第2章_1 微型计算机的组成及功能结构

2.总线（BUS）1.数据总线DB2.地址总线AB3.控制总线CB1.微型计算机（Microcomputer）以微处理器为核心，配以内存、输入输出（I／O）和相应的外围设备（如打印机、显示器、磁盘机和磁带机等）而构成的裸机。第二章微型计算机的组成及微处理器的功能结构2.1微型计算机的组成2.280X86系列微处理器的功能结构2.2.18086/8088及80286微处理器的功能结构1.8086/8088CPU的功能结构1．16位处理器、40脚的DIP(双列直插)封装。2．时钟频率：5MHz、8MHz和10MHz。3．20条地址线，有220=1024KB=1MB寻址能力。缺口1脚20脚40脚1.8086/8088CPU的功能结构两个独立的功能部件：执行部件EU、总线接口部件BIU。AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDICSDSSSESIP124653标志寄存器总线控制逻辑指令队列EU控制ALU地址加法器∑BIU单元EU单元AXBXCXDX内存接口2.280X86系列微处理器的功能结构功能：外部总线连接，完成EU所需的总线操作，计算形成20位的物理地址。•从内存储器中取出指令送指令队列排队。•按EU的要求读写内存、I/O中的操作数。组成：•段寄存器(CS、DS、ES、SS)•指令指针（IP）•地址加法器、总线控制•指令队列CSDSSSESIP124653总线控制逻辑指令队列地址加法器∑总线接口部件BIU(BusInterfaceUnit)1.8086/8088CPU的功能结构执行部件EU(ExecutionUnit)组成：通用寄存器、标志寄存器、ALU、EU控制。功能：从指令队列获得指令，译码、执行指令操作。•译码指令、执行算术运算、逻辑运算。•向BIU提供操作数的内存或I／O端口的地址。•管理标志寄存器和指令操作数。AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDI标志寄存器EU控制ALUAXBXCXDX124653指令队列1.8086/8088CPU的功能结构EU和BIU独立并行流水线工作，比8085串行操作提高了运行速度。取指令1取指令2取数据1取数据2取指令3存储结果取指令4译码1执行1译码2执行2AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDICSDSSSESIP124653标志寄存器总线控制逻辑指令队列EU控制ALU地址加法器∑BIU单元EU单元AXBXCXDX内存接口两种工作方式:实方式(实地址方式)和保护方式(保护虚地址方式)。280286CPU的功能结构•16位处理器，与8086兼容•时钟频率：最高25MHz，•24条地址线，有224(16MB)寻址能力•集成存储管理和保护机构，四层特权支持操作系统和多任务管理保护方式：虚拟存储器、地址空间的保护，可靠地支持多用户和多任务系统。有224字节(16MB)寻址能力，任务的230字节(1GB)的虚地址映射到224字节的物理地址中。实方式：兼容8086的全部功能，20条地址线，有220(1MB)寻址能力。虚拟存贮空间：即程序占有的存贮空间，其存贮空间范围由CPU的体系结构确定。280286CPU的功能结构存贮器管理部件物理空间RAMROM虚拟空间磁盘等外存支撑任务1任务2任务X任务N-1任务N物理地址空间：CPU可直接访问存贮空间，其存贮空间范围由CPU的地址总线位数决定。地址部件AU(AddressUnit)：从EU的寄存器中取出地址，形成物理地址BU，产生物理存储器地址或I／O端口地址。总线部件BU(BusUnit)：读取指令代码和读写操作数据。M/IO、BHEINTA、……寄存器ALU控制器地址加法器段基地址段容量段限检查6字节指令队列已译码3字节指令队列指令译码器NMIINTRBUSYERRORD0~D15A0~A23总线部件BU地址部件AU数据收发地址锁存总线控制预取器协处理器接口指令部件IU(InstructionUnit)：从BU取出指令、译码、送入已被译码的指令队列，IU与EU的并行操作。