计算机硬件基础第二章微处理器

计算机硬件基础

第二章微处理器

2.1微处理器概述

上、微处理器的概念

微处理器(MicroProcessingUnit,MPU),即

微型化的中央处理器。微处理器由算术逻辑部件(ALU)、

控制部件、寄存器组和片内总线等几部分组成。

中央处理器CPU的英文全称是CentralProcessing

Unito

早期微处理器以MPU表示，以区别于大型主机的多

芯片CPU。但现在已经不加区分，都用CPU表示。

2.1微处理器概述

微处理器的发展

微处理器的发展阶段早期一般以其处理数据的位数

作为划分阶段的依据，后来有重大的技术和工艺改进也

进行阶段划分。

2.1微处理器概述

；、微处理器的发展

■L4位微处理器

1971年Intel公司推出的i4004和i8008,采用

PMOS工艺的4位和8位微处理器，只能进行串行的十进

制运算，集成度达到2000个晶体管/片。

2.1微处理器概述

、微处理器的发展

2.8位微处理器

1974年Intel推出的i8080,后来又推出i8085。它

们是采用NMOS工艺的8位微处理器，集成度达到9000个

晶体管/片。在许多要求不高的工业生产和科研开发中已

可运用。典型8位微处理器有一条16位地址线，因此最多

可寻址64K个存储单元，对于具有大量数据的大型复杂程

序都可能是不够的。

Motorola--M6800

Zilog--Z-80

Apple公司生产苹果机AppleII

2.1微处理器概述

「、微处理器的发展

।3,16位微处理器

20世纪70年代后期，超大规模集成电路投入使用，

出现了第三代微处理器。Intel公司的8086/8088,

Motorola公司的M68000和Zilog公司的Z8000等16位

微处理器相继问世，它们的运算速度比8位微处理器快

2〜5倍，采用HMOS高密度工艺，集成度达29000个晶

体管/片，赶上或超过了20世纪70年代小型机的水平。

2.1微处理器概述

「、微处理器的发展

'3.16位微处理器

20世纪80年代以来，Intel公司又推出了高性能的

16位微处理器80186及80286。它们与8086/8088向

上兼容。80286是为满足多用户和多任务系统的微处理

器，速度比8086快5〜6倍。

2.1微处理器概述

、微处理器的发展

3.16位微处理器

IBM公司1978年推出了IBM-PC系列微机，推动了

Intel微处理器的应用。

IBM-PC8086

IBM-PC/XT8088

IBM-PC/AT80286

2.1微处理器概述

「、微处理器的发展

'3.32位微处理器

1985年，第四代微处理器80386及M68020推出市

场，集成度达45万个晶体管/片。它们是32位微处理器,

时钟频率达40MHz,速度之快、性能之高，足以同高档

小型机相匹敌。

2.1微处理器概述

；、微处理器的发展

■3・32位微处理器

1989年推出了80486。

80486与80386的区别。

同时代的微处理生产厂家：AMD,Cyrix

2.1微处理器概述

「、微处理器的发展

।3.32位微处理器

Pentium及以后的处理器：

Pentium,32位结构，连接主存的外部数据总线却

是64位，采用了超标量技术、双路高速缓冲结构。

PentiumPro,原称P6,中文名称为“高能奔腾”，

二级缓存技术、扩展的超标量技术、动态执行技术。

PentiumMMX（MMX,MutliMediaextension,

多媒体扩展指令），中文名称为“多能奔腾”），将

MMX指令应用于Pentium处理器。

2.1微处理器概述

「、微处理器的发展

'3.32位微处理器

Pentium及以后的处理器：

PentiumH,MMX指令应用于PentiumPro。

PentiumIII,SSE指令应用于PentiumII。

SSE指令，StreamingSIMDExtensions,数据

流SIMD扩展指令，浮点单精度多媒体运算指令，提高浮

点3D数据的处理能力。

SIMD,SingleInstructionMultipleData,表

示一条指令具有同时处理多组数据的能力。

2.1微处理器概述

「、微处理器的发展

।3.32位微处理器

Pentium及以后的处理器：

Pentium4,超线程HT（HyperThreading）技

术（提高工作的并行性）、SSE2指令（增强浮点双精度

多媒体运算能力）、SSE3指令（增强和完善MMX,

SSE和SSE2指令）o

APPLE公司的Macintosh机

2.1微处理器概述

；、微处理器的发展

■4・64位微处理器

安腾处理器

酷睿处理器(Core,Core2)

