1、1,本章主要教学内容8086微处理器内部组成、寄存器结构8086微处理器引脚特性和作用8086微处理器存储器和I/O组织8086时序及最小/最大工作方式80X86和Pentium系列微处理器组成结构及特点,第2章 典型微处理器,2,本章教学目的及要求通过学习，应掌握： 典型微处理器的内部组成 寄存器结构 外部引脚特性和作用 存储器和I/O组织 时序和总线操作 系统工作方式和特点,第2章,典型微处理器,3,2-1 微处理器性能简介2-1-1 典型微处理器的主要性能指标 主频 外频 倍频 内存总线速度 扩展总线速度 地址总线宽度 数据总线宽度 高速缓存,第2章,典型微处理器,4,2-1-2 微处理
2、器的基本功能 （1）指令控制 （2）操作控制 （3）时间控制 （4）数据加工,第2章,典型微处理器,5,2-2 Intel 8086微处理器的内、外部结构特性8086微处理器使用+5V电源，40条引脚双列直插式封装，时钟频率5MHz10MHz，基本指令执行时间0.3ms0.6ms。有16根数据线和20根地址线，可寻址内存地址空间1MB（220B）。,第2章,典型微处理器,6,2-2-1 Intel 8086微处理器内部组成结构8086微处理器从功能上可以划分为两个逻辑单元： 执行部件EU（Execution Unit） 总线接口部件BIU（Bus Interface Unit）,典型微处理器,
3、第2章,7,第2章,典型微处理器,2-2-2 8086微处理器的寄存器结构8086可供编程使用的有14个16位寄存器，按其用途可分为3类： 通用寄存器 段寄存器 指针和标志寄存器,8,1. 通用寄存器 （1）数据寄存器：存放操作数或中间结果。 （2）指针和变址寄存器：存放地址偏移量。2. 控制寄存器 （1）指令指针寄存器IP （2）标志寄存器FLAG6个状态标志：CF-进位标志 ；PF-奇偶标志 ；AF-辅助进位标志； ZF-零标志 ；SF-符号标志 ；OF-溢出标志 3个控制标志：TF-陷阱标志或单步操作标志 ：IF-中断允许标志； DF-方向标志,第2章,典型微处理器,9,3. 段寄存器
4、（1）代码段寄存器CS （2）数据段寄存器DS （3）堆栈段寄存器SS （4）附加段寄存器ES,第2章,典型微处理器,10,2-2-3 8086微处理器的外部引脚特性8086CPU具有40个引脚，采用双列直插式的封装形式，如图2-6所示。数据总线为16条，地址总线为20条，其余为状态线、控制信号线、电源、地线等。地址/数据总线采用了分时复用方式，即一部分引脚具有双重功能，例如AD15AD0这16个引脚，有时传送数据信号，有时可输出地址信号。,第2章,典型微处理器,11,图2-6 8086CPU引脚图,12,2-3 存储器和I/O组织 2-3-1 存储器组织1. 存储器的内部结构及访问方法808
5、6有20根地址线，可寻址存储器空间1MB，地址范围为（00000HFFFFFH）。存储器内部按字节进行组织，两个相邻的字节被称为一个“字”。,第2章,典型微处理器,13,2. 存储器分段8086系统采用20位地址线寻址1M字节存储空间。由于CPU内所有寄存器都只有16位，只能寻址64KB（216字节）。因此，把整个存储空间分成若干逻辑段， 每个逻辑段容量最大64KB。CPU允许各个逻辑段在整个存储空间中浮动，可紧密相连，也可相互重叠，还可分开一段距离，如图2-9所示。,第2章,典型微处理器,14,15,3. 存储器地址 （1）段地址：描述要寻址的逻辑段在内存中的起始位置。 （2）偏移地址：描述
6、要寻址的内存单元距本段段首的偏移量。 （3）逻辑地址：由段地址和偏移地址两部分组成。表示形式为“段地址：偏移地址”。 （4）物理地址：存储器实际地址，由CPU提供的20位地址码来表示，是惟一能代表存储空间每个字节单元的地址。,第2章,典型微处理器,16,逻辑地址到物理地址的转换由BIU中20位的地址加法器自动完成。物理地址计算公式：物理地址=段地址10H偏移地址,典型微处理器,第2章,17,4专用和保留的存储器单元 Intel公司为保证与未来产品的兼容性，规定在存储区的最低地址区和最高地址区保留一些单元供CPU的某些特殊功能专用。,第2章,典型微处理器,18,2-3-2 I/O端口组织 1.
