第1章 微机接口技术概论

微机接口技术华中科技大学计算机科学与技术学院主讲陈涛副教授课程性质：计算机本科必修课程课程的特点：偏重硬件，软硬结合,实用性强基础要求：数字电路、组成原理、汇编、c语言等1.《现代微机系统与接口技术》周功业、黄文兰等编著.高教出版社2.《微型计算机接口技术及应用》刘乐善主编,华中科技大学出版社3.《PC/Pentium硬、软件系统解析》林章钧编著.清华大学出版社.19984.《微型计算机（XT.AT.386)与接口技术》唐棠等编著.南京大学出版社主要参考书微机系统的发展概况微机系统的体系结构系统总线与接口标准微机接口技术及发展趋势本章要点第1章概论1.1微机的发展概况1971~1973：4位µp:4004,8位µp:8008,微机MCS-41974~1978：高档8位8080,8085,MC6800,Z-80,微机APPLE1978~1981：16位8086/8088,Z8000,MC68000,微机IBMPC/XT1981~1984：高档16位80286,微机IBMPC/AT，长城2861985~1988：32位80386，微机COMPAQ3861989：32位80486，微机各种品牌COMPAQ，AST等1993~32位Pentium,微机由不同厂家生产的奔腾系列1995：32位PentiumPro(高能),微机由不同厂家生产的高能奔腾系列1997：32位MMXPentium(多能),微机由不同厂家生产的多能奔腾系列2000：32位Pentium4,微机为Pentium4各厂家名称不同2001~2005:64位Itanium（安腾）,Xeon(至强)处理器2005:Intel推出双核CPU……..系统主要指标:一台计算机的功能强弱与系统结构、硬件组成、指令系统、软件配置等多方面的因素有关。主要性能指标⑴处理器字长(8,16,32,64bit)⑵运算速度（主频）(1.3GHz,1.8G,2.4G,3.0G,3.2G)MIPS(millioninstructionpersecond)⑶存储容量（Cache、内存和外存）(128M,256M,512M,1G,2G,4G,8G…),(120G,500G,1T..)⑷总线数传率（如:33.3Mhz*32bit/8=133MB/s)⑸外部设备（显示器及显示适配器等）⑹软件配置19711972197419761978198019821985198919931997200020024004800880808085808680186802868038680486PentiumPⅡPⅢP4Itanium能性1.第一代微处理器(1971~1976,9k)•Intel4004、Intel4040—4位微处理器•Intel8008—低档8位微处理器2.第二代微处理器•Intel8080、MC6800、6501、6502—8位微处理器•Intel8085、Z80、MC6809—高档8位微处理器•指令比较完善，有了中断与DMA•汇编、BASIC，FORTRAN、PL/M•后期配备CP/M操作系统发展概况3.第三代微处理器(1978,29k,MHzVLSI)•Intel8086、Z8000、MC68000—16位-8086数据总线16位、地址总线20位•Intel8088—准16位(8086简化版本)-外部数据总线8位，内部数据总线16位-IBMPC、IBMPC/XT•Intel80286、MC68010—高档16位（1982，130k,12.5MHz)-数据总线16位，地址总线24位-IBMPC/AT-实地址模式、虚地址保护模式(protectedmode)-虚地址模式可寻址16MB物理地址和1GB的虚拟地址空间发展概况4.第四代微处理器•Intel80386—32位微处理器（1985，275k,20MHz)-数据总线32位，地址总线32位-实地址模式、虚地址保护模式、虚拟8086模式-虚地址模式可寻址4GB(2^32)物理地址和64TB(2^46)的虚拟地址空间•Intel80486—32位微处理器（1989，1.2M,25MHz)-80386+80387+8KB的Cache-部分采用RISC技术、突发总线技术-使用时钟倍频技术5.第五代微处理器（1993，3.2M,60MHz)•Pentium（奔腾）—32位微处理器-5级超标量结构、分支预测技术-64条数据线、32条地址线-常用指令硬件化，使用微程序设计•PentiumMMX（多能奔腾）—32位-增加了57条MMX指令-采用了SIMD技术6.第六代微处理器(P6)（1995，5.5M,200MHz)•PentiumPro（高能奔腾）—32位-64条数据线、36条地址线-实现了动态执行技术(乱序执行)•PentiumII（奔腾2）—32位微处理器-是PentiumPro+MMX-双独立总线结构•PentiumIII（奔腾3）—32位微处理器-增加了70条SSE指令-首次内置序列号7.第六代之后的微处理器•Pentium4—32位微处理器(非P6核心结构)-超级管道技术-增加了144条SSE2(StreamingSIMDExtensions2)指令-简单ALU运行在2倍的处理器核心频率下•Itanium—64位微处理器-采用RISC技术和CISC技术-具有显示并行功能-具有断定执行功能-具有数据预装的功能-采用三级高速缓存CISC：复杂指令集计算机体系。特点：1）复杂指令2）多种寻址方式3）微程序结构RISC：精简指令集计算机体系。