计算机组成技术第四章2

1、书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧14.3 intel 80 x86系列微处理器4.3.1 8086 / 8088 微处理器4.3.2 intel 80286、80386、80486 微处理器4.3.3 intel pentium 系列微处理器4.4 从 cisc 到 risc4.5 arm系列微处理器简介书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧2intel微处理器x86家族简介intel4004: 1971年推出,一般的微处理器,第一代微处理器芯片

2、;intel8008: 1972年推出,8位的微处理器,与4004的指令系统不兼容;intel8080: 1974年推出,8位通用的微处理器,它的指令集包含了8008的指令集，从而获得了与8080指令集的兼容性;第二代微处理器intel8086: 1978年推出,16位通用的微处理器,第三代微处理器它有两个关键的结构概念使微处理器设计定型，且从8086开始执行;既存储器分段和指令译码表，intel的x86家族也由此开始。4.3.2 intel 80286 、80386、80486 微处理器书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋

3、颖慧34.3.2 intel 80286 、80386、80486 微处理器系列机的出现，使得指令系统越来越庞大，包含的指令条数越来越多，尤其是实现一些复杂指令时，使机器运行效率下降，甚至造成硬件线路设计的难度加大，成本上升，因此80386、80486控制器的设计组合逻辑控制为主，微程序控制为辅的方法，其中大部分简单指令的执行使用硬件线路完成而一些复杂指令的执行采用微码结构线路实现，用简单指令集合来实现复杂指令，所以80486中增加了微码rom部件。组合逻辑控制系列产品书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧44.3.3 i

4、ntel pentium 系列微处理器pentium微处理器内部采用32位结构，外部采用64位数据总线设置有两条指令流水线u和v部件 ，称为“超标量整数处理部件”每条流水线采用5级整数流水，分别是取指、译码、取操作数、执行和回写。另外还设置了超流水线浮点处理部件fpu，浮点流水线由8级独立的流水线组成，分别为取指、首次译码、二次译码、取操作数、首次执行、二次执行、写浮点数和出错处理在“执行”阶段又加入了浮点运算流水。超标量和超流水技术书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧54.4 从cisc 到 risc4.4.1 cis

5、c 简介随着vlsi技术的发展，在计算机系统中，硬件成本不断下降，软件成本不断上升，使得人们热衷在指令系统中增加更多的指令和复杂指令，以适应不同应用领域的要求，并考虑尽量缩短指令系统与高级语言的语义差异，以便于高级语言程序的编译和降低软件成本。1964年，ibm360系统的诞生标志着系列机的产生。为了做到系列机的程序向后兼容，新机器一定要继承旧机器指令系统中的全部指令，这使得同一系列计算机的指令系统越来越书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧6复杂。我们称这些计算机为“复杂指令系统计算机”简称cisc(complex in

6、struction set computer)。cisc缺点：1、计算机的研制周期变长，硬件成本增加；2、复杂指令延长了执行周期，从而降低了机器速度；3、难于将基于cisc技术的微型机的全部硬件集成在一块芯片上；4、对于cisc机进行测试表明：各种指令的使用频率相差悬殊，最常使用的是一些简单指令，仅占指令总数的20%，但在程序中出现的频率却占80%。书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧74.4.2 risc的由来1975年ibm公司开始研究指令系统的合理性问题，ibm的john cocke 提出精简指令系统的思想。197

7、9年美国加州伯克利分校的risc和risc机、斯坦福大学的mips机的研制成功，为精简指令系统计算机，简称risc（reduced instruction set computer）的诞生和发展奠定了基础。书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧84.4.3 risc 的设计思想和特点精简指令系统计算机的着眼点不是简单地放在简化指令系统上，而是通过简化指令是计算机的结构更加简单合理，从而提高机器的运算速度，其途径是减少指令的执行周期数，因此有人觉得把它称为ricc（reduced instruction count comp

8、uter）更合适。书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧91、使用大量的通用寄存器组，每个寄存器都可存放数据和地址；2、在load/store结构中，处理器只处理寄存器中的数据，而不直接处理存储器中的数据；3、只有load/store指令能完成与存储器交换数据任务；4、简单的寻址方式；5、采用固定长度的指令格式，以简化指令译码6、大部分指令在一个机器周期内完成；7、采用流水线技术；8、以硬件线路控制逻辑为主，不用或少用微码控制；9、以简单有效的方式支持高级语言4.4.3 risc 的设计思想和特点 risc的特点的特点书名

9、：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧104.5 arm系列微处理器简介arm的由来arm是advanced risc machines的缩写，它代表多重含义1985、4、28，第一个arm原型在英国剑桥的acorn计算机有限公司诞生，由美国加州san jose vlsi技术公司生产此后arm微处理器被应用在acorn计算机公司的台式机中。1990年，arm limited公司（简称arm公司）在剑桥成立。arm公司并不生产芯片，他是一个设计公司，主要出售芯片设计技术的授权，机靠转让设计许可，由合作公司生产各具特色的芯片。书名

10、：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧11世界各大半导体生产商从arm公司购买其设计的arm微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ram微处理器芯片来进入市场。书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧12arm微处理器系列目前arm32位 risc微处理器已经在全世界范围内成为低功耗、低成本、高性能的微处理器主流产品，特别是在嵌入式系统应用方面，基于arm的微处理器的应用约占32位risc微处理器75%以上的市场份额。arm微

11、处理器系列：arm7、arm9、arm9e、arm10、arm11、secwrcorexscale和strongarm(intel公司研制)书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧1380868086与与80808080简介简介80868086是是19781978年年intelintel推出的推出的1616位微处理器芯片，外部数据线为位微处理器芯片，外部数据线为1616位位1979年intel又推出8088，它是8086的8位版，与8086具有相同的内部结构，所不同的是8088对外只有8根数据线，按字节存取内存从汇编语言程序

