微计算机系统.ppt

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1、1,微计算机系统,2,第0章 本课程介绍,3,WhyWhatHow,课程QQ群 33927690,参考书：Computer.Systems.-.A.Programmers.Perspective,4,设计自己的硬件接口卡和相关驱动内核模块设计（网络监控程序，杀毒软件）串行通信（RS232，USB）高精度定时访问IO口病毒（CIH），恶意程序（流氓软件）等等,都与X86的保护虚拟模式已经微机体系相关,我们在使用微机或设计微机平台上的软硬件时，会碰到的问题：,5,0.1本课程在计算机课程体系中的位置,硬件类,软件类,CPU及整机设计（计算机组成原理）,BIOS与接口驱动程序设计,模拟电路、数字逻辑

2、电路设计,嵌入式/单片机系统,SOC芯片设计,计算机系统结构,外围接口电路设计,操作系统,编译系统,数据库,数据结构,C+,JAVA,离散数学,计算机系统综合设计,电子商务,多媒体技术,算法设计、数值分析、信号与系统、计算机理论课程、数学基础课程,汇编语言,软件工程,VB,6,0.2本课程的教学目的,掌握先进微处理器芯片结构、微型计算机实现技术、计算机主板构成、各种接口技术原理及其应用编程方法；掌握汇编语言程序的编写方法，尤其掌握接口访问的方法。了解微机技术新的发展趋势，系统科学地获得分析问题和解决问题的训练；提高分析和设计接口的能力。,7,0.3本课程的要求,不仅要学习微机各种接口电路的原理

3、与作用，熟悉PC系列机接口电路，而且还要掌握常用接口的设计与分析方法，学会使用汇编语言和C语言对接口进行编程，并具有一定的动手实验能力和接口应用程序的编写能力，为微机的深入应用和嵌入式系统SOC设计等的学习与实践打下良好基础。同时有兴趣的同学自学Windows 2000/XP驱动程序的编写方法。课堂上注意听讲并及时记录教师课堂上补充的内容，认真独立完成作业，做好课程实验和自修实验、做好课前预习和课后复习。,8,0.4本课程的学习方法,1）抓住IBM PC/XT机基本结构这条主线，分析其基本结构，掌握各接口电路及可编程接口芯片的应用。,特点：本课程涉及的知识范围广，内容多,2）进一步扩展和延伸C

4、PU从8086Pentium4，从实模式系统管理模式；汇编语言CPU及接口直接控制，16位32位汇编；总线PCI，USB等；中断从实模式下的中断向量保护模式下的中断描述符；从传统中断PCI中断串行中断 芯片组从中大规模集成电路(8237、8254、8255、8259等）超大规模集成电路(82815EP、82801BA)。,9,0.4本课程的学习方法,3）理论与实践相结合，锻炼实验动手能力。掌握汇编语言编程方法掌握x86系列寻址方式掌握x86常用指令学会x86汇编程序编写方法掌握PC机接口程序的编写方法充分利用课程实验和自修实验锻炼自己的编程能力和接口设计与分析能力（汇编实验由同学在自己机器上做

5、，最后统一交实验报告）,10,4）从系统的角度弄清楚“软件发出I/O写指令CPU及译码电路产生数据/控制信号接口电路产生对外设的数据信号和控制信号”的过程，以及“外设的数据和运行状态接口电路 CPU I/O读指令将数据或状态送到软件”的过程；,0.4本课程的学习方法,5）学会分析与设计接口电路的基本方法,a.分析接口两侧的情况,d.进行正确的信号转换,b.合理选择接口芯片,e.接口驱动程序的分析与编写*,c.正确分析相关芯片的时序搭配,11,0.5本课程内容组织,第1章CPU与整机：CPU的信号与工作模式、PC结构,第11章-软件如何控制CPU和接口：指令系统和汇编编程（在教师讲授重点的基础上

6、，通过预习、实验与练习自学）,第3章-总线如何工作：总线标准（PCI、USB）,第5章-I/O接口如何主动与CPU通信：中断技术（8259）,第6章-I/O接口的定时与计数功能：（8254）,第7章-I/O接口的并行通信：8255与打印机接口标准,第8章-I/O接口的串行通信：串行通信协议与8250,第4章-I/O接口直接和MEM通信：DMA（8237，全自学）,第10章-I/O软接口技术：保护模式存储，WDM驱动程序编写（全自学）,第2章-CPU如何与MEM或I/O设备通信：I/O接口与译码,12,第1章 微机结构的发展和特点,13,x86前,x86架构,4位处理器 4004、4040,8位