7、统一编址：I/O端口地址置于1MB存储器空间中，看作存储器单元，每个端口占用一个存储单元的地址。 CPU访问存储器的指令和各种寻址方式都可用于寻址I/O端口。 2. 独立编址：端口单独编址构成一个I/O空间，不占用存储器地址。CPU设置专门输入/输出指令（IN和OUT）和接口控制信号来访问I/O端口。端口地址空间独立，控制电路和地址译码电路较简单，输入/输出指令类别少，一般只进行传送操作。,第2章,典型微处理器,19,2-4 8086总线周期和工作方式8086CPU操作在时钟CLK统一控制下进行，以便使取指令和传送数据能够协调地工作。 8086经外部总线对存储器或I/O端口进行一次信息输入或输
8、出过程，称总线操作，执行该操作所需要时间称总线周期。一个总线周期包括T1、T2、T3、T4状态，4个时钟周期。不同总线操作需不同总线信号，这些信号变化进行时间顺序的描述称为“总线时序” 。,第2章,典型微处理器,20,2-4-1 8284A时钟信号发生器8284A是Intel公司专为8086设计的时钟信号发生器，能产生8086所需的系统时钟信号。8284A除提供恒定的时钟信号外，还对外界输入的准备就绪信号RDY和复位信号进行同步操作。,第2章,典型微处理器,21,2-4-2 8086总线周期8086CPU与存储器或外部设备通信通过20位分时多路复用地址/数据总线来实现。为取出指令或传输数据，C
9、PU要执行一个总线周期。8086的总线周期至少由4个时钟周期组成。每个时钟周期称为T状态，用T1、T2、T3和T4表示。时钟周期是CPU的基本时间计量单位，由主频决定。例如8086的主频为5MHz，1个时钟周期就是100ns。 1空闲状态TI（idle state） 2等待状态TW（wait state）,第2章,典型微处理器,22,第2章,2-4-3 8086的最小/最大工作方式Intel公司在设计8086CPU芯片时，规定了两种工作模式，即最小工作模式和最大工作模式。通过CPU的第33条引脚MN/ 来控制。 1.最小工作模式（MN/ =1）：把8086CPU的33引脚接+5V时，系统处于最
10、小工作模式。最小模式系统适用于单微处理器组成的小系统，系统中通常只有一个微处理器，所有的总线控制信号都直接由8086CPU产生，系统中的总线控制逻辑电路被减到最少。 2.最大工作模式（MN/ =0）：当把8086的33引脚接地时，系统处于最大工作模式。此时，系统中存在两个或两个以上的微处理器，其中有一个主处理器8086，其他处理器称为协处理器。,典型微处理器,23,第2章,2-5 32位微处理器简介 2-5-1 80386微处理器1985年10月，Intel公司推出高性能32位微处理器80386，芯片内部集成27.5万个晶体管，采用132引脚陶瓷网格阵列（PGA）封装，具有高可靠性和紧密性。,
11、典型微处理器,24,第2章,180386的主要特性 （1）提供32位指令，支持8位、16位和32位数据类型。 （2）提供32位外部总线接口，最大数据传输率32 Mbit/s。 （3）具有片内集成存储器管理部件（MMU），支持虚拟存储和特权保护。 （4）具有实地址、保护和虚拟8086共3种工作方式。 （5）可直接寻址4GB物理存储空间，虚拟存储空间达64 TB。 （6）配用80287、80387数值协处理器可支持高速数值处理。 （7）时钟频率12.5 MHz、16 MHz、20 MHz、25 MHz和33 MHz等。,典型微处理器,25,第2章,2.80386的内部结构内部结构如图2-14所示。
12、由总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件、控制部件、数据部件、保护测试部件、分段部件和分页部件等组成。,典型微处理器,26,图2-14 80386CPU的内部结构框图,27,第2章,2-5-2 80486微处理器1989年4月，Intel公司推出80486，采用1m CHMOS工艺，芯片内集成120万个晶体管，时钟频率25 MHz50 MHz。80486在80386原有6个部件基础上又新增高性能浮点运算部件（FPU）和高速缓冲存储器（Cache）两个部件。,典型微处理器,28,第2章,典型微处理器,180486的主要特性 （1）在CISC技术基础上，首次采用RISC技术，有效地减少指令时钟周
