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第2章微型计算机结构第2章微型计算机结构2.180x86微处理器概述2.2基于微处理器的计算机系统构成2.3微处理器2.4存储器习题2第2章微型计算机结构2.180x86微处理器概述2.1.1微处理器发展简介80x86是美国Intel公司生产的微处理器系列。该公司成立于1968年，1969年就设计了4位的4004芯片，1973年开发出8位的8080芯片，1978年正式推出16位的8086微处理器芯片，由此开始了Intel公司的80x86微处理器系列的生产和使用历史。第2章微型计算机结构计算机主要由运算器、控制器、存储器和输入/输出设备构成。20世纪70年代初期，由于大规模集成电路技术的发展，已经开始把运算器和控制器集成在一个芯片上，构成中央处理机(CentralProcessingUnit，简称CPU)，80x86就是这样一组微处理器系列产品。第2章微型计算机结构很多计算机厂商把微处理器芯片作为中央处理机，再配上存储器、输入/输出接口设备和系统软件等构成微型计算机系统。例如，由80386微处理器芯片构成的微机称为386微机；由80486微处理器芯片构成的微机称为486微机等。表2-1给出Intel公司生产的80x86微处理器系列的一些主要技术数据。从表2-1中可以看出这一芯片系列的发展概况。第2章微型计算机结构2.1.2与微处理器相关的概念1.芯片集成度集成电路芯片中所包含的晶体管数目称为芯片集成度。集成度的高低表明微处理器集成规模的程度，如小规模、大规模和超大规模集成电路。2.微处理器主频主频是指芯片的主时钟频率，它直接影响计算机的运行速度。由于处理器体系结构的差别，同样的主频可能产生不同的计算速度，但主频仍然是反映计算机速度的一个重要指标。第2章微型计算机结构表2-180x86微处理器概况型号发布年份字长/ 位晶体管数/ 万个80861978162.980881979162.98028619821613.48038619863227.580486198932120～160Pentium(586)199332310～330第2章微型计算机结构主频/ MHz数据总线宽度/ 位外部总线宽度 / 位地址总线宽度/ 位寻址空间/ B高速缓存4.771616201M无4.77168201M无6～2016162416M无12.5～333232324G有25～1003232324G8KB60～1666464324G8KB数据8KB指令第2章微型计算机结构PentiumPro(P6)199532550+1550150～20064643664G8KB数据8KB指令256KB二级高速缓存PentrumⅡ199732750233～33364643664G32KB512KB二级高速缓存有独立封装和独立总线第2章微型计算机结构3.系统总线总线(简称Bus)是指微处理器外部连接各器件的一组公共信息通道。一般分为三类：(1)数据总线(DataBus，DB)：负责计算机中数据在各组成部分之间的传送。数据总线宽度是指在芯片内部数据传送的二进制数位数，外部数据总线宽度则是指芯片内和芯片外交换数据的宽度。第2章微型计算机结构(2)地址总线(AddressBus，AB)：负责计算机中地址数据在各组成部分之间的传送。地址总线宽度是指专用于传送地址数据的位数，根据这一数值可确定处理机可以访问的存储器的最大范围(寻址空间)，如20位地址总线可访问220＝1 048 576个存储单元。在计算机中，为方便起见，在讨论存储器容量时，以210=1024为基本单位，称为1K，1024K就称为1M。所以20位地址总线可访问1 M个存储单元, 24位地址总线可访问16 M个存储单元，1024 M称为1 G，32位地址总线可访问4G个存储单元。第2章微型计算机结构在计算机里，8个二进制位组成一个字节(Byte)，一般存储器以字节为存储信息的基本单位，用符号B来表示。这样，上述存储容量又可称为1MB、16MB和4GB等。