微机原理与接口技术课件(铁道大学)第2章

第2章微处理器结构第2章第1页共67页第2章微处理器结构2.1微处理器的发展历史2.2微处理器的功能结构习题2第2章微处理器结构第2章第2页共67页2.1微处理器的发展历史2.1.1微处理器的发展由于集成电路工艺和计算机技术的发展，20世纪60年代末和70年代初，袖珍计算机得到了普遍的应用。为了研制灵活的计算机芯片，1971年10月，美国Intel公司首先推出Intel4004微处理器。这是实现4位并行运算的单片处理器，构成运算器和控制器的所有元件都集成在一片大规模集成电路芯片上，是第一片微处理器。从1971年第一片微处理器推出至今30多年的时间里，微处理器经历了五代的发展。第2章微处理器结构第2章第3页共67页第一代，1971年开始，是4位微处理器和低档8位微处理器的时期。典型产品有：1971年10月，Intel4004(4位微处理器)；1972年3月，Intel8008(8位微处理器)，集成度为2000管/片，采用PMOS工艺，10μm光刻技术。第二代，1973年开始，是8位微处理器的时期。典型产品有：1973年，Intel8080(8位微处理器)；1974年3月，Motorola的MC6800；1975～1976年，Zilog公司的Z80；1976年，Intel8085。其中Intel8080的集成度为5400管/片，采用NMOS工艺，6μm光刻技术。第2章微处理器结构第2章第4页共67页第三代，1978年开始，是16位微处理器的时期。典型产品有：1978年，Intel8086；1979年，Zilog公司的Z8000；1979年，Motorola的MC68000，集成度为68000管/片，采用HMOS工艺，3μm光刻技术。第四代，1981年开始，是32位微处理器的时期。典型产品有：1983年，Zilog公司的Z80000；1984年，Motorola的MC68020，集成度为17万管/片，采用CHMOS工艺，2μm光刻技术；1985年，Intel80386，集成度为27.5万管/片，采用CHMOS工艺，1.2μm光刻技术。第2章微处理器结构第2章第5页共67页自Intel80386芯片推出以来，又出现了许多高性能的32位及64位微处理器，如Motorola的MC68030、MC68040，AMD公司的K6-2、K6-3、K7以及Intel的80486等。第五代：1993年3月被称为Pentium的微处理器面市，1996年，一种具有双CPU，可进行并行处理的PentiumPro问世、1998年PentiumⅡ被推向市场、后继PentiumⅢ、Pentium4面市。。。。。第2章微处理器结构第2章第6页共67页第2章微处理器结构第2章第7页共67页4G16M1M64K第2章微处理器结构第2章第8页共67页64G安腾Itanium第2章微处理器结构第2章第9页共67页2．微处理器的发展趋势目前微型计算机基本上是沿着两个方向发展：一是生产性能更好的单片机及4位、8位微型计算机，主要是面向要求低成本的家电、传统工业改造及普及教育等，其特点是专用化、多功能、可靠性好；二是发展16位、32位、64位微型计算机，面向更加复杂的数据处理、OA、DA科学计算等，其特点是大量采用最新技术成果，在IC技术、体系结构等方面，向高性能、多功能的方向发展。下面主要介绍一下高档微处理器技术发展的一些趋势。第2章微处理器结构第2章第10页共67页1)多级流水线结构在一般的微处理器中，在一个总线周期(或一个机器周期)未执行完以前，地址总线上的地址是不能更新的。在流水线结构情况下，如8086以上的总线周期中，当前一个指令周期正执行命令时，下一条指令的地址已被送到地址线，这样从宏观来看两条指令执行在时间上是重叠的。这种流水线结构可大大提高微处理器的处理速度。第2章微处理器结构第2章第11页共67页8086两级流水80468五级流水第2章微处理器结构第2章第12页共67页2)芯片上存储管理技术该技术是把存储器管理部件与微处理器集成在一个芯片上。