13、期个数。 （2）芯片上集成部件多。 （3）高性能的设计。 （4）完全的32位体系结构。 （5）增加了多处理器指令，增强了多重处理系统。 （6）具有机内自测试功能。,29,第2章,2.80486的基本结构80486微处理器的内部结构如图2-15所示，包括总线接口部件、高速缓存（Cache）部件、指令预取、指令译码部件、控制/保护部件、整数部件、浮点运算部件、分段部件和分页部件9个功能部件。80486将这些部件集成在一块芯片上，除减少主板空间外，还提高了CPU的执行速度。,典型微处理器,30,图2-15 80486CPU内部结构,31,第2章,2-5-3 Pentium系列微处理器Pentium系
14、列微处理器从Pentium、Pentium Pro、MMX Pentium到Pentium II、Pentium III、Pentium 4等，Intel公司通过改变CPU的工作频率、二级缓存的大小、产品制造工艺等来不断提高微处理器的性能，内部结构和功能也在不断地扩充。,典型微处理器,32,第2章,1. Pentium系列微型计算机的主要特点 （1）高集成度。 （2）时钟频率高。 （3）数据总线带宽增加。 （4）片内采用分立的指令Cache和数据Cache结构。 （5）采用RISC型超标量结构。 （6）高性能的浮点运算器。 （7）双重分离式高速缓存。,典型微处理器,33,第2章,（8）增强了错
15、误检测与报告功能。 （9）64位数据总线。 （10）分支指令预测。 （11）常用指令固化及微代码改进。 （12）具有实地址方式、保护方式、虚拟8086方式及SMM系统管理方式。 （13）软件向上兼容80386/80486。,典型微处理器,34,第2章,2. Pentium微处理器的内部结构Pentium微处理器主要部件包括总线接口部件、指令高速缓存器、数据高速缓存器、指令预取部件（指令预取缓冲器）与转移目标缓冲器、寄存器组、指令译码部件、具有两条流水线整数处理部件（U流水线和V流水线）、拥有加乘除运算且具有多用途电路的流水浮点处理部件FPU等。,典型微处理器,35,第2章,3. Pentium
16、 Pro微处理器Pentium Pro又称为高能奔腾，是Intel公司继Pentium之后于1995年11月推出的又一种新型高性能奔腾微处理器。比Pentium增加了8条指令，对X86处理器向下兼容，采用387个引脚PGA封装。,典型微处理器,36,第2章,4. MMX及MMX Pentium微处理器MMX（multi media extended，多媒体扩展技术），增加了支持多媒体的指令集，使微处理器性能大大增强。Pentium MMX称为多能奔腾微处理器，是一种充分改善多信息应用程序性能的微处理器。Pentium MMX可全面提高计算机的综合性能，主要包括整数运算、浮点运算及多媒体应用3个
17、方面。,典型微处理器,37,第2章,5. Pentium微处理器 Pentium首次采用单边连接盒的独立接插式标准（slot1），用一块带金属外壳的印刷电路板，不但集成了处理器部件，还包括了32 KB的L1 Cache，并且处理器封装与512 KB2 MB的L2 Cache等置于同一个底座，共242个引脚，可直接插入主板的相应插座中。,典型微处理器,38,第2章,6. Pentium 微处理器1999年Intel推出Pentium 微处理器，总线频率100 MHz/133 MHz，内部核心部分集成950万只晶体管，具有单指令多数据（SIMD）浮点运算部件。SIMD技术使Pentium 微处理器
18、用一条指令就能完成以往需要4条指令才能完成的浮点数据运算。,典型微处理器,39,第2章,7. Pentium 4 微处理器2000年3月，Intel公司推出新一代高性能32位Pentium 4微处理器，采用NetBurst新式处理器结构，可更好地处理互联网用户的需求，在数据加密、视频压缩和对等网络等方面的性能都有较大幅度的提高。,典型微处理器,40,第2章,2.5.4 Pentium微处理器采用的新技术 1流水线及超流水线技术 2指令预取技术 3超标量技术 4动态分支转移预测技术 5多处理器计算机,典型微处理器,41,本章小结,8086微处理器从结构上划分为执行部件和总线接口部件，充分利用总线，提高了CPU工作效率。 8086寄存器使用非常灵活，供编程用有14个16位寄存器，按用途分为通用寄存器、段寄存器、指针和标志寄存器三类。 应掌握8086存储器分段管理、物理地址和逻辑地址的换算及I/O端口的编址方式。 Pentium系列是普遍使用的微处理器。它们不仅增加了数据总线、地址总线位数，还采用了超流水线技术、指令预取技术、超标量技术、动态分支转移预测技术和多处理器计算机等许多新技术，使微处理器性能大大增强。,42,第2章内容到此结束,谢谢各位 !,