7、处理器 8008、8080、8085,IA-16 8086、8088、80286,IA-32,Pentium前 80386、80486,Pentium,早期架构 Pentium、Pentium MMX,P6架构 Pentium Pro、Pentium II、Pentium III、Pentium II/III Xeon/Celeron,NetBurst架构 Pentium 4、Pentium Extreme Xeon,其中Pentium D 和Pentium Extreme Edition支持Dual-Core技术、Extended Memory 64 Technology(EM64T），Pe

8、ntium Extreme Edition还支持Hyper-Threading(HT)技术,1.1 Intel微处理器家族发展概述,core架构 Conroe,Merom,WoodCrest,14,硬件,软件,控制器,运算器,系统软件,用户软件,操作系统 Windows XP、Linux,CPU,存储器,输入设备,输出设备,系统应用软件 汇编、编译、调试、数据库管理软件,微机系统,1.微机的基本组成,硬件是系统的硬平台，操作系统是系统的软平台，系统应用软件通常支撑用户软件的开发。,1.2 微机的组成,15,Hardware:硬件,Software:软件,Firmware:固件,Firmware

9、,Software,OS,Others,APP,Hardware,16,Mainmemory,I/O bridge,ALU,Register,CPU chip,Disk controller,Graphicsadapter,USBcontroller,Mouse,Keyboard,Monitor,Disk,I/O bus,Bus interface,计算机运行过程模拟,17,Mainmemory,I/O bridge,ALU,Register,CPU chip,Disk controller,Graphicsadapter,USBcontroller,Mouse,Keyboard,Monito

10、r,Disk,I/O bus,Bus interface,程序的调用执行过程,Dir,18,冯诺依曼(John Von Neuman),用二进制代替十进制，进一步提高电子元件的运算速度；存储程序(Stored Program)，即把程序放在计算机内部的存储器中.,计算机界著名人物,19,高登摩尔(Gordon Moore),摩尔定律1968年与罗伯特诺伊斯带头“造反”，率领一群工程师离开仙童公司，成立了“Intel”，这就是今日名震世界的英特尔公司。,计算机界著名人物-Contd,20,集成电路之父 罗伯特诺伊斯,创办半导体工业的摇篮仙童（Fairchild）公司，在仙童，诺伊斯最大的成就是发

11、明了集成电路。与高登摩尔和安迪葛鲁夫一同创业，英特尔公司,计算机界著名人物-Contd,21,集成电路之父 罗伯特诺伊斯,创办半导体工业的摇篮仙童（Fairchild）公司，在仙童，诺伊斯最大的成就是发明了集成电路。与高登摩尔和安迪葛鲁夫一同创业，英特尔公司,计算机界著名人物-Contd,22,苹果电脑发明人，苹果公司共同创办人沃兹尼克,智商超过200，一手设计出苹果一号电脑、IT领域公认10位最聪明技术天才之一的科技顽童,1950年 出生1971年 做出第一部“奶油苏打电脑”1975年 发明了苹果一号电脑1976年 和史蒂夫乔布斯共同创立苹果电脑公司1985年 离开苹果，创立CL9公司198

12、8年 卖掉CL9，做全职爸爸、小学老师学 历 加州大学柏克莱分校工程学系经 历 惠普工程师、苹果电脑创始人荣 誉 20世纪影响全球经济发展最关键的五人之一，十位最聪明的技术天才之一,计算机界著名人物-Contd,23,IBM PC之父 埃斯特利奇,1980年，IBM“西洋棋”项目的负责人就是埃斯特利奇，PC XT的开发1982年，强劲的AT机，使用80286处理器1984年，IBM PC的收入已达到40亿美元，这意味着光是PC一个部门就可以在美国工业公司中排名第74位，并可名列美国第三大计算机公司，仅次于IBM自己和DEC。1985年埃斯特利奇和太太玛丽不幸丧生于飞行事故。,计算机界著名人物-

