典型微处理器

典型微处理器第一页，共四十五页，2022年，8月28日2

本章教学目的及要求

通过学习，应掌握：典型微处理器的内部组成寄存器结构外部引脚特性和作用存储器和I/O组织时序和总线操作系统工作方式和特点第2章典型微处理器

第二页，共四十五页，2022年，8月28日32-1微处理器性能简介

2-1-1典型微处理器的主要性能指标主频外频倍频内存总线速度扩展总线速度地址总线宽度数据总线宽度高速缓存第2章典型微处理器

第三页，共四十五页，2022年，8月28日4

2-1-2微处理器的基本功能（1）指令控制（2）操作控制（3）时间控制（4）数据加工第2章典型微处理器

第四页，共四十五页，2022年，8月28日5

2-2Intel8086微处理器的内、外部结构特性

8086微处理器使用+5V电源，40条引脚双列直插式封装，时钟频率5MHz~10MHz，基本指令执行时间0.3us~0.6us。有16根数据线和20根地址线，可寻址内存地址空间1MB（220B）。

第2章典型微处理器

第五页，共四十五页，2022年，8月28日62-2-1Intel8086微处理器内部组成结构

8086微处理器从功能上可以划分为两个逻辑单元：执行部件EU（ExecutionUnit）总线接口部件BIU（BusInterfaceUnit）典型微处理器

第2章第六页，共四十五页，2022年，8月28日7典型微处理器

第2章ALU数据总线（16位）通用寄存器CSDSSSESIPSPBPSIDIAHBHCHDHALBLCLDL内部通信寄存器总线控制逻辑地址总线（20位）数据总线（16位）暂存寄存器标志Q总线（8位）执行部件（EU）EU控制系统总线接口部件（BIU）8086总线指令队列123456ALUS第七页，共四十五页，2022年，8月28日8第2章典型微处理器

2-2-28086微处理器的寄存器结构

8086可供编程使用的有14个16位寄存器，按其用途可分为3类：通用寄存器段寄存器指针和标志寄存器

第八页，共四十五页，2022年，8月28日9

1.通用寄存器（1）数据寄存器：存放操作数或中间结果。（2）指针和变址寄存器：存放地址偏移量。

2.控制寄存器（1）指令指针寄存器IP（2）标志寄存器FLAG6个状态标志：CF-进位标志；PF-奇偶标志；AF-辅助进位标志；ZF-零标志；SF-符号标志；OF-溢出标志

3个控制标志：TF-陷阱标志或单步操作标志：IF-中断允许标志；DF-方向标志。第2章典型微处理器

1514131211109876543210

OFDFIFTFSFZF

AF

PF

CF第九页，共四十五页，2022年，8月28日10

3.段寄存器（1）代码段寄存器CS（2）数据段寄存器DS（3）堆栈段寄存器SS（4）附加段寄存器ES第2章典型微处理器

第十页，共四十五页，2022年，8月28日112-2-38086微处理器的外部引脚特性

8086CPU具有40个引脚，采用双列直插式的封装形式，如图2-6所示。数据总线为16条，地址总线为20条，其余为状态线、控制信号线、电源、地线等。地址/数据总线采用了分时复用方式，即一部分引脚具有双重功能，例如AD15~AD0这16个引脚，有时传送数据信号，有时可输出地址信号。

第2章典型微处理器

第十一页，共四十五页，2022年，8月28日12图2-68086CPU引脚图第十二页，共四十五页，2022年，8月28日132-3存储器和I/O组织2-3-1存储器组织

1.存储器的内部结构及访问方法

8086有20根地址线，可寻址存储器空间1MB，地址范围为（00000H~FFFFFH）。存储器内部按字节进行组织，两个相邻的字节被称为一个“字”。

第2章典型微处理器

第十三页，共四十五页，2022年，8月28日142.存储器分段

8086系统采用20位地址线寻址1M字节存储空间。由于CPU内所有寄存器都只有16位，只能寻址64KB（216字节）。因此，把整个存储空间分成若干逻辑段，

每个逻辑段容量最大64KB。

CPU允许各个逻辑段在整个存储空间中浮动，可紧密相连，也可相互重叠，还可分开一段距离，如图2-9所示。

第2章典型微处理器

第十四页，共四十五页，2022年，8月28日15第十五页，共四十五页，2022年，8月28日163.存储器地址（1）段地址：描述要寻址的逻辑段在内存中的起始位置。（2）偏移地址：描述要寻址的内存单元距本段段首的偏移量。（3）逻辑地址：由段地址和偏移地址两部分组成。表示形式为“段地址：偏移地址”。（4）物理地址：存储器实际地址，由CPU提供的20位地址码来表示，是惟一能代表存储空间每个字节单元的地址。第2章典型微处理器

