第2章微处理器结构及基本工作原理

第2章微处理器结构及基本工作原理2.1微处理器基本的结构及工作原理2.28086微处理器的功能结构2.380X86微处理器的功能结构2.4Pentium级微处理器的功能结构2.5CPU的主要性能指标退出1.1微处理器的结构及工作原理2.1.1微处理器的基本结构1．寄存器组寄存器是CPU的组成部分，用来存放数据和地址。累加器A（Accumulator）和标志寄存器F（Flag）是寄存器组中极为重要的两个寄存器。2．算术逻辑单元ALU在指令译码器产生的操作控制信号作用下，完成各种算术运算、逻辑运算或其它操作。3．控制器控制器源源不断地从内存储器取来指令，并对之译码，产生计算机各部件所需要的操作控制信号。（1）程序计数器PC每当取出一个字节的指令后，PC自动加1，PC中的内容就是下一个指令字节所在的存储单元的地址。（2）地址寄存器AR（3）数据寄存器DR（4）指令寄存器IR（5）时序微处理器的时序就是指微处理器执行各种指令的动作过程及其在时间上的对应关系。将一条指令的执行过程分为若干个不同的基本操作，完成每一个基本操作所需的时间称为机器周期。每个时钟周期是微处理器处理动作的最小的时间单位，称为T周期或T状态。4.总线（BUS）系统总线是连接CPU、存储器或I/O端口等部件之间的总线，2.1.2处理器的基本工作原理1．存储程序的概念程序是人们为解决某个实际问题而事先设计好的具体的操作步骤，由指示计算机执行具体操作的有序命令（即指令）序列组成，并被存储在存储器中，计算机的整个工作过程就是周而复始地从存储器中取出指令、分析指令和执行指令。2．指令的执行过程要解决某一问题，必须对其进行具体分析，提出解决问题的方法和步骤，即算法；然后用该计算机指令系统中的指令来描述该算法，即设计程序。（1）取第一条指令操作码的操作过程（2）执行第一条指令（即取第一条指令第二字节）的操作过程取第一条指令操作码的操作过程图2-3取第一条指令操作码的操作过程2.28086微处理器的功能结构2.2.1总线接口单元(BIU)总线接口部件BIU主要由地址加法器、专用寄存器组、指令队列缓冲器以及总线控制电路等四个部件组成。BIU的总线控制电路将CPU的内部总线与外部总线相连，是CPU与外部交换数据的通路。2.2.2执行单元(EU)指令执行部件EU主要由算术逻辑运算单元ALU、标志寄存器FR、通用寄存器组和EU控制器等四个部件组成。2.2.38086CPU的引脚功能8086CPU采用标准DIP40线封装，根据它的基本性能至少包含16条数据线，20条地址线，再加上其它一些必要的控制信号。2.2.4寄存器组1．通用寄存器组8086的通用寄存器可分为两组。数据寄存器：包括4个16位的寄存器AX、BX、CX和DX，可用来存放16位的数据或地址。同时每个数据寄存器又可分成两个8位寄存器：AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH和DL，用来存放8位数据。2．段寄存器和存储器分段8086系统中采用分段技术把1M字节的存储空间分成若干个逻辑段，每段最长为64K字节，这些逻辑段可在整个存储空间中浮动，用段寄存器给定各个逻辑段的首地址的高16位，这个地址被称作段基址。代码段寄存器CS，数据段寄存器DS，,附加段寄存器ES，堆栈段寄存器SS。3．标志寄存器8086CPU中设置了一个16位标志寄存器FR，用来存放运算结果的特征。各位含义如下：CF（CarryFlag）进位标志位：当进行16位或8位数加法或减法运算时，若最高位产生进位或借位时，CF=1；否则CF=0；逻辑运算的结果总使CF=0。PF（ParityFlag）奇偶校验标志位：若运算结果低8位中含有偶数个“1”时，PF=1；否则PF=0。AF（AuxiliaryCarryFlag）辅助进位标志位：当进行8位数运算时，低4位向高4位产生进位或借位时AF=1；否则AF=0。ZF（ZeroFlag）零标志位：若运算结果为0，则ZF=1；否则ZF=0。