目前把数据高速缓存、指令高速缓存与MMU(存储器管理单元)结合在一起的趋势已十分明显，这样可以减少CPU的访问时间，减轻总线的负担。例如，摩托罗拉的MC68030将256个字节的指令高速缓存、256个字节的数据高速缓存与MMU做在一起构成Cache／MemoryUnit。第2章微处理器结构第2章第13页共67页3)虚拟存储管理技术该技术已成为当前微处理器存储器管理中的一个重要技术，它允许用户将外存看成是主存储器的扩充，即模拟一个比实际主存储器大得多的存储系统，而且它的操作过程是完全透明的。4)并行处理的哈佛(HarVard)结构为了克服MPU数据总线宽度的限制，尤其是在单处理器情况下，进一步提高微处理器的处理速度，采用高度并行处理技术——HarVard结构己成为引人注目的趋势。哈佛结构的基本特性是：采用多个内部数据／地址总线；将数据和指令缓存的存取分开；使MMU和转换后援缓冲存储器(TLB)与CPU实现并行操作。该结构是一种非冯·诺依曼结构。第2章微处理器结构第2章第14页共67页5)RISC结构RISC结构就是简化指令集的微处理器结构。其指导思想是在微处理器芯片中，将那些不常用的由硬件实现的复杂指令改由软件来实现，而硬件只支持常用的简单指令。这种方法可以大大减少硬件的复杂程度，并显著地减少处理器芯片的逻辑门个数，从而提高处理器的总性能。这种结构更适合于当前微处理器芯片新半导体材料的开发和应用。但是，这些材料与硅相比，其加工技术难于掌握，技术还不成熟，芯片的集成度还远远满足不了传统的复杂指令系统计算机(CISC)的要求。第2章微处理器结构第2章第15页共67页6）整片集成技术（WaferscaleIntegration)目前高档微处理器已基本转向CMOSVLS工艺，集成度已突破千万晶体管大关。一个令人瞩目的动向是新一代的微处理器芯片已将更多的功能部件集成在一起，并做在一个芯片上。目前在一个MPU的芯片上己实现了芯片上的存储管理、高速缓存、浮点协处理器部件、通信I/O接口、时钟定时器等。同时，单芯片多处理器并行处理技术也己由不少厂家研制出来。另外，从微型计算机系统角度来看，采用多机系统结构、增强图形处理能力、提高网络通信性能等方面都是当前微型计算机系统所追求的目标。第2章微处理器结构第2章第16页共67页提高微处理器能力主要办法：1、提高芯片的时钟频率缺点：频率越高功耗越大，处理器和主板设计越困难，成本越高。2、增加数据总线宽度DIP封装价格昂贵，现采用PAG封装3、改变微处理器结构，使尽可能多的指令并行工作。超流水、超标量。结构复杂第2章微处理器结构第2章第17页共67页2.1.2微处理器简介1、Intel8086微处理器8086微处理器是美国Intel公司1978年推出的一种高性能的16位微处理器，它采用硅栅HMOS工艺制造，在1.45cm2单个硅片上集成了29000个晶体管。它一问世就显示出了强大的生命力，以它为核心组成的微机系统，其性能已达到中、高档小型计算机的水平。它具有丰富的指令系统，采用多级中断技术、多重寻址方式、多重数据处理形式、段式存储器结构和硬件乘除法运算电路，增加了预取指令的队列寄存器等，使其性能大为增强。第2章微处理器结构第2章第18页共67页与其他几种16位微处理器相比，8086的内部结构规模较小，仍采用40引脚的双列直插式封装。8086的一个突出特点是多重处理能力，用8086CPU与8087协处理器以及8089I/O处理器组成的多处理器系统，可大大提高其数据处理和输入/输出能力。另外，与8086配套的各种外围接口芯片非常丰富，方便用户开发各种系统。第2章微处理器结构第2章第19页共67页2、Intel80386微处理器1985年，Intel公司推出了第一个32位微处理器80386DX，它是对8086～80286微处理器的彻底改进，它的数据总线和内存地址都是32位的，寻址空间可达4GB。