第十六页，共四十五页，2022年，8月28日17

逻辑地址到物理地址的转换由BIU中20位的地址加法器自动完成。物理地址计算公式：物理地址=段地址×10H＋偏移地址典型微处理器

第2章第十七页，共四十五页，2022年，8月28日184．专用和保留的存储器单元Intel公司为保证与未来产品的兼容性，规定在存储区的最低地址区和最高地址区保留一些单元供CPU的某些特殊功能专用。第2章典型微处理器

第十八页，共四十五页，2022年，8月28日192-3-2I/O端口组织1.统一编址：I/O端口地址置于1MB存储器空间中，看作存储器单元，每个端口占用一个存储单元的地址。CPU访问存储器的指令和各种寻址方式都可用于寻址I/O端口。2.独立编址：端口单独编址构成一个I/O空间，不占用存储器地址。CPU设置专门输入/输出指令（IN和OUT）和接口控制信号来访问I/O端口。端口地址空间独立，控制电路和地址译码电路较简单，输入/输出指令类别少，一般只进行传送操作。第2章典型微处理器

第十九页，共四十五页，2022年，8月28日202-48086总线周期和工作方式

8086CPU操作在时钟CLK统一控制下进行，以便使取指令和传送数据能够协调地工作。

8086经外部总线对存储器或I/O端口进行一次信息输入或输出过程，称总线操作，执行该操作所需要时间称总线周期。一个总线周期包括T1、T2、T3、T4状态，4个时钟周期。不同总线操作需不同总线信号，这些信号变化进行时间顺序的描述称为“总线时序”。第2章典型微处理器

第二十页，共四十五页，2022年，8月28日212-4-18284A时钟信号发生器

8284A是Intel公司专为8086设计的时钟信号发生器，能产生8086所需的系统时钟信号。

8284A除提供恒定的时钟信号外，还对外界输入的准备就绪信号RDY和复位信号进行同步操作。

第2章典型微处理器

第二十一页，共四十五页，2022年，8月28日22

2-4-2

8086总线周期

8086CPU与存储器或外部设备通信通过20位分时多路复用地址/数据总线来实现。为取出指令或传输数据，CPU要执行一个总线周期。

8086的总线周期至少由4个时钟周期组成。每个时钟周期称为T状态，用T1、T2、T3和T4表示。时钟周期是CPU的基本时间计量单位，由主频决定。例如8086的主频为5MHz，1个时钟周期就是200ns。1．空闲状态TI（idlestate）2．等待状态TW（waitstate）第2章典型微处理器

第二十二页，共四十五页，2022年，8月28日23第2章典型微处理器

8088最小组态下的读总线周期时序第二十三页，共四十五页，2022年，8月28日24第2章典型微处理器

8088最小组态下的写总线周期时序第二十四页，共四十五页，2022年，8月28日25第2章2-4-38086的最小/最大工作方式

Intel公司在设计8086CPU芯片时，规定了两种工作模式，即最小工作模式和最大工作模式。通过CPU的第33条引脚MN/来控制。1.最小工作模式（MN/

=1）：把8086CPU的33引脚接+5V时，系统处于最小工作模式。最小模式系统适用于单微处理器组成的小系统，系统中通常只有一个微处理器，所有的总线控制信号都直接由8086CPU产生，系统中的总线控制逻辑电路被减到最少。2.最大工作模式（MN/=0）：当把8086的33引脚接地时，系统处于最大工作模式。此时，系统中存在两个或两个以上的微处理器，其中有一个主处理器8086，其他处理器称为协处理器。

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第二十五页，共四十五页，2022年，8月28日26第2章2-532位微处理器简介2-5-180386微处理器

1985年10月，Intel公司推出高性能32位微处理器80386，芯片内部集成27.5万个晶体管，采用132引脚陶瓷网格阵列（PGA）封装，具有高可靠性和紧密性。典型微处理器

第二十六页，共四十五页，2022年，8月28日27第2章1．80386的主要特性（1）提供32位指令，支持8位、16位和32位数据类型。（2）提供32位外部总线接口，最大数据传输率32Mbit/s。（3）具有片内集成存储器管理部件（MMU），支持虚拟存储和特权保护。（4）具有实地址、保护和虚拟8086共3种工作方式。（5）可直接寻址4GB物理存储空间，虚拟存储空间达64TB。（6）配用80287、80387数值协处理器可支持高速数值处理。（7）时钟频率12.5MHz、16MHz、20MHz、25MHz和33MHz等。典型微处理器

