第2章 80X86微机系统.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章,80X86,微机系统,计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。,2.1,计算机硬件系统,硬件是指组成计算机的各种物理设备，包括计算机的主机和外部设备，具体由五大功能部件组成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。,2.1.1,中央处理器,CPU,硬件系统的核心是中央处理器（,CentralProcessingUnit,，简称,CPU,）。它主要由控制器、运算器等组成，并采用大规模集成电路工艺制成的芯片，又称微处理器芯片。控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码；根据指令的要求，按时间的先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地工作，一步一步地完成各种操作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。运算器又称算术逻辑单元（,ArithmeticLogicUnit,，简称,ALU,）。它是计算机对数据进行加工处理的部件，包括算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非、异或、比较等）,CPU,是计算机中最重要的一个部分，发展非常迅速，个人电脑从,8088(XT),发展到现在的多核,CPU,时代，只经过了不到四十年的时间。从生产技术来说，最初的,8088,集成了,29000,个晶体管，而,Pentium,的集成度超过了,2810,万个晶体管；,CPU,的运行速度，以,MIPS(,百万条指令每秒,),为单位，,8088,是,0.75MIPS,，到高能奔腾时已超过了,1000MIPS,。不管什么样的,CPU,，其内部结构归纳起来都可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，这三个部分相互协调，对命令和数据进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。,CPU,按照其处理信息的字长可以分为：,4,位微处理器、,8,位微处理器、,16,位微处理器、,32,位微处理器以及,64,位微处理器，可以说个人电脑的发展是随着,CPU,的发展而前进的。,2.1.2 80X86,微处理器结构,在微处理器的发展历史中，具有典型代表的,CPU,是,16,位,8086 CPU,、,32,位,80486 CPU,和,Pentium CPU,。,1,8086/8088 CPU,8086CPU,具有,16,位内部总线和,16,位数据总线。从功能上来看，,8086/8088CPU,可分为两部分，即总线接口部件,BIU,（,Bus Interface Unit,）和执行部件,EU,（,Execution Unit,）。,8086/8088CPU,内部功能结构如图,2-1,所示。,2,80486 CPU,80486,微处理器由,7,大部分组成，包括总线接口部分、指令预取部分、译码部分、控制部分、运算部分、存储器管理部分和高速缓冲存储器，如图,2-2,所示。,运算部分包含定点运算部件和浮点运算部件。进行定点运算时需要算术逻辑运算单元（,ALU,）、移位器和寄存器组；进行浮点运算时需要浮点运算单元（,FPU,）和浮点寄存器组。,80486,存储管理部分由分段部件和分页部件两部分组成。分段部件管理逻辑地址空间，并把逻辑地址转换为线性地址；分页部件把线性地址转换为物理部件。,指令预取部件中包含了两个,16,字节的队列寄存器。指令预取部件与,cache,之间有一条单向的,128,位宽度的通道，因此，每次从,cache,中最多可取,16,字节的信息。指令预取部件也有一条指向指令译码器的,24,位宽度的指令代码流的通路。指令译码器对指令的操作码进行翻译，并把翻译后的通过指令总线送给控制部件。