微机原理与接口技术01

钱晓捷，微机原理与接口技术·第4版——基于IA-32处理器和32位汇编语言第1章微型计算机系统1.1微型计算机的发展1.2Intel80x86系列处理器1.3微型计算机系统组成微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社1.1微型计算机的发展微型计算机（Microcomputer）性能适中、价格低廉、体积较小的计算机最常见的计算机现代计算机三大主要应用形式的主角桌面个人微机（PC机）服务器嵌入式计算机系统采用微处理器为核心构造的计算机微处理器、处理器、中央处理单元CPU计算机的运算和控制核心采用一块大规模集成电路芯片构成微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社处理器的基本性能指标字长（Word）处理器每个时间单位处理的二进制数据位数（例如一次进行运算、传输的位数）指示处理器的数据处理能力时钟频率处理器的处理速度反映处理器的基本时间单位集成度芯片上集成的晶体管数量表明处理器的生产工艺水平4、8、16、32、64、128Hz、kHz、MHz、GHz微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社1.1.1通用微处理器4位微处理器1971年，Intel4004，第一个微处理器8位微处理器M6800、Z80和Intel8080/8085Apple公司苹果机16位微处理器Intel8086/808816位个人计算机（PC：PersonalComputer）32位微处理器80386，80486，Pentium～Pentium432位PC机，APPLE公司的Macintosh机64位微处理器IA-64结构：Itanium（安腾）x86结构：AMD的64位处理器、Intel64处理器采用4004的计算器Intel4004性能指标微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社1.1.2专用微处理器单片机（微控制器，嵌入式控制器，MCU）Intel的MCS-48，MCS-51，MCS-96/98系列爱特梅尔（Atml）公司的AT89系列（与MCS-51兼容），AT91系列（基于ARM内核）MicrochipTechnology公司的PIC系列数字信号处理器（DSP）专注于数字信号的高速处理美国德州仪器TI公司TMS320各代产品主要应用于通信、消费类电子产品和计算机主要应用形式：嵌入式系统IP级结构，芯片级结构，模块级结构微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社1.1.3摩尔定律集成电路生产技术推动了计算机的飞速发展摩尔定律（Moore'sLaw）集成电路上晶体管密度每年将翻倍每隔18个月硅片密度（晶体管容量）将翻倍每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半摩尔定律不会永远持续今后，性能提高更多地得益于计算机系统结构的革新现在，多核处理器使得摩尔定律延续微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社1.2Intel80x86系列处理器8038680486奔腾奔腾II奔腾4802868086奔腾III酷睿24004不是我不明白，这世界变化太快。扎扎实实掌握知识，以不变应万变！IA-32处理器安腾微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社1.2.116位80x86处理器1.808616位结构的处理器：数据总线为16位主存容量1MB：地址总线为20位时钟频率5MHz（IBMPC使用4.77MHz）准16位微处理器8088：外部数据总线为8位IBMPC和PC/XT机使用Intel8088CPU2.8028616位数据总线、24位地址总线（16MB主存）实方式（RealMode）保护方式（ProtectedMode）IBMPC/AT机使用Intel286CPUIntel8086微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社处理器总线数据总线（DB：DataBus）处理器与存储器或外设交换信息的通道个数(条数)是一次能够传送数据的二进制位数地址总线（AB：AddressBus）指定存储器或外设的具体单元个数反映访问的主存储器容量或外设范围控制总线（CB：ControlBus）控制处理器数据传送等操作例如存储器读信号（MEMR）、存储器写（MEMW）外设读（IOR）、外设写（IOW）微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社地址条数与主存容量Intel80x86地址条数存储容量8086201MB8088201MB802862416MBIA-32324GB一个信号对应两种状态：高或低两种编码：1或0N：2N1KB＝210B＝1024B1MB＝220B＝1024KB1GB＝230B＝1024MB微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社1.2.2IA-32处理器英特尔32位结构IA-32（IntelArchitecture-32）指令集结构IA-32处理器Intel80386Intel80486PentiumPentiumPro、PentiumII、PentiumIIIPentium4Celeron、Xeon、PentiumM微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社1.8038632位结构数据总线32位，地址总线32位，可寻址4GB主存80386指令系统全面升级为32位虚拟8086方式（Virtual8086Mode）保护方式下的8086工作方式系统管理方式（SystemManagementMode）低功耗节能状态Intel386微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社2.8048680486＝80386＋80387＋8KBCache集成浮点处理单元FPU8086/8088：8087，80286：80287，80386：80387具有片上高速缓冲存储器(L1Cache)微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器用于提高整个存储器系统的存取速度融合RISC的技术的CISC指令流水线指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行多条指令可以在不同的执行阶段同时进行时钟倍频思想微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社3.Pentium俗称的80586处理器，奔腾处理器32位结构，连接主存的外部数据总线是64位超标量（Superscalar）技术具有可以并行工作的2条整数处理流水线可以达到每个时钟周期执