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现代微机原理与接口技术
1
现代微机原理与接口技术主讲：杨全胜
2005年版东南大学计算机科学与工程系
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2
第 0章 本课程介绍
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3
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 …
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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 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 。
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0.3本课程的要求
同学们不仅要学习微机各种 接口电路 的原理与作用,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,并具有一定的 动手实验能力 和 接口应用程序的编写能力,为深入应用和微机控制系统 SOC设计等的学习与实践打下良好基础 。
请同学们一定要下载和打印电子讲义,课堂上注意听讲并在讲义中补充课堂笔记,认真独立完成作业,做好实验,做好课前预习和课后复习 。
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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，分析它的基本结构，掌握各部分的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
CPU— 从 8086~Pentium，从实模式 ~系统管理 模式；
总线 — 从 ISA~PCI,USB,AGP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)。
3）理论与实践相结合，锻炼实验动手能力。
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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控制信号和数据信号,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
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0.5本课程内容组织第一章 --CPU如何与总线通信,CPU的信号与工作模式第二章 --CPU如何与 MEM或 I/O设备通信,I/O接口与译码第三章 --总线如何工作：总线标准（ PCI,USB）
第五章 --I/O接口如何主动与 CPU通信：中断技术（ 8259）
第六章 --I/O接口的定时与计数功能：（ 8254）
第七章 --I/O接口的并行通信,8255与打印机接口标准第八章 --I/O接口的串行通信：串行通信协议与 8250
第四章 --I/O接口直接和 MEM通信,DMA（ 8237,自学 ）
第十章 --I/O软接口技术：保护模式存储,WDM驱动程序编写（ 自学为主 ）
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第 1章 微机结构的发展和特点
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1.1 微处理器发展概述
1,第一代微处理器
Intel4004,Intel4040 — 4位微处理器
Intel8008 — 低档 8位微处理器
2,第二代微处理器
Intel8080,MC6800,6501,6502 —
8位微处理器
Intel8085,Z80,MC6809 — 高档 8位微处理器
指令比较完善，有了中断与 DMA
汇编,BASIC,FORTRAN,PL/M
后期配备 CP/M操作系统
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3,第三代微处理器
Intel8086,Z8000,MC68000 — 16位
- 8086数据总线 16位、地址总线 20位
Intel8088 — 准 16位
- 外部数据总线 8位，内部数据总线 16位
- IBM PC,IBM PC/XT
Intel80286,MC68010 — 高档 16位
- 数据总线 16位，地址总线 24位
- IBM PC/AT
- 实地址模式、虚地址保护模式
- 虚地址模式可寻址 16MB物理地址和 1GB的虚拟地址空间
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4,第四代微处理器
Intel80386 — 32位微处理器
- 数据总线 32位，地址总线 32位
- 实地址模式、虚地址保护模式、虚拟 8086模式
- 虚地址模式可寻址 4GB(232)物理地址和 64TB(246)的虚拟地址空间
Intel80486 — 32位微处理器
- 80386+80387+8KB的 Cache
- 部分采用 RISC技术、突发总线技术
- 使用时钟倍频技术
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5,第五代微处理器
Pentium（奔腾） — 32位微处理器
Pentium MMX（多能奔腾） — 32位微处理器
- 增加了 57条 MMX指令
- 采用了 SIMD技术
- 同时处理 8个字节的数据
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6,第六代微处理器 (P6核心结构 )
Pentium Pro（高能奔腾） — 32位微处理器
- 64条数据线,36条地址线 （区别 Pentium的 32条地址线）
- 实现了动态执行技术 (乱序执行 )
Pentium II（奔腾 2） — 32位微处理器
Pentium III（奔腾 3） — 32位微处理器
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7,第六代之后的微处理器
Pentium 4 — 32位微处理器 (非 P6核心结构 )
Itanium — 64位微处理器
- 采用 EPIC技术,RISC技术和 CISC技术
- 具有显式并行功能
- 具有断定执行功能
- 具有数据预装的功能
- 采用三级高速缓存
AMD64 — 64位微处理器
- AMD 使用 x86结构并扩展到 64位来获得 x86-64结构
- 处理器能全速高性能地运行 x86和 x86-64程序
- 64位模式不采用分段模式
