《X微机系统》PPT课件.ppt

第2章80X86微机系统计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。2.1计算机硬件系统硬件是指组成计算机的各种物理设备，包括计算机的主机和外部设备，具体由五大功能部件组成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。2.1.1中央处理器CPU硬件系统的核心是中央处理器（CentralProcessingUnit，简称CPU）。它主要由控制器、运算器等组成，并采用大规模集成电路工艺制成的芯片，又称微处理器芯片。控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码；根据指令的要求，按时间的先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地工作，一步一步地完成各种操作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。运算器又称算术逻辑单元（ArithmeticLogicUnit，简称ALU）。它是计算机对数据进行加工处理的部件，包括算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非、异或、比较等）,CPU是计算机中最重要的一个部分，发展非常迅速，个人电脑从8088(XT)发展到现在的多核CPU时代，只经过了不到四十年的时间。从生产技术来说，最初的8088集成了29000个晶体管，而Pentium的集成度超过了2810万个晶体管；CPU的运行速度，以MIPS(百万条指令每秒)为单位，8088是0.75MIPS，到高能奔腾时已超过了1000MIPS。不管什么样的CPU，其内部结构归纳起来都可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，这三个部分相互协调，对命令和数据进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。CPU按照其处理信息的字长可以分为：4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器，可以说个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的。,2.1.280X86微处理器结构在微处理器的发展历史中，具有典型代表的CPU是16位8086CPU、32位80486CPU和PentiumCPU。18086/8088CPU8086CPU具有16位内部总线和16位数据总线。从功能上来看，8086/8088CPU可分为两部分，即总线接口部件BIU（BusInterfaceUnit）和执行部件EU（ExecutionUnit）。8086/8088CPU内部功能结构如图2-1所示。,280486CPU80486微处理器由7大部分组成，包括总线接口部分、指令预取部分、译码部分、控制部分、运算部分、存储器管理部分和高速缓冲存储器，如图2-2所示。运算部分包含定点运算部件和浮点运算部件。进行定点运算时需要算术逻辑运算单元（ALU）、移位器和寄存器组；进行浮点运算时需要浮点运算单元（FPU）和浮点寄存器组。80486存储管理部分由分段部件和分页部件两部分组成。分段部件管理逻辑地址空间，并把逻辑地址转换为线性地址；分页部件把线性地址转换为物理部件。,指令预取部件中包含了两个16字节的队列寄存器。指令预取部件与cache之间有一条单向的128位宽度的通道，因此，每次从cache中最多可取16字节的信息。指令预取部件也有一条指向指令译码器的24位宽度的指令代码流的通路。指令译码器对指令的操作码进行翻译，并把翻译后的通过指令总线送给控制部件。80486的寄存器组可以分为4类，它们是基本结构寄存器、系统级寄存器、浮点寄存器和调试测试寄存器。应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点寄存器；而系统程序可访问所有的寄存器。,基本结构寄存器包括通用寄存器、段寄存器、指令指针寄存器和标志寄存器。通用寄存器是程序设计时可以使用的寄存器，共有8个，能进行8位、16位和32位的运算。32位的通用寄存器包括EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP、ESP，16位通用寄存器包括AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP，8位通用寄存器包括AH、BH、CH、DH、AL、BL、CL、DL。段寄存器包括代码段寄存器CS，堆栈段寄存器SS，数据段寄存器DS、FS、GS，附加段寄存器ES，CS用来指示代码的地址空间，其他寄存器用来指示数据区的地址空间。指令指针寄存器IP和扩展的指令指针寄存器EIP，用于存放指令代码的偏移量。标志寄存器EFLAGS是32位的寄存器，如图2-3所示，主要用于控制微处理器操作以及当前指令执行后的状态。标志寄存器含有两类标志，即状态标志和控制状态。,（1）C标志（进位/借位标志）C标志记录了加/减运算之后最高位的进位值/借位值。（2）A标志（辅助进位/借位标志）A标志又称为半进位/半借位标志。字节加/减时，D3位向D4位有进位/借位，则A标志置1，否则置0。字加/减时，D7位向D8位有进位/借位，则A标志置1，否则置0。双字加/减时，D15位向D16位有进位/借位，则A标志置1，否则置0。（3）S标志（符号标志）S标志记录了运算结果的最高位位值。