《现代微机原理与接口》课件(研究生)第1章

现代微机原理与接口技术使用教材：现代微机原理与接口技术洪志全等编机械工业出版社参考教材：微机原理与接口技术马春燕主编电子工业出版社微机原理与接口技术周明德主编人民邮电出版社总目录第1章现代微机系统结构原理第2章微机接口基础知识第3章微机接口芯片及应用第4章串行通信接口第5章人机交互接口第6章数/模、模/数转换接口第7章Windows接口控制技术第8章Windows软件接口及应用第1章现代微机系统结构原理微型计算机就是采用超大规模集成电路（VLSI）设计的一种计算机系统，自从1981年IBM公司推出了IBMPC/XT计算机以来到目前流行的Pentium4计算机，短短的20年间计算机的性能有了很大的提高，计算机的应用领域也扩展到了各行各业。（1）冯·诺依曼体系结构1.1计算机系统组成（2）现代微机体系结构1.2IA-32结构微处理器1．PentiumCPUPentium采用了与80X86处理器完全不同的结构，Pentium有32位地址总线、64位数据总线，两条流水线（U、V流水线），两个8KB的Cache（8KB代码Cache和8KB数据Cache）。Pentium芯片引脚按其功能分为：时钟、数据总线、地址总线、总线控制、中断、超高速缓存窥视、页面超高速缓存控制、突发就绪、数据出错报告等。•Pentium处理器体系上有4个大的突破：•①采用了超标量流水线：Pentium有U和V两条指令流水线，每条流水线都有ALU（算术逻辑单元）、地址生成单元、Cache接口，同时可以执行两条整型指令；•②独立的数据Cache和指令Cache：Pentium有两个8KB的Cache，一个作为数据Cache，另一个作为指令Cache，每个Cache均通向U和V流水线；•③新的浮点单元：浮点单元在80486的基础上做了彻底改进，执行过程分8级流水线，一个时钟周期可完成一个浮点的运算；•④分支预测：Pentium的BTB（分支目标缓冲器）动态预测程序分支，保证指令预取不会空置。2．PentiumMMXCPUIntel公司1996年3月公布了MMX（MultiMediaeXtension）技术，1997年1月推出PentiumMMX处理器。PentiumMMX处理器与80X86在软件上完全兼容，增加了8个浮点运算单元FPU的栈寄存器，扩展了57条专门用于并行处理多媒体和通讯算法中的整体计算指令，在音频、视频播放、图像处理、3D等任务中表现出较高的性能。3．PentiumⅡ处理器PentiumⅡ是在PentiumPro的基础上增加了MMX技术，具有以下特点：①采用了双重独立总线D.I.B技术，PentiumⅡ可同时使用这两条总线，其中一条总线用于连接L2Cache，一条用于连接主存储器，这样充分提高了数据传输能力。②PentiumⅡ使用了S.E.C（单边接触）技术，将512KB的L2Cache移出CPU内核，用一个塑料盒将CPU与L2Cache封装在一起，中间使用Cache总线相连。③PentiumⅡ内核采用双16KBCache，即16KB数据Cache盒16KB代码Cache。4．PentiumⅢ处理器PentiumⅢ采用了与PentiumⅡ相同的SLOT1结构，支持100MHz的系统外频。PentiumⅢ针对K6-2的3DNow!指令，在MMX指令集基础上增加了70条新的SSE指令集，从而大大增强了3D几何运算、动画、影像、音效等功能。PentiumⅢ利用数字信号处理软件解决方案，实现更高效的声音采集和过滤，提高语音引擎的反应速度与准确率，使语音能力成为现实。PentiumⅢ为三维对象、场景的增强显示，可通过更多的多边形数量和更高的帧速，创造逼真的三维形象和对象。5．Pentium4处理器Pentium4处理器扩展了SSE指令集（即SSE2指令集），理器内部集成了4200万个晶体管。SSE2提供了144条新的128bitSIMD指令，其中包含128bitSIMDIntergerArithmetic及128bitSIMDDouble-Precision浮点指令，SSE2主要是加强对影像、语音、图像、图片处理等软件的支持。