- 具有长模式，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长模式下）
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Intel IA-32e — 64位微处理器
- Intel增强 IA-32结构，扩展到 64位结构操作
- 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
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1.2 微机的硬件结构
CPU
地址总线（ AB）
RAM I/O接口 I/O设备ROM
数据总线（ DB）
控制总线（ CB）
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1.3 微处理器结构
1.3.1 8086/8088微处理器
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
ALU
标志寄存器
EU 控制系统执行单元
EU
∑
CS
DS
SS
ES
IP
内部暂存器
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接口单元 BIU
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一,8086/8088引脚信号
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S4,S3的组合所代表的正在使用的寄存器
S4 S3 当前正在使用的寄存器
0 0 ES
0 1 SS
1 0 CS或未使用任何段寄存器
1 1 DS
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。
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二,8086/8088的工作模式（最小模式）
转到最大模式
8088/
8086
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8088总线操作
IO/M DT/R SS0 操作
1 0 0 发中断响应信号
1 0 1 读 I/O端口
1 1 0 写 I/O端口
1 1 1 暂停
0 0 0 取指令
0 0 1 读内存
0 1 0 写内存
0 1 1 无操作
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23 转到最小模式
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8288引脚图
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
IOB
CLK
S1
DT/R
ALE
AEN
MRDC
AMWC
MWTC
GND
VCC
S0
S2
MCE/PDEN
DEN
CEN
INTA
IORC
AIOWC
IOWC
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8288在 PC/XT机中的连接
ALE
DT/R
DEN
AIOWC
AMWC
IORC
MWTC
MRDC
INTA
S0
S1
S2
AEN
CEN
CLK
IOB
S0
S1
S2
AENBRD
AEN
CLK
ALE（地址锁存信号）
DT/R（数据传输方向）
DEN（数据总线允许）
IOW（写 I/O）
MEMW（写存储器）
IOR（读 I/O）
MWTC（写存储器）
MEMR（读存储器）
INTA（中断响应）
（ 8288工作在系统总线方式）
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BX
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三,8086/8088的存储器管理
16位段地址 16位段内偏移:
16位段地址
16位段内偏移
（左移四位）
+
20位物理地址=
6417H∶ 0100H
6417H× 10H + 0100H = 64170H + 0100H = 64270H
采用了内存分段的办法，内存分为若干段，段的大小根据需要决定，最大为 64KB
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1.3.2 Pentium 微处理器
80x86系列微处理器兼容
有 32位地址总线,64位数据总线。
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。
具有高性能的浮点运算器。
双重分离式高速缓存。
增强的错误检测和报告功能。
分支指令预测。
常用的指令不采用微程序设计，而改用硬件实现。
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一,Pentium微处理器内部结构分支目标缓冲器代码
Cache 8KB
TLB
指令指针预取缓冲存储器指令译码部件
256位总线接口部件分页部件
64位数据总线预取地址
32位地址总线控制控 制 部 件地址生成
（ U流水线）
地址生成
（ V流水线）
控制
ROM
ALU
（ U流水线）
ALU
（ V流水线）
整数寄存器组桶形移位器数据 Cache
8KBTLB
浮点部件控制寄存器组加法器除法器乘法器
80位
80
位分支检测和目标地址
64位数据总线 32位地址总线
32位
32位
32位
32位
32位
32位
①
②
③
④
⑤
① =指令预取
② =首次译码
③ =二次译码
④ =指令执行
⑤ =写回 R
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二,Pentium的寄存器
1,通用寄存器
16位通用寄存器高 16位扩展
32位通用寄存器
EAX,EBX,ECX,EDX,ESI,EDI,EBP和 ESP
2,段寄存器
CS,DS,SS,ES,FS和 GS
3,指令指针寄存器
16位的 IP高 16位扩展
32位指令指针寄存器 EIP
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4.标志寄存器虚拟中断挂起位嵌套标志
I/O特权位恢复标志虚拟 8086模式对齐检查虚拟中断位标识位这部分同 8088
OF
31…… 2221 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
DF IF TF SF ZF AF CFPFIOPLNTRFVMACVIFVIPID保 留
00 核心级（最高）
01次高级
02 次低级
03 用户级（最低）
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5,控制寄存器
31 7 6 5 4 3 2 1 0
MC
E
0 PSE DE TSD VM
E
