第一章 微型计算机及其体系结构

微机原理及接口微机原理及接口技术课程介绍典型机型：IBMPC系列机基本系统：8088CPU和半导体存储器I/O接口电路及与外设的连接硬件－－接口电路原理软件－－接口编程方法课程内容章节目录计划学时第1章微型计算机及体系结构2第2章微处理器4第5章输入输出接口4第6章中断控制器4第7章DMA控制器4第8章计数器和定时器4章节目录（续）计划学时第9章并行接口4第10章串行通信接口4第11章模拟接口2课程内容专业技术基础课硬件系列课程之一计算机组成原理微机原理及接口技术计算机体系结构指定选修课以技术为主面向应用软硬件相结合课程特点区别先修课程数字逻辑提供硬件基础计算机组成原理确立计算机部件功能掌握计算机工作原理汇编语言程序设计建立必备软件基础掌握指令系统、程序格式先修课程学习方法很重要复习并掌握先修课的有关内容课堂：听讲与理解、适当笔记课后：认真读书、完成作业实验：充分准备、勇于实践总成绩＝考试成绩＋平时成绩学习方法学习资源学习资源钱晓捷之微辅网钱晓捷陈涛，微型计算机原理及接口技术，北京：机械工业出版社，1999.1BarryB.Brey著金惠华等译，Intel微处理器结构、编程和接口（第六版）北京：电子工业出版社，2004.1第1章微型计算机及其体系结构教学重点微型计算机的系统组成微型计算机体系结构1.1微型计算机系统概述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1.1.1微型计算机的发展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•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1.1.1微型计算机的发展第3代：16位微机8086→8088→80286，IBMPC系列机•Intel8086、Z8000、MC68000—16位-8086数据总线16位、地址总线20位•Intel8088—准16位-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-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1.1.1微型计算机的发展（续）第4代：32位微机•Intel80386—32位微处理器-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(232)物理地址和64TB(246)的虚拟地址空间•Intel80486—32位微处理器-80386+80387+8KB的Cache-部分采用RISC技术、突发总线技术突发方式是指在传输大批量地址连续的数据时，除了第一个周期先送首地址、后给出数据外，以后的传输周期内，不需要再送地址（地址自动加一）而直接送数据，从而达到快速传送数据的目的。-使用时钟倍频技术1.1.1微型计算机的发展（续）第5代：•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1.1.1微型计算机的发展（续）第6代：(P6核心结构)•PentiumPro（高能奔腾）—32位-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(StreamingSIMDExtensions)指令SSE:单指令多数据流式扩展技术（128位整数，浮点数）-首次内置序列号1.1.1微型计算机的发展（续）第6代之后：•Pentium4—32位微处理器(非P6第六代X86系列CPU核心结构)-超级管道技术-增加了144条SSE2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EPIC技术、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1.1.1微型计算机的应用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1.1.1微型计算机的应用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用于过程控制及嵌入应用方向专用微机，例如：工控机、单片机、数字信号处理器可靠性高、实时性强程序相对简单、处理数据量小1.2微型计算机的系统组成运算器控制器寄存器组内存储器总线输入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图1.1微型计算机的系统组成控制总线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BUS1.2.1微型计算机的硬件组成1.微处理器子系统2.存储器3.I/O设备和I/O接口4.系统总线系统总线总线是指传递信息的一组公用导线总线是传送信息的公共通道微机系统采用总线结构连接系统功能部件总线信号可分成三组地址总线AB：传送地址信息数据总线DB：传送数据信息控制总线CB：传送控制信息总线信号地址总线AB输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围数据总线DBCPU读操作时，外部数据通过数据总线送往CPUCPU写操作时，CPU数据通过数据总线送往外部数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数控制总线CB协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等信号控制总线决定了系统总线的特点，例如功能、适应性等举例举例特点1.2.2微型计算机的软件系统操作系统MS-DOS汇编程序MASM和LINK文本编辑程序EDIT.COM调试程序DEBUG.EXE为什么采用汇编语言？