13、Contd,24,MS-DOS之父 蒂姆帕特森,在西雅图电脑制造公司任副总裁时,推出了自己的操作系统，命名为SCP-DOS，本意为“快而粗糙的磁盘操作系统”，这个SCP-DOS便是现在DOS的前身。微软从帕特森那里，仅以2.5万美元的转让价格便获得了SCP-DOS的使用权。配合IBM公司的“西洋棋方案”。从而成就了微软的未来。,计算机界著名人物-Contd,25,从Win NT 3.1-NT 3.5-NT 4.0-Win2000-Win XP-Win2003-Vista，10多年间NT操作系统虽经过多次升级，但其微内核结构模型（经过改进的）以及具体的进程管理、内存管理、文件管理这些基本算法，始

14、终没有大的变化，足以证明David最初为NT做的结构设计的科学性。,Win NT之父David Cutler,80年代设计了著名VMS操作系统，为DEC确立了计算机界的领导地位。,1988在Bill Gates的游说下，David带着他的开发团队加入微软。设计微软第一个具有快速处理和丰富界面的32位操作系统 Win NT。,操作系统大师,1965 年自 Michigan 州的 Olivet 大学毕业后,Cutler 为 DuPont(杜邦)公司工作.,1971 年他加入了 Digital,为 PDP-11 系列开发操作系统.,（RSX-11M PDP-11 mini-computer）,26,

15、Delphi和.NET之父Anders Hejlsberg,丹麦人，80年代早期，为MS-DOS和CP/M设计了一个Pascal编译器。Borland雇用了他，并买下了他的编译器，改称Turbo Pascal,在Borland，Hejlsberg继续开发Turbo Pascal，并最终带领他的小组设计了Turbo Pascal的替代品、开发工具史上的奇迹：Delphi语言。,1996在Bill Gates的游说下，离开Borland加入微软。设计.NET平台以及C#语言,语言大师、编译器大师,2001年，获得信息界最具权威的信息刊物Dr.Dobbs Journal颁发的Excellent Pr

16、ogramming Awards，以表彰他为信息界做出的卓越贡献,27,The Road Ahead,History is a good teacher,though,and observing many companies over a long period of time can teach us principles that will help us with strategies for the years ahead.,Bill Gates,Success is lousy teacher.It seduces smart people into thinking they ca

17、nt lose.And its an unreliable guide to the future.What seems to be the perfect business plan or the latest technology today may soon be as out-of-date as the eight-track tape player,the vaccum-tube television,or the mainframe computer.Ive watched it happen.,28,微机黄金时代是否已经过去？,网络的冲击手持设备的发展迅速,29,程序是如何能够

18、操作硬件,高级语言源程序,编译,汇编语言源程序,汇编,二进制机器作业指令,操作系统调度或BOOT引导,二进制机器指令流,CPU取指、译码、控制单元,电路上的控制信号,直接控制CPU各部件运作,通过接口电路控制外设运作,30,PC机环境下用户软件对外部硬件的访问方法,裸机,BIOS,操作系统,用户程序,31,a.直接访问,特点：可以直接进行内存和端口的访问，也可以自行在CPU的各种工作模式间切换。通常所有的端口和内存都是对程序员开放的。工具：汇编语言或C语言。应用：BIOS都是基于这种低级层次用汇编来编写的。部分操作系统的驱动程序和部分用户程序也有使用这种方法的。优点：能够编写速度最快，占用空间

19、最小的有效代码。缺点：需要对硬件和接口有很熟悉的了解。要会汇编，或熟练使用C语言的指针。不利于增加对新设备的控制。,32,b.通过BIOS访问,特点：通过BIOS提供的功能调用间接地对内存或端口访问，从而控制硬件。工具：汇编语言或C语言。应用：驱动程序有些会使用这些功能调用。需要获得高效率的应用程序也采用这种方法。优点：能够编写速度较快的有效代码。可以不需要编写直接对硬件进行控制的代码。缺点：需要对底层信号有所了解。增加对新设备的控制不是很方便，但好于直接访问。,33,c.编写操作系统驱动程序,特点：使用BIOS功能调用或直接访问的方法编写符合特定操作系统资源管理规范的设备驱动程序。工具：VC

20、+与DDK开发包，或第三方开发工具如DriverStudio。应用：在操作系统层面上的设备控制，并为用户程序提供API支持。优点：既控制硬件，又保证操作系统的完整与安全。缺点：需要对底层信号有所了解。需要对操作系统的各个管理模块有深入的了解。,34,d.使用操作系统提供的应用层访问,特点：使用操作系统各种驱动程序所提供的功能调用或API函数间接对硬件或内存进行访问。工具：VC+、Delphi、Java等。应用：编写面向终端用户的各类应用程序。优点：无需对硬件控制有太多了解，只需完成应用层面的工作就可以，而且还保证操作系统的完整与安全。缺点：需要了解大量的API和功能调用函数的功能。由于是间接调

