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第一章 绪论
1.1 概述
1.1.1 微处理器、微型计算机和微型计算机系统
计算机通常按体积、性能和价格分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五类。从系统结构和基本工作原理上说，微型机与其他几类计算机并没有本质上的区别，它们都由五大部分组成，这就是运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。微型机与其他几类计算机所不同的是，微型计算机广泛采用了集成度相当高的器件和部件，因此微型机有体积小、重量轻、耗电省、可靠性高、结构灵活、价格低廉、维护方便和应用面广等特点。
微型计算机中的运算器和控制器合起来称为中央处理器（Central Processing Unit,简称CPU）,又因为CPU已经能集成在一块集成电路芯片上，这就是微处理器（Microprocessor），又称微处理机。
微型计算机是由CUP、内存储器、输入/输出接口电路和系统总线构成，如图1.1所示。
CPU

图1.1 微型计算机的基本结构
CPU如同微型计算机的心脏，它的性能决定了整个微型机的各项关键指标。存储器包括随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。输入/输出接口电路是外部设备和微型机之间传送信息的部件。总线为CPU和其他部件之间提供数据、地址和控制信息的传输通道。微型计算机的总线结构，是它的一个独特结构。有了总线结构以后，系统中各功能部件之间的相互关系变为各个部件面向总线的单一关系。一个部件只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中，使系统功能得到扩展。
尽管各种微型机的总线类型和标准有所不同，但大体上都包含3种不同功能的总线。即数据总线DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus)和控制总线CB(Control Bus)。
数据总线用来传输数据。从结构上看，数据总线是双向的，即数据既可以从CPU送到其他部件，也可以从其他部件送到 CPU。数据总线的位数(也称为宽度)是微型机的一个很重要的指标，它和微处理器的位数相对应。和其他类型的计算机一样，在微型机中，数据的含义也是广义的。数据总线上传送的不一定是真正的数据，而可能是指令代码、状态量，有时还可能是一个控制量。
地址总线专门用来传送I/O接口和存储器地址信息。因地址总是从CPU送出去的，所以和数据总线不同，地址总线是单向的。地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内存范围。在8086～Pentium微型计算机系统中，存储器里以字节（即8位二进制数）为单位存储信息。为了正确地存放或读取信息，每一个字节单元给以一个惟一的存储器地址，称为物理地址。地址从0开始编号，顺序加1，因此存储器的物理地址空间呈线性增长。在机器里，地址也是用二进制数来表示的。当然它是无符号整数，书写格式为十六进制数。
既然每个字节单元有一个二进制数表示地址，比如，8位微型机的地址总线一般是16位，因此最大内存容量为64K字节；16位微型机的地址总线为20位，所以，最大内存容量为1M字节。
控制总线用来传输控制信号。其中包括CPU送往存储器和输入／输出接口电路的控制信号，如读信号、写信号和中断响应信号等；还包括其他部件送到CPU的信号，比如，时钟信号、中断请求信号和准备就绪信号等。
微型计算机系统是由微型计算机、输入/输出设备、外存储器、系统软件、电源、面板和机架等组成。
1.1.2 微型机主要性能指标
微型计算机的主要技术指标如下：
1．字长
字长是指微型计算机一次能处理二进制数的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。字长越长，数的表示范围也越大，运算精度也越高，功能越强(支持的指令越多)，主存容量可以越大。字长一般是字节的倍数。目前微机的字长以32位为主，高档微机可达64位，在一些专用系统中，8位和16位微机仍在使用。