PVI保留,缺省为全 0 CR4
31 12 11 4 3 0
PWTPCD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 PEMPN
W
CDPG CR0
31 0
EMTSAM
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写保护定位屏蔽允许分页禁止 Cache
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 PEMPNWCDPG CR0EMTSAM
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。
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禁止 Cache
页面写贯穿
31 12 11 4 3 0
PWTPCD页目录基地址寄存器 CR3
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允许机器检查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 8086模式扩展
31 7 6 5 4 3 2 1 0
MCE 0 PSE DE TSD VMEPVI保留,缺省为全 0 CR4
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三,Pentium的工作模式
实地址模式
- 1MB空间，分段管理，所有程序全在 0级
保护模式
- 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，可以使用分页技术
虚拟 8086模式
系统管理模式 （电源管理及为操作系统和正在运行的应用程序提供安全）
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工作模式的转换实地址模式
CPU复位
SMM
模式保护模式虚拟 8086
模式
CR0.PE=1
CR0.PE=0
RSM指令
RSM指令
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1.3.3 Pentium II 微处理器
Pentium Pro核心 +MMX
一、特点
双独立总线结构
- 后端总线连接到 L2 Cache上，后来的 L2 Cache集成到了 CPU芯片中，后端总线用以连接 L3 Cache
- 前端总线 FSB主要负责主存储器的信息传送操作
借鉴了 RISC技术来实现传统的 x86指令系统
- 每一条 x86操作都转换成简单的微操作
采用动态执行技术和寄存器重命名技术
Pentium II
北桥 内存
FSB 前端总线
L2 Cache
后端总线
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二、动态执行技术
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
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处理这些指令
推测执行
- 尽量保持多端口、多功能的执行部件始终为,忙,
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三,Pentium II 的内部结构
L2 Cache
后端总线主 存前端总线总线接口单元 BIU L1数据 Cache 16KB
L1代码 Cache
16KB
指令预取单元 IFU
分支目标缓冲器 BTB
存储器排序缓冲器 MOB
x86指令译码器译码器 0
译码器 1
译码器 2
寄存器别名表 RAT
指令重排缓冲器 ROB
保留站RS
端口 4
微指令序列器 MIS
存储数据单元端口 3 存储地址单元端口 2 加载地址单元端口 1 MMX移位器MMX ALU
简单整数单元转移执行单元端口 0 MMX ALU
MMX乘法器复杂整数单元复杂浮点单元简单浮点单元结果总线
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四,Pentium II 的控制寄存器物理地址扩展页全局允许性能计数器允许
PGEPCE
831 7 6 5 4 3 2 1 0
MCE PAE PSE DE TSD VMEPVI保留,缺省为全 0 CR4
31 12 11 4 3 0
PWTPCD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 PEMPNWCDPG CR0
31 0
EMTSAM
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1.3.4 Pentium III 微处理器
增加了 70条 SSE指令
- 8条内存连续数据流优先处理指令
- 50条单指令多数据流浮点运算指令
- 12条新的多媒体指令
增加了 8个 128位单精度浮点数寄存器
首次内置序列号
加快了前端总线
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1.3.5 Pentium 4（ 90nm）微处理器
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
支持 HT（超线程）技术
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
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1.3.6 时钟周期、总线周期和指令周期每两个时钟脉冲上升（下降）沿之间的时间间隔称为 T状态，也称为 时钟周期（ Clock Cycle）
T
CPU与存储器或输入 /输出端口进行一次数据交换所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）
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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…… ……
8088中，执行 INC BYTE PTR[BX]指令（指令已在指令队列中）需要 个总线周期。2
单周期指令 CPU的指令周期只包含一个时钟周期
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或
A19~A16
/S6~S3
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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
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思考：用一条指令让 EBX寄存器清 0，有几种办法，
在 X86不同的 CPU中，哪种方案最好？