1988年，Intel公司推出了外部总线为16位的微处理器80386SX，寻址空间为16MB，含16位数据总线和24位地址总线。80386还有一些版本，如80386SL/80386SLC，寻址空间为16MB，含16位数据总线和25位地址总线，80386SLC还包含了一个内部高速缓冲存储器，以便于高速处理数据。第2章微处理器结构第2章第20页共67页1995年，Intel公司推出了80386EX，也叫嵌入式PC，它在一个集成芯片上包囊了AT类PC的所有部件，它还有24根输入/输出数据线、26位的地址总线、16位的数据总线、一个DRAM刷新控制器，以及可编程的芯片选择逻辑。80386的指令系统和早期8086、8088、80286的指令系统是向下兼容的，附加的指令涉及到32位的寄存器，还可以管理内存系统。第2章微处理器结构第2章第21页共67页3、Intel80486微处理器80486是Intel公司1989年推出的一种与80386完全兼容但功能更强的32位微处理器，它采用了一系列新技术来增强微处理功能。例如，对80386核心硬件进行改进，采用RISC(精简指令系统计算机)技术来加快指令的执行速度；增强总线接口部件，加快CPU从主存中存取信息的速度；把浮点运算协处理器部件、高速缓存及其控制器部件集成到主处理器芯片内加快信息的传送与处理性能。由于在上述功能上的各种改进，使得80486微处理器的性能要比带一个80387浮点运算协处理器的80386DX微处理器速度提高近4倍。第2章微处理器结构第2章第22页共67页在Intel80486微处理器系列中，拥有不同档次的产品：(1)Intel80486DX。它是Intel80486微处理器系列的一个最初成员，具有80486微处理器体系结构的各种基本特点。该芯片除包含CPU部件外，还集成了一个浮点运算协处理器部件、一个8KB的高速缓冲存储器部件及高速缓存控制器部件。(2)Intel80486SX。它是80486系列的一个低价格微处理器芯片，内部结构与80486DX基本相同，但不包含浮点运算协处理器部件，外部数据总线引脚也只有16位。第2章微处理器结构第2章第23页共67页(3)Intel80486DX2。它是一个增强型80486芯片，内部结构与80486DX相同，但内部采用了单倍频时钟技术，使得微处理器能以外部时钟振荡器频率速度来工作(而以前则为分频速度工作)。这一技术使80486DX2的工作频率比80486DX提高了近一倍。(4)Intel80486DX4。它也是一个增强型的80486芯片。它不但以80486DX的4倍工作频率来运行，而且采用了容量更大的片内高速缓冲存储器(16KB)，芯片的工作电压也可降低为3.3V。这样使得80486的运行速度更快，Cache的命中率更高，CPU与主存信息的交换速度更快，而芯片功耗则大大降低。第2章微处理器结构第2章第24页共67页4、Intel奔腾(Pentium)微处理器Pentium微处理器是Intel公司1993年推出的80x86系列微处理器的第五代产品，其性能比它的前一代产品又有较大幅度的提高，但它仍保持与8086、80286、80386、80486兼容。Pentium微处理器芯片规模在80486芯片的基础上大大提高，除了基本的CPU电路外，还集成了16KB的高速缓存和浮点协处理器，集成度高达310万个晶体管。芯片管脚增加到270多条，其中外部数据总线为64位，在一个总线周期内，数据传输量比80486增加了一倍；地址总线为36位，可寻址的物理地址空间可达64GB。第2章微处理器结构第2章第25页共67页Pentium微处理器具有比80486更快的运算速度和更高的性能。微处理器的工作时钟频率可达66～200MHz。在66MHz频率下，指令平均执行速度为112MIPS，与相同工作频率下的80486相比，整数运算性能提高一倍，浮点运算性能提高近4倍。常用的整数运算指令与浮点运算指令采用硬件电路实现，不再使用微码解释执行，使指令