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同济大学电信学院第1章概述80x86系列的概要历史1.1计算机基础1.2计算机的硬件和软件1.3多媒体计算机1.5微型计算机的结构1.4同济大学电信学院1.1x86系列结构的概要历史1971年Intel4004，70年代中期Intel8080、8085，80年代初Intel8086、8088。同济大学电信学院从8086（8088）到80286、80386、80486。奔腾（也称为80586）、奔腾MMX、奔腾PRO（也称为80686）、奔腾Ⅱ、奔腾Ⅲ，直至最新的奔腾4，形成了IA（IntelArchitecture）-32结构。1.1x86系列结构的概要历史同济大学电信学院x86系列结构的最重要的成就之一是，从1978开始的那些处理器上建立的目标程序仍能在x86系列结构系列的最新的处理器上执行。8086有16位寄存器和16位外部数据总线，具有20位地址总线，可寻址1M字节地址空间。1.1.18086同济大学电信学院第一代Apple同济大学电信学院第一代IBMPC同济大学电信学院1.1.280386Intel386处理器是x86系列结构系列中的第一个32位处理器。Intel386还提供了一种新的虚拟8086方式，Intel386处理器有32位地址总线，能支持多至4G字节的物理存储器。同济大学电信学院原始的16位指令用新的32位操作数和新的寻址方式得到增强，并提供了一些新的指令，包括那些位操作指令。1.1.280386同济大学电信学院1.1.380486Intel486处理器把Intel386处理器的指令译码和执行单元扩展为五个流水线段，增加了更多的并行执行能力，其中每个段（当需要时）与其它的并行操作最多可在不同段上同时执行五条指令。每个段以能在一个时钟周期内执行一条指令的方式工作，所以，Intel486处理器能在每个时钟周期执行一条指令。同济大学电信学院80486的一个重大改进是在x86系列处理器的芯片中引入了缓存。在芯片上增加了一8K字节的一级缓存（cache），大大增加了每个时钟周期执行一条指令的百分比，包括操作数在一级cache中的存储器访问指令。1.1.380486同济大学电信学院第一次把x87FPU（浮点处理单元）集成到处理器上并增加了新的引脚、位和指令。1.1.380486同济大学电信学院1.1.4PentiumIntel奔腾（Pentium）处理器增加了第二个执行流水线以达到超标量性能（两个已知的流水线u和v，一起工作能实现每个时钟执行两条指令）。一级cache也加倍了，8K字节用于代码，另8K字节用于数据。但内部数据通路是128和256位以加速内部数据传送，且猝发的外部数据总线已经增加至64位。同济大学电信学院增加了高级的可编程中断控制器（AdvancedProgrammableInterruptController（APIC））以支持多奔腾处理器系统，新的引脚和特殊的方式（双处理）设计以支持无连接的两个处理器系统。1.1.4Pentium同济大学电信学院1.1.5P6系列处理器在1995年，Intel引入了P6系列处理器。此处理器系列是基于新的超标量微结构上的，它建立了新的性能标准。P6系列微结构设计的主要目的之一是在仍使用相同的0.6微米、四层金属BICMOS制造过程的情况下使处理器的性能明显地超过奔腾处理器，用与奔腾处理器同样的制造过程要提高性能只能在微结构上有实质上的改进。同济大学电信学院IntelPentiumPro处理器是基于P6微结构的第一个处理器。P6处理器系统随后的成员是IntelPentiumII、IntelPentiumIIXeon（至强）、IntelCeleron（赛扬）、IntelPentiumIII和IntelPentiumIIIXeon（至强）处理器。1.1.5P6系列处理器同济大学电信学院1.1.6PentiumIIIntelPentiumII处理器把MMX技术加至P6系列处理器，并具有新的包装和若干硬件增强。