,80486,的寄存器组可以分为,4,类，它们是基本结构寄存器、系统级寄存器、浮点寄存器和调试测试寄存器。应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点寄存器；而系统程序可访问所有的寄存器。,基本结构寄存器包括通用寄存器、段寄存器、指令指针寄存器和标志寄存器。,通用寄存器是程序设计时可以使用的寄存器，共有,8,个，能进行,8,位、,16,位和,32,位的运算。,32,位的通用寄存器包括,EAX,、,EBX,、,ECX,、,EDX,、,ESI,、,EDI,、,EBP,、,ESP,，,16,位通用寄存器包括,AX,、,BX,、,CX,、,DX,、,SI,、,DI,、,BP,、,SP,，,8,位通用寄存器包括,AH,、,BH,、,CH,、,DH,、,AL,、,BL,、,CL,、,DL,。,段寄存器包括代码段寄存器,CS,，堆栈段寄存器,SS,，数据段寄存器,DS,、,FS,、,GS,，附加段寄存器,ES,，,CS,用来指示代码的地址空间，其他寄存器用来指示数据区的地址空间。,指令指针寄存器,IP,和扩展的指令指针寄存器,EIP,，用于存放指令代码的偏移量。,标志寄存器,EFLAGS,是,32,位的寄存器，如图,2-3,所示，主要用于控制微处理器操作以及当前指令执行后的状态。标志寄存器含有两类标志，即状态标志和控制状态。,（,1,）,C,标志（进位,/,借位标志）,C,标志记录了加,/,减运算之后最高位的进位值,/,借位值。,（,2,）,A,标志（辅助进位,/,借位标志）,A,标志又称为半进位,/,半借位标志。,字节加,/,减时，,D3,位向,D4,位有进位,/,借位，则,A,标志置,1,，否则置,0,。,字加,/,减时，,D7,位向,D8,位有进位,/,借位，则,A,标志置,1,，否则置,0,。,双字加,/,减时，,D15,位向,D16,位有进位,/,借位，则,A,标志置,1,，否则置,0,。,（,3,）,S,标志（符号标志）,S,标志记录了运算结果的最高位位值。对于有符号数而言，表示运算结果的符号，,0,表示结果为正数，,1,表示运算结果为负数。,（,4,）,Z,标志（全零标志）,Z,标志表示运算结果全零与否，全零时置,1,，否则置,0,。,（,5,）,P,标志（奇偶标志）,P,标志表示运算结果中低,8,位二进制数中,1,的个数为偶数与否，为偶数,P,标志置,1,，否则置,0,。,（,6,）,O,标志（溢出标志）,当运算结果溢出时，,O,标志置,1,，否则，置,0,。,（,7,）方向标志,DF,CPU,在执行串操作指令时，控制字符串指针的调整方向，,DF,为,0,时，进行增加调整，否则进行减址调整。,（,8,）中断允许标志,IF,IF,标志控制,CPU,是否响应来自引脚,INTR,的可屏蔽中断请求。,IF,为,1,，,CPU,响应可屏蔽中断，否则不响应。,系统级寄存器包括,4,个控制寄存器和,4,个系统地址寄存器。,4,个控制寄存器包括,CR0,、,CR1,、,CR2,和,CR3,，如图,2-4,所示。,4,个系统地址寄存器包括全局描述符表寄存器（,GDTR,）、局部描述符表寄存器（,LDTR,）、中断描述符表寄存器（,IDTR,）和任务寄存器（,TR,），这,4,个寄存器主要用来保存保护方式下的数据基地址、界限和其他属性，以确保形成地址快速。,GDTR,和,LDTR,分别用来保存,GDT,（全局描述符表）和,LDT,（局部描述符表）的,32,位线性基地址等内容。,IDTR,用来存放中断描述符表的基址和界限。,TR,用来存放任务状态段（,TSS,）的基址、界限和其他属性。,调试和测试寄存器,DR0,DR7,：,DR0-DR3,存放各断点的线性地址；,DR4,，,DR5,保留；,DR6,是断点状态寄存器；,DR7,为断点控制寄存器。,80486,定义了,5,个测试寄存器,TR3,、,TR4,、,TR5,、,TR6,、,TR7,。,浮点寄存器,FPU,：,80486,的,FPU,中包含有,13,个浮点寄存器。,3,Pentium CPU,Pentium,微处理器是,Intel,公司继,80486,之后推出的,64,位高性能微处理器，采用了超标量体系结构、分支预测先进技术，分开的指令、数据高速缓冲存储器，以及,128,位、,256,位内部数据总线，,64,位可成组传送的外部总线等，使系统的性能进一步提高。