多核处理器

2.28086/8088微处理器

1j、8086/8088CPU概述

8086和8088CPU的内部基本相同，但它们的夕卜部性能是有

区别的。8086是16位数据总线，而8088是8位数据总线，

在处理一个工6位数据字时，8088需要两步操作而8086只

需要~"步。

8086和8088CPU的内部都采用16位字进行操作及存储器寻

址，两者的软件完全兼容，程序的执行也完全相同。然而,

由于8088要比8086有较多的外部存取操作，所以，对相

同的程序，它将执行得较慢。这两种微处理器都封装在相

同的40脚双列直插组件中。

2.28086/8088微处理器

、8086/8088CPU的结构

8086CPU从功能上可分为两部分，即总线

接口部件BIU(BusInterfaceUnit)和执行部

件EU(ExecutionUnit)。

20ft

通用

寄存器AHAL

BHBL

CHCL

DHDL

SP

BP二＞

DI外部

总线

SI

(123456

3tt'~>~~~~~~1―

指令队列蝮冲器

标志

执行部件(EU)总线接口部件(BIU)

2.28086/8088微处理器

、8086/8088CPU的结构

-1.执行部件EU

执行部件(EU)的功能就是负责指令的执行。将指令

译码并利用内部的寄存器和ALU对数据进行所需的处理。

从结构图可见到执行部件由下列部分组成：

4个通用寄存器，即AX,BX,CX,DX；

4个专用寄存器，即基数指针寄存器BP,堆栈指针

寄存器SP,源变址寄存器SI,目的变址寄存器DI；

标志寄存器(FR)；

算术逻辑部件(ALU)。

2.28086/8088微处理器

、8086/8088CPU的结构

1.执行部件EU

8086/8088EU的特点：

(工)4个通用寄存器既可以作为16位寄存器使用，也可以

作为8位寄存器使用。如，当BX寄存器作为8位寄存器时,

分为BH和BL,BH为高8位，BL为低8位。

(2)AX寄存器也常称为累加器，8086指令系统中有许多

指令都是通过累加器的动作来执行的。

(3)加法器是算术逻辑的主要部件，绝大部分指令的执

行都由加法器来完成。

2.28086/8088微处理器

、8086/8088CPU的结构

1.执行部件EU

8086/8088EU的特点：

(4)标志寄存器FR共有工6位，其中7位未用。

8086的标志可分为两类：

状态标志——它是操作在执行后，决定算术逻辑部件ALU处在

何种状态，这种状态会影响后面的操作。

控制标志——它是人为设置的，指令系统中有专门的指令用于

控制标志的设置和清除，每个控制标志都对每一种特定的功能起控

制作用。

1$1413121110987654

状态标志位

OF溢出标志AF半（辅）进位标志位

SF符号标志位PF奇偶标志位

ZF零标志位CF进位标志位

控制标志位

DF方向标志位

IF中断允许标志位

TF自陷（跟踪方式）标志位

2.28086/8088微处理器

日8086/8088CPU的结构

■2.总线接口部件BW

总线接口部件的功能是负责与存储器、I/O端口传

送数据，即BIU管理在存储器中存取程序和数据的实际

处理过程。总线接口部件由下列各部分组成：

4个段地址寄存器，即CS代码段寄存器，DS数据段

寄存器，ES附加段寄存器，SS堆栈段寄存器。

指令指针寄存器IP。

20位的地址加法器。

6字节的指令队列（8088为4字节）。

2.28086/8088微处理器

、8086/8088CPU的结构

-2.总线接口部件BW

8086/8088BIU的特点：

（工）8086/8088在执行指令的同时，从内存中取下一条

指令或下几条指令，取来的指令就放在指令队列中。这

样，一般情况下，CPU执行完一条指令就可以立即执行

下一条指令，而不需要像此前的计算机让CPU轮番进行

取指令和执行指令的操作，从而提高了CPU的效率。

2.28086/8088微处理器

8086/8088CPU的结构

・2.总线接口部件BRJ

8086/8088BIU的特点：

(2)地址加法器用来产生20位地址。8086可用20位地

址寻址1M字节的内存空间，但8086内部所有的寄存器

都是16位的，所以需要由一个附加的机构来根据16位寄

存器提供的信息计算出20位的物理地址，这个机构就是

20位的地址加法器。

例如，一条指令的物理地址就是根据代码段寄存器CS和

指令指针寄存器IP的内容得到的。

具体计算时，要将段寄存器的内容左移4位，然后再与

IP的内容相加。

假设CS=OFEOOH（工6位）,IP=0400H（16位），

此时指令的物理地址为OFE400H（20位）。