SF（SignFlag）符号标志位:对于带符号的数，用最高位表示数的符号。若运算结果的最高位为1，表示结果为负数，SF=1；否则SF=0。OF（OverflowFlag）溢出标志位:当进行带符号数补码运算时，OF=1；否则OF=0。IF（InterruptEnableFlag）中断允许标志位:用于允许或禁止CPU响应可屏蔽中断，由程序控制。若IF=1，则CPU可以响应引脚INTR来的外部中断请求；若IF=0，则禁止CPU响应引脚上的中断请求。IF位可通过STI指令或CLI指令进行置位或复位。DF（DirectionFlag）方向标志位:用于控制字符串指令操作的步进方向，由程序控制。当DF=1，表示串运算指令地址指针自动减量（字节操作减1，字操作减2），即串操作由高地址向低地址进行，反之地址指针自动增量，串操作由低地址向高地址进行。DF可通过STD指令或CLD指令进行置位或复位。TF（TrapFlag）单步标志位:也称陷阱标志，该标志是为了调试程序而设置的。当TF=1表示CPU以单步方式执行程序，当TF=0，表示CPU正常执行程序。2.2.58086基本时序8086基本时序有时钟周期、指令周期和总线周期。（1）时钟周期CPU的任何操作都是在时钟脉冲信号CLK的统一控制下，一个节拍一个节拍地工作。时钟脉冲信号的间隔时间称为时钟周期，通常表示为T周期。(2)指令周期任何指令的执行过程都是由取指令、指令译码和指令执行等操作组成的。完成一条指令所有操作需要的时间称为指令周期。（3）总线周期CPU与外部系统的信息交换都是通过总线来进行。完成一次总线操作所需的时间称为总线周期。2.2.68086存储器组织1.存储器的分段8086微处理器有20根地址线，因此，具有220=1M字节的存储器地址空间。这1M字节的内存单元按照00000H～FFFFFH来编址。把1M存储空间分成若干个逻辑段，每个逻辑段容量为64K字节，段内任一单元的地址可用一个16位的整数表示，称为偏移地址或偏移量，访问某一个存储器单元（包含在某逻辑段中），只要先找到其所在段的起始处，称为段基址或段址，存放段址的寄存器称为段地址寄存器或段址寄存器。在8086系统中一个存储器单元的地址可由段地址和偏移地址两部分组成，即段地址：段内偏移地址。2．物理地址与逻辑地址的转换地址计算公式为：物理地址=段基址×16+偏移地址。2.380X86微处理器的功能结构2.3.180286微处理器80286微处理器与8086兼容。它有68条引脚，其中地址引脚有24位，所以其内存地址空间增大为16MB，但其数据总线仍为16位。1.内部结构80286的内部由总线单元、指令单元、执行单元和地址单元4部分组成。2.寄存器组(1)多了一个16位的机器状态字（MSW）寄存器，(2)标志寄存器增加了两个控制字段。3.引脚功能80286有24根地址线，16根数据线，16根控制线。2.3.280386微处理80386是全32位（80386DX）和准32位（80386SX）的微处理器，它具有32位数据处理能力，其地址总线也为32位，所以访问内存空间可达到4GB（232）。1.内部结构80386内部结构由6部分组成：执行单元ALU、段单元、分页单元、总线单元、指令译码单元和指令预取单元。2.寄存器组寄存器组大部分与80286相同，不同有：32位寄存器。除段寄存器外，其他寄存器为32位，寄存器名为EAX、EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、ESI、EDI、EIP和EFLAGS。80386采用PGA(管脚栅格阵列)封装技术，每边三排引脚，共132根。2.3.380486微处理器80486微处理器主要有以下几方面的特点：（1）芯片为网络阵列式封装，有168条引脚，其中数据总线引脚与地址总线引脚均为独立的32位通道。（2）微处理器内部为全32位结构，即寄存器、ALU和内部数据总线都是32位。（3）部分采用RISC技术。