特点：1）固定指令长度2）指令流水线处理3）简化内存管理4）硬件控制简单5）单周期执行6）复杂度存于编译程序Intel系列微处理器表处理器主要参数80888086802868038680486PentiumPentiumProPentiumⅡPentiumⅢPentium4推出时间197919781982198519891993/19941995199719992000~工作电压（V）55555/3.35/3.33.3/2.92.8/2.02.0/1.81.7(核心)主频范围(MHz)4.774.776~2520~3333~10060~133150~233233~400450~10001000~10000总线频率1.1931.193816~3333666666/100100/133400前端集成管子数（只）2.9万4万13.4万27.5万120万310万550万750万950万4200万L1Cache————————8KB8KB+8KB8KB+8KB16KB+16KB16KB+16KB8KB数据+12KB指令TraceCacheL2Cache————————————256KB主频一半速度512KB主频一半速度512KB一半主频(256KB主频)256KB256位/时钟通过寄存器位数16161632323232323232外部数据线条数8161632326464646464外部地址线条数20202432323236363636存储器空间1MB1MB16MB4GB4GB4GB64GB64GB64GB64GBI/O组织(端口)64K64K64K64K64K64K64K64K64K64K制造工艺(微米）222210.8~0.60.6~0.350.35~0.250.250.18~0.13工作方式实方式实方式实方式保护方式实方式保护V86实方式保护、V86实，保护、V86、系统管理实、保护、V86、系统管理实、保护、V86系统管理实、保护、V86、系统管理实、保护、V86、系统管理超级流水线(条)————————123336流水线级数————————5514141420系统内存形式DIPDIPDIP30线的SIMM30线的SIMM30/72线的SIMM72线SIMM168线DIMM72线SIMM168线DIMM168线DIMM168线DIMM168线DIMM+184RIMM存储器组织（体）1个2个2个4个4个8个8个8个8个8个我的中国芯__“龙芯”项目大事记•2000年11月：中科院计算所正式启动CPU设计项目，系统结构设计，确定指令系统以及流水线结构；•2002年9月在北京召开了“龙芯1号”成果的技术鉴定会•2006年3月“龙芯2E”增强型处理器流片成功，性能与中端奔腾IV芯片相当。•2009年“龙芯3号”首枚芯片成功生产。4核，1G主频，10W功耗，65纳米技术。“龙芯”的性能•“龙芯1号”:最高主频为266MHz，定点字长32位，浮点字长64位，片内含8KB指令Cache和8KB数据Cache；采用动态流水线结构，支持乱序执行和精确中断处理;定点和浮点最高运算速度均超过每秒2亿次；在200MHz主频、Linux环境下功耗为0.4W。该芯片支持Linux、VxWorks等主流操作系统，能直接支持软解压下的流媒体应用，可用于网络终端机(NC)、工控机等嵌入式设备.•龙芯2号:最高频率为300MHz，功耗1W-2W，成品率约为80%左右。通过使用相关测试对龙芯2号的性能分析表明，相同主频下龙芯2号的性能已经明显超过PII，达到PIII的水平,.性能可与1GHz以上的PIII或PIV的性能相当。系统板分类•按照使用的处理器可分为XT主板(使用8088)，286主板(使用80286)，386主板(使用80386)，486主板(使用80486)，奔腾主板(使用Pentium)，奔腾III主板(使用PentiumIII)等。•按照采用的结构可分为（1）BigAT主板（PC/XT&286）（2）BabyAT主板(386)（3）HalfAT主板(486&P5)（4）ATX主板(PentiumII/PentiumIII)1.2微机的体系结构1.PC/XT的体系结构微处理器8088ROMBIOS8253定时/计数器8259中断控制器8250串行通信控制器8255并行接口扩展总线缓冲8237DMA控制器DRAM控制器DMA页面寄存器RAM协处理器8087······8个8位62位引脚扩展插槽1.2.180x86系列微机的体系结构2.80386/80486微机的基本结构微处理器80386/80486协处理器80387集成外围控制器总线控制器85c320Cache控制器85c310扩展总线控制器82c206Cache······主存实时时钟/日历CMOSRAM特点:•分别利用了Intel公司的80386和80486微处理器,而且都具有高速缓冲存储器（Cache）•采用了一组多功能芯片来代替原来的单功能的接口控制芯片。•与PC/XT机相比较，微机广泛采用了ISA总线替代了原来的PC总线。ISA总线在性能上兼容PC/AT总线，•它支持24位地址线、16位数据线、15级硬件中断和7个DMA通道。现代微机采用Pentium系列微处理器，其基本结构发生了革命性的变化，最主要的表现是改变了主板总线结构。1.南北桥结构的PentiumII微机三级总线:CPUBusPCIBusISABus桥接芯片:北桥:CPU总线-PCI桥片（HostBridge）南桥:PCI-ISA桥片。最大特点:将局部总线PCI直接作为高速的外围总线1.2.2Pentium系列的体系结构PentiumII处理器PentiumII处理器2CPU总线图形设备2×AGP总线82443BX（北桥）66/100MHz主存支持SDRAMPCI总线PCI插槽82371EB（PIIX4E）（南桥）2个USB接口2个IDE接口I/OAPICISA总线ISA插槽系统BIOSPentiumII微机的南北桥结构:处理器处理器AGP图形控制器8XX系列存储控制中心主存储器CPU总线I/O控制中心中心高速接口PCI总线PCI槽LPCI/FSuperI/O固件中心IDE驱动器USB端口AC’97编码LAN连接中心结构的微机基本结构2.中心结构的Pentium3微机3.中心结构(HUB)的特点:•存储控制中心用于提供高速AGP接口、动态显示管理、电源管理和内存管理功能。•I／0控制中心提供了音