行2条指令双路高速缓冲结构8KB代码高速缓冲存储器8KB数据高速缓冲存储器IntelPentium微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社4.PentiumPro原称P6，中文名称为“高能奔腾”两个芯片组成CPU与一级（L1）Cache（8KB代码和8KB数据）二级（L2）Cache（256KB或512KB）扩展的超标量技术12级指令流水线能同时执行3条指令动态执行技术分支预测、数据流分析和推测执行微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社5.PentiumII多媒体扩展指令（MMX指令）MMX（MutliMediaeXtension）整数运算多媒体指令图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化提升微机对多媒体的处理能力PentiumMMX（多能奔腾）MMX指令应用于Pentium处理器PentiumIIMMX指令应用于PentiumProIntelPentiumII微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社6.PentiumIII数据流SIMD扩展指令（SSE指令）SSE（StreamingSIMDExtensions）浮点单精度多媒体运算指令提高浮点3D数据的处理能力SSE指令类似于AMD公司发布的3DNow!指令PentiumIII：SSE指令应用于PentiumII单指令多数据SIMDSingleInstructionMultipleData表示一条指令具有同时处理多组数据的能力微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社7.Pentium4NetBurst的微结构（Microarchitecture）指令级并行ILP（Instruction-LevelParallel）进一步发掘指令之间可以同时执行的能力超线程HT（HyperThreading）线程级并行TLP（Thread-LevelParallel）发掘程序中的并行性一个物理处理器形成两个逻辑处理器SSE2指令增强浮点双精度多媒体运算能力SSE3指令增强和完善MMX，SSE和SSE2指令IntelPentium4微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社8.Celeron和XeonCeleron（赛扬）处理器面向低端（低价位）PC机Xeon（至强）处理器面向高端服务器、工作站PentiumM（Mobile）处理器针对便携式PC机（笔记本电脑）Centrino（迅驰）处理器，支持无线通信AMD处理器AMD公司生产的IA-32处理器兼容芯片Intel公司最主要的竞争对手微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社1.2.3Intel64处理器1.Intel64结构64位线性地址空间，支持40位物理地址空间32位扩展工作方式（IA-32e）8个附加的通用寄存器、8个附加的SIMD多媒体寄存器、64位通用寄存器和64位指令指针等2.IntelCore微结构提高了性能并降低了功耗多核处理器的基础3.多核技术（Multi-core）一个芯片上制作两个或多个处理器执行核心Manycore微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社1.3微型计算机系统组成运算器控制器寄存器组主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硬件（Hardware）：物理设备软件（Software）：程序和文档微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社1.3.1冯·诺依曼计算机结构ENIAC冯·诺伊曼微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社冯·诺伊曼计算机的基本思想采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成将程序和数据存放在存储器中，计算机在工作时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。这就是“存储程序”和“程序控制”（简称存储程序控制）的概念指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成，并规定了5部分的基本功能微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社1.组成部件5大部件组成控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备3个硬件子系统处理器、存储系统和输入输出系统微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社2.二进制编码计算机采用二进制形式表示数据和指令现实中的一切，计算机中都是0和1数码二进制编码按照一定规律组合的0和1数码不同的信息用不同的数码表示同样的信息也可以用不同的编码规则用不同的数码表示二进制只支持“0”和“1”两个数码表示电源的关和开等两种状态对应数字信号的低电平和高电平微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社程序、指令、操作码程序用程序设计语言编写，由指令构成指令(机器语言)是控制计算机操作的命令指令由操作码和地址码组成操作码（Opcode）表明指令的操作地址码、操作数（Operand）是参与操作的数据指令的代码格式：二进制编码规则处理器的母语是指令微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社基本数据单位（二进制位）1位比特（bit：binarydigit）4位半字节（Nibble）8位字节（Byte）16位字（Word）32位双字（Doubleword）64位4字（Quadword）D7D6D5D4D3D2D1D0哪“位”？二进制B，十进制D，还是十六进制H？微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社3.存储程序和程序控制存储程序把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，这些指令按一定的规则组成程序程序控制当计算机启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务存储单元地址为每个存储单元编排的一个唯一的编号现代计算机中，主存储器是字节可寻址的：主存储器的每个存储单元具有一个地址，保存一个字节的信息地址＝编号微机原理与接口技术·第4版机械工业出版社取指－译码－执行周期取指（Fetch）处理器从主存储器读取指令译码（Decode）翻译指令代码的功能