微机原理与接口技术-第2章cpu体系结构

1、微机原理与接口技术-第2章 cpu体系结构 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 CPUCPU体系结构体系结构 第二章第二章 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 主要内容主要内容 2.1 CPU的发展的发展 2.2 8086/8088 CPU 2.3 80486 CPU 2.4 Pentium CPU 2.5 Itanium CPU 2.6 80486的工作模式的工作模式 2.7 80486的外部引脚介绍的外部引脚介绍 2.8 当前当前 CPU所使用的先进技术所使用的先进技术 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 2.1 CPU的发展的发展 19711971年，年，Inte

2、lIntel公司推出了世界上第一款公司推出了世界上第一款 CPU4004(4CPU4004(4位位) )。 19781978年，年，IntelIntel公司生产的公司生产的80868086是第一个是第一个1616位的位的 CPUCPU。 19791979年，年，IntelIntel公司又开发出了公司又开发出了80888088。 19811981年，美国年，美国IBMIBM公司将公司将80888088芯片用于其研制的芯片用于其研制的PCPC机中，从机中，从 而开创了全新的微机时代。而开创了全新的微机时代。 19821982年，年，IntelIntel研制出了研制出了80286 CPU80286

3、CPU。 19851985年，新一代的年，新一代的3232位核心的位核心的CPUCPU80386DX80386DX正式发布。正式发布。 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 2.1 CPU的发展的发展 19891989年，年，8048680486（3232位）芯片由位）芯片由IntelIntel推出。推出。 19931993年，年，586 CPU586 CPU问世，问世，IntelIntel公司把自己公司把自己 的新一代产品命名为的新一代产品命名为PentiumPentium。 19961996年底发布年底发布Pentium MMXPentium MMX。 MMX技术是在技术是在CPU中

4、加入了特地为视中加入了特地为视 频信号频信号(Video Signal)，音频信号音频信号 (Audio Signal)以及图像处理以及图像处理 (Graphical Manipulation)而设计的而设计的 57条指令，因此，条指令，因此，MMX CPU极大地极大地 提高了电脑的多媒体（如立体声、视提高了电脑的多媒体（如立体声、视 频、三维动画等）处理功能频、三维动画等）处理功能 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 2.1 CPU的发展的发展 19971997年年5 5月发布月发布PentiumPentium。 1998-19991998-1999年间，年间，IntelIntel公

5、司推出了公司推出了XeonXeon（至强（至强 CPUCPU） 19991999年，年，IntelIntel公司就发布了公司就发布了PentiumPentium。 20002000年，年，Intel Pentium 4Intel Pentium 4处理器诞生。处理器诞生。 20062006年，年，Core 2 Core 2 处理器发布。处理器发布。 总结：在总结：在CPU的发展历史中，具有典型代的发展历史中，具有典型代 表的是表的是16位的位的8086CPU、32位位 80486CPU和和Pentium4 （奔腾）（奔腾）CPU、 64位的位的core2 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系

6、结构 2.2 8086/8088CPU 一、一、 8086的功能结构的功能结构 8086CPU8086CPU是是IntelIntel系列的系列的1616位位 CPUCPU，具有，具有1616根数据总线和根数据总线和2020根根 地址总线，直接寻址空间为地址总线，直接寻址空间为2 220 20，即 ，即1MB1MB。 8088CPU8088CPU内部结构与内部结构与80868086基本相同，但是，对外数据总线只基本相同，但是，对外数据总线只 有有8 8根，称为准根，称为准1616位位 CPUCPU。 80868086从功能上分为两部分：总线接口部分（从功能上分为两部分：总线接口部分（BIUBIU

7、），执行部），执行部 分（分（EUEU）。）。 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 AH AL BH BL CH CL DH DL SP BP DI SI 通通 用用 寄寄 存存 器器 运算寄存器运算寄存器 ALU 标志标志 执行部分执行部分 控制电路控制电路 1 2 3 4 5 6 CS DS SS ES IP 内部寄内部寄 存器存器 I/O 控制控制 电路电路 地址加地址加 法器法器 20位位 16位位 8位位指令队列缓冲器指令队列缓冲器 外外 总总 线线 执行部件执行部件总线接口部件总线接口部件 8086CPU结构图结构图 BIUEU 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构