执行部件EU(ExecutionUnit)：EU负责执行指令。四个部件的并行操作，提高了信息吞吐率，加快了处理速度。增加功能部件，各个部件并行操作，是提高CPU速度的主要方法。M/IO、BHEINTA、……寄存器ALU控制器地址加法器段基地址段容量段限检查已译码3字节指令队列指令译码器NMIINTRBUSYERRORD0~D15A0~A23指令部件IU执行部件EU6字节指令队列数据收发地址锁存总线控制预取器协处理器接口2.2.480386、80486CPU的功能结构1.80386CPU的功能结构•32位处理器，与8086、80286相兼容•32位地址线，直接寻址4GB（1GB为230字节）的物理地址空间•虚拟存储空间为64TB(1TB为240字节)•最高工作频率为40MHz•多用户、多任务操作系统芯片。存储器管理部件和保护机构，数据线、寄存器、运算操作为32位。1.80386CPU的功能结构组成部件：总线接口、指令预取、指令译码、执行、分段和分页总线接口部件BIU(BusInterfaceUnit)：CPU与系统之间的接口。产生存储器、I／O端口地址、传送数据和命令。总线周期为2个时钟。指令预取部件IPU(InstructionPrefectUnit)：16个字节的预取队列寄存器，读取4字节指令流，存到指令预取队列寄存器中。可存放5条指令。指令预译码部件IDU(InstructionPredecodeUnit)：指令预译码，完成指令到微指令的转换，存放在已译码的指令队列中，供EU执行。执行部件EU(ExecutionUnit)：8个32位通用寄存器，64位桶形移位寄存器和乘除法器。1个时钟周期内移动任意位、完成1位的乘除法。上述IPU、IDU和EU三部分又被合称为中央处理部件CPU(CenterProcessingUnit)。分段部件SU(SegmentationUnit)：有效地址的计算，从逻辑地址到线性地址。线性地址连同总线周期事务处理信息发送到分页部件PU。SU通过提供一个额外的寻址器件对逻辑地址空间进行管理。实现任务之间的隔离，实现指令和数据区的再定位。分页部件PU(PagingUnit)：PU把由SU或IPU产生的线性地址转换成物理地址，管理物理地址空间。一页为4KB，每一段可以是一页，也可以是若干页。PU是80386芯片新增的部件，又是个可选件，若不使用PU，80386的线性地址即是物理地址。SU和PU两部分被称为存储器管理部件MMU(MemoryManagementUnit)2.80486CPU的功能结构•Cache(高速缓冲存储器)。•FPU(FloatingPointUnit，浮点部件)•32位处理器，最高工作频率120MHz•RISC(ReducedInstructionSetComputer，精简指令系统计算机)技术8个基本部件组成：执行部件控制部件存储器管理部件超高速缓冲存储部件(Cache)总线接口部件指令预取部件指令译码部件浮点处理部件2.80486CPU的功能结构1、增强型的80387协处理器，其处理速度比80387提高了3~5倍。2、8KB的数据和指令Cache，3、采用RISC技术，使芯片内的不规则控制部分减少，指令以较短的周期执行。4、以布线逻辑直接控制代替微代码控制，缩短可变长指令的译码时间，基本的指令一个时钟周期完成。5、采用单倍的时钟频率。6、内部数据总线的宽度为64位，在其Cache与浮点部件之间采用了二条32位总线连线。7、Cache与FPU浮点寄存器之间可直接进行数据交换，大大削弱了中间开销。这也是80486缩短指令周期的重要原因之一。2.80486CPU的功能结构结构上具有如下特点：超标量流水线：•由“U”和“V”两条指令流水线构成超标量流水线结构•每条流水线都有自己的ALU、地址生成逻辑和Cache接口•在每个时钟周期内可执行两条整数指令•每条流水线分为指令预取、指令译码、地址生成、指令执行和回写5个步骤。