对于有符号数而言，表示运算结果的符号，0表示结果为正数，1表示运算结果为负数。,（4）Z标志（全零标志）Z标志表示运算结果全零与否，全零时置1，否则置0。（5）P标志（奇偶标志）P标志表示运算结果中低8位二进制数中1的个数为偶数与否，为偶数P标志置1，否则置0。（6）O标志（溢出标志）当运算结果溢出时，O标志置1，否则，置0。（7）方向标志DFCPU在执行串操作指令时，控制字符串指针的调整方向，DF为0时，进行增加调整，否则进行减址调整。（8）中断允许标志IFIF标志控制CPU是否响应来自引脚INTR的可屏蔽中断请求。IF为1，CPU响应可屏蔽中断，否则不响应。,系统级寄存器包括4个控制寄存器和4个系统地址寄存器。4个控制寄存器包括CR0、CR1、CR2和CR3，如图2-4所示。,4个系统地址寄存器包括全局描述符表寄存器（GDTR）、局部描述符表寄存器（LDTR）、中断描述符表寄存器（IDTR）和任务寄存器（TR），这4个寄存器主要用来保存保护方式下的数据基地址、界限和其他属性，以确保形成地址快速。GDTR和LDTR分别用来保存GDT（全局描述符表）和LDT（局部描述符表）的32位线性基地址等内容。IDTR用来存放中断描述符表的基址和界限。TR用来存放任务状态段（TSS）的基址、界限和其他属性。调试和测试寄存器DR0DR7：,DR0-DR3存放各断点的线性地址；DR4，DR5保留；DR6是断点状态寄存器；DR7为断点控制寄存器。80486定义了5个测试寄存器TR3、TR4、TR5、TR6、TR7。浮点寄存器FPU：80486的FPU中包含有13个浮点寄存器。,3PentiumCPUPentium微处理器是Intel公司继80486之后推出的64位高性能微处理器，采用了超标量体系结构、分支预测先进技术，分开的指令、数据高速缓冲存储器，以及128位、256位内部数据总线，64位可成组传送的外部总线等，使系统的性能进一步提高。Pentium微处理器由总线部件、代码Cache、数据Cache、预取缓冲存贮器、指令译码部件、浮点运算部件组成，具体结构如图2-5所示。,2.1.380486的工作模式80486有三种工作模式：实地址模式、保护虚地址模式和虚拟8086模式。,1实地址模式在处理器复位后，处理器内部的CR0的PE位为0，表示此时处理器工作在实地址模式。8086中，段地址：偏移地址形式的地址称为逻辑地址，形成物理地址的方法是段寄存器左移4位加上偏移地址。即物理地址为：物理地址段寄存器的内容16偏移量。在实地址模式下，处理器的物理地址实质上也是这样产生的。在实地址模式下，段寄存器的内容会自动乘16并放在段描述符寄存器的基地址中。段限制也固定为0FFFFH，即64KB。其他属性也是固定的。,2保护虚地址模式保护虚地址模式从硬件上为多用户的操作系统设计提供了有力支持。在特权级上，定义了4级，第0级优先级最高，第3级优先级最低。优先级的设定便于保护操作系统的安全性。保护模式下运行的程序分为4个特权等级：0、1、2、3，操作系统核心运行在最高特权等级0；用户程序运行在最低特权等级3。80X86中有完善的特权检查机制，既能实现资源共享，又能保证程序和数据的安全和保密、任务之间的隔离。在保护虚地址方式下，为了确定内存单元的物理地址，首先通过选择器确定描述符，然后从中取出段基地址，最后与段内偏移地址来确定该内存单元的物理地址，其完整的寻址示意图如图2-8所示。,3虚拟8086模式在虚拟8086模式下，80486就相当于一个高速的8086CPU。有了虚拟86方式，486微处理器允许同时执行8086操作系统和8086应用程序以及486操作系统和486应用程序，因此，在一台多用户的486微处理器的计算机里，多个用户都可以同时使用计算机。在虚拟86方式下，还可以与实方式相同的形式使用段寄存器，以形成线性基地址。通过使用分页机制，就可以把虚拟86方式下的1MB地址空间映像到80486微处理器的4GB的物理空间中的任何位置。,2.1.480486的外部引脚介绍80486DX微处理器有168条引脚，其引脚如图2-9所示，采用网格阵列（PGA）封装。1地址总线和数据总线2控制总线3时钟信号,2.1.5存储器存储器分为内存储器（内存）和外存储器（外存）两种，内存储器主要包括RAM和ROM，其中高速缓冲存储器是RAM的一种，外存储器主要包括硬盘、光盘等，本教材主要介绍主存储器。随机访问存储器RAM（RandomAccessMemory）是计算机中用来存放数据、程序及运算结果，直接与CPU进行信息交换的场所。易失性存储器按存储元件在运行中能否长时间保存信息，可分为静态随机存取储存器（SRAM）和动态随机存取储存器（DRAM）。SRAM速度很快而且不用刷新就能保存数据不丢失。它以双稳态电路形式存储数据，结构复杂，内部需要使用更多的晶体管构成寄存器以保存数据，所以它采用的硅片面积相当大，制造成本也相当高，所以现在只能把SRAM用在比主内存小的多的高速缓存上。,2.1.6输入设备输入设备是给计算机输入信息的设备。它是重要的人机接口，负责将输入的信息（包括数据和指令）转换成计算机能识别的二进制代码，送入存储器保存。通常经常使用的键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入板、游戏杆、语音输入装置等都属于输入设备。输入设备（InputDevice）是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数的程序输入到计算机中。,2.1.7输出设备输出设备是输出计算机处理结果的设备。在大多数情况下，它将这些结果转换成便于人们识别的形式。利用各种输出设备可将计算机的输出信息转换成印在纸上的数字、文字、符号、图形和图像等，或记录在磁盘、磁带、纸带和卡片上，或转换成模拟信号直接送给有关控制设备。