8、1、总线接口部件（、总线接口部件（BIU） 功能：功能： （1）从内存取指令送到指令队列。）从内存取指令送到指令队列。 （2）CPU执行指令时，到指定的执行指令时，到指定的 位置取操作数，并将其送至位置取操作数，并将其送至 要求的位置单元中。要求的位置单元中。 总线接口部件的组成：总线接口部件的组成： （1）四个段地址寄存器）四个段地址寄存器 CS，16位代码段寄存器；位代码段寄存器； DS，16位数据段寄存器；位数据段寄存器； ES，16位附加段寄存器；位附加段寄存器； SS，16位堆栈段寄存器。位堆栈段寄存器。 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 （2）16位指令指针寄存器位指令指

9、针寄存器IP（PC）。）。 （3）20位的地址加法器。位的地址加法器。 （4）六字节的指令队列缓冲器。）六字节的指令队列缓冲器。 说明：说明： （1）指令队列缓冲器：在执行指令的同时，将取下一）指令队列缓冲器：在执行指令的同时，将取下一 条指令，并放入指令队列缓冲器中。条指令，并放入指令队列缓冲器中。CPU执行完一条执行完一条 指令后，可以执行下一条指令（流水线技术）。提高指令后，可以执行下一条指令（流水线技术）。提高 CPU效率。效率。 （2）地址加法器：产生）地址加法器：产生20位地址。位地址。CPU内无论是段地内无论是段地 址寄存器还是偏移量都是址寄存器还是偏移量都是16位的，通过地址加

10、法器产位的，通过地址加法器产 生生20位地址。位地址。 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 2、执行部件、执行部件 作用：作用： （1）从指令队列中取出指令。）从指令队列中取出指令。 （2）对指令进行译码，发出相应的）对指令进行译码，发出相应的 控制信号。控制信号。 （3）接收由总线接口送来的数据或）接收由总线接口送来的数据或 发送数据至接口。发送数据至接口。 （4）进行算术运算。）进行算术运算。 执行部件的组成：执行部件的组成： （1）4个通用寄存器个通用寄存器AX、BX、CX、 DX。四个通用寄存器都是。四个通用寄存器都是16位位 或作两个或作两个8位来使用。位来使用。 （2）4个

11、专用寄存器个专用寄存器 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 SP-堆栈指针寄存器堆栈指针寄存器 BP-基址指针寄存器基址指针寄存器 DI-目的变址寄存器目的变址寄存器 SI- 源变址寄存器源变址寄存器 （3）算术逻辑单元）算术逻辑单元ALU 完成完成8位或者位或者16位二进制算术和逻辑运算，计算偏移量。位二进制算术和逻辑运算，计算偏移量。 （4）数据暂存寄存器）数据暂存寄存器 协助协助ALU完成运算，暂存参加运算的数据。完成运算，暂存参加运算的数据。 （5）执行部件的控制电路）执行部件的控制电路 从总线接口的指令队列取出指令操作码，通过译码电路分析，从总线接口的指令队列取出指令操作码，

12、通过译码电路分析， 发出相应的控制命令，控制发出相应的控制命令，控制ALU数据流向。数据流向。 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 （6）标志寄存器）标志寄存器 16位寄存器，其中有位寄存器，其中有7位未用。位未用。 D15D0 OF DF IF TF SF ZF AF PF CF 进进 借借 位位 标标 志志 奇奇 偶偶 标标 志志 半半 进进 借借 位位 标标 志志 零零 标标 志志 符符 号号 标标 志志 单单 步步 中中 断断 中中 断断 允允 许许 方方 向向 标标 志志 溢溢 出出 标标 志志 1-有进、借位有进、借位 0-无进、借位无进、借位 1-低低8位有偶数个位有偶数

13、个1 0-低低8位有奇数个位有奇数个1 1-低低4位向高位向高4位有进、借位位有进、借位 0-低低4位向高位向高4位无进、借位位无进、借位 1-结果为结果为0 0-结果不为结果不为0 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 例例:将将5394H与与-777FH相加相加,并说明其标志位的状态。并说明其标志位的状态。 【解解】先求先求-777FH的补码：的补码： 原码：原码：1111 0111 0111 1111 反码：反码：1000 1000 1000 0000 补码：补码：1000 1000 1000 0001 再做加法运算：再做加法运算： 0101 0011 1001 0100 + 10