12、设计的角度看，8086与8088几乎没有什么区别微处理器微型机的cpu4.3.1 8086 / 8088 微处理器书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧14微处理器的基本功能1. 算数逻辑运算；2. 执行指令，控制程序的运行；3. 与存储器、外设交换数据；4. 提供整个系统的定时控制；5. 保存少量数据；响应外部中断；书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧15微处理器的基本构成1. 算数逻辑运算部件alu；2. 累加器和通用寄存器组；3. 程序计数器、

13、指令寄存器、指令译码器；4. 时序和控制部件书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧168086/8088 cpu的结构特点流水线结构寄存器组结构分段存储结构总线结构复杂指令集书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧178086寄存器组（1）ahalbhblchcldhdlsp 堆栈指针bp 基址指针si 源地址di 目的地址通用寄存器数据寄存器指针寄存器基址寄存器（“可见的”）axbxcxdx16位书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节：

14、第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧18ip 指令指针flag 标志寄存器cs 代码段ds 数据段ss 堆栈段es 附加段控制寄存器段寄存器16位（“可见的”）8086寄存器组（2）书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧19数据寄存器ax、bx、cx、dx普通用途：保存操作数或运算结果。专门用途：axbxcxdxahalbhblchcldhdlaxbxcxdx累加器 ：基址寄存器：计数寄存器：数据寄存器：存储器地址指针串操作、循环操作的控制寄存器存放被除数的高16位或余数；i/o端口地址它与alu的一个输

15、入端直接相连，进行i/o操作al为8位累加器书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧20变址寄存器si、di普通用途：保存操作数和运算结果。不可以拆成8位寄存器使用。专门用途：作为存储器指针，存放存储单元的偏移地址。在字符串操作中，规定由si给出原指针，由di给出目的指针，所以称si源变址；di目的变址。这两个寄存器有自动增量和减量的功能。指针、偏移地址书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧21按字节编址的存储器（1）设：ds=0004，偏移地址=3（1

16、）指示的存储单元：0007单元（2）设：ds=5678，偏移地址=3（2）指示的存储单元：567b单元偏移地址偏移地址相对地址的概念相对地址的概念si=0003si=0003指针指针si=0003书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧22指针寄存器bp、spbp（基指针寄存器）：给出堆栈中数据区基址的偏移。sp（堆栈指针寄存器）：正常情况下，sp只作为堆栈指针使用。指出堆栈栈顶地址的偏移。书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧23标志寄存器of dfi

17、ftfsfzfafpfcf15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0溢出标志方向标志中断允许跟踪标志符号标志零标志辅助进位奇偶标志进位标志状态标志运算结果标志书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧24算逻运算指令影响运算结果标志，反之亦然。状态标志反映了处理机工作状态，用专门的指令可以设置它。书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧25ibm-pc的存储器结构（存储器单元的地址和内容）（0004）=78h4号字节单元4号字

18、单元4号双字单元（0004）=5678h（0004）=12345678h存储单元、物理地址、存储内容书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧26存储器单元地址的表示存储器单元内容的存放ibm-pc的存储器结构单元地址：最低字节地址“高高低低”原则书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧27书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧28存储器的分段管理（1）逻辑段的划分(16-64k个)地址

19、线: 20根内存容量: 1m字节（=220）寄存器长度： 16 bit段a段b段c段d段e64k段内64k段起始地址xxxx0xxxx0xxxx0xxxx0xxxx0偏移用16位地址寄存器访问 1m字节的物理空间8086/8088cpu书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧29（a） 8086引脚图（b）8088引脚图每个存储单元都有一个20位的物理地址书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧30存储器的分段管理（2）段地址段地址（段基地址段基地址）：指

20、每一段的起始地址。他必须是每一小段的首地址。每一小段首地址书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧31ibmpc系列机的存储器地址物理地址和逻辑地址物理地址：由cpu地址线组成的地址。它是cpu访问存储器 使用的地址。例如： （8086/8088）cpu芯片20根地址线输出。逻辑地址：在程序设计中，程序员使用的地址。书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧32物理地址的形成（物理地址产生示意图） 段 值 0000偏 移物 理 地 址151500020+段值

21、：20位段起始地址的高16位偏移：存储单元地址与所在段起始地址的差称为段内偏移物理地址=段地址16 +偏移（左移4位）总线接口部件biu书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧33逻辑地址的表示： 段地址段地址 偏移偏移物理地址物理地址=段地址段地址16 +偏移偏移例如：逻辑地址0af00:1000h书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧34代码段代码段：存放当前正在运行的程序。数据段数据段：存放当前运行程序所用的数据。附加段附加段：是附加的数据段，是一

22、个辅助的数据区， 也是串操作指令的目的操作数存放区。堆栈段堆栈段：定义了堆栈所在区域。当前段当前段：由4个段寄存器指向的那些段叫当前段逻辑段的分类和作用逻辑段的类型有4种，即：书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧35段寄存器在8086系列机中，有4个专门存放段地址的寄存器，称为段寄存器。即：代码段cs、数据段ds、附加段es、堆栈段ss寄存器。4个逻辑段的段地址分别保存在4个段寄存器中。程序员在编制程序时，应该按照上述规定把程序的各个部分放在规定的段区之内书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧36段寄存器与指针寄存器配对使用堆栈段附加段数据段代码段ssesdscss p或bpi p指针寄存器或直接地址偏移指针寄存器或直接地址偏移si、di或bxsi、di或bx书名：计算机组成技术书名：计算机组成技术 章节：章节： 第四章第四章-2 幻灯片幻灯片哈工大计算机学院 宋颖慧37逻辑段映射到物理存储器在不同时刻被映射到物理内存书名：计算机