6个部件可以并行操作，从而加快指令执行速度。CPUBIUMMU2、80486微处理器体系结构特点1）80486CPU在1989年推出，集成120万晶体管，168引脚。2）数据线32条，地址线32条。最高工作频率133MHz。3）采用突发总线（BurstBus）同内存进行高速数据交换。4）片内带有高速缓存（Cache），为8KB的数据指令统一缓存。5）带有浮点运算功能。6）指令执行单元采用RISC技术和流水线技术，大部分基本指令执行时间为1个时钟周期。7）芯片内有存储管理部件（分段部件和分页部件）。8）与80386一样有三种工作方式，并提供4级保护机制。9）软件向下兼容。4、80486的内部结构80486基本寄存器组1、基本结构寄存器80486微处理器的地址空间1、存储地址空间虚拟空间：应用程序员编写程序的空间，其相应的地址称作虚拟地址或逻辑地址。246字节物理空间：计算机中主存储器的实际空间，相应的地址称作物理地址或主存地址。232字节80486微处理器通过分段部件把虚拟空间变换为32位的线性空间，如果分段不见未被选用，线性地址就是物理地址。分段部件分页部件存储器虚拟地址线性地址３２位物理地址３２位地址变换２、输入／输出地址空间80486微处理器有两个独立的物理空间，一个是存储空间，另外一个是I/O空间。4GBFFFFFFFFH00000000H物理存储空间64KB0000FFFFH00000000H可访问不可访问物理I/O空间80486微处理器的I/O空间由216（64K）个地址组成。它与存储地址不重叠，这是因为80486微处理器芯片的M/IO引脚把它们从逻辑上给区分开来了80486的工作模式介绍实地址模式：80486具有与8086同样的基本体系结构1、存储空间及实地址模式下的编址。220在实地址方式下分页功能是不允许的，线性地址就是物理地址。物理地址的形成：段寄存器内容左移4位加上有效地址，因此在实地址模式下，所有的段总是起始于16字节的边界。2、保留的地址空间地址0000:0000H~0000:03FFH是中断向量区，每一中断向量占用4个字节。地址FFFF:FFF0H~FFFF:FFFFH为系统初始化区。保护虚拟地址模式保护的定义0级1级2级3级操作系统核心系统服务及接口应用程序规则！！存储空间：在保护方式下，80486可为每一个任务提供232字节的物理空间，并允许程序在246字节的物理空间内运行。CPU—MEMORY连接逻辑图2、存储器构成原理存储器接口特性——信号线——作用和时序——信号线和总线的连接时序CPUCACHE主存（内存）辅存（外存）存储器的分类按制造工艺双极型：速度快、集成度低、功耗大MOS型：速度慢、集成度高、功耗低按使用属性随机存取存储器RAM：可读可写、断电丢失只读存储器ROM：正常只读、断电不丢失存储器的分类半导体存储器只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）非易失RAM（NVRAM）掩膜式ROM一次性可编程ROM（PROM）紫外线擦除可编程ROM（EPROM）电擦除可编程ROM（EEPROM）内容是取之不尽的，即取出内容后，原单元的内容不变。直到存入新的内容。存储器的特性存储器读写操作读操作——从指定存储单元读取信息。过程：CPU将20位物理地址放在AB上，通过地址移码器，“选中”存储单元。然后，CPU发“存储器读命令”，被选中单元的内容读到DB上，送到CPU的某个寄存器中。存储器读写操作写操作——将信息写入指定单元。过程：CPU将20位物理地址放在AB上，通过地址移码器，“选中”存储单元。CPU把信息放在DB上，然后，CPU发“存储器写命令”，从而将DB上的信息写到指定的存储单元。金字塔结构：⑴读写存储器RAM组成单元速度集成度应用SRAM触发器快低小容量系统DRAM极间电容慢高大容量系统NVRAM带微型电池慢低小容量非易失⑵只读存储器ROM掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改PROM：允许一次编程，此后不可更改EPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程EEPROM（E2PROM）：采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写FlashMemory（闪存）：能够快速擦写的EEPROM，但只能按块（Block）擦除存储器芯片的结构地址寄存地址译码存储体控制电路AB数据寄存读写电路DBOEWECS①存储体存储器芯片的主要部分，用来存储信息②地址译码电路根据输入的地址编码来选中芯片内某个特定的存储单元③片选和读写控制逻辑选中存储芯片，控制读写操作①存储体每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储1位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据存储容量与地址、数据线个数有关：芯片的存储容量＝存储单元数×存储单元的位数＝2M×NM：芯片的地址线根数N：芯片的数据线根数译码器A5A4A3A2A1A06301存储单元64个单元行译码A2A1A0710列译码A3A4A501764个单元单译码双译码②地址译码电路单译码结构双译码结构双译码可简化芯片设计主要采用的译码结构SRAM芯片示例存储容量为8K×828个引脚：13根地址线A12～A08根数据线D7～D0片选CS1*、CS2读写WE*、OE*+5VWE*CS2A8A9A11OE*A10CS1*D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND12345678910111213142827262524232221201918171615EPROM顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透过擦除原有信息一般使用专门的编程器（烧写器）编程编程后，应该贴上不透光封条出厂未编程前，每个基本存储单元都是信息“1”编程就是将某些单元写入信息0EPROM2716EPROM2764EPROM芯片示例存储容量为8K×828个引脚：13根地址线A12～A08根数据线D7～D0片选CE*编程PGM*读写OE*编程电压VPPVppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccPGM*NCA8A9A11OE*A10CE*D7D6D5D4D312345678910111213142827262524232221201918171615存储器与CPU的连接S