(3)控制总线(ControlBus，CB)：负责计算机中控制信息在各组成部分之间的传送和产生控制动作。第2章微型计算机结构4.程序存储及存储器组织我们知道，要在计算机上计算一个题目，首先必须用计算机语言把所要计算的题目编制成程序，然后把这一程序(由指令序列组成)连同所要使用的数据一起存入计算机的存储器中。在计算机算题时，要把程序和所用的数据从存储器中取到运算器中进行计算。因此，在计算过程中，为保证运算器能快速运行，存储器也必须源源不断地提供计算所需的指令和数据，并且有与其相应的足够快的速度。为适应这种速度要求，建立了层次结构的存储器组织，其中间层次通常称为主存储器；第2章微型计算机结构比其速度更高、但容量较小的一层称为高速缓冲存储器(Cache)；比其速度慢、但容量很大的一层称为外存储器，如磁带、磁盘、光盘等。高速缓冲存储器(以下简称高速缓存)对提高计算机的计算速度起很重要的作用。高速缓存早期是做在芯片之外，随着半导体集成电路技术的发展，从80386开始在芯片中已加入少量的高速缓存，在80486的芯片中，集成了8 KB高速缓存。PentiumCPU中有8 KB的指令高速缓存和8KB的数据高速缓存；PentiumPro中除两个8KB的高速缓存外，第2章微型计算机结构还增加了256KB的二级高速缓存，晶体管中增加的1550万个晶体管就是用于二级高速缓存的；PentiumⅡCPU中有32KB的高速缓存，它的二级高速缓存容量为512 KB，且具有独立的封装和独立的总线，Pentium4CPU中集成了容量更大的Cache。上述措施都是为了提高计算机的速度。第2章微型计算机结构5.处理器运算速度微处理器执行一条指令所花费的时间可用来衡量微型机的运算速度。8086执行一条指令的时间约为400ns，80286为250ns，80486为25ns，Pentium的速度为80486的2倍，PentiumPro为80486的3倍，PentiumⅡ比PentiumPro快10％～25％。提高计算机的工作速度可以说是微处理器芯片发展的核心问题。从80486开始，把协处理器集成到芯片中的目的也是为了提高浮点处理速度。第2章微型计算机结构实际上，在微处理器发展过程中，有很多体系结构方面的措施是无法从表2-1的简单描述中看得出来的，但是从总体上已可看出微处理器芯片的发展速度是非常快的。值得一提的是，从80286开始，在机器的工作方式上，除8086提供的实模式外，还增加了保护模式的工作方式。在保护模式下，机器可提供虚拟存储的管理和多任务的管理机制。虚拟存储的实现，使计算机可以运行程序空间大于主存储器空间的用户程序。第2章微型计算机结构多任务管理的实现，允许多个用户可以同时在机器上工作。从80386起，除支持实模式和保护模式外，又增加了一种虚拟86的工作模式。在这种工作模式下，一台机器可同时模拟多个8086处理器的工作。所有这些措施都是为了提高微型计算机的可用性而开发的，使得微型计算机的应用领域更加广泛，促进了微机技术本身的飞速发展。第2章微型计算机结构2.2基于微处理器的计算机系统构成微型计算机系统包括硬件和软件两部分。硬件是由电子、机械、磁性材料、光电元件等元部件和设备依照计算机系统结构的要求构成的有机的整体；软件则是为了运行、管理和维护计算机而编制的各种程序的集合。第2章微型计算机结构2.2.1硬件系统微型计算机是以微处理器芯片为核心，配以存储器、I/O接口、基本输入/输出设备以及相应的辅助电路构成的，简称微型机或微机。从结构上讲，它以微处理器为中心，通过系统总线把I/O设备、存储器和外部设备等连接成一个整体。图2.1给出了微型计算机硬件系统组成框图。1)运算器运算器是对数据信息进行加工处理的部件，它主要由算术逻辑运算单元（ALU）组成，在控制器的指挥下可以完成各种算术运算、逻辑运算和其他操作。第2章微型计算机结构存储器运算器控制器微处理器CPU主机接口接口输入/输出芯片输出设备输入设备图2.1微型计算机硬件系统组成第2章微型计算机结构2)控制器控制器是指挥和控制计算机各部件协调工作的关键部件，它从存储器中逐条地取出指令，分析指令，并向各部件发出相应的控制信号，使它们一步步地执行指令所规定的操作。