有的输出设备还能将计算机的输出转换成语声。打印机和显示设备已成为每台计算机和大多数终端所必需的设备。,2.2计算机软件系统计算机软件系统包括系统软件和应用软件两大类。1.系统软件系统软件是指控制和协调计算机及其外部设备，支持应用软件的开发和运行的软件。其主要的功能是进行调度、监控和维护系统等等。系统软件是用户和裸机的接口，主要包括：（1）操作系统软件，如DOS、WINDOWS98、WINDOWSNT、Linux、Netware、WindowsVista等；（2）各种语言的处理程序，如低级语言、高级语言、编译程序、解释程序；（3）各种服务性程序，如机器的调试、故障检查和诊断程序、杀毒程序等；（4）各种数据库管理系统，如SQLSever、Oracle、Informix、Foxpro等。,2.应用软件应用软件是用户为解决各种实际问题而编制的计算机应用程序及其有关资料。应用软件主要有以下几种：（1）用于科学计算方面的数学计算软件包、统计软件包；（2）文字处理软件包(如WPS、WORD、Office2000)；（3）图像处理软件包(如Photoshop、动画处理软件3DSMAX)；（4）各种财务管理软件、税务管理软件、工业控制软件、辅助教育等专用软件。3.硬件和软件的关系（1）硬件与软件是相辅相成的，硬件是计算机的物质基础，没有硬件就无所谓计算机。（2）软件是计算机的灵魂，没有软件，计算机的存在就毫无价值。（3）硬件系统的发展给软件系统提供了良好的开发环境，而软件系统发展又给硬件系统提出了新的要求。,2.3微型计算机的总线结构,微型计算机系统有三条总线（实际上每一条总线都有若干根），它们是地址总线（AddressBus，AB）、数据总线（DataBus，DB）和控制总线（ControlBus，CB）。地址总线是传送地址信息的总线。另外，从广义上说，计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。并行通信速度快、实时性好，但由于占用的口线多，不适于小型化产品；而串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中则显得更加简易、方便、灵活。串行通信一般可分为异步模式和同步模式。,微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连；外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。,2.3.1内部总线1I2C总线2SPI总线3SCI总线,2.3.2系统总线1ISA总线,2EISA总线EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture即扩展工业标准结构总线）是为32位中央处理器（386、486、586等等）设计的总线扩展工业标准。EISA总线包括ISA总线的所有性能外，还把总线宽度从16位扩展到32位、总线频率从8.3MHz提高到16MHz3MCA总线MCA（MicroChannelArchitecture即微通道总线结构）是IBM公司专为其PS/2系统（使用各种Intel处理器芯片的个人计算机系统）开发的总线结构。4VESA总线VESA（VideoElectronicsStandardsAssociation即视频电子标准协会）是VESA组织（1992年由IBM、Compaq等发起，有120多家公司参加）按局部总线（LocalBus）标准设计的一种开放性总线。VESA总线的总线宽度是32位，最高总线频率为33MHz。5PCI总线,6CompactPCICompactPCI的意思是“坚实的PCI”，是当今第一个采用无源总线底板结构的PCI系统，是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，是当今最新的一种工业计算机标准。CompactPCI是在原来PCI总线基础上改造而来，它利用PCI的优点，提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统，同时还考虑充分利用传统的总线产品，如ISA、STD、VME或PC/104来扩充系统的I/O和其他功能。7AGP总线AGP（AcceleratedGraphicsPort）即高速图形接口。专用于连接主板上的控制芯片和AGP显示适配卡，为提高视频带宽而设计的总线规范，目前大多数主板均有提供。随着显示芯片的发展，PCI总线日益无法满足其需求。英特尔于1996年7月正式推出了AGP接口，它是一种显示卡专用的局部总线。严格的说，AGP不能称为总线，它与PCI总线不同，因为它是点对点连接，即连接控制芯片和AGP显示卡，但在习惯上我们依然称其为AGP总线。AGP接口是基于PCI2.1版规范并进行扩充修改而成，工作频率为66MHz。,8AlphaEV6总线为消除现有总线的瓶颈，AMD（AmericanMicroDevices即美国微设备公司）Athlon（是AMD公司在1999年末推出的新一代64位处理器系统）系统要求总线结构在设计上力求为新一代X86平台提供前所未有的数据传输带宽，以确保运行于多路处理器服务的企业级商业应用软件可以更顺畅地运行。为此，AMD公司在其最先推出的一款Athlon处理器上使用了一个200MBs的系统总线，即AlphaEV6总线，其带宽较目前IntelP6总线结构大1倍。如果使用更高时钟频率的AMDAthlon处理器，这个系统总线的频率还可以相应提高，以支持更大的数据带宽，满足更大、更强劲的系统配置的需要。,9PCI-X局部总线为解决Intel架构服务器中PCI总线的瓶