21、用，所以代码的效率和编译系统有很大的关系。,35,1.2 微机的硬件结构,地址只能由CPU或DMA控制器发出到其他部件。控制信号每根都是单向的，或者传送CPU发出的控制信息、或者是部件发回的状态信息。,36,8/16位外部数据线,AH AL,BH BL,CH CL,DH DL,SP,BP,DI,SI,通 用 寄 存 器,AX,BX,CX,DX,ALU数据总线（16位）,运算寄存器,标志寄存器,EU 控制系统,执行单元EU,1 2 3 4 5 6,数据总线8088:8位8086:16位,总线控制逻辑,地址总线20位,指令队列,8088,8086,Q总线（8位）,指令指针,段寄存器,外部总线,总线

22、接口单元BIU,20位地址线,16位内部数据线,返回,1.3 微处理器结构 1.3.1 8086/8088微处理器,37,总线接口单元BIU(Bus Interface Unit)完成CPU与主存储器或外围设备之间的信息传送 执行单元EU(Execute Unit)完成指令的执行,两个单元独立，并行工作，使指令的读取与执行部分重叠，提高了指令的执行速度 指令流水线结构,取指 执行 取指 执行 取指 执行 取指 执行,取指 取指 取指 取指 取指,执行 执行 执行 执行,BIU,EU,时间,时间,8086/8088 流水线执行方式,非流水执行方式,38,一、8088引脚信号,39,S4、S3的组

23、合所代表的正在使用的寄存器,S5：=1，CPU可响应可屏蔽中断请求；=0，CPU禁止一切可屏蔽中断请求。,S6：恒等于零。,40,二、8086/8088的工作模式（最小模式）,转到最大模式,8088/8086,MN/MX 接高电平,地址与数据，状态线分时复用，需锁存,数据总线负载重，需收发器驱动,41,8088总线操作,42,转到最小模式,（最大模式）,MN/MX 接低电平,需协调主处理器和协处理器的工作,43,三、时钟周期、总线周期和指令周期,每两个相邻的时钟脉冲上升（下降）沿之间的时间间隔称为T状态，也称为时钟周期（Clock Cycle）,CPU与存储器或输入/输出端口进行一次数据交换所

24、花费的时间称为一个总线周期（Bus Cycle）对于8088CPU,它的总线周期是其与存储器或输入/输出端口存取一个字节所花费的时间。,执行一条指令所需要的时间称为指令周期（Instruction Cycle）,44,指令周期,(总线周期),(总线周期),时钟周期,时钟周期,时钟周期,时钟周期,单周期指令CPU的指令周期只包含一个时钟周期,45,无等待状态的时序,ADS,W/R,RDY,读,写,读,D0-D31,46,掌握时序的重要性：,当CPU与存储器以及I/O端口连接时，要考虑如何正确地实现时序上的配合,当微机应用于实时控制时，必须估计或计算CPU完成操作所需要的时间，以便与控制过程配合,

25、了解时序有利于我们深入地了解指令的执行过程,了解时序有利于我们利用汇编编写核心代码的时候，选用适当的指令，以尽量缩短指令的存储空间和指令的执行时间,47,80486的内部结构,浮点运算单元（FPU）,浮点寄存器组,桶形移位器,寄存器组,ALU,控制与保护部件,控制ROM,分段部件,分页部件,指令译码器,216指令队列,预取,高速缓存管理部件,8K Cache,地址驱动器,写缓冲器,数据总线收发器,控制总线,运算部分,控制部分,译码部分,指令预取部分,总线接口部分,存储管理部分,高速缓存,32位x86 微处理器,48,80 x86系列微处理器兼容有64位数据总线、32位地址总线，寻址空间4GB。

