《位微处理器》PPT课件.ppt

第11章 32位微处理器,本章教学目的,了解8028680486CPU和PENTIUM等32位机的结构和特点。了解计算机常用的总线标准和整机结构。,本章 学习要求,了解: 8028680486CPU和PENTIUM机的结构和特点。 计算机常用的总线标准和整机结构。,主要内容,80386微处理器的结构 32位微处理器的地址总线和数据总线 Pentium微处理器结构,32位微处理器的型号很多，Intel公司推出的主要类型有80386，80486和Pentium微处理器。,32位80386微处理器是为多用户和多任务操作系统而设计的 具有32位寄存器和数据通道 支持32位地址和数据类型,CPU片内有存储器管理部件 可实现分段和分页管理，使微处理器地址有4GB(千兆字节)物理存储器和64MMB(万亿字节)虚拟存储器，以及有4级保护功能，因此程序不能访问段所规定区域以外的单元，数据也不能写入到禁止的段里,指令流水线技术，在高速缓冲存储器(cache)和高速总线带宽的作用下，缩短了指令执行时间及增加了系统的数据吞吐能力。,80486微处理器是在80386基础上又增加了浮点运算部件和高速缓冲部件，其性能和速度又提高了一大步。,Pentium处理器是一种最先进的32位微处理器。它是一种双ALU流水线工作的CPU，每一个时钟周期可执行两条指令，提供了强有力的工作站和服务器功能。,Pentium，及微处理器又增添了多媒体处理功能，所以，Pentium微处理器也就最适用于多媒体计算机和网络计算机中。,11.1 80386微处理器的结构,中央处理部件(CPU) 指令部件 指令预取队列 已译码指令队列 执行部件 ALU 32位 8个32位通用寄存器组 64位的桶形移位器 乘除硬件,存储管理部件(MMU) 分段部件 分页部件 页是机械划分的，每4KB为一页，程序或数据均以页为单位进入实存。 存储器按段来组织，每段包含若干个页，段的最大容量可达4 000MB。 一个任务最多可包含16K个段，所以80386可为每个任务提供64MMB的虚拟存储空间。 为了加快访问速度 ，系统中还设置有高速缓冲存储器(cache)，构成完整的cache主存辅存的3级存储体系。,总线接口部件(BIU) 总线接口部件通过数据总线、地址总线和控制总线负责与外部取得联系，包括访问存储器预取指令，读写数据和访问IO端口读写数据等全部操作及其他控制功能。,80386的寄存器 通用寄存器组 段寄存器 指令指针 标志寄存器 控制寄存器 系统地址寄存器 调试寄存器 测试寄存器,图11.2,11.2 32位微处理器的地址总线和数据总线,地址总线 32位地址总线是用30条地址线A2A31加上4个字节允许符BE0BE3来实现。 32位微处理器的物理寻址空间有4GB，即232字节 数据总线 32位数据总线 可以使用BS8和BS16引脚输入控制信号来改变数据总线的宽度，将数据传送到8位或16位设备中去。,11.3 32位微处理器的工作方式,32位微处理器有3种工作方式 实地址方式(real mode) 实地址方式的工作原理与8086基本相同，其主要区别是32位微处理器能处理32位数据。 保护方式(protected mode) 保护方式下，CPU可访问232字节的物理存储空间，段长为232字节，而且还可以实施保护功能 32位微处理器为了支持多任务操作系统，以4个特权级来隔离或保护各用户及操作系统。 虚拟8086方式(virtual 8086 mode) 在虚拟方式下，运行8086程序可以尽量利用32位微处理器的保护机构。尤其是32位微处理器允许同时执行8086的操作系统及其应用程序和32位微处理器操作系统的应用程序。,11.7 80486位微处理器的特点简介,下面对80486微处理器的特点作简单介绍。 (1) 80486 CPU除了有一般32位微处理器的保护功能、存储器管理功能、任务转换功能、分页功能和片内高速缓存器外，还具有浮点数运算部件。因此，在计算机系统内不再需要数字协处理器，是一种完整的32位微处理器。 (2) 80486 CPU能运行Windows, DOS, OS/2和UNIX V/386等操作系统，它与Intel公司的80X86系列的各种微处理器兼容。 (3) 80486 CPU具有完整的RISC内核，使得常用的指令执行时间都只要一个时钟周期。,(4) 80486 CPU采用8KB统一的代码和数据cache(高速缓冲存储器)，具有160MB/s的突发总线，保证在整机中采用了廉价的DRAM(动态RAM)能达到较高的系统流通量。 (5) 80486 CPU内部的自测试功能包括执行代码和访问数据时的断点陷阱，会广泛地测试片上逻辑、cache和分页转换cache。,11.8 Pentium微处理器,Pentium微处理器是一种最先进的32位微处理器。它与DOS，Windows, OS/2和UNIX基础上的应用软件兼容。 有两组算术逻辑单元(ALU)、两条流水线、能同时执行两条指令； 并且把数据cache(高速缓冲存储器)和代码cache分开；不仅提高了总线的速度；还将数据总线增加到64条； 流水浮点部件提供了工作站的特性。因此它几乎具有两台80X86的功能。,1. 数据总线 Pentium微处理器有64条数据总线是一般32位微处理器的一倍。,2. 地址总线 Pentium微处理器的32位地址总线。32位微处理器的物理寻址空间有4GB，即232字节；而I/O地址空间只有64KB，即216字节。,第12章 PC总线及整机结构,12.1 PC机主机结构及主板概述,PC机最主要核心部分： 主机箱 监控器(显示器) 键盘,图12.1,图12.2,主板： (1) CPU及其相关器件所组成的系统； (2) 总线扩展槽所形成的系统； (3) 主板上的存储器(RAM及ROM)系统； (4) 芯片组(chipset)及其他芯片； (5) 跳线(jumper)及各种辅助电路。,图12.3,图12.4,12.2 常用的CPU及其在主板上的插座,微型计算机的主板上所配的CPU的主频必须与主板所设定的频率相一致。也就是说，主板上与频率有关的跳线必须设定得与所选用的CPU相一致。这样才可以将CPU插到主板的插座上。 微型计算机的主板的型号常以其上所装的CPU而得名，如486DX2/66，486SX/33和586/166,P/355等等。这些型号的后面的数字表示该CPU的标称频率，其单位为MHz。当然，该主板上的晶体频率也已设定为该频率。如果主板上的晶体的频率设置得低于CPU的标称频率，则CPU被迫只好在低于其标称频率下运行，这就意味着该微机将运行于较低的速率，从而降低了CPU的性能和功能。,第二代奔腾，即P的插座与此完全不同。在P主板上有供其CPU专用的插槽Solt 1。这种插槽安装起来比较复杂，与其相关的说明书会有详细说明。,12.3 PC机的总线结构及主板上的总线扩展槽,1. ISA总线结构 工业标准结构（Industrial Standard Architecture，ISA)是IBM的标准兼容总线。它在1987年以前是通用的总线结构。 ISA标准是一种系统总线的标准， 数据宽度为816位 工作频率为4.78MHz 传输速率最高可达8MB/S。 早期的IBM PC/XT用的是8位总线，它有8条并行线连接到扩展槽的各个插件板。当开发80286微处理器时，8位总线就太慢了，并行线数不够已相当明显。,2. MCA总线结构 该总线结构称为微通道结构（Micro Channel Architecture，MCA)。 为了打破上面所说的ISA总体对32位微处理器形成的瓶颈，即高主频的微处理器与低速度及窄宽度的矛盾，IBM公司在推出第一台386型微机时，创造了一个全新的与ISA标准完全不同的系统总线标准MCA总线结构。此MCA总线标准，数据宽度为32位，并提供burst mode使其数据传输率为ISA的4倍。由于IBM公司为了垄断市场而不将MCA标准公布于众，所以MCA总线结构没有得到广泛的流行。