2．主频
主频是指微型计算机中CPU的时钟频率。主频的高低在很大程度上决定了微机运算的速度。主频的单位是MHz(兆赫)。例如Intel 8086主频为8 MHz、 80386的主频为20MHz～50MHz、Pentium为66MHz～750MHz、Core（酷睿） i7处理器，频率可达3.33GHz。
3．主存容量
主存容量是指微型计算机主存所能存储信息的字节数(因一个字节已被定义为8位二进制代码，用B来表示一个字节)。主存容量越大，能存储的信息就越多，运行的软件功能就越丰富，信息处理能力就越强，目前微机的主存容量从1MB到64GB（1MB=1KKB，1GB=1KMB）。
4．存储速度
存储速度是由存取时间和存取周期来表示的。
存取时间又叫存储器的访问时间(Memory Access Time)，它是指启动一次存储器操作(读或写)到完成该操作所需的全部时间。存取时间分读出时间和写入时间两种。读出时间是从存储器接收到有效地址开始，到产生有效输出所需的全部时间。写入时间是从存储器接收到有效地址开始，到数据写入被选中单元为止所需的全部时间。
存取周期(Memory Cycle Time)是指存储器进行连续两次独立的存储器操作(如连续两次读操作)所需的最小间隔时间，通常存取周期大于存取时间。现代MOS型存储器的存取周期可达100ns；双极型TTL存储器的存取周期接近10ns。存储速度的快慢影响计算机的工作速度。
5．运算速度
计算机的运算速度与许多因素有关，如机器的主频、执行什么样的操作、主存本身的速度(主存速度快，取指、取数就快)等等都有关。现在机器的运算速度，普遍采用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，并用MIPS(Million Instruction Per Second)作为计量单位，即每秒执行百万条指令。目前微机的运算速度可达147000MIPS，甚至更高。
1.2 微型计算机的应用
微型计算机是当前最主要的一类计算机，以至于被认为计算机就是微机。其应用也在由传统的领域向更广泛的领域发展，以至于无处不在，已经很难找到没有微机应用的领域了。但一般把其应用归为以下方面：
1. 科学计算
计算机传统的应用领域科学计算也是微型计算机的重要应用领域之一。科学计算也称为数值计算，一般指完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。如数理化问题求解、工程设计、地震预测、气象预报、航空航天技术、军事等方面的计算。由于计算机具有高运算速度和精度以及逻辑判断能力，因此出现了计算力学、计算物理、计算化学，甚至计算语言学等学科。
2. 信息处理
信息处理是目前微型计算机应用最广泛的一个领域。数据处理指对大量的数据进行存储、传输、统计、分析、合并、分类等。
微机与计算机网络结合，使得信息处理更加便捷。利用计算机来传输、加工、管理与操作各种形式的数据资料，如企业管理、物资管理、报表统计、帐目计算、信息情报检索等；这种应用正在使传统的基于纸介质的一些信息处理过程变成无纸化过程,也使得信息从收集到应用的过程更快捷，对信息的分析、应用更加深入。
3. 检测及控制系统与装置
利用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测，并把检测到的数据存入计算机，再根据需要对这些数据进行处理，这样的系统称为计算机检测系统。特别是仪器仪表引进计算机技术后所构成的智能化仪器仪表，将工业自动化推向了一个更高的水平。
4. 通信
微型计算机在通信中的应用体现在通信设备、计算机网络等方面。如交换机、智能电话、手机等设备都是基于微机的。网络化的微机很多功能是作为一个通信终端使用的，如E-mail、网络聊天、信息浏览、网络咨询等。基于嵌入式微机的系统及装置的联网，实现了物与物间的信息沟通，是传感器网络、物连网络的基础。
5. 数字多媒体技术
微型计算机也是现在多媒体技术的最基本的支撑。网络化的微型计算机将现代声像技术和通信技术融为一体，能对文本、图形、图像、声音、视频等多种媒体信息进行存储、传送和处理的综合性技术。并且，基于这些技术开发出了广泛的应用系统，例如，可视电话、视频会议、电子游戏及玩具与娱乐系统等
6. 计算机辅助系统