26、RISC型超标量结构-两个5级整数指令流水线，一个8级浮点流水线。具有超级流水线技术的高性能浮点运算器。数据-代码分离式高速缓存，符合MESI协议。增强的错误检测和报告功能。利用片上分支目标缓冲器提高分支指令预测准确性。常用的指令不采用微程序设计，而改用硬件实现。支持64位外部数据总线突发传输方式通过APIC总线支持多处理器系统,一、Pentium微处理器特点,1.3.2 Pentium 微处理器,49,二、Pentium微处理器内部结构,=指令预取=首次译码=二次译码=指令执行=写回R,超标量:通过内置多条流水线来同时执行多个处理任务，其实质是以空间换取时间,超流水线:通过细化流水、提高主频

27、，使得在一个机器周期内完成一个甚至多个操作，其实质是以时间换取空间,50,三、Pentium的工作模式,实地址模式-与8086/8088兼容，但可以处理32位数据-1MB内存空间，分段管理，所有程序全在0(核心)级-MS-DOS运行在此模式下，PC机开机首先进入的也 是该模式-对内存和程序甚至操作系统没有任何保护能力,保护模式-支持多任务操作，并保护每个任务的数据和程序-存储器采用虚拟地址空间、线性地址空间和物理地址空间三种方式来描述，具有存储保护功能-虚拟地址空间64TB（246）-4级管理，可以使用分页或分段技术管理内存-Windows、Linux操作系统均运行在该模式下,51,虚拟808

28、6模式（V86模式）,系统管理模式-为操作系统和正在运行的应用程序提供透明的电源管理和系统安全平台功能-进入本模式系统将转到一个独立的地址空间运行，并保存当前程序或任务的基本环境,-在保护模式下可以同时模拟多个8086处理器的工作,52,工作模式的转换,CPU复位,CR0.PE=1,CR0.PE=0,RSM指令,中断,SMI#,RSM指令,SMI#是外部系统管理中断引脚来的信号,中断返回任务切换(修改EFLAG中的VM位）,SMI#,SMI#,RSM指令是从系统管理中断服务程序中返回的指令,RSM指令,SMM（系统管理模式）只能让系统的固件使用，不能被用户程序和系统程序进入,53,四、Pent

29、iumPentium 4的寄存器,基本寄存器,系统级寄存器,调试与测试寄存器,浮点寄存器,通用寄存器,指令指针寄存器,标志寄存器,段寄存器,控制寄存器,系统地址寄存器,数据寄存器,地址指针寄存器,变址寄存器,54,AH ALBH BLCH CLDH DLSPBPDISI,累加器基址变址计数数据堆栈指针基址指针目的变址源变址,32位,1.通用寄存器,16位,AXBXCXDXSPBPDISI,16位名称,AX、BX、CX、DX、SP、BP、DI、SI分别是EAX、EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、EDI、ESI的低16位AL、BL、CL、DL分别是AX、BX、CX、DX的低八位AH、BH、C

30、H、DH分别是AX、BX、CX、DX的高八位,转20,EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI,32位名称,高16位扩展,55,1.通用寄存器,EAX 累加器 存放操作数和结果，乘除运算、I/O指令中特指EBX 基址寄存器 查表转换和间接寻址时存放基址ECX 计数寄存器 串操作和循环中做计数 EDX 数据寄存器 乘除运算、I/O指令中特指,可以32位、16位或8位形式访问，例如，EAX可使用16位的AX，也可以使用8位的AH、AL,56,1.通用寄存器,ESP 堆栈指针寄存器，存放栈顶地址EBP 基址指针寄存器，存放栈段基地址ESI 源变址寄存器EDI 目的变址寄存器,存放地址的偏移量

31、，也可存放操作数，但只能以32位或16位为单位访问如：ESI可以使用16位的SI,57,2.段寄存器,CS 代码段寄存器 DS 数据段寄存器 SS 堆栈段寄存器ES 附加段寄存器FS、GS 附加段寄存器,段寄存器均为16位的寄存器用于存储器寻址，存放段的开始地址FS、GS是80386以后添加的，CS、DS、SS、ES是从8088继承的,58,3.指令指针寄存器,EIP 指令指针寄存器：即程序计数器，指向下一条指令在代码段中的偏移量,16位的IP,高16位扩展,32位指令指针寄存器EIP,59,EFLAGS 标志寄存器（程序状态字寄存器PSW）：记录系统运行中的各种状态 和信息。由各种标志位构成

