第2章微型计算机系统的组成及工作原理

接口与通讯技术武汉科技大学计算机科学与技术学院第2章微型计算机系统的组成及工作原理本章内容2.1微型计算机系统2.2微处理器2.3存储器2.4I/O设备与I/O设备接口2.5总线2.1微型计算机系统2.1.1微机系统的硬件组成——微处理器、存储器和I/O设备与接口，通过总线连接2.1.2微机系统的软件配置系统软件、工具软件、应用软件、用户应用程序存储器系统微处理器I/O系统总线总线动态RAM(DRAM)静态RAM(SRAM)高速缓存(Cache)只读存储器(ROM)EEPROM闪速存储器(Flash)80868088802868038680486Pentium打印机/显示器串行通信设备U盘硬盘驱动器鼠标/键盘CD-ROM/DVD绘图仪/扫描仪2.1.3微机系统中的信息流与信息链1.微机系统中信息流与信息链的构成信息流：存储器中的数据、程序代码；接口寄存器中的I/O数据、状态、I/O命令信息链：信息流在系统中流动的路径；包括物理(硬件)环节和逻辑(软件)环节2.微机系统中信息流与信息链——早期微机系统/现代微机系统中的信息链3.研究信息流与信息链的意义——通过信息流从整体上认识微机体系结构和组成微机系统的各部件之间的关系2.2微处理器2.2.1微处理器的作用——主控者，通过总线连接存储器系统和I/O系统对数据加工处理、对存储器访问、对I/O设备控制2.2.2微处理器组成的基本部件及工作原理1.微处理器的基本部件——运算部件、控制部件、通用寄存器、接口2.微处理器的基本工作原理(1)运算部件(2)控制部件(3)通用寄存器组(4)程序计数器(5)微处理器与外界连接电路2.2微处理器2.2.3微处理器的功能结构8086微处理器的内部功能结构1.执行单元EU——执行指令——算术逻辑单元ALU、EU控制电路、通用寄存器组、标志寄存器、运算数据寄存器2.总线接口单元BIU——产生内存物理地址，实现对内存和I/O端口的读/写操作(1)物理地址的形成(2)指令指针寄存器(3)指令队列3.EU和BIU的相互作用2.2.4微处理器的外部特性8086微处理器外部特性2.2.5微处理器的编程模型——微处理器内部用户可访问的寄存器及相应的指令格式16位微处理器的编程模型(1)数据寄存器累加器AX；基址寄存器BX；计数器CX；数据寄存器DX各寄存器的隐含应用(2)段寄存器段的定义；段的类型；段的长度CS、DS、ES、SS(3)指针寄存器和变址寄存器堆栈指针SP、堆栈基址指针BP、变址寄存器SI和DI(4)指令指针寄存器IP(与CS配合；用户不可访问)(5)标志寄存器16位微处理器的标志寄存器使用了9位——6个状态标志+3个控制标志2.2.6微处理器的工作模式1.实模式——16位微处理器的工作模式(本书涉及的内容)①存储器地址空间采用实地址，不支持虚存②使用20位地址，支持1MB的内存空间寻址③存储器管理采用分段机制，不支持页式管理④无保护机制，不支持存储器保护功能⑤单任务运行，不支持多任务2.保护模式——现代微处理器的本机模式①采用虚拟技术，支持虚存，虚存地址空间可达64TB②使用32位物理地址，支持4GB的物理内存空间③采用分段与分页机制，实现虚存管理④具有保护机制，实现存储器内容的保护与隔离⑤基于虚拟机，支持多任务3.虚拟8086模式(V86模式；限制了一些特权指令的执行)——既保持与8086工作模式兼容，又支持保护模式下的保护机制、分页管理及多任务机制2.2.7现代微处理器的新技术1.高速缓冲存储技术Cache2.流水线技术Pipeline3.精简指令技术RISCCISC(ComplexInstructionSetComputer)RISC(ReduceInstructionSetComputer)4.多核技术Multi-Core多片多处理器结构Multi-Processing——一个微机系统中使用一组独立(并行)的处理器芯片，各处理器芯片共享内存及总线，又称对称多处理结构SMP单芯片多处理器CMP(ChipMulti-Processing)——将多个拥有相同功能的处理器整合到一个芯片内，各处理器并行执行不同的进程2.3存储器2.3.1存储器的作用2.3.2存储器的类型与层次1.类型——按制造工艺、存取方式分类2.存储器的3个层次2.3.3存储器地址空间和数据组织1.存储器地址空间存储器单元、存储单元的地址2.存储器的数据组织举例说明字节/字/双字的存储；DB、DW、DD2.3.4存储器的管理机制——分段技术与寻址方案1.存储器的分段技术对段的起始地址的要求、段的大小——段基址(段地址)、偏移地址；段重叠2.存储器的寻址方案(机制)(1)“段+偏移”的寻址方案(2)“段+偏移”寻址组合的潜在规则默认的组合关系；跨段前缀的使用(3)“段+偏移”寻址方案的优点——可重定位段地址偏移地址主要用途CSIP指令地址SSSP或BP堆栈地址DSBX、DI、SI、8位/16位数据数据地址DS串指令的SI串源地址ES串指令的DI串目标地址2.3.5存储器逻辑地址和物理地址的形成1.