基于微型计算机的计算、存储、通信以及人机交互能力，在很多行业开发了各种各样的计算机辅助系统。如：计算机辅助设计系统、计算机辅助制造系统、计算机辅助测试系统、计算机辅助教学系统、计算机辅助决策系统等。
微计算机应用的发展趋势一个是网络化应用的进一步的深入，一个是嵌入式应用（微计算机应用的泛化）。而进一步的是各种嵌入式系统的网络化。由于嵌入式系统的专用计算机特征和面向领域的专用特征，使得其网络化过程中催生了一些面向应用领域的专用网络规范和技术。几乎所有的系统中都不同程度地应用了微机，在一些系统中，微处理器已经成为一个核心组成部分。
1.3 CISC与RISC结构的微处理器
1. CISC和RISC技术
在计算机指令系统的优化发展过程中，出现过两个截然不同的优化方向：CISC技术和RISC技术。CISC 是指复杂指令系统计算机(Complex Instruction Set Computer)；RISC是指精减指令系统计算机(Reduced Instruction Set Computer)。它们的区别在于不同的CPU设计理念和方法。计算机指令系统指的是CPU能够直接识别的计算机最低层的机器指令。随着计算机系统的不断复杂，要求计算机指令系统的构造能使计算机的整体性能更快更稳定。早期人们采用的优化方法是通过设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统实现，以此来提高计算机的执行速度，这样，指令就会比较繁杂，这种计算机系统就被称为复杂指令系统计算机CISC。早期的CPU全部是CISC结构，它的设计目标是要用尽量少的机器语言指令来完成所需的计算任务。
20世纪80年代发展起来了另一种优化方法。其基本思想是尽量简化计算机指令，采用功能简单、能在一个节拍内完成的基本指令，而把较复杂的功能用一段子程序来实现，这种计算机系统就被称为精简指令系统计算机RISC。RISC技术的精华就是通过简化计算机指令功能，使指令的平均执行周期减少，从而提高计算机的工作主频，同时大量使用通用寄存器来提高子程序执行的速度，有利于并行计算应用和发挥效率。
2. RISC与CISC 的主要区别
RISC 指令系统仅包含那些必要的经常使用的指令上，不经常使用的功能，往往通过基本指令组合来完成。所以， RISC上完成特殊功能时，效率可能比较低。但由于有利于流水技术和超标量技术的应用，可以弥补这个不足。相反，CISC的指令系统比较丰富，一些特殊的功能都有对应的指令。因此，处理特殊任务效率较高。
RISC 对存储器操作相对简单，使对存储器访问的控制简化；而CISC 机器的存储器操作指令较多，对存储器的访问有更多的指令直接操作，要求的控制逻辑也较复杂。由于指令简单， RISC 汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；相反，CISC 汇编语言程序编程相对简单，计算及复杂操作的程序社设计相对容易，效率较高。 RISC在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中断。
RISC CPU的电路构成比CISC CPU简单，因此面积小、功耗也更低； CISC CPU 电路复杂，同水平比RISC CPU面积大、功耗大。RISC 微处理器结构比较简单，布局紧凑规整，设计周期较短，比较容易采用一些并行计算的最新技术；CISC 微处理器结构复杂，设计周期长，技术更新难度大。从使用角度看，RISC 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。由于RISC 指令系统简单，特定应用领域有利于发挥其长处避免短处，因此像一些嵌入式应用或其他一些专用机更适合采用RISC；而CISC 机器则更适合于作通用机。
3. 典型的RISC与CISC微处理器
Intel x86 系列微处理器是典型的CISC体系结构。早期微处理生产商一直在走CISC的发展道路，包括Intel、AMD、 TI（德州仪器）、Cyrix以及VIA（威盛）等。在CISC微处理器中，出发点是程序的各条指令是按顺序串行执行为基础的，指令长度变化范围很大，实现并行机制比较困难，并且效率较低，执行速度相比较慢。如1985年推出的Intel80386； 1984年推出的MC68020 ；指令条数 分别为 111条和101条 ；寻址方式11 16 ；指令格式 变长。