,Pentium,微处理器由总线部件、代码,Cache,、数据,Cache,、预取缓冲存贮器、指令译码部件、浮点运算部件组成，具体结构如图,2-5,所示。,2.1.3 80486,的工作模式,80486,有三种工作模式：实地址模式、保护虚地址模式和虚拟,8086,模式。,1,实地址模式,在处理器复位后，处理器内部的,CR0,的,PE,位为,0,，表示此时处理器工作在实地址模式。,8086,中，段地址：偏移地址形式的地址称为逻辑地址，形成物理地址的方法是段寄存器左移,4,位加上偏移地址。即物理地址为：物理地址段寄存器的内容,16,偏移量。,在实地址模式下，处理器的物理地址实质上也是这样产生的。在实地址模式下，段寄存器的内容会自动乘,16,并放在段描述符寄存器的基地址中。段限制也固定为,0FFFFH,，即,64KB,。其他属性也是固定的。,2,保护虚地址模式,保护虚地址模式从硬件上为多用户的操作系统设计提供了有力支持。在特权级上，定义了,4,级，第,0,级优先级最高，第,3,级优先级最低。优先级的设定便于保护操作系统的安全性。保护模式下运行的程序分为,4,个特权等级：,0,、,1,、,2,、,3,，操作系统核心运行在最高特权等级,0,；用户程序运行在最低特权等级,3,。,80X86,中有完善的特权检查机制，既能实现资源共享，又能保证程序和数据的安全和保密、任务之间的隔离。,在保护虚地址方式下，为了确定内存单元的物理地址，首先通过选择器确定描述符，然后从中取出段基地址，最后与段内偏移地址来确定该内存单元的物理地址，其完整的寻址示意图如图,2-8,所示。,3,虚拟,8086,模式,在虚拟,8086,模式下，,80486,就相当于一个高速的,8086 CPU,。有了虚拟,86,方式，,486,微处理器允许同时执行,8086,操作系统和,8086,应用程序以及,486,操作系统和,486,应用程序，因此，在一台多用户的,486,微处理器的计算机里，多个用户都可以同时使用计算机。,在虚拟,86,方式下，还可以与实方式相同的形式使用段寄存器，以形成线性基地址。通过使用分页机制，就可以把虚拟,86,方式下的,1MB,地址空间映像到,80486,微处理器的,4GB,的物理空间中的任何位置。,2.1.4 80486,的外部引脚介绍,80486DX,微处理器有,168,条引脚，其引脚如图,2-9,所示，采用网格阵列（,PGA,）封装。,1,地址总线和数据总线,2,控制总线,3,时钟信号,2.1.5,存储器,存储器分为内存储器（内存）和外存储器（外存）两种，内存储器主要包括,RAM,和,ROM,，其中高速缓冲存储器是,RAM,的一种，外存储器主要包括硬盘、光盘等，本教材主要介绍主存储器。,随机访问存储器,RAM,（,Random Access Memory,）是计算机中用来存放数据、程序及运算结果，直接与,CPU,进行信息交换的场所。易失性存储器按存储元件在运行中能否长时间保存信息，可分为静态随机存取储存器（,SRAM,）和动态随机存取储存器（,DRAM,）。,SRAM,速度很快而且不用刷新就能保存数据不丢失。它以双稳态电路形式存储数据，结构复杂，内部需要使用更多的晶体管构成寄存器以保存数据，所以它采用的硅片面积相当大，制造成本也相当高，所以现在只能把,SRAM,用在比主内存小的多的高速缓存上。,2.1.6,输入设备,输入设备是给计算机输入信息的设备。它是重要的人机接口，负责将输入的信息（包括数据和指令）转换成计算机能识别的二进制代码，送入存储器保存。通常经常使用的键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入板、游戏杆、语音输入装置等都属于输入设备。输入设备（,Input Device,）是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数的程序输入到计算机中。,2.1.7,输出设备,输出设备是输出计算机处理结果的设备。在大多数情况下，它将这些结果转换成便于人们识别的形式。