6．双核处理器双核处理器就基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心，即是将两个物理处理器核心整合入一个内核中。双核架构并不是什么新技术，此前双核心处理器一直是服务器的专利，现在已在桌面计算机中。Intel处理器的双核构架如图1.4所示。1.2.2IA-32寄存器结构IA-32处理器为了进行32位运算和32位数据传输、寻址，采用32位寄存器。为了与8088处理器兼容，在8086CPU寄存器的基础上扩展为32位，同时还新增了部分寄存器，如图1.6所示。（1）8个通用16位寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP和ESP。（2）6个16位段寄存器：CS、DS、ES、SS、FS和GS。（3）1个32位标志寄存器：EFALG，低16位与8086、80286的FLAG寄存器相同，可以独立使用；（4）1个32位指令指针寄存器：EIP；（5）3个32位控制寄存器：CR0、CR2和CR3，其中CR0的低16位与80286的MSW相同；（6）6个32位排错寄存器：DR0、DR1、DR3、DR4、DR6和DR7；（7）5个32位测试寄存器：TR3、TR4、TR5、TR6、TR7，80386处理器仅有2个测试寄存器TR6和TR7。IA-32处理器都有三种工作方式：实地址模式、保护虚地址模式和V86模式。实地址模式是为与8086/8088兼容而保留的，保护虚地址模式是各种32位处理器（80386～Pentium4）所独有的，不支持向下兼容，是一种充分利用处理器资源、发挥处理器效率的一种工作方式。1.2.3IA-32结构处理器操作模式1.实地址模式32位处理器的实地址模式和保护虚地址模式的主要控制是由控制寄存器CR0的PE位决定的，若PE=0，处理器工作在实地址模式，若PE=1则处理器工作在保护虚地址模式。32位处理器在复位后，CR0的PE=0，工作在实地址模式。如果经过一定的初始化和用指令使CR0的PE=1，就可使32位处理器工作在保护虚地址模式。在实地址模式下存储器寻址与8086/8088相同，32条地址线中的A30-A20不起作用。2.保护虚地址模式若32位处理器的控制寄存器CR0的PE=1则处理器工作在保护虚地址模式。当处理器复位后，CPU工作在实地址模式，通过初始化和用指令使CR0的PE=1，就可使32位处理器工作在保护虚地址模式。在保护虚地址模式下，由如下特点：①32条地址线均能寻址，最大可寻址4GB的物理地址②支持虚拟存储器功能③保护模式下运行的程序有4个特权级（0~3）④有完善的特权检查机制，可保证数据及系统的安全⑤支持多任务操作3.V86模式V86模式是保护虚地址模式下的8086实模式的一个任务，指令的执行与保护虚地址模式相同，但寻址等与实模式相同。1、32位指令集在32位处理器指令集中大部分指令与8086指令功能相同，仅在指令操作数和使用规则方面进行了扩展，也新增了部分指令，扩展部分主要有：（1）操作数扩展由于32位处理器可进行32位的运算和32位寻址，因此在指令中扩展了32位的运算和寻址操作，如MOVEAX,0FEH。1.2.4IA-32处理器扩展指令集（2）使用规则扩展32位处理器扩展了8086指令的使用规则，有些在8086指令中不能使用的规则，在32位处理器中则允许使用，如PUSHALPHA、PUSH0FFFEH、SHLEAX,9、POPALPHA等。（3）新增部分指令32位处理器新增了部分用于实地址模式汇编程序设计的指令，主要有PUSHA入栈指令、SHL/RD双精度左/右移指令等，以及保护模式指令、特权指令等，如LGDT、ENTER等。另外，在32位指令中，还有很大在功能上改变了的指令，如JMP、INT等。2.MMX指令集MMX（MultiMediaeXtension，多媒体扩展指令集）指令集是Intel公司于1996年推出的一项多媒体指令增强技术。