14、00 1000 1000 0001 1101 1100 0001 0101 结果标志位为：结果标志位为：CF=0、PF=0、AF=0 ZF=0、SF=1、OF=0 3.“流水线流水线”结构结构 总线接口部件总线接口部件BIUBIU和执行和执行 部件部件EUEU并不是同步工作的，并不是同步工作的， 两者的动作管理遵循如下原两者的动作管理遵循如下原 则：则： 每当每当80868086的指令队列中的指令队列中 有有2 2个空字节，个空字节，BIUBIU就会自动就会自动 把指令取到指令队列中。而把指令取到指令队列中。而 同时同时EUEU从指令队列取出一条从指令队列取出一条 指令，并用几个时钟周期去指令

15、，并用几个时钟周期去 分析、执行指令。分析、执行指令。 当指令队列已满，而且当指令队列已满，而且 EUEU对对BIUBIU又无总线访问请求时，又无总线访问请求时， BIUBIU便进入空闲状态。在执行便进入空闲状态。在执行 转移、调用和返回指令时，转移、调用和返回指令时， 指令队列中的原有内容被自指令队列中的原有内容被自 动清除。动清除。 8086流水操作示意图流水操作示意图 取指令取指令1执行指令执行指令1 取指令取指令2执行指令执行指令2 取指令取指令3执行指令执行指令3 t0t1t2t3t4 t 图图 80868086流水操作示意图流水操作示意图 在在t0t0t4t4时间间隔中，理想情况下

16、时间间隔中，理想情况下 ，80868086可执行可执行3 3 条指令。条指令。 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 4、CPU执行程序的操作过程执行程序的操作过程 （1）20位地址形成，并将从该地址指定的单元中取出位地址形成，并将从该地址指定的单元中取出 指令字节，依次放入指令队列中。指令字节，依次放入指令队列中。 （2）当指令队列中有）当指令队列中有2个空字节时，总线接口部件就个空字节时，总线接口部件就 会自动取指令至队列中。会自动取指令至队列中。 （3）执行部件从指令队列队首取出指令代码，执行该）执行部件从指令队列队首取出指令代码，执行该 指令。指令。 （4）当队列已满，执行部件又

17、不使用总线时，总线接）当队列已满，执行部件又不使用总线时，总线接 口部件进入空闲状态。口部件进入空闲状态。 （5）执行转移指令、调用指令、返回指令时，先清空）执行转移指令、调用指令、返回指令时，先清空 队列内容，再将要执行的指令放入队列中。队列内容，再将要执行的指令放入队列中。 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 二、存储器的组织和堆栈二、存储器的组织和堆栈 1、8086存储器的分体结构存储器的分体结构 8086 8086 系统中，系统中，1MB的存储空间分成两个存储体：的存储空间分成两个存储体： 偶地址存储体和奇地址存储体，各为偶地址存储体和奇地址存储体，各为512KB。它们的访。它

18、们的访 问由问由/BHE、A0组合决定：组合决定： /BHE A0 总线使用情况总线使用情况 0 0 从偶地址单元开始，在从偶地址单元开始，在16位数据总线上进行字传送位数据总线上进行字传送 0 1 从奇地址单元开始，在高从奇地址单元开始，在高8位数据总线上进行字节传送位数据总线上进行字节传送 1 0 从偶地址单元开始，在低从偶地址单元开始，在低8位数据总线上进行字节传送位数据总线上进行字节传送 1 1 无效无效 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 8086用两个存储体来组织实际存储空间用两个存储体来组织实际存储空间 奇地址奇地址 偶地址偶地址 00001H 00003H 00000H

19、 00002H FFFFEHFFFFFH . . BHEA0 A0 A19 BHE D8 D15 D0 D7 地址交叉地址交叉 排列排列 8086 D0 D15 规则字（对准字）存放规则字（对准字）存放 : 偶地址作为字的地址偶地址作为字的地址 非规则字（非对准字）存放非规则字（非对准字）存放 : 奇地址作为字的地址奇地址作为字的地址 规则字的读规则字的读/写只需访问一次存储器；非规则字的读写只需访问一次存储器；非规则字的读/写需二次写需二次 访问存储器。第一次访问奇地址，第二次访问偶地址。访问存储器。第一次访问奇地址，第二次访问偶地址。 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 2、存储器