第二十七页，共四十五页，2022年，8月28日28第2章

2.80386的内部结构内部结构如图2-14所示。由总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件、控制部件、数据部件、保护测试部件、分段部件和分页部件等组成。

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第二十八页，共四十五页，2022年，8月28日29图2-1480386CPU的内部结构框图

第二十九页，共四十五页，2022年，8月28日30第2章2-5-280486微处理器

1989年4月，Intel公司推出80486，采用1μmCHMOS工艺，芯片内集成120万个晶体管，时钟频率25MHz~50MHz。

80486在80386原有6个部件基础上又新增高性能浮点运算部件（FPU）和高速缓冲存储器（Cache）两个部件。

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第三十页，共四十五页，2022年，8月28日31第2章典型微处理器

1．80486的主要特性（1）在CISC技术基础上，首次采用RISC技术，有效地减少指令时钟周期个数。（2）芯片上集成部件多。（3）高性能的设计。（4）完全的32位体系结构。（5）增加了多处理器指令，增强了多重处理系统。（6）具有机内自测试功能。第三十一页，共四十五页，2022年，8月28日32第2章2.80486的基本结构

80486微处理器的内部结构如图2-15所示，包括总线接口部件、高速缓存（Cache）部件、指令预取、指令译码部件、控制/保护部件、整数部件、浮点运算部件、分段部件和分页部件9个功能部件。

80486将这些部件集成在一块芯片上，除减少主板空间外，还提高了CPU的执行速度。典型微处理器

第三十二页，共四十五页，2022年，8月28日33图2-1580486CPU内部结构

第三十三页，共四十五页，2022年，8月28日34第2章2-5-3Pentium系列微处理器

Pentium系列微处理器从Pentium、PentiumPro、MMXPentium到PentiumII、PentiumIII、Pentium4等，Intel公司通过改变CPU的工作频率、二级缓存的大小、产品制造工艺等来不断提高微处理器的性能，内部结构和功能也在不断地扩充。典型微处理器

第三十四页，共四十五页，2022年，8月28日35第2章1.Pentium系列微型计算机的主要特点（1）高集成度。（2）时钟频率高。（3）数据总线带宽增加。（4）片内采用分立的指令Cache和数据Cache结构。（5）采用RISC型超标量结构。（6）高性能的浮点运算器。（7）双重分离式高速缓存。典型微处理器

第三十五页，共四十五页，2022年，8月28日36第2章（8）增强了错误检测与报告功能。（9）64位数据总线。（10）分支指令预测。（11）常用指令固化及微代码改进。（12）具有实地址方式、保护方式、虚拟8086方式及SMM系统管理方式。（13）软件向上兼容80386/80486。典型微处理器

第三十六页，共四十五页，2022年，8月28日37第2章2.Pentium微处理器的内部结构

Pentium微处理器主要部件包括总线接口部件、指令高速缓存器、数据高速缓存器、指令预取部件（指令预取缓冲器）与转移目标缓冲器、寄存器组、指令译码部件、具有两条流水线整数处理部件（U流水线和V流水线）、拥有加乘除运算且具有多用途电路的流水浮点处理部件FPU等。

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第三十七页，共四十五页，2022年，8月28日38第2章3.PentiumPro微处理器

PentiumPro又称为高能奔腾，是Intel公司继Pentium之后于1995年11月推出的又一种新型高性能奔腾微处理器。比Pentium增加了8条指令，对X86处理器向下兼容，采用387个引脚PGA封装。典型微处理器

第三十八页，共四十五页，2022年，8月28日39第2章4.MMX及MMXPentium微处理器

MMX（multimediaextended，多媒体扩展技术），增加了支持多媒体的指令集，使微处理器性能大大增强。

PentiumMMX称为多能奔腾微处理器，是一种充分改善多信息应用程序性能的微处理器。

PentiumMMX可全面提高计算机的综合性能，主要包括整数运算、浮点运算及多媒体应用3个方面。典型微处理器

第三十九页，共四十五页，2022年，8月28日40第2章5.PentiumⅡ微处理器PentiumⅡ首次采用单边连接盒的独立接插式标准（slot1），用一块带金属外壳的印刷电路板，不但集成了处理器部件，还包括了32KB的L1Cache，并且处理器封装与512KB~2MB的L2Cache等置于同一个底座，共242个引脚，可直接插入主板的相应插座中。典型微处理器

第四十页，共四十五页，2022年，8月28日41第2章6.PentiumⅢ微处理器

1999年Intel推出PentiumⅢ微处理器，总线频率100MHz/133MHz，内部核心部分集成950万只晶体