另外，它又接收运算器、存储器以及输入/输出设备的反馈信息，以确定程序的执行顺序。第2章微型计算机结构3)存储器存储器是存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，是计算机实现存储程序工作原理的基础。存储器分两类：一类是设置在主机内的半导体存储器，称为主存，也称为内存；另一类是通过接口连接的磁盘或光盘存储器，称为辅存，也称为外存。有关存储器的操作，经常使用下面两个术语：第2章微型计算机结构(1)“读操作”：是指CPU将存储器中存储的某一部分信息取出来进行处理的操作。(2)“写操作”：是指CPU用新的信息刷新存储器原来存储的某一部分内容的操作。存储器的读/写操作是以字节为单位按存储器存储单元地址进行的。第2章微型计算机结构主存储器可由CPU直接访问，存取速度较快，但容量不大，一般用来存放当前运行的程序和数据。CPU和主存储器是信息加工处理的主要部件，通常把这两个部分合称为主机。整个主存被划分成许多个存储单元，每个存储单元编排一个惟一对应的编号，称为存储单元地址，这类似于一个大楼内每个房间有一个房间号。地址与存储单元一一对应。存储器所具有的存储空间大小，即所包含的存储单元总数称为该主存的存储容量。第2章微型计算机结构4)输入/输出设备输入/输出设备又称外设，一般通过I/O接口与CPU相连接，它是计算机与外部世界联系与交换信息的实体。(1)输入设备用于把数字、字符、图形、图像和声音等转换成计算机能识别和接受的信息表示方式，如电信号、二进制编码等，然后把它们放入存储器中。典型的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光学字符识别设备（OCR）、模/数转换装置（A/D）以及其他声像输入设备等。第2章微型计算机结构(2)输出设备把计算机处理信息的结果转换成人们习惯接受的形式（如字符、曲线、图像、表格和声音等）送出，或变换成与其他设备相匹配的信号形式输出。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪和数/模转换装置（D/A）等。把运算器、控制器、主存储器和输入/输出接口称为组成计算机硬件系统的五大部件。计算机硬件的五大部件是通过总线连接起来的，构成了计算机的基本硬件系统。第2章微型计算机结构系统总线把CPU、存储器和I/O设备连接起来，用来传送各部分之间的信息。系统总线包括数据总线、地址总线和控制总线三种。数据总线传送信息，地址总线指出信息的来源和目的地，控制线则规定总线的动作等。系统总线的工作由总线控制逻辑负责指挥。第2章微型计算机结构2.2.2软件系统计算机软件是计算机系统的重要组成部分，它可以分成系统软件和应用软件两大类。系统软件是由计算机生产厂家提供给用户的一组程序，这些程序是用户使用机器及产生、准备和执行用户程序所必需的。应用软件则是为用户应用编制的各种程序。图2.2表示了计算机软件的层次。第2章微型计算机结构系统软件软件数据库管理系统工具软件诊断与维护程序调试程序编辑程序装配链接程序语言处理程序汇编程序解释程序编译程序操作系统单用户操作系统多用户操作系统网络操作系统…应用软件软件包用户程序图2.2软件系统的层次第2章微型计算机结构1．系统软件系统软件是指管理、控制和维护计算机的各种资源，以及扩大计算机功能和方便用户使用计算机的各类程序与数据的集合。系统软件是构成计算机系统必备的软件，通常又分为操作系统、语言处理程序、工具软件和数据库管理系统四类。第2章微型计算机结构1)操作系统(OperatingSystem，OS)系统软件的核心称为操作系统。操作系统是系统程序的集合，它的主要作用是对系统的硬、软件资源进行合理的管理，为用户创造方便、有效和可靠的计算机工作环境。操作系统的主要部分是常驻监督程序(Monitor)，只要一开机常驻监督程序就进入并保留在内存中，它可以从用户接收命令，并使操作系统执行相应的动作。第2章微型