利用各种输出设备可将计算机的输出信息转换成印在纸上的数字、文字、符号、图形和图像等，或记录在磁盘、磁带、纸带和卡片上，或转换成模拟信号直接送给有关控制设备。有的输出设备还能将计算机的输出转换成语声。打印机和显示设备已成为每台计算机和大多数终端所必需的设备。,2.2,计算机软件系统,计算机软件系统包括系统软件和应用软件两大类。,1.,系统软件,系统软件是指控制和协调计算机及其外部设备，支持应用软件的开发和运行的软件。其主要的功能是进行调度、监控和维护系统等等。系统软件是用户和裸机的接口，主要包括：,（,1,）操作系统软件，如,DOS,、,WINDOWS98,、,WINDOWSNT,、,Linux,、,Netware,、,Windows Vista,等；,（,2,）各种语言的处理程序，如低级语言、高级语言、编译程序、解释程序；,（,3,）各种服务性程序，如机器的调试、故障检查和诊断程序、杀毒程序等；,（,4,）各种数据库管理系统，如,SQLSever,、,Oracle,、,Informix,、,Foxpro,等。,2.,应用软件,应用软件是用户为解决各种实际问题而编制的计算机应用程序及其有关资料。应用软件主要有以下几种：,（,1,）用于科学计算方面的数学计算软件包、统计软件包；,（,2,）文字处理软件包,(,如,WPS,、,WORD,、,Office2000),；,（,3,）图像处理软件包,(,如,Photoshop,、动画处理软件,3DSMAX),；,（,4,）各种财务管理软件、税务管理软件、工业控制软件、辅助教育等专用软件。,3.,硬件和软件的关系,（,1,）硬件与软件是相辅相成的，硬件是计算机的物质基础，没有硬件就无所谓计算机。,（,2,）软件是计算机的灵魂，没有软件，计算机的存在就毫无价值。,（,3,）硬件系统的发展给软件系统提供了良好的开发环境，而软件系统发展又给硬件系统提出了新的要求。,2.3,微型计算机的总线结构,微型计算机系统有三条总线（实际上每一条总线都有若干根），它们是地址总线（,Address Bus,，,AB,）、数据总线（,D,ata Bus,，,DB,）和控制总线（,C,ontrol Bus,，,CB,）。地址总线是传送地址信息的总线。,另外，从广义上说，计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。并行通信速度快、实时性好，但由于占用的口线多，不适于小型化产品；而串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中则显得更加简易、方便、灵活。串行通信一般可分为异步模式和同步模式。,微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连；外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。,2.3.1,内部总线,1,I,2,C,总线,2,SPI,总线,3,SCI,总线,2.3.2,系统总线,1,ISA,总线,2,EISA,总线,EISA,（,Extended Industry Standard Architecture,即扩展工业标准结构总线）是为,32,位中央处理器（,386,、,486,、,586,等等）设计的总线扩展工业标准。,EISA,总线包括,ISA,总线的所有性能外，还把总线宽度从,16,位扩展到,32,位、总线频率从,8.3MHz,提高到,16MHz,3,MCA,总线,MCA,（,Micro Channel Architecture,即微通道总线结构）是,IBM,公司专为其,PS/2,系统（使用各种,Intel,处理器芯片的个人计算机系统）开发的总线结构。,4,VESA,总线,VESA,（,Video Electronics Standards Association,即视频电子标准协会）是,VESA,组织（,1992,年由,IBM,、,Compaq,等发起，有,120,多家公司参加）按局部总线（,Local Bus,）标准设计的一种开放性总线。,VESA,总线的总线宽度是,32,位，最高总线频率为,33MHz,。