32、，反映运算后的结果特征，将影响某些指令（如条件转移指令）的执行。,4.标志寄存器,60,8086/8088程序状态寄存器（标志寄存器）b15 b8 b7 b0 OF DF IF TF SF ZF AF PF CF符号 名称 值为“1”的条件 CF 进位标志 加/减法时产生进位/借位 OF 溢出标志 运算结果超出有符号整数能表示的范围 ZF 零标志 运算结果为0时 SF 符号标志 运算结果的最高位为“1”时 AF 辅助进位标志 运算时半字节（b3）产生进位/借位 PF 奇偶标志 操作结果低8位为“1”的位数为偶数时 DF 方向标志 串操作中地址指针向低地址方向移动 IF 中断允许标志 允许CPU

33、响应可屏蔽中断请求时 TF 跟踪标志 CPU处于单步执行的工作方式,61,思考题：以下的几个4位十六进制数相加，会使得8088状态寄存器的以下几位为什么值？,110101,110010,001011,000010,62,注意:进位标志CF是表示无符号数是否超出范围，但运算结果仍然正确；溢出标志表示的是有符号数运算结果是否超出范围，超出范围则运算结果已经不正确；处理器对两个操作数进行运算的时候是按照无符号数求得结果，并相应设置CF，根据是否超出有符号数的范围设置OF；对于程序员，如果做无符号运算，应该关心CF，做有符号运算应该关心OF。,63,符号 名称 值为“1”的条件 IOPL IO特权位

34、其值表示该任务使用的I/O操作的特权级 00为最高的核心级，11是最低的用户级 NT 嵌套标志 当前任务嵌套在另一个任务中时 RF 恢复标志 DBUG调试时忽略下一条指令遇到的断点 VM 虚拟8086模式 从保护模式进入到虚拟8086模式 AC 对齐检查 当有数据访问出现对其故障的时候 VIF 虚拟中断位 允许V86扩展或允许保护模式虚拟中断 VIP 虚拟中断挂起位 虚拟中断被挂起 ID 标识位 对它的读写表明处理器支持CPUID,这部分同8088,OF,3122 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,DF,IF,TF,

35、SF,ZF,AF,CF,PF,IOPL,NT,RF,VM,AC,VIF,VIP,ID,保 留,Pentium 4标志寄存器,64,5.控制寄存器,31 12 11 4 3 0,PWT,PCD,页目录基地址寄存器,CR3,页故障线性地址寄存器,CR2,31 0,保 留,CR1,WP,31 30 29 18 17 16 5 4 3 2 1 0,NE,ET,PE,MP,NW,CD,PG,CR0,31 0,EM,TS,AM,PGE,PCE,8,31 7 6 5 4 3 2 1 0,MCE,PAE,PSE,DE,TSD,VME,PVI,保留，缺省为全0,CR4,65,写保护 定位屏蔽 允许分页禁止Cac

36、he 不写贯穿,保护模式允许 浮点协处理器监控 模拟浮点协处理器任务切换 处理器扩展类型 数值异常,WP,31 30 29 18 17 16 5 4 3 2 1 0,NE,ET,PE,MP,NW,CD,PG,CR0,EM,TS,AM,CR0是在以前286MSW（机器状态字）基础上扩展来的，可在核心级中用MOV EAX,CR0/MOV CR0,EAX指令来读取和写入。,66,禁止Cache页面写贯穿,31 12 11 4 3 0,PWT,PCD,页目录基地址寄存器,CR3,67,性能计数器允许页全局允许允许机器检查 物理地址扩展页大小扩展位 调试扩充位 禁止定时标志 保护模式虚拟中断 虚拟808

37、6模式扩展,PGE,PCE,8,31 7 6 5 4 3 2 1 0,MCE,PAE,PSE,DE,TSD,VME,PVI,保留，缺省为全0,CR4,68,6 系统地址寄存器,GDTR 48位的全局描述符表寄存器,全局描述符表32位线性地址,16位界限值,IDTR 48位的中断描述符表寄存器,中断描述符表32位线性地址,16位界限值,TR 16位的任务状态段寄存器,TSS的16位选择字,LDTR 16位的局部描述符选择字寄存器,LDT的16位选择字,69,当机器复位的时候CS=FFFFH，EIP,DS,ES,SS,FS,GS以及EFLAGS寄存器被清零。因为复位之后CS:EIP=FFFF:00