到80年代后期，RISC技术已经发展成为支持高端服务器系统的主流技术，各厂商纷纷推出了32位RISC微处理器。如IBM的PowerPC和Power2，Sun的SPARC，HP的PA-RISC 7000和MIPS的R系列，以及基于ARM技术方案架构，采用ARM技术的微处理器。ARM的IP核包括ARM7 Thumb、ARM9 Thumb、ARM9E-S Thumb、ARM10 Thumb和StrongARM处理器系列，它们每秒可处理6000万至1.2亿余条指令。
1.4 微处理器及微型计算机发展简况
1.4.1 微处理器的发展
由于计算机技术的发展和大规集成电路于1970年研制成功，1971年10月，美国Intel公司首先推出Intel 4004微处理器，这是实现4位并行运算的单片处理器，构成运算器和控制器的所有元件都集成在一片大规模集成电路芯片上，这是第一片微处理器。
从1971年第一片微处理器推出，微处理器经历了5代的发展。
1. 第一代微处理器
第一代，1971年～1973年。这是4位微处理器和低档8位微处理器的时期，其典型产品有：Intel 4004:(4位微处理器)；工作频率108KHz，寻址空间640B。
2. 第二代微处理器
第二代，1974年～1977年。这是8位微处理器时期，其典型产品有：Intel 的8080、 8085； Motorola的6502；Zilog的Z80。基于这些微处理器，开发出了一些列微计算机系统。开始了真正的微计算机时代。直到目前，8位微处理器仍在一些领域应用，当然其组成结构与早期的8位机有了很大不同。
3. 第三代微处理器
第三代，1978年～1980年。这是16位微处理器时期，其典型产品有：Intel 8086/8088；Zilog的Z8000；Motorola的MC68000。以Intel 8086为代表的16位微处理器的出现，使微处理器和微机系统性能产生了本质性的提高，其寻址能力运算能力可以支持较复杂的系统和应用软件。尤其是8086CPU和DOS操作系统的IBM-PC的出现，使微计算机的应用迅速发展，同时也推动了微处理器和微机相关软硬件的迅速发展。
4. 第四代微处理器
第四代，1981年～1992年。这是32位微处理器的时期，其典型产品有：Zilog的Z80000；Motorola的MC68020；Intel的 80386和 80486。
在16位微处理器出现后，有一些在16位基础上的发展，在组织结构方面也有一些改进。但32位微处理器的出现，使微机技术和微机系统功能又上了一个台阶，触发了一些列微机技术的发展，使微计算机信息处理能力大幅提高，进而可以支持更加方便的人机交互方式，使微计算机迅速在办公等信息处理领域得到应用，并且开始探足传统中小型机的领域，基本形成了当前微机系统软硬件的框架体系。
5. 第五代微处理器
Intel公司1993年推出了第五代微处理器Pentium（奔腾），使微处理器的技术发展到了一个新的阶段，标志着微处理器完成从CISC向RISC 时代的过渡，微机整体性能可与传统工作站和超级小型机相比。Pentium具有64位的外部数据总线和32位的地址总线，CPU内部采用超标量超流水线技术。Pentium芯片内采用双Cache结构（指令Cache和数据Cache），数据Cache采用回写技术，节省了处理时间；采用8级流水线和部分指令固化技术，芯片内设置分支目标缓冲器（BTB），采用动态分支程序预测技术，提高了处理速度。Pentium系列处理器主频66MHz时，其速度可达每秒1亿条指令。第五代微处理器还有完全的RISC微处理器PowerPC，以及AMD公司的K5/K6和Cyrix公司的M1等。
第六代微处理器
1996年Intel公司将其第六代微处理器正式命名为Pentium Pro（高能奔腾）。该处理器的时钟频率为200MHz，引入了新的指令执行方式，其内核是PISC处理器，运算速度达200MIPs。Pentium Pro允许在一个系统里安装4个处理器，因此，Pentium Pro合适用于高性能服务器和工作站。

2001年Intel公司发布了Itanium（安腾）处理器。Itanium处理器是Intel公司第一款64位元的产品。在Itanium处理器中体现了一种全新的设计思想，完全是基于平行并发计算而设计（EPIC）。