20、编址、存储器编址 在内存里以字节为单位存取信息，系统为每个字在内存里以字节为单位存取信息，系统为每个字 节编一个地址（二进制数表示，书写格式为十六进节编一个地址（二进制数表示，书写格式为十六进 制），称为存储器地址，存储的内容即为数据。制），称为存储器地址，存储的内容即为数据。 地址内容 00000H 00001H 00002H FFFFFH 存储器中的数据及表示形式存储器中的数据及表示形式 2301H(规则字规则字) 4523H(非规则字非规则字) 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 地址内容 00000H 00001H 00002H FFFFFH 字节数字节数01H的地址为的地址为

21、00000H、字节、字节23H的地址的地址 为为00001H、字节、字节45H的地址为的地址为00002H。 字字2301H的地址为的地址为00000H、字、字4523H的地址的地址 为为00001H。 地址地址00000H的内容既是的内容既是01H，又是，又是2301H 顺序存放，低字节低地址（字数据）顺序存放，低字节低地址（字数据） 01H 2301H 4523H45H 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 3、 存储器的分段结构存储器的分段结构 由于由于8086有有20条地址线，可以寻址多达条地址线，可以寻址多达220（1M） 字节，所以把字节，所以把1M字节的存储器分为一定数量的

22、段，字节的存储器分为一定数量的段， 其中每一段最多可达寻址其中每一段最多可达寻址216（64K）字节。）字节。 8086CPU把把1M字节的存储器空间划分为任意的字节的存储器空间划分为任意的 一些存储段，每个段的起始地址必须能一些存储段，每个段的起始地址必须能16整除（该地整除（该地 址的最低四位为址的最低四位为0000）。）。 8086可将内存最多可分为可将内存最多可分为64K个段，最少可分为个段，最少可分为 16个段。每个段的最大范围是个段。每个段的最大范围是64KB，最小的段是，最小的段是16B。 段与段之间可连续分布，也可重叠。段与段之间可连续分布，也可重叠。 在所有的段中，在所有的段

23、中，8086当前可以访问的段只有当前可以访问的段只有4个，个， 它们分别由它们分别由CS、DS、ES和和SS所指定。所指定。 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 (1) 逻辑地址和物理地址逻辑地址和物理地址 物理地址：也称实际地址，是用唯一的物理地址：也称实际地址，是用唯一的20位二进制数位二进制数 所表示的地址，规定了所表示的地址，规定了1M字节存储体中某个具体单元字节存储体中某个具体单元 的地址的地址 。如。如00002H。 逻辑地址在程序中使用，即段地址：偏移地址逻辑地址在程序中使用，即段地址：偏移地址 。 如如 2000H：0003H 2000H：0000H 12H 0001H

24、 34H 0002H 56H 0003H 78H 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 (2)物理地址的形成物理地址的形成 物理地址物理地址=段基址段基址 * 16（左移（左移4位）位）+偏移地址。偏移地址。 段基址：段基址：CS、DS、ES、SS。 偏移地址：偏移地址：IP、DI、SI、BX、BP、SP等。等。 物理地址的形成如下：（由物理地址的形成如下：（由20位地址全加器实现）位地址全加器实现） 段寄存器值段寄存器值 偏移量偏移量+ 物理地址物理地址 16位位 4位位 16位位 20位位 0000 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 物理地址和逻辑地址的转换物理地址和逻辑地

25、址的转换 将逻辑地址中的段地址左移将逻辑地址中的段地址左移4 4位，加上偏移地址就得到位，加上偏移地址就得到 2020位物理地址位物理地址 一个物理地址可以有多个逻辑地址一个物理地址可以有多个逻辑地址 逻辑地址逻辑地址 1460:01001460:0100、1380:0F001380:0F00 物理地址物理地址 14700H 14700H14700H 14700H 14600H14600H 100H100H 14700H14700H 13800H13800H F00HF00H 14700H14700H 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 015 段内偏移地址 段寄存器 19034 00

26、00段地址左移4位 20位物理地址 190 物理地址为：段地址（左移四位）物理地址为：段地址（左移四位）+ +段内偏移量段内偏移量 8086存储器存储器20位物理地址的形成位物理地址的形成 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 逻辑段的分配图示：逻辑段的分配图示： 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 一个存储单元可以有一个或多个逻辑地址，但只一个存储单元可以有一个或多个逻辑地址，但只 能有一个物理地址。能有一个物理地址。 例如物理地址例如物理地址21000H可以有以下几个逻辑地址：可以有以下几个逻辑地址： 2100：0000H 2000：0100H 段基址一般由系统自动分配，也可