处理器核心包装在了SECC上，这使其更具有了灵活的母板结构。第一级数据和指令caches每个扩展至16K字节，支持二级cache的尺寸为256K字节、512K字节和1M字节。同济大学电信学院PentiumIIXeon（至强）处理器组合Intel处理器前一代的若干额外特性，例如4way、8way（最高）可伸缩性和运行在“全时钟速度”后沿总线上的2M字节二级cache，以满足中等和高性能服务器与工作站的要求。1.1.6PentiumII同济大学电信学院1.1.7PentiumIIIPentiumIII处理器引进流SIMD扩展（SSE）至X86系列结构。SSE扩展把由IntelMMX引进的SIMD执行模式扩展为新的128位寄存器和能在包装的单精度浮点数上执行SIMD操作。同济大学电信学院PentiumIIIXeon处理器用Intel的0.18µm处理技术的全速高级传送缓存（AdvancedTransferCache）扩展了IA-32处理器的性能级。1.1.7PentiumIII同济大学电信学院1.1.8Pentium4IntelPentium4处理器是2000年推出的ia-32处理器，并是第一个基于IntelNetBurst微结构的处理器。IntelNetBurst微结构是新的32bit微结构，它允许处理器能在比以前的IA-32处理器更高的时钟速度和性能等级上进行操作。IntelPentium4处理器有以下高级特性：同济大学电信学院（1）IntelNetBurst微结构的第一个实现快速的执行引擎。Hyper流水线技术。高级的动态执行。创新的新cache子系统。1.1.8Pentium4同济大学电信学院（2）流SIMD扩展2（SSE2）用144条新指令扩展IntelMMX技术和SSE扩展，它包括支持：128位SIMD整数算术操作。128位SIMD双精度浮点操作。Cache和存储管理操作。进一步增强和加速了视频、语音、加密、影像和照片处理。1.1.8Pentium4同济大学电信学院（3）400MHzIntelNetBurst微结构系统总线。提供每秒3.2G字节的吞吐率（比PentiumIII处理器快三倍）。四倍100MHz可伸缩总线时钟，以达到400MHz有效速度。分开的交易，深度流水线。128字节线具有64字节访问。1.1.8Pentium4同济大学电信学院（4）与在IntelX86系列结构处理器上所写和运行的已存在的应用程序和操作系统兼容。1.1.8Pentium4同济大学电信学院1.1.9Intel超线程处理器Intel公司于2002年推出了具有超线程技术的IA-32列处理器。超线程（Hyper-ThreadingHT）技术允许单个物理处理器用共享的执行资源并发地执行两个或多个分别的代码流（线程）。以提高X86系列处理器执行多线程操作系统与应用程序代码的性能。同济大学电信学院从体系结构上说，支持HT技术的IA-32处理器，在一个物理处理器核中由两个或多个逻辑处理器构成，每个逻辑处理器有它自己拥有的IA-32体系结构状态。每个逻辑处理器由全部的IA-32数据寄存器、段寄存器、控制寄存器与大部分的MSR构成。1.1.9Intel超线程处理器同济大学电信学院图1-1显示支持HT技术（用两个逻辑处理器实现的）的IA-32处理器与传统的双处理器系统的比较。1.1.9Intel超线程处理器同济大学电信学院1.1.9Intel超线程处理器同济大学电信学院不像用两个或多个分别的IA-32物理处理器的传统的MP系统配置，在支持HT技术的IA-32处理器中的逻辑处理器共享物理处理器的核心资源。这包括执行引擎和系统总线接口。在上电和初始化以后，每个逻辑处理器能独立地直接执行规定的线程、中断或暂停。1.1.9Intel超线程处理器同济大学电信学院HT技术由在单个芯片上提供两个或多个逻辑处理器支持在现代操作系统和高性能应用程序中找到的进程与线程级并行。