,5,PCI,总线,6,Compact PCI,Compact PCI,的意思是“坚实的,PCI”,，是当今第一个采用无源总线底板结构的,PCI,系统，是,PCI,总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，是当今最新的一种工业计算机标准。,Compact PCI,是在原来,PCI,总线基础上改造而来，它利用,PCI,的优点，提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统，同时还考虑充分利用传统的总线产品，如,ISA,、,STD,、,VME,或,PC/104,来扩充系统的,I/O,和其他功能。,7,AGP,总线,AGP,（,Accelerated Graphics Port,）即高速图形接口。专用于连接主板上的控制芯片和,AGP,显示适配卡，为提高视频带宽而设计的总线规范，目前大多数主板均有提供。随着显示芯片的发展，,PC,I,总线日益无法满足其需求。英特尔于,1996,年,7,月正式推出了,AGP,接口，它是一种显示卡专用的局部总线。严格的说，,AGP,不能称为总线，它与,PCI,总线不同，因为它是点对点连接，即连接控制芯片和,AGP,显示卡，但在习惯上我们依然称其为,AGP,总线。,AGP,接口是基于,PCI 2.1,版规范并进行扩充修改而成，工作频率为,66MHz,。,8,Alpha EV6,总线,为消除现有总线的瓶颈，,AMD,（,American Micro Devices,即美国微设备公司）,Athlon,（是,AMD,公司在,1999,年末推出的新一代,64,位处理器系统）系统要求总线结构在设计上力求为新一代,X86,平台提供前所未有的数据传输带宽，以确保运行于多路处理器服务的企业级商业应用软件可以更顺畅地运行。为此，,AMD,公司在其最先推出的一款,Athlon,处理器上使用了一个,200MB,s,的系统总线，即,Alpha EV6,总线，其带宽较目前,Intel P6,总线结构大,1,倍。如果使用更高时钟频率的,AMD,Athlon,处理器，这个系统总线的频率还可以相应提高，以支持更大的数据带宽，满足更大、更强劲的系统配置的需要。,9,PCI-X,局部总线,为解决,Intel,架构服务器中,PCI,总线的瓶颈问题，,Compaq,、,IBM,和,HP,公司决定加快加宽,PCI,芯片组的时钟速率和数据传输速率，使其分别达到,133MHz,和,1GB/s,。利用对等,PCI,技术和,Intel,公司的快速芯片作为智能,I/O,电路的协处理器来构建系统，这种新的总线称为,PCI-X,。,PCI-X,技术能通过增加计算机中央处理器与网卡、打印机、硬盘存储器等各种外围设备之间的数据流量来提高服务器的性能。与,PCI,相比，,PCI-X,拥有更宽的通道、更优良的通道性能以及更好的安全性能。很多媒体和观察家都预计在未来的几年中，,PCI-X,能与目前的设备兼容，并具有良好的扩展性，发展前景乐观。,10,NGIO,总线,NGIO,（,Next Generation Input/Output,）总线是,Intel,公司推出的下一代,I/O,总线结构。,11,Future I/O,总线,Future I/O,（将来的输入输出总线）总线结构是与,NGIO,相竞争的另一种总线，目前仍处在,IBM,、,Compaq,、,HP,等公司的研制开发中，据称其数据传输率可达,10GB/s,。,2.3.3,外部总线,1,RS-232-C,总线,2,RS-485,总线,3,IEEE-488,总线,4,USB,总线,5,IEEE 1394,总线,6,现场总线,2.4,当前微型计算机所使用的先进技术,随着微型计算应用领域的进一步扩大，微机的各项技术也在发生巨大的变化，当前微型计算机所使用的先进技术主要有这样几个方面：,2.4.1 CACHE,技术,2.4.2,流水线技术,2.4.3 VM,技术,2.4.4 RISC,技术,2.4.5,多内核技术,多内核技术就是在单个物理处理器中包含多个处理器的内核逻辑。例如，在一枚英特尔处理器中封装两枚（或更多）英特尔处理器的所有电路和逻辑。多内核技术将多个处理器“内核”放置并封装为单个物理处理器。该技术旨在支持系统同时运行更多项任务，由此实现更出色的整体系统性能。,