（4）支持突发总线周期操作，即一次总线周期操作可完成一个数据块的传送（5）片内具有8KB的数据/指令高速缓存Cache。（6）片内集成了浮点运算部件，可支持32位、64位和80位的浮点算术运算。（7）片内具有存储管理部件MMU，可支持对存储器地址实施管理和对存储器空间进行保护。（8）具有三种工作方式，即实地址方式、虚拟地址保护方式和虚拟8086方式。2.4Pentium级微处理器的功能结构2.4.1Pentium微处理器1.概述Pentium微处理器是Intel80X86系列微处理器的第五代产品。芯片规模比80486芯片大大提高，比80486更快的运算速度和更高的性能。2．Pentium的功能结构（1）超标量体系结构（2）浮点指令流水线与浮点指令部件（3）指令转移预测部件（4）数据和指令高速缓存3．Pentium的内部寄存器Pentium微处理器对80486的寄存器作了扩充：EFLAGS标志寄存器增加了两位：VIF（位19）、VIP(位20)，控制寄存器CR0的CD位和NW位被重新定义以控制Pentium的片内高速缓存，并新增了CR4控制寄存器对80486结构进行扩充。2.4.2PentiumⅡ微处理器1.概述PentiumⅡ（PⅡ）处理器采用了与Pentium相同的核心结构，从而继承了原有Pentium处理器优秀的32位性能，并同时增加了对多媒体的支持和对16位代码优化的特性，它能够同时处理两条MMX指令。PentiumⅡ处理器有如下特点：（1）双重独立总线（DIB）体系结构；（2）多重跳转分支预测；（3）数据流分析，分析并重排指令，使指令以优化的顺序执行，与原始程序的顺序无关；（4）指令推测执行，通过预先查看程序计数器PC并执行那些将要执行的指令，提高了速率；（5）采用IntelMMX技术，包括了57条增强的MMX指令技术，可处理视频、声频及图像数据。2．PentiumⅡ的内部结构2.4.3PentiumⅢ微处理器1999年2月底Intel推出了450MHz和500MHz，以后推出更高频率的PentiumⅢ，总线频率为100/133MHz，内部核心部分集成了950万只晶体管，0.25μm工艺的一代处理器PentiumⅢ。PentiumⅢ具有SIMD浮点部件，又增加了70条多媒体指令。早期采用slot封装。PentiumⅢ的主要参数特点如下：（1）主频450MHz以上；（2）总线频率100MHz/133MHz；（3）新增加70条多媒体指令；（4）2.0V供电、0.25μm工艺制造；（5）32KB的L1Cache以主频速度工作，512KB的L2Cache以主频一半速度工作。2.5CPU的主要性能指标1.时钟频率（主频）CPU在单位时间（s）内发出的脉冲数，常用以兆赫（MHz）为单位。2．外部时钟频率表示系统总线的工作频率，而倍频则是指CPU的外频与主频相差的倍数。3.前端总线频率是数据传输的实际速度，即每秒钟CPU可接受的数据传输量。4.超线程是一种同步多线程执行技术，采用此技术的CPU内部集成了两个逻辑处理器单元，相当于两个处理器实体，可以同时处理两个独立的线程。5.超标量CPU，就是集成了多个ALU、多个FPU、多个译码器和多条流水线的CPU，以并行处理的方式来提高性能。2.4.4Pentium4处理器1．Pentium4处理器的基本特点Pentium4第一代微处理器核心为Willamette。第二代引入了Northwood内核，以后内核是Callatin、Prescott和Smithfield，采用0.13μm和0.09μm工艺制造，封装形式为mPGA-478和LGA775，具有512KB～2M二级缓存，并支持133/166/200MHz的外频。通过Pentium4特有的4倍频技术，前端总线频率（FSB）将达到400～800MHz。2．Pentium4微处理器的内部结构Pentium4微处理器内部结构包括：两级缓存系统、三条超标量流水线、乱序执行单元等。（1）跟踪缓存（Tcache）（2）更深的流水线（3）双重并发算术逻辑单元（ALU）（4）低延迟数据缓存（5）高