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1.4.1 PC/XT机的基本结构
1.4 PC系列微机基本结构微处理器 8088 协处理器 8087
ROM BIOS DRAM控制器 主板上的
RAM8253
定时 /计数器
8259
中断控制器
8250串行通信控制器
8255
并行接口
8237
DMA控制器
DMA
页面寄存器 8个 8位 62引脚扩展插槽
PC总线扩展总线缓冲返回
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1.4.2 386/486机的基本结构微处理器
80386/80486
总线控制器
Cache
控制器 Cache 主存80387(386微机 )
集成外围控制器 扩展总线 控制器实时时钟 /日历
CMOS RAM
ISA总线
CPU局部总线
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1.4.3 南北桥结构的 Pentium II微机
Pentium II
处理器
Pentium II
处理器
CPU前端总线
82443BX
（北桥）
主存支持 SDRAM
66/100M
Hz2× AGP总线图形设备
82371EB
（ PIIX4E）
（南桥） ISA插槽
2个 IDE接口
2个 USB接口
I/O
APIC
PCI总线
PCI插槽系统 BIOS
ISA总线
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1.4.4 中心结构的 Pentium III微机键盘鼠标串行口并行口处理器
8XX系列存储控制中心中心高速接口
I/O控制中心
ICH2
固件中心
PCI槽
PCI总线
ATA 100/66/33
USB端口
AC’97编码支持完整 AC3
Super I/OLPC I/F
AGP图形控制器 主存储器处理器
CPU前端总线
LAN连接
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1.4.5 使用 875芯片组的 Pentium 4微机
*GbE=Giga bit Ethernet
*HT=Hyper-Threading Technology
*DDR= Double Data Rate
Pentium 4处理器
82875
MCH
中心高速接口
I/O控制中心
ICH5/
ICH5R
支持 HT技术的固件中心
PCI槽
PCI总线传统 ATA 100
USB2.0端口
Super I/OLPC I/F
AGP 8× DDR内存
CPU前端总线，支持 800MHz
10/100 LAN连接通信流结构 /GbE
3 AC’97编码支持完整 AC3
3 AC’97编码支持完整 AC3
3 AC’97编码支持完整 AC3
2个 SATA端口
ICH5R支持 RAID0
DDR内存
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1.4.6 使用 915芯片组的 Pentium 4微机
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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
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1.5 Intel 815EP芯片组简介
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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 4× AGP数据传送的 AGP 2.0
符合 ACPI电源管理规范
- Full-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
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59
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 AC’97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
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1.5.3 SIO
LPC47B27X芯片
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1
现代微机原理与接口技术主讲：杨全胜
2005年版东南大学计算机科学与工程系
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2
第 0章 本课程介绍
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3
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 …
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4
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 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 。
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5
0.3本课程的要求
同学们不仅要学习微机各种 接口电路 的原理与作用,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,并具有一定的 动手实验能力 和 接口应用程序的编写能力,为深入应用和微机控制系统 SOC设计等的学习与实践打下良好基础 。
请同学们一定要下载和打印电子讲义,课堂上注意听讲并在讲义中补充课堂笔记,认真独立完成作业,做好实验,做好课前预习和课后复习 。
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6
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，分析它的基本结构，掌握各部分的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
CPU— 从 8086~Pentium，从实模式 ~系统管理 模式；
总线 — 从 ISA~PCI,USB,AGP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)。
3）理论与实践相结合，锻炼实验动手能力。
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7
