微型计算机原理及应用(第三版)第4章.ppt
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1、4.16位微处理器,4.1 16位微处理器概述4.2 8086/8088 CPU的结构4.3 8086/8088 CPU的引脚信号和工作模式4.4 8086/8088的主要操作功能,微型计算机系统组成,微型计算机系统的三个层次微处理器(Microprocessor)微型计算机(Microcomputer)微型计算机系统(Microcomputer System),微型计算机系统组成,微处理器(Micro Processing Unit),微处理器(Micro Processing Unit),即微型化的中央处理器。中央处理器CPU的英文全称是 Central Processing Unit。早
2、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。,与CPU有关的术语,主频 CPU内部的时钟频率,是CPU进行运算时的工作频率。一般来说,主频越高,一个时钟周期里完成的指令数也越多,CPU的运算速度也就越快。但由于内部结构不同,并非所有时钟频率相同的CPU性能一样。外频 即系统总线、CPU与周边设备传输数据的频率,具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。倍频 原先并没有倍频概念,CPU的主频和系统总线的速度是一样的,但CPU的速度越来越快,倍频技术也就应允而生。它可使系统总线工作在相对较低的频率上,而CPU速度可以通过倍频来提升。CPU主频的计算方
3、式为:主频=外频 x 倍频。也就是倍频是指CPU和系统总线之间相差的倍数,当外频不变时,提高倍频,CPU主频也就越高。,与CPU有关的术语,缓存(Cache)CPU进行处理的数据信息多是从内存中调取的,但CPU的运算速度要比内存快得多,为此在此传输过程中放置一存储器,存储CPU经常使用的数据和指令。这样可以提高数据传输速度。可分一级缓存和二级缓存。一级缓存(L1 Cache)集成在CPU内部中,用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存。L1级高速缓存的容量越大,存储信息越多,可减少CPU与内存之间的数据交换次数,提高CPU的运算效率。但因高速缓冲存储器均由静态RAM组成,结构较复杂,在有限的C
4、PU芯片面积上,L1级高速缓存的容量不可能做得太大。二级缓存(L2 Cache)由于L1级高速缓存容量的限制,为了再次提高CPU的运算速度,在CPU外部放置一高速存储器,即二级缓存。工作主频比较灵活,可与CPU同频,也可不同。CPU在读取数据时,先在L1中寻找,再从L2寻找,然后是内存,最后是外存储器。,与CPU有关的术语,生产工艺 在生产CPU过程中,要进行加工各种电路和电子元件,制造导线连接各个元器件。其生产的精度以微米(um)来表示,精度越高,生产工艺越先进。在同样的材料中可以制造更多的电子元件,连接线也越细,提高CPU的集成度,CPU的功耗也越小。这样CPU的主频也可提高,在0.25微
5、米的生产工艺最高可以达到600MHz的频率。而0.18微米的生产工艺CPU可达到G赫兹的水平上。工作电压 是指CPU正常工作所需的电压,提高工作电压,可以加强CPU内部信号,增加CPU的稳定性能。但会导致CPU的发热问题,CPU发热将改变CPU的化学介质,降低CPU的寿命。早期CPU工作电压为5V,随着制造工艺与主频的提高,CPU的工作电压有着很大的变化,Core 2 Duo CPU的电压为1.7V,解决了CPU发热过高的问题。,与CPU有关的术语,MMX(MultiMedia Extensions,多媒体扩展指令集)英特尔开发的最早期SIMD指令集,可以增强浮点和多媒体运算的速度。SSE(S
6、treaming SIMD Extensions,单一指令多数据流扩展)英特尔开发的第二代SIMD指令集,有70条指令,可以增强浮点和多媒体运算的速度。3DNow!(3D no waiting)AMD公司开发的SIMD指令集,可以增强浮点和多媒体运算的速度,它的指令数为21条。,Intel Core 2 Duo E6300 1.86GHz 基本参数,CPU内核 内核电压 1.248V 制作工艺 0.065 微米 CPU频率 主频 1860MHz 倍频(倍)7 外频 266MHz CPU缓存 L1缓存 32KB L2缓存 2MB CPU指令集指令集 MMX,SSE,SSE2,SSE3,SSE4,
7、EM64T,4.1 16位微处理器概述,8086/8088内部结构相同,但外部性能有区别:8086是16位数据总线,8088是8位数据总线。处理一个16位数据字时,8088需要两步操作,8086只要一步。8086/8088的CPU的内部都采用16位字进行操作及存储器寻址,软件完全兼容、程序执行也一样。但是8088有相对较多的外部存取操作,所以程序执行速度相对较慢。,封装模式:都封装在40脚双列直插组件(DIP)中。,4.2 8086/8088 CPU的结构,8086 CPU 从功能上可以分为两部分:总线接口部件(bus interface unit,BIU)执行部件(execution uni
8、t,EU),AH AL,BH BL,CH CL,DH DL,SP,BP,DI,SI,通用寄存器,运算寄存器,ALU,标志,执行部分控制电路,1 2 3 4 5 6,CS,DS,SS,ES,IP,内部寄存器,I/O控制电路,地址加法器,20位,16位,8位,指令队列缓冲器,外部总线,执行部件(EU),总线接口部件(BIU),8086CPU结构图,AXBXCXDX,16位,专用寄存器,4.2.1 执行部件,功能:负责指令的执行。(1)从指令队列中取出指令。(2)对指令进行译码,发出相应的控制信号。(3)接收由总线接口送来的数据或发送数据至接口。(4)利用内部寄存器和ALU进行数据处理。,4.2.1
9、 执行部件,执行部件的组成:(1)4个通用寄存器:AX、BX、CX、DX。(2)4个专用寄存器:BP-基数指针寄存器(base pointer)SP-堆栈指针寄存器(stack pointer)SI-源变址寄存器(source index)DI-目的变址寄存器(destination index)(3)FR-标志寄存器(flag register)(4)ALU-算术逻辑部件(arithmetic-logic unit),4.2.1 执行部件,8086/8088的EU具有如下 4 个特点:(1)4个通用寄存器既可以作为16位寄存器来使用,也可以作 为8位寄存器使用。例如:BX作为8位寄存器时,分
10、为BH 高8位和BL低8位。(2)AX寄存器常常称为累加器,8086指令系统中有许多指令 是通过累加器的动作来执行的。例如,累加器作为16位来 使用的时候,可以按照“字”进行乘、除等操作;当累加器 作为8位来使用的时候,可以按照“字节”进行乘、除等操 作。(3)加法器是算术逻辑单元(ALU)的主要部件,绝大部分指 令的执行都由加法器来完成。,4.2.1 执行部件,(4)标志寄存器FR共有16位,其中有7位未用。,D15,D0,OF DF IF TF SF ZF AF PF CF,进位标志,奇偶标志,辅助进位标志,零标志,符号标志,跟踪标志,中断标志,方向标志,溢出标志,1-有进、借位0-无进、
11、借位,加减法中第3位向第4位有进、借位,BCD码运算中是否调整,1-当前运算结果为00-结果不为0,状态标志:操作执行后,决定ALU在何种状态,这种状态影响以后的操作。控制标志:人为设定的,对特定的功能起控制作用。,标志寄存器功能举例,0101 0100 0011 1001 5439H+0100 0101 0110 1010 456AH1001 1001 1010 0011低8位中“1”的个数为偶数,PF=1运算结果不为0,ZF=0低4位向前有进位,AF=1最高位向前没有进位,CF=0,15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,O D I T S Z A P
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