以在每个时钟周期期间最大地使用执行单元。而提高了处理器的性能。1.1.9Intel超线程处理器同济大学电信学院双核技术是在IA-32处理器系列中硬件多线程能力的另一种形式。双核技术由用在单个物理包中有两个分别的执行核心提供硬件多线程能力。因此，IntelPentium处理器极品版在一个物理包中提供四个逻辑处理器（每个处理器核有两个逻辑处理器）。1.1.9Intel超线程处理器同济大学电信学院IntelPentiumD处理器也以双核技术为特色。此处理器用双核技术提供硬件多线程支持，但它不提供超线程技术。因此，IntelPentiumD处理器在一个物理包中提供两个逻辑处理器，每个逻辑处理器拥有处理器核的执行资源，如图1-2所示。1.1.9Intel超线程处理器同济大学电信学院1.1.10Intel双核技术处理同济大学电信学院Intel奔腾处理器极品版中引入了Intel扩展的存储器技术（IntelEM64T）对于软件增加线性地址空间至64位与支持物理地址空间至40位。此技术也引进了称为IA-32e模式的新的操作模式。1.1.10Intel双核技术处理同济大学电信学院1.2计算机基础1.2.1计算机的基本结构上述的CPU、主板、内存条、硬盘、软盘、显示卡、显示器、键盘、鼠标等。这些都是计算机的部件，虽然这些部件的功能与性能都有了巨大的发展，但是计算机的基本结构未变，如图1-7所示。同济大学电信学院1.2.1计算机的基本结构同济大学电信学院计算机最早是作为运算工具出现的。显然，它首先要有能进行运算的部件，称为运算器；其次要有能记忆原始题目、原始数据和中间结果以及为了使机器能自动进行运算而编制的各种命令的器件，这种器件就称为存储器；再次，要有能代替人的控制作用的控制器，它能根据事先给定的命令发出各种控制信息，使整个计算过程能一步步地自动进行。1.2.1计算机的基本结构同济大学电信学院但是光有运算器、控制器和存储器还不够，原始的数据与命令要输入，所以需要有输入设备；而计算的结果(或中间过程)需要输出，就要有输出设备。这样就构成了一个基本的计算机系统。1.2.1计算机的基本结构同济大学电信学院在计算机中，基本上有两种信息在流动。一种信息为数据，即各种原始数据、中间结果、程序等。这些数据要由输入设备输入，存于存储器中。在运算处理过程中，数据从存储器读入运算器进行运算，运算的中间结果要存入存储器中，或最后由运算器经输出设备输出。1.2.1计算机的基本结构同济大学电信学院人们给计算机的各种命令(即程序)，也以数据的形式由输入设备存至存储器中。在运行时从存储器中取出送入控制器，由控制器经过译码后变为各种控制信号。这就是计算机中的另一种信息流即控制命令，由控制器控制输入装置的启动或停止。控制运算器按规定一步步地进行各种运算和处理，控制存储器的读和写，控制输出设备输出结果等等。1.2.1计算机的基本结构同济大学电信学院图1-7中的各个部分构成了计算机的硬件(Hardware)。在上述的计算机硬件中，往往把运算器、控制器和存储器合在一起称为计算机的主机；而把各种输入输出设备统称为计算机的外围设备或外部设备（Peripheral）。1.2.1计算机的基本结构同济大学电信学院在主机部分中，又把运算器和控制器合在一起称为中央处理单元CPU(CentralProcessingUnit)。随着半导体集成电路技术的发展，可以把整个CPU集成在一个集成电路芯片上，就把它称为微处理器(Microprocessor)。1.2.1计算机的基本结构同济大学电信学院人们把以微处理器为核心构成的计算机，称为微型计算机，最典型的就是上述的PC机。若内存的容量较小，输入输出设备少，整个计算机可以只安装在一块印刷电路板上，这样的计算机就称为单板计算机。若能把整个计算机集成在一个芯片上，就称为单片机。1.2.1计算机的基本结构同济大学电信学院但不论计算机的规模大小，CPU只是计算机的一个部件。必须同时具有CPU、存储器和输入输出设备，才能构成一台计算机。1.2.1计算机的基本结