38、000000，因此机器复位或开机后，都会自动从这个地址开始取指令，这里应该是BIOS的第一条指令。,70,1.Pentium的基本数据类型,五、PentiumPentium 4的存储器管理,71,2.存储单元的地址和内容以字节为单位编址，即一个字节数据占一个存储单元,以字、双字、四字、双四字为单位存储数据时，分别占相邻2个、4个、8个、16个字节单元，高8位存放在高地址字节，低8位存放在低地址字节,高位字存放在高地址区，低位字存放在低地址区 字、双字、四字、双四字单元的地址由其最低字节的地址来表示。字、双字、四字、双四字的地址一般采用边界对齐，即它们地址分别是偶数地址，4的倍数、8的倍数和16

39、的倍数。如果边界不对齐，Pentium会采用两个总线周期来完成操作，或者直接报错，如果边界对齐，则只用一个总线周期完成操作。,72,存储单元的地址和内容,0000H0001H0002H0003H0004H0005H0006H0007H,0000H地址上，字节数据是12H字数据是3412H双字数据是78563412H四字数据是FFDEBC9A78563412H,73,3.实模式存储器寻址 在此模式下，Pentium可以理解成是一个可处理32位数据的高速的8086。a.存储器地址的分段,解决16位寄存器表示20位地址的问题 段是最大长度为64KB的连续的内存储器块 20位的段的起始地址（段首址）低

40、4位必须为0,物理地址 每个存储单元的20位实际地址，有唯一性，访问主存时必须用物理地址 逻辑地址 每个存储单元的地址用两部分表示：段基址（段首址的高16位）偏移量（段内某单元相对段首址的地址差，也称为有效地址EA）,74,16位段地址,16位段内偏移,:,6417H0100H 6417H10H+0100H=64170H+0100H=64270H几个不同的段物理地址上是可重叠的,物理地址=段基址16+偏移量 书写形式：段基址：偏移量,75,b、段寄存器与段 Pentium的6个16位的段寄存器，专门存放段基地址 代码段存放当前程序的指令代码 数据段存放程序涉及的源数据或结果 堆栈段是以“先入后

41、出”为原则的数据区 附加段是辅助数据区，存放串或其他数据,用户可以同时使用6个段，段间可以邻接、部分重叠、重叠或不相邻，但注意，段的实体（被实际使用的段空间）是不能重叠的。,76,段寄存器和相应存放偏移地址的寄存器之间的默认组合,段 偏移CS EIPSS ESP或EBPDS EAX、EBX、ECX、EDX、EDI、ESI、一个8位数或一个32位数ES EDI（用于串指令）FS 无默认GS 无默认,4.保护模式存储器寻址,请参照第十章课件自学,77,5.关于堆栈,堆栈是内存中“先入后出”、最大空间为64KB的存储区域，栈底地址大于栈顶地址栈区最高地址1的单元为栈底，最后进栈数据所对应的地址单元为

42、栈顶SS指向栈的起始单元（非栈底）SP寄存器动态跟踪栈顶位置,初始化时SP的值为堆栈的长度，即指向栈底+2单元将数据送入堆栈叫压栈，从栈中取出数据叫弹出，均以字为单位,78,79,1.3.3 Pentium系列处理器的新技术,一、P6架构使用的技术,采用12级3流水超标量结构多路分支预测-允许程序的几个分支流向同时在 处理器中执行动态数据流分析-处理器分析几条指令的数据相关性和资源可用性-以优化的执行顺序高效地乱序执行这些指令 推测执行-在多分支与乱序执行后，按原指令顺序整理结果 双独立总线结构-后端总线连接到L2 Cache上，或连接L3 Cache-前端总线FSB主要负责主存储器的信息传送

43、操作,80,二、NetBurst架构使用的技术,采用Intel NetBurst微内核结构-超级管道技术-增加了144条SSE2指令和13条SSE3指令-简单ALU运行在2倍的处理器核心频率-Quad-Pumping数据传输技术使前端总线达800MHz 3级Cache-16KB数据和12KB执行跟踪L1 Cache-1MB或512KB的L2 Advanced Transfer Cache-2MB L3 Cache 高级动态执行技术-改进了分支预测算法，有效降低了失误预测率,81,三、超线程(Hyper-Threading,HT)技术,允许物理上单个的处理器采用共享执行资源的方法同时执行两个或更