2.28086/8088微处理器

、8086/8088CPU的结构

3.EU与BIU工作的配合

EU和BIU并不是同步工作的，它们是按以原则管理：

(1)每当8086的指令队列中有两个空字节，或者8088的指令

队列中有一个空字节时，BIU就会自动把指令取到指令队列中。

(2)EU在执行指令的过程中，如果必须访问存储器或者输入/

输出设备，那么，EU就会请求BIU,进入总线周期，进行一次总线

操作。

如果此时BIU正好处于空闲状态，会立即响应EU的总线请求。

但如果EU发出请求时，BIU正在将某个指令取到指令队列中，

此时BIU将首先完成这个取指令的总线周期，然后再去响应EU的请

求。

2.28086/8088微处理器

、8086/8088CPU的结构

3.EU与BIU工作的配合

(3)当指令队列已满，而且EU又没有总线访问时，BIU便进入

空闲状态。

(4)在执行转移指令、调用指令和返回指令时，下面要执行的

指令就不是在程序中紧接着的那条指令了，而BIU往指令队列装入

指令时，总是按顺序进行的，这样，指令队列中已经装入的字节就

没有用了。遇到这种情况，指令队列中的原有内容被自动消除，

BIU会接着往指令队列中装入另一个程序段中的指令。

2.28086/8088微处理器

三、8086/8088的存储器管理

8086/8088系统中存储器按字节编址，可寻址的

存储器空间为1MB,由于:LMB为22。，因此每个字节所

对应的地址应是20位（二进制数），这20位的地址称为物

理地址。

2.28086/8088微处理器

三、8086/8088的存储器管理

-L存储器的分段

20位的物理地址在CPU内部就应有20位的地址寄存器，而机内

的寄存器是16位的(16位机)，16位寄存器只能寻址64KB。

8086/8088系统中把1M存储空间分成若干个逻辑段，每个逻

辑段容量W64KB,因此:LM的存储空间可分成16个逻辑段(0—15)。

允许它们在整个存储空间浮动，即段与段之间可以部分重叠、

完全重叠、连续排列、断续排列，非常灵活。在整个存储空间中可

设置若干个逻辑段，

00000

=64K字节

OFFFF0段

10000

1段=64K字节

1FFFF上16个

对于任何一个物理「逻辑段

地址，可以惟一地被包

含在一个逻辑段中，也

可包含在多个相互重叠

的逻辑段中，只要有段

地址和段内偏移地址就FOOOO-------

可以访问到这个物理地

址所对应的存储空间。15段=64K字节J

FFFFF

00000

逻辑段1起点［逻辑段1

武64KB

逻辑段2起点逻辑段2

W64KB

逻辑段3起点『逻辑段3

N64KB

逻辑段4,5起点.逻辑段4,5

<64KB

FFFFF

2.28086/8088微处理器

*、8086/8088的存储器管理

・L存储器的分段

在8086/8088存储空间中，把16字节的存储空间称作一节

(paragraph)o

为了简化操作，要求各个逻辑段从节的整数边界开始，也就是

说段首地址低4位应该是“0”，因此就把段首地址的高16位称为

“段基址”，存放在段寄存器DS或CS或SS或ES中，段内的偏移地

址存放在IP或SP中。

2.28086/8088微处理器

:、8086/8088的存储器管理

L存储器的分段

例：

代码段

若已知当前有效的

代码段、数据段、附

加段和堆栈段的段基数据段

址分别为

1055H250AH,8FFB

z附加段

H和EFF0H,那么它们

在存储器中的分布情

况如图所示。堆栈段

2.28086/8088微处理器

三、8086/8088的存储器管理

-2,存储器中的逻辑地址和物理地址

采用分段结构的存储器中，任何一个逻辑地址由段基址和偏移

地址两个部分构成，它们都是无符号的16位二进制数。

任何一个存储单元对应一个20位的物理地址，也可称为绝对地

址，它是由逻辑地址变换得来的。当CPU需要访问存储器时，必须

完成如下的地址运算：

物理地址=段基址X16+偏移地址

物理地址的形成如下图所示，它是通过的BIU的地址加法器来

实现的。

1503210

11

19物理地址0

2.28086/8088微处理器

片、8086/8088的存储器管理

・2.存储器中的逻辑地址和物理地址

例：

彳弋码段寄存器CS=2000H

指令指针寄存器存放的是偏移地址IP=2200H

存储器的物理地址为20000H+2200H=22200H。

2.28086/8088微处理器

■二、8086/8088的存储器管理

-2,存储器中的逻辑地址和物理地址

我们可以把每一个存储单元看成是具有两种类型的地址：物理

地址和逻辑地址。物理地址就是