,3. EISA总线结构 该总线结构称为扩展了的工业准结构（Extended Industrial Standard Architecture，EISA)。 为了冲破IBM公司的垄断市场的封闭标准行为，1989年由Compag,HP,AST,Epson,NEC Olivetti,Tandy,Wyse以及ZDS(ZeH Data System)九家计算机大公司联合推出一个新的总线标准EISA。此EISA不仅具有MCA的全部功能，同时保存了与ISA标准百分之百的兼容。EISA的公开性是对MCA的重大打击。 到目前为止，已有数百种EISA addon卡(包括LAN，SCSI，IDE，GRAPHIC等)相继问世，这样，EISA的应用领域得到了充分的发展。,图12.7,5. PCI总线结构 外部设备互联(peripheral component interconnect，PCI）总线结构是Intel公司于1992年7月推出的，是为配合奔腾芯片而设计的。这种PCI总线结构也可在386和486系统上使用，但它主要是应用于奔腾系统。 PCI总线的优点如下： (1) 即插即用(plug and play)PCI总线有自动将增加的PCI卡配置到系统中去的能力。 (2) 可使用在多处理器环境中，还可支援多媒体及数据量非常大的应用。它不会使CPU负担过重，又能支援更多的局部总线。,(3) PCI的扩展槽可以多达10个，而VLB最多只允许三个扩展槽。 PCI总线可与ISA，EISA，VESA共存于同一主板上。有3种不同的PCI插座： 一种用于32位总线，一种用于3V的64位总线，还有一种则用于5V的64位总线。,所谓总线，说全了就是“总线标准”。所谓总线标准就是由CPU出来的数据线、地址线、控制线等必须按照各自的标准在总线插座上安排。 根据ISA总线标准设计的总线插座只能接受根据ISA总线设计的插件。根据EISA总线标准设计的总线插座只能接受根据EISA总线设计的插件。根据PCI总线标准设计的总线插座只能接受根据PCI总线设计的插件，等等。 如果只有一个总线插座，CPU就只能接受一个插件，不能发挥CPU的强大功能。为此，主板上设有若干个扩展插座，也就是常说的扩展槽。总线扩展槽一般有48个。如果兼有ISA，ESA和PCI的话，每种的个数就会少些。,12.4主板上的存储设备,PC机中有各种各样的存储设备。在主板上的存储设备有下列几种： 内存条； 基本输入输出系统（BIOS）； 高速缓冲存储器（Cache）。 在主板外，又和主板用扁平电缆相连的存储设备有下列几种： 软盘存储器； 硬盘存储器； 光盘存储器。,2. BIOS及CMOS设置 基本输入输出系统(basic input output system，BIOS)是在计算机一通电时就能监测计算机的各个主要部件的程序。 BIOS的性能对主板的性能影响很大。BIOS提供了一个便于操作的系统软硬件接口。 操作BIOS是通过CPU的程序中断方式。BIOS中的各项操作是通过它们各自的中断来实现的。,BIOS的流行程序有下列3种： (1) AMI BIOS是American Megatrends Inc.公司设计的。 (2) MR BIOS是Euposoft公司设计的。 (3) AD BIOS是Award公司设计的。,12.5 主板上的芯片组,芯片组在主板上的作用仅次于CPU，其功能就是支持CPU的工作。比如CPU完成计算工作，芯片组就把计算结果传送给有关部件。DMA和IRQ控制器也都融合在芯片组内，这样就使得主机板上的器件较少。 芯片组对整个主机板的性能和功能也有重要影响，比如较老的奔腾主机板就不支持新式的带多媒体的奔腾CPU(MMX)，这就是芯片组的作用。,基本概念,80386微处理器的结构 32位微处理器的地址总线和数据总线 Pentium微处理器结构 计算机的总线标准。 计算机的整机结构。,本章 小结,本章 习题,1、简述80386、486、Pentum等32位微处理器的特点。 2、PC机主要有哪几部分构成？ 3、常用的PC机内部总线有哪几种？,参考文献,郑学坚，周斌. 微型