44、多的分离的代码流（线程）结构上HT技术由单处理器上的2个或者多个逻辑处理器组成，每个逻辑处理器都有自己的IA-32结构状态每个逻辑处理器都有自己的IA-32通用寄存器、段寄存器、控制寄存器、调试寄存器等逻辑处理器共享的资源包括执行引擎和系统总线接口,82,四、双核(Dual-Core)技术,通过在一个物理封装中包含两个分离的执行核来提供硬件多线程能力结构上有支持HT技术的和不支持HT技术的双核结构,83,AMD的双核,Intel的双核,84,完全兼容现在的IA-32结构具有传统IA-32模式和IA-32e模式，IA-32e模式包括64位模式和兼容模式（允许现有程序无需修改就运行在传统IA-32

45、模式和兼容模式下64位模式下具有以下特性：64位平板线性地址增加8个新的通用寄存器增加8个新的流SIMD扩展（SSE,SSE2和SSE3)64位宽的通用寄存器和指令指针寄存器,五、扩展的64位存储(EM64T)技术,85,“王者归来”intel的Core 2Duo（酷睿2）,全新的Core核心架构（源于Pentium M）：未来台式机使用Conroe，笔记本使用Merom，服务器使用WoodCrest，这三款处理器全部基于Core核心架构。,解决Pentium NetBurst架构过分依赖于主频与缓存且功耗大的问题,86,超赶INTEL Core 2 Duo 的AMD四核K8L架构技术,K8L

46、构架稍微领先于CORE构架。4个核心处理器将拥有一个共享的L3缓存。L3缓存对K8L构架处理器的性能提升是巨大的。改进的分支预测单元和运算法则 K8L构架的FADD、FMUL及SSE等浮点运算器将由64位扩展到128位。浮点运算能力将至少比K8构架快一倍，甚至比当前最强大的CORE构架处理器还要快10%，尤其在处理没有SSE优化的X87数据上，K8L将比CORE构架快50%以上。,87,45nm Penryn性能最高提升45,每两年更新一次工艺和架构英特尔认为当前的硅技术在发展到22纳米时将会达到上限,采用了45nm的金属栅极制造工艺，Penryn处理器的晶体管数量可以比当前的处理器提高近2倍

47、，使硅片尺寸可以更经济，处理器核心尺寸可以减小25，晶体管切换速度提高了20以上，并且提高了IPC（每时钟执行指令数），减小了漏电流，从而降低了功耗。,INTEL预计工艺技术实施时间表：2007年 45纳米2009年 32纳米2011年 22纳米,88,1.4.1 PC/XT机的基本结构,返回,1.4 PC系列微机基本结构,89,1.4.2 中心结构的Pentium III微机,90,1.4.3 使用875芯片组的Pentium 4微机,*GbE=Giga bit Ethernet*HT=Hyper-Threading Technology*DDR=Double Data Rate,91,1.

48、4.4 使用915芯片组的Pentium 4微机,92,1.4.7 现代微机发展的特点,主板总线结构发生改变-总线带宽增大-总线发展串行化趋势明显 串行化的SATA,PCI Express,USB,SAS(Serial Attached SCSI)正在逐渐替代相应的并行总线微处理器性能不断增强微处理器支持芯片被高度集成微机主板结构发生很大变化保持向上兼容性,93,1.5 Intel 815EP芯片组简介,94,1.5.1 82815EP MCH芯片,具有32位系统总线，66/100/133MHz系统总线频率集成SDRAM控制器支持包含4AGP数据传送的AGP 2.0符合ACPI电源管理规范-F

49、ull-on（S0，全开）-Stop Grant（S1，停允许）-Suspend to RAM（S3，挂起到RAM）-Suspend to Disk（S4，挂起到磁盘）-Soft-off（S5，软件关）具有APIC缓冲管理支持82801AA（ICH）和82801BA（ICH2）两种芯片的桥电路,95,96,1.5.2 82801BA（ICH2）芯片,支持PCI2.2规范,集成了LAN（局域网）控制器,集成了IDE控制器,支持Ultra ATA/100/66/33,集成了USB控制器，符合USB1.1规范,为音频和电话编码解码器设置的AC97链接,集成了中断控制器（含两个级联的82C59）,基于82C54的时钟,拥有256字节电池供电的CMOS SRAM，硬件实现世纪变换,有两个级联的8237DMA控制器，支持PC/PCI和LPC DMA,允许连接像Super I/O那样的传统的ISA和X总线设备,通过可选的外接PCI-ISA桥来支持ISA总线,97,98,1.5.3 SIO LPC47B27X芯片,