微型计算机系统与接口：ch11

1、微型计算机技术赵雁南 温冬婵 杨泽红1前言0.1、教学内容和目标0.2、教学要求0.3、教材与参考书0.4、教学日历及其他20.1、教学内容和目标0.1.1教学内容基础以微计算机的基本概念为基础主线以微计算机的技术发展作为课程的主线 重点以微计算机的关键技术为重点，掌握要点和应用方法30.1、教学内容和目标（续）0.1.2教学目标培养能力资料阅读能力分析软硬件能力设计接口，扩充系统能力使用设计与调试工具、设计与调试能力40.1、教学内容和目标（续）0.1.3学习方法“问题驱动”方法（Question-Driven）提出问题Why? 体会事物发展的动因，培养创新思维分析问题What? 培养分析问

2、题的能力，抓住事物的本质如何解决 How? 学习具体的技术，积累创新的技能和方法举例：Why？为什么选择本课程What? 本课程能学到什么内容How? 怎样学好本课程50.2、教学要求0.2.1注意基本能力的培养0.2.2理论教学与实验并重0.2.3关于作业0.2.4关于考核60.3、教材与参考书教材： 赵雁南、温冬婵、杨泽红微型计算机系统与接口 清华大学出版社参考书：1、Barry B. Brey, “The Intel Microprocessors 8086/8088Pentium Processors Architecture，Programing and Interfacing”（有

3、中译本）2、戴梅萼、史家权，微型计算机技术与应用从16位到32位清华大学出版社3、 The 8086 Familly Users Manual4、 Tom Shanley etc. “ Pentium Processor System Architecture”7第一章 概 述什么是微型计算机微型计算机系统的构成和性能评价微型计算机的发展概况81.1什么是微型计算机从体积、功能和价格划分大型中型小型微型从组成划分电子管晶体管集成电路LSIVLSI 一般，把台式计算机类型的个人计算机、结构相对简单的工业控制计算机等统称为微型计算机 91.2微型计算机系统的构成和性能评价 1.2.1 微型计算机系

4、统的基本组成 微处理器、微计算机、微机系统图1-1微计算机系统101.2微型计算机系统的构成和性能评价 1.2.1 微型计算机系统的基本组成 C:图1-2微计算机111.2微型计算机系统的构成和性能评价 1.2.1 微型计算机系统的基本组成图1-3微处理器P:121.2微型计算机系统的构成和性能评价 1.2.1 微型计算机系统的基本组成图1-4微处理器P:131.2微型计算机系统的构成和性能评价 1.2.2 微型计算机的性能描述微处理器的字长和指令执行时间ALU的位数和数据总线的宽度为字长MIPS Pentium100 150MIPS，Pentium Pro200 440MIPS iCOMP（

5、intel COmparable Microprocessor Performance）指数评测方案 Pentium100 815，Pentium200 1810141.2微型计算机系统的构成和性能评价 1.2.2 微型计算机的性能描述内存储器容量和速度处理机内存储器的最大容量和处理器的地址线宽度有关 ，配置综合性能价格DRAM，访问时间，远低于处理器速度系统总线传输速率总线每秒钟能够传送的最大字节数8MHz,16位ISA 5.3MB/S; 66MHz、64位的PCI峰值传送速率528MB/S 151.3微型计算机的发展概况1.3.1 Intel 系列微处理器161.3.1 Intel 系列微

6、处理器171974年第一个通用8位微处理器8080诞生。8085将8080的三片结构集成为一片，并优化。8085与其它器件接口方便且中断系统功能完善等特点，在很长时间内被广泛地应用在计算机控制系统当中。8080和8085奠定了80 x86系列的雏形。 Intel 80808085181978年，80 x86第一代16位微处理器。第一次将流水线思想引进微处理器：指令级流水。存储器分段管理机制引入处理器，扩大寻址能力。只有整数运算指令。可配套协处理器8087、I/O处理器8089，具备较强大计算能力和I/O处理能力。推出8088，8位外部数据总线，兼容丰富的8位配套器件， 8088内部与8086结

7、构基本相同。基于8088微处理器的IBM PC-XT以及兼容系统。Intel 8086191982年，80286诞生，16位处理器，80286在性能上比8086有了很大的提高。80286将存储器的保护管理模式引入CPU的体系结构，从80286开始，处理器支持实地址模式和虚拟保护模式。基于80286的IBM个人计算机即IBM PC/AT。 Intel 802862085年，是第一个32位微处理器，内部寄存器均为32位，32根地址线，最大地址空间为4G字节。在处理器内部，80386增加了系统管理等专用寄存器，集成了规范的存储管理部件，并按照速度的不同，采用了分级的总线结构。80386也是第一个支持