2.2.5Pentium级CPU功能结构Pentium中文译名为“奔腾”。Pentium的内部结构如P15图2—5所示。同80486相比，Pentium在结构上有如下特点：•重新设计的浮点部件：分为8级流水，使每个时钟周期能完成一个浮点操作。•独立的指令Cache和数据Cache：Pentium片内有两个8KB的Cache，双路Cache结构，一个是指令Cache，一个是数据Cache。•分支预测：BTB(BranchTargetBuffer，分支目标缓冲器)的小Cache来动态地预测程序的分支操作。•采用64位外部数据总线：ALU和通用寄存器仍是32位，所以还是32位微处理器，同内存储器进行数据交换的外部数据总线采用64位总线，两者之间的数据传输速度可达528MB／s。2.2.5Pentium级CPU功能结构同80486相比，Pentium在结构上有如下特点：1、一个封装内安装了两个芯片。•CPU内核两个8KB的L1Cache(一级高速缓存)，集成度为550万个晶体管。•L2Cache(二级高速缓存)容量为256KB，集成度为1550万个晶体管。这一L2Cache由全速总线同CPU内核相连，从而提高了程序的运行速度。2、指令分解为微操作。3、乱序执行和推测执行。4、超级流水线和超标量技术。•PentiumPro微处理器PentiumPro中文名为“高能奔腾”。增加了如下新的内容。•PentiumMMX微处理器PentiumMMX，中文名为“多能奔腾”。处理多媒体和通信能力推出的新一代处理器技术，是对IA—32(IntelArchitecture32位Intel体系结构)指令系统的扩展，它是通过在奔腾处理器中增加4种新的数据类型、8个64位寄存器和57条新指令来实现的。引入新的数据类型、采用SIMD技术(单指令流多数据流)、采用饱和运算等新技术增强处理多媒体和通信能力。一、多媒体增强技术(MMX技术)二、动态执行技术为了帮助微处理器更有效地处理多重数据。提升软件的速度，“奔腾Ⅱ”采用了由三种创新处理技巧结合的动态执行技术。这三种技巧是：1、多分支跳转预测2、数据流分析3、推测执行三、双重独立总线结构(DIB，DualIndependentBus)•PentiumⅡ微处理器PentiumⅡ微处理器，简称PⅡ，中文名为“奔腾Ⅱ”。多媒体增强技术(MMX技术)，使“奔腾Ⅱ”芯片既保持了“高能奔腾”原有的强大处理功能，又增强了PC机在三维图形、图像和多媒体方面的可视化计算功能和交互功能。一、带SSE指令集的PentiumⅢ处理器1．系统总线频率为100MHz。2．一级缓冲存储器为16KB指令Cache和16KB数据Cache。3．二级缓冲存储器为512KB，速度相当CPU核心速度的一半。4．32位应用程序进行优化，采用双重独立总线，具有动态执行功能。5．增加了70条SSE(StreamingSIMDExtensions，数据流单指令多数据扩展)指令集，“第二代多媒体扩展指令集”。这些指令能增强音频、视频和3D图形处理能力。为配合SSE指令集，PentiumⅢ芯片增加了8个新的128位单精度寄存器(4*32位)，能同时处理4个单精度浮点变量，可达到每秒20亿次的浮点运算速度。•PentiumIII微处理器PentiumⅢ微处理器，简称PⅢ，中文名为“奔腾Ⅲ”。Pentium4的主要技术特性是：(1)3条超标量流水线，流水线深度20级，很易提高内核的工作频率。(2)改进了分支预测单元，减少了分支预测错误33％。(3)跟踪缓存(TraceCache)和低延迟数据缓存，可以把用过的并经译码后的微指令存储下来再次执行不必再一次重新译码。(4)高级动态执行技术(．AdvancedDynamicExecute，ADE)，改善因流水线深度带来的运算延迟问题，也可改善分支预测能力。(5)64位四倍数据速率(QuadDataRate，QDR)处理器前端总线(FrontSideBus，FSB)技术，一个时钟周期内可以4次访