存储器逻辑地址段基址：16位的段寄存器指定偏移地址：多种组合方式，由寻址方式决定2.存储器物理地址的形成(1)存储器物理地址的计算——举例说明物理地址=段寄存器的值16+偏移地址(2)不同的逻辑地址可映射成同一个物理地址2.3.6堆栈1.什么是堆栈及堆栈的作用后进先出(LIFO)、入栈(压栈)、出栈(弹出)、栈底、栈顶保护现场、断点地址等2.堆栈的入栈和出栈操作PUSH、POP指令；举例说明具体操作2.3.7现代微机系统存储器的新特点1.管理模式不同对存储器的管理模式与微处理器的工作模式有关——实模式下的分段；保护模式下的分段/分页2.虚拟存储器的概念虚存、为什么要采用虚存、如何实现虚存2.4I/O设备与I/O设备接口2.4.1I/O设备及其接口的作用1.I/O设备的作用2.I/O设备接口的作用——连接与转换2.4.2I/O设备的类型及设备的逻辑概念1.I/O设备的类型——标准设备和非标准设备2.I/O设备的逻辑概念——抽象为端口，或文件2.4.3I/O设备所涉及的技术I/O设备的工作规律、外部连接特性、信号特点、工作速度2.4.4现代微机接口技术的新概念多总线的应用及总线结构层次化使接口技术分层次用户接口(设备接口，如ISA)、总线接口(桥)2.5总线2.5.1总线的作用——微机系统各成员间的连接与传输信息2.5.2总线的组成数据总线：双向三态；宽度表示数据传输能力——ISA为16位，PCI为32位或64位地址总线：单向三态；数目决定了系统的寻址能力——ISA为20位，扩展后24位；PCI为32位或64位控制总线：单向/双向、三态/非三态；决定总线功能的强弱和适应性电源线和地线：决定总线使用的电源种类及地线分布和用法——ISA使用±12V和±5V；PCI使用+5V或+3V；笔记本MCIA使用+3.3V2.5总线2.5.3总线的性能参数总线频率、总线宽度、总线传输率、同步方式、多路复用、负载能力、信号线数、总线控制方式、其他性能指标2.5.4总线传输操作过程申请与仲裁阶段、寻址阶段、传输阶段、结束阶段2.5.5总线标准及总线插槽1.总线标准——各组成部件通过总线连接和传输信息时应遵守的协议和规范，包括硬件和软件微机系统内部总线标准、外部总线标准2.总线插槽2.5.6ISA总线的定义与应用1.ISA总线的特点——也称AT总线，是16位并且兼容8位微机系统的总线；16位数据宽度、24位地址宽度、最高工作频率8MHz，数据传输率达16MB/s(1)支持16MB存储器寻址能力和64KBI/O端口寻址能力(2)支持8位和16位数据读写能力(3)支持15级外部中断和7级DMA传输能力(4)支持的总线周期包括：8位/16位存储器读/写周期、8位/16位I/O读/写周期、中断周期和DMA周期2.5.6ISA总线的定义与应用2.ISA总线的信号线定义——98芯插槽，包括地址线、数据线、控制线、时钟和电源线(1)地址线：SA019和LA1723(2)数据线：SD015(3)控制线：AEN、BALE、和、和和、和、SBHEIRQ37和IRQ912、IRQ1415、DRQ03和DRQ57、、T/CDMA、RESETDRV、、I/OCHRDY、、其他信号(时钟、电源、地线)IORIOWSMEMRSMEMWMEMRMEMW16CSMEM16CSI/O0DACK3DACK5DACK7DACKMASTERCHCKI/OOWS2.5.6ISA总线的定义与应用3.ISA总线的应用——连接传统的低速设备(1)ISA总线与I/O设备接口的连接(2)使用ISA总线需要注意的问题确定实际使用的总线数目总线的隔离与驱动——使用驱动器或锁存器，将用户模块与系统隔离对一些有特殊要求的总线的使用①数据总线使用双向三态驱动元件进行驱动与隔离②上升沿触发的中断信号要加下拉电阻，防止误触发③电源的共地2.5.7现代微机总线技术的新特点1.多总线技术——同时存在几种性能不同的总线，按性能的高低分层次组织高性能总线靠近CPU；低性能总线远离CPU2.总线结构层次化——CPU总线、PCI总线、本地总线(1)CPU总线(Host总线)——最高速；存储器及超高速外设(2)PCI总线——次高速通路；高性价比、跨平台；不同平台的微机乃至工作站的标准总线(3)本地总线(用户总线)——早期微机的系统总线；一般速度或慢速设备的连接，如ISA总线2.5.7现代微机总线技术的新特点3.总线桥(1)总线桥——总线转换器和控制器，是两种不同总线间的总线接口内部包含兼容协议及总线信号和数据缓冲电路；把一条总线映射到另一条总线上北桥：连接CPU总线和PCI总线的桥南桥：连接PCI总线和本地总线(如ISA)的桥(2)PCI总线芯片组——实现总线桥功能的一组大规模集成专用电路保持主板结构不变前提下，改变这些芯片组的设计，即可适应不同微处理器的要求4.多级总线结构中接口与总线的连接2.5.8现代微机层次化总线结构对接口技术的影响总线与接口的关系、接口技术分层次新概念的提出