2002年Intel公司发布了Itanium2处理器。代号为McKinley的Itanium2处理器是Intel公司的第二代64位系列产品，Itanium2处理器是以Itanium架构为基础建立与扩充的产品，可与专为第一代Itanium处理器优化编译的应用程序兼容，并大幅提升了50%～100%的效能。Itanium2处理器系列以低成本与更高效能，提供高阶服务器与工作站各种平台与应用支持。
同期还有AMD公司的K6-2、Cyrix公司的M2等。
第七代微处理器
1999年，AMD推出了世界上第一款第七代微处理器速龙MP处理器，可支持高性能多处理器平台的服务器及工作站。
Intel在2000年推出了其第七代微处理器奔腾4（Pentium 4）。Pentium 4系列有多款不同的型号,主频从1.3GHz到3.8GHz。前端总线速度为400MHz，后又提升到533MHz、800MHz，它是一个为100MHz的四条并列总线(100Mhz x4 并列)，等效为400MHz的速度。引入双核技术；在支持DDR内存的基础上引入DDR2内存技术，流水线级数增加到了31级，进一步完善了分支预测机制，引入了更快的指令执行单元和更先进的数据预取算法。
第八代微处理器
AMD公司2003年推出兼容32位x86微处理器架构AMD Opteron，是第一款64位微处理器。AMD Opteron处理器有40位物理和48位虚拟地址，允许寻址高达1TB的物理内存空间和256TB的虚拟内存寻址空间。Opteron微架构集成了一个双通道的DDR DRAM控制器，该控制器拥有能够支持多达8个DDR DIMM（每通道4个）的128位接口。采用HyperTransport™（超传输）技术，提高输入输出的效率，进而提升系统整体性能。AMD的x86-64技术与已有的32位架构兼容。
Intel于2006年推出的 Core微处理器架构（Intel Core Microarchitecture）是英特尔最新的处理器架构，前称“Intel's Next Generation Microarchitecture”。并取代旧有的NetBurst及Pentium M架构。Intel Core微处理器架构是一个由零设计起的架构，但其有类似Pentium M的设计。它有14级流水线（Pipeline），它的执行核心一次可处理4。本架构亦是一个双核心的设计，两个核心的L1快取互相连接，分享的L2快取。 本架构的特色为低功耗、多核心、Virtualization Technology、EM64T及SSSE3。
这些处理器不但可用于台式机，而且更多考虑移动版、服务器、工作站等应用。
1.4.2 微处的发展趋势
1）高性能化， 随着计算机科学与技术的不断发展，半导体技术的不断发展，以及新的计算形式的出现，计算能力、存储能力将不断提升。
2）形式多样化，一个是便携式的发展方向，最典型的标志是笔记本电脑和PDA的流行；也会根据应用对象和目标的要求，出现各种各样形状、人机交互方式的微机系统。
3）多媒体化，出现一些对多媒体信息处理能力更前的微处理器以及辅助芯片，微机多媒体和超媒体软硬件功能不断完善和标准化，虚拟现实技术和多媒体信息处理将得到更广泛的应用。
4）网络化，不仅传统的台式微机、笔记本计算机等完全是网络化的，各种便携式的微型计算机以及基于微型计算机的设备装置也在不断网络化，并连入公共互联网络。网络的强大通信功能，正在使微型计算机的存储和计算功能在网络环境下重新优化分工。
5）嵌入式应用更加广泛深入，微型计算机在不断嵌入到各种系统中，成为这些系统的核心部件之一，作为这个系统信息处理的中心，使传统方式无法实现的一些功能得以实现。同时也使得这些系统也成为了具有软件的系统。
6）智能化，智能化也是微型计算机发展的一个重要方向，微型计算机将具有更高的智能水平。

习题 一
1．1 8086 CPU由哪两大部分组成？简述它们的主要功能。
1．2 80386由哪几部分组成？简述它们的主要功能。
1．3 8086的指令预取队列为多少字节？在什么情况下进行预取？
1．4 80386的指令预取队列为多少字节？在什么情况下进行预取？
1．5 8086微处理器有哪几个段寄存器？简述它们的主要功能。