8、片外Cache的CPU。因此，基于386的微计算机系统，总体性能上有了很大提高。 Intel 803862180486将8M字节的Cache集成在处理器芯片内部，极大的提高存储器访问的速度。486采用了取指、两级译码、执行和写回五级流水，流水线上多数指令的执行仅需一个时钟就能完成。首批486的主频从386DX的20MHz仅提高到了25MHz，指令的执行速度却提高了3倍多，从386的6MIPS（每秒百万指令流）提高到20MIPS。从80486开始，数值运算协处理器被集成在主处理器内部。Intel 8048622九十年代初的Pentium微处理器：32位，外部数据总线宽度64位。内部集成了独立的8

9、KB代码Cache和8KB数据Cache，避免取指和读写操作数时产生的Cache访问冲突。Pentium采用了超标量流水线和指令分支预测技术，集成了高性能的浮点处理单元。多数情况下，超标量流水线每个时钟周期可以执行两条整型指令和一条浮点处理指令。整数处理能力比486提高2倍，浮点处理能力比486提高510倍。相同频率（100MHz）的Pentium比80486 iCOMP指数提高2倍。 Intel 80586Pentium23486DX4100Pentium10024继Pentium之后，第六代微处理器Pentium Pro在2年以后面世。Pentium Pro处理器内部同时集成了16KB的L

10、1 Cache和256/512KB的L2 Cache。并通过指令乱序执行以及重排序缓冲器进一步提高指令级的并行性。Pentium Pro的首批CPU频率就达到200MHz，性能为440MIPS。 Intel 80686Pentium Pro251997年，Pentium II处理器诞生，PII内部L1级指令Cache和数据Cache分别增加到16MB，内部L2级Cache仍为256/512KB。在超标量流水线结构中增强了MMX指令的处理能力。从PII开始采用了双独立总线结构，一条用于连接处理器内核和L2 Cache，一条连接系统总线，处理器可以在2条总线上同时传送数据。 Pentium II2

11、6Pentium III在PII的基础上进一步提高了性能，它的集成度达到820万晶体管，第一批CPU的主频为500MHz，运行速度为1000MIPS。P III的最高频率为1.40GHz。PIII具有256bit宽的Cache数据总线，它增加了128位的SIMD（单指令多数据）寄存器，用于Internet 流式 SIMD 扩展。P III还增强了动态执行的微结构。 Pentium III27P4采用了混合流水线技术和快速执行引擎，增强的浮点和多媒体单元。P4的L1级Cache增加了12K的执行跟踪Cache ，系统总线达到400 MHz。 P4的主频达到2200MHz，指令执行速度高达3000

12、MIPS。 Pentium 428Pentium 429Pentium 4 EE (Extreme Expensive） 90纳米工艺3.74GHz （3.46）1066MHz前端数据总线 支持64位计算 集成度1.69亿个晶体管2MB L2 Cache“execute bit disable”安全技术 30Pentium 4 Extreme Expensive Extreme 多核结构311.3.1 Intel 系列微处理器 Pentium Available at 1.13, 1.26 and 1.40GHz 512KB Advanced Transfer Cache (L2) with

13、Error Correcting Code (ECC)Integrated high performance 16KB instruction and 16KB data level one cache Dual Independent Bus (DIB) architecture Separate dedicated external System Bus，dedicated internal high-speed cache busInternet Streaming SIMD Extensions Dynamic execution micro architectureQuad Quad

14、word Wide (256 bit) cache data bus321.3.1 Intel 系列微处理器 Pentium 4Hyper Pipelined Technology 400 MHz System Bus Level 1 Execution Trace Cache Rapid Execution Engine 256KB or 512KB Level 2 Advanced Transfer Cache Advanced Dynamic Execution Enhanced Floating-Point and Multimedia UnitInternet Streaming SIMD Extensions 2 331.3.1 Intel 系列微处理器341.3.2 近年来与Intel 竞争的微处理器 整数运算： 6X86AMD K5Pentium 浮点运算： 6X86AMD K5AMD K6Pentium MMX，6x86MX 0.25um工艺 浮点运算： AMD K6PentiumMMX；6x86MX, M很差 M技术与P接近 1998，AMD K6-2 改进体系结构，支持3Dnow!指令，优于MMX，近于P 1998，