27、以编程改变；段基址一般由系统自动分配，也可以编程改变； 而偏移地址则由用户编程时提供。而偏移地址则由用户编程时提供。 DATA SEGMENT X DB 12H Y DW 34H DATA ENDS 则则DS段中，段中，Y的地址为的地址为0001H，非规则存放。，非规则存放。 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 CS 0000 IP 代码段代码段 DS或或ES 0000 SI、DI或或BX SS 0000 SP或或BP 数据段数据段 堆栈段堆栈段 存储器存储器段寄存器和偏移地址寄存器组合关系段寄存器和偏移地址寄存器组合关系 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 8 8086 08

28、6 CPUCPU中有四个段寄存器：中有四个段寄存器：CSCS，DSDS，SSSS和和ESES，这这 四个段寄存器存放了四个段寄存器存放了CPUCPU当前可以寻址的四个段的基当前可以寻址的四个段的基 值，即可以从这四个段寄存器规定的逻辑段中存取值，即可以从这四个段寄存器规定的逻辑段中存取 指令代码和数据。一旦这四个段寄存器的内容被设指令代码和数据。一旦这四个段寄存器的内容被设 定，就规定了定，就规定了CPUCPU当前可寻址的段，如图当前可寻址的段，如图2-2-8 8所示。所示。 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 80868086存储器的逻辑地址与物理地址存储器的逻辑地址与物理地址 图图

29、2-9 2-9 存储器分段示意图存储器分段示意图 66H 8FH 7CH 90H 65H 5FH 1FH 2BH 8FH A2H C7H 4AH 代码段代码段(64 KB) 10000H 段地址：偏移地址段地址：偏移地址 10001H 10002H 2A0F0H 2A0F1H 2A0F2H A0000H A0001H A0002H BC000H BC001H BC002H 1000: 0000 1000: 0001 1000: 0002 2A0F: 0000 2A0F: 0001 2A0F: 0002 A000: 0000 A000: 0001 A000: 0002 BC00: 0000 BC

30、00: 0001 BC00: 0002 当前当前(CS)=1000H, (DS)=2A0FH, (SS)=A000H, (ES)BC00H 物理地址物理地址 数据段数据段(64 KB) 堆栈段段堆栈段段(64 KB) 附加段附加段(64 KB) 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 4 、堆栈和堆栈操作命令、堆栈和堆栈操作命令 堆栈主要用于暂存数据和在过程调用或处理中断堆栈主要用于暂存数据和在过程调用或处理中断 时暂存断点信息。时暂存断点信息。 （1）堆栈的概念）堆栈的概念 堆栈是在存储器中开辟的一片数据存储区，这堆栈是在存储器中开辟的一片数据存储区，这 片存储区的一端固定，另一端活动，

31、且只允许数据从片存储区的一端固定，另一端活动，且只允许数据从 活动端进出。采用活动端进出。采用“先进后出先进后出”的规则的规则 。 （2）堆栈的组织）堆栈的组织 堆栈指示器堆栈指示器SP，他总是指向堆栈的栈顶。堆栈，他总是指向堆栈的栈顶。堆栈 的伸展方向既可以从高地址向低地址，也可以从低地的伸展方向既可以从高地址向低地址，也可以从低地 址向高地址。址向高地址。8086的堆栈的伸展方向是从高地址向低的堆栈的伸展方向是从高地址向低 地址。地址。 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 （3）堆栈的操作）堆栈的操作 建栈：通过对建栈：通过对SS和和SP的赋值建立。（也可省略）的赋值建立。（也可省

32、略） 如：如：MOV AX，2000H MOV SS，AX MOV SP，0100H SS：SP 2000：0000 XX 2000：0001 XX 堆栈段堆栈段 2000：00FF 2000：0100 XX 栈底（栈顶）栈底（栈顶）SP=0100H 微机原理与接口技术-第2章cpu体 系结构 进栈操作：进栈操作：PUSH 指令（字操作）指令（字操作） 已知已知 AX=1234H、BX=5678H，PUSH AX、PUSH BX 第一次第一次PUSH 操作：操作： 第二次第二次PUSH操作：操作： 2000：0000 XX 2000：0000 XX 2000：0001 XX 2000：0001 XX 2000：00FC XX 2000：00FC 78 SP 2000：00FD XX 2000：00F