1.3微型计算机的工作过程8088的内部结构1234内部暂存器IPESSSDSCS输入/输出控制电路外部总线执行部分控制电路∑ALU标志寄存器AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDI通用寄存器地址加法器指令队列执行部件（EU)总线接口部件（BIU)16位20位8位8位8088的指令执行过程1.4微型计算机体系结构随着计算机技术的飞速发展及高速外设的出现，微型计算机的体系结构发生了巨大的变化。至今，已推出了多种带有不同的微处理器技术和总线结构的微型计算机系统。1.4.18088PC/XT机体系结构1.4.280286PC／AT机体系结构PC／AT选用80286作CPU，该微处理器有68个引脚，其中数据线16根，地址线24根，物理上可寻址的地址空间为16MB，但80286对存储器的访问分“实地址”和“保护虚地址”两种方式。兼容8086／8088的指令体系结构，有着更快的工作速度，支持虚拟存储和多任务操作操作体系结构。结构如下图所示：1.4.280286PC／AT机体系结构1.4.380386／80486的基本结构80386／80486微机分别利用了Intel公司的80386和80486微处理器。相比较而言，由于80486集成了80387协处理器，因此在微机结构中就不再有专门的协处理器。但他们的基本结构还是相同的，它们都采用ISA总线将体系结构的各个部件连接起来，而且都具有高速缓冲存储器(Cache)，并且都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。结构如下图所示:1.4.380386／80486的基本结构1.4.480486EISA总线体系结构EISA总线出现在32位微型计算机中，是结合80386/80486微处理器的微机体系结构推出的一种总线结构，与32位的微处理器兼容。具有32位的数据线，支持8位、16位或32位的数据存取，支持数据突发式传输。地址线与字节使能信号共同作用支持32位寻址，可寻址4GB的存储器空间，也支持64KB的I／O端口寻址，支持11级中断IRQ3~7、IRQ9~12、IRQl4~15；支持高速DMA数据传输，支持7个DMA传输通道DRQ0~3、DRQ5~7；支持多主控制器;支持I／O等待与校验等。1.4.480486EISA总线体系结构1.4.5PentiumISA/PCI南北桥采用Pentium微处理器的微机体系结构，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。为了提高微机体系结构的整体性能，规范体系结构的接口标准，根据各部件处理或传输信息的速度快慢，采用了更加明显的三级总线结构，即CPU总线(HostBus)、局部总线(PCI总线)和体系结构总线(一般是ISA)。三级总线之间由更高集成度的多功能桥路芯片组成的芯片组相连，形成一个统一的整体。这种基本结构称为南北桥结构。1.4.5PentiumISA/PCI南北桥1.4.6PentiumIIISA/PCI/AGP南北桥由Intel公司南北桥结构的芯片组440BX所组成了PentiumⅡ微机的基本结构。440BX芯片组主要由两块多功能芯片组成。其中，北桥芯片82443BX集成有CPU总线接口，支持单、双处理器，双处理器可以组成对称多处理机(SMP)结构；同时82443BX还集成了主存控制器、PCI总线接口、PCI仲裁器及AGP接口，并支持体系结构管理模式(SMM)和电源管理功能。它作为CPU总线与PCI总线的桥梁。1.4.6PentiumIIISA/PCI/AGP南北桥1.4.7PentiumIII中心结构南北桥结构尽管能够为外围设备提供高速的外围总线，但是南北桥芯片之间也是通过PCI总线连接的，南北桥芯片之间的频繁数据交换必然使得PCI总线信息通路依然呈现一定的拥挤，也使得南北桥芯片之间的信息交换受到一定的影响。为了克服这个问题，同时也为了进一步加强PCI总线的作用，Intel公司从810芯片组开始，就放弃了传统的南北桥结构，而采用了如图所示的中心结构。构成这种结构的芯片组主要由三个芯片组成，他们分别是存储控制中心MCH(MemoryControllerHub)、I／O控制中心ICH(I／OControllerHub)和固件中心FWH(FirmwareHub)。1.4.7PentiumIII中心结构1.4.8PentiumIV中心结构Intel公司于2000年11月推出了Pentium4微处理器，至今主频已达到2GHz。Intel公司的Pentium4采用NetBurst体系结构架构，也带来了体系结构总线与支持芯片组的改变。虽然Pentium4依然支持AGTL+总线协议，但它与同样支持该协议的PentiumⅢ最大不同是，它能够支持400MHz的体系结构总线，这就意味着Pentium4可提供高达3．2GB／s的体系结构带宽，目前能够支持Pentium4新总线的只有i850等少数几种芯片组，i850有着非常出色的特性。1.4.8PentiumIV中心结构酷睿™微体系结构是一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所谓的能效比。英特尔宽位动态执行英特尔智能功率能力英特尔高级智能高速缓存英特尔智能内存访问英特尔高级数字媒体增强PCIExpress系统架构第1章教学要求1.了解微机发展概况；2.了解微机的硬件组成，理解总线及其应用特点、掌握地址、数据、控制总线的概念；3.了解微型计算机体系结构发展状况；