MMX指令集中包括有57条多媒体指令，通过这些指令可以一次处理多个数据，在处理结果超过实际处理能力的时候也能进行正常处理，这样在软件的配合下，就可以得到更高的性能。MMX指令是一套基本的、通用的紧缩整型指令，共57条，可满足各种多媒体应用程序的需要。紧缩整型指令是指多个8/16/32位的整型数组合成的64位数据，MMX指令主要使用这种紧缩整型数据。它可分为种数据类型：紧缩字节、紧缩字、紧缩双字和紧缩四字。（1）紧缩字节：由8个字节组合为一个64位的数据；（2）紧缩字：由4个字组合为一个64位的数据；（3）紧缩双字：由2个双字组合为一个64位的数据；（4）紧缩四字：一个64位的数据。3.SSE指令集SSE（StreamingSIMDExtensions，单指令多数据流扩展）指令集是Intel在PentiumIII处理器中率先推出的。SSE指令集包括了70条指令，其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD（单指令多数据技术）浮点运算指令、12条MMX整数运算增强指令、8条优化内存中连续数据块传输指令。4.SSE2指令集SSE2(StreamingSIMDExtensions2，SIMD流技术扩展2或数据流单指令多数据扩展指令集2)指令集是Intel公司在SSE指令集的基础上发展起来的。SSE2使用了144个新增指令，扩展了MMX技术和SSE技术，这些指令提高了广大应用程序的运行性能。有助于加速内容创建、财务、工程和科学应用。数据流SIMD扩展技术在原来的IA-32编程环境基础上，主要提供如下新扩展：（1）具有70条指令的SSE指令集；（2）支持128位紧缩浮点数据（SIMD浮点数据类型）；（3）提供8个SIMD浮点数据寄存器XMM0～XMM7。1.3IA-32处理器工作时序8086CPU每个总线周期通常包含4个T状态，即T1、T2、T3和T4。每个T状态是8086处理操作的最小单元，即时钟周期。T状态可通过公式计算：T=1/CPU主频，如早期的8086时钟为8MHz，则一个T状态为125ns。从80386开始，这些时钟状态有Ti、T1、T2、T12、T2P和TD等。不同总线周期的时钟状态可能不同，即使在相同的总线周期在不同的情况下，其组成时钟状态也可能不同。1.3.1总线周期状态定义与状态转换3．I/O读写周期当处理器执行一条I/O指令（如IN或OUT）时，将启动针对I/O端口的访问周期，如图1.19所示为一次I/O读周期和其后的I/O写周期时序。1.4现代存储器（1）内存芯片内存芯片也称为“颗粒”，内存芯片才是真正意义上的“内存”，对于动态存储器而言，数据存取都是通过对内存芯片进行充电和放电进行的。（2）桥路电阻桥路电阻由几个相同大小的电阻集合而成，采用桥路电阻是因为数据传输的过程中，要进行阻抗匹配和信号衰减，如果用分离电阻很难布线。1.4.1内存条的构成（3）电容用于消除内存条线路的高频干扰。（4）EEPROM现代的内存条上均有一个2Kb左右的EEPROM存储器，用于存放内存的速度、容量、电压等基本参数，称为SPD参数。1.4.2EDODRAMEDODRAM（扩充数据输出随机存储器）主要用于Pentium计算机和显示卡的VRAM，它主要是基于数据、代码的局部性原理，对其数据的读写均采用数据块方式，因此具有速度块，成本低的特点。1.4.3SDRAMSDRAM与系统总线时钟保持同步，采用管道方式，当指定一个特定地址，SDRAM就可输出多个数据，即实现突发传送。操作可分为三步：①指定地址；②把数据从存储地址传到输出电路；③输出数据到外部。3个步骤各自独立运行，与CPU输入时钟同步。SDRAM的读写周期为10ns～15ns，操作速率较快，主要用在PentiumⅡ、PentiumⅢ为处理器的微机系统中。•1.4.4DDRAM•DDRSDRAM（DoubleDataRateSynchronizedDRAM，双数据率同步动态随机存储器）是在SDRAM基