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控制信号和数据信号,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
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8
0.5本课程内容组织第一章 --CPU如何与总线通信,CPU的信号与工作模式第二章 --CPU如何与 MEM或 I/O设备通信,I/O接口与译码第三章 --总线如何工作：总线标准（ PCI,USB）
第五章 --I/O接口如何主动与 CPU通信：中断技术（ 8259）
第六章 --I/O接口的定时与计数功能：（ 8254）
第七章 --I/O接口的并行通信,8255与打印机接口标准第八章 --I/O接口的串行通信：串行通信协议与 8250
第四章 --I/O接口直接和 MEM通信,DMA（ 8237,自学 ）
第十章 --I/O软接口技术：保护模式存储,WDM驱动程序编写（ 自学为主 ）
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9
第 1章 微机结构的发展和特点
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10
1.1 微处理器发展概述
1,第一代微处理器
Intel4004,Intel4040 — 4位微处理器
Intel8008 — 低档 8位微处理器
2,第二代微处理器
Intel8080,MC6800,6501,6502 —
8位微处理器
Intel8085,Z80,MC6809 — 高档 8位微处理器
指令比较完善，有了中断与 DMA
汇编,BASIC,FORTRAN,PL/M
后期配备 CP/M操作系统
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3,第三代微处理器
Intel8086,Z8000,MC68000 — 16位
- 8086数据总线 16位、地址总线 20位
Intel8088 — 准 16位
- 外部数据总线 8位，内部数据总线 16位
- IBM PC,IBM PC/XT
Intel80286,MC68010 — 高档 16位
- 数据总线 16位，地址总线 24位
- IBM PC/AT
- 实地址模式、虚地址保护模式
- 虚地址模式可寻址 16MB物理地址和 1GB的虚拟地址空间
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4,第四代微处理器
Intel80386 — 32位微处理器
- 数据总线 32位，地址总线 32位
- 实地址模式、虚地址保护模式、虚拟 8086模式
- 虚地址模式可寻址 4GB(232)物理地址和 64TB(246)的虚拟地址空间
Intel80486 — 32位微处理器
- 80386+80387+8KB的 Cache
- 部分采用 RISC技术、突发总线技术
- 使用时钟倍频技术
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5,第五代微处理器
Pentium（奔腾） — 32位微处理器
Pentium MMX（多能奔腾） — 32位微处理器
- 增加了 57条 MMX指令
- 采用了 SIMD技术
- 同时处理 8个字节的数据
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6,第六代微处理器 (P6核心结构 )
Pentium Pro（高能奔腾） — 32位微处理器
- 64条数据线,36条地址线 （区别 Pentium的 32条地址线）
- 实现了动态执行技术 (乱序执行 )
Pentium II（奔腾 2） — 32位微处理器
Pentium III（奔腾 3） — 32位微处理器
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7,第六代之后的微处理器
Pentium 4 — 32位微处理器 (非 P6核心结构 )
Itanium — 64位微处理器
- 采用 EPIC技术,RISC技术和 CISC技术
- 具有显式并行功能
- 具有断定执行功能
- 具有数据预装的功能
- 采用三级高速缓存
AMD64 — 64位微处理器
- AMD 使用 x86结构并扩展到 64位来获得 x86-64结构
- 处理器能全速高性能地运行 x86和 x86-64程序
- 64位模式不采用分段模式
- 具有长模式，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长模式下）
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Intel IA-32e — 64位微处理器
- Intel增强 IA-32结构，扩展到 64位结构操作
- 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
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1.2 微机的硬件结构
CPU
地址总线（ AB）
RAM I/O接口 I/O设备ROM
数据总线（ DB）
控制总线（ CB）
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1.3 微处理器结构
1.3.1 8086/8088微处理器
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
ALU
标志寄存器
EU 控制系统执行单元
EU
∑
CS
DS
SS
ES
IP
内部暂存器
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接口单元 BIU
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一,8086/8088引脚信号
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S4,S3的组合所代表的正在使用的寄存器
S4 S3 当前正在使用的寄存器
0 0 ES
0 1 SS
1 0 CS或未使用任何段寄存器
1 1 DS
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。
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二,8086/8088的工作模式（最小模式）
转到最大模式
8088/
8086
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8088总线操作
IO/M DT/R SS0 操作
1 0 0 发中断响应信号
1 0 1 读 I/O端口
1 1 0 写 I/O端口
1 1 1 暂停
0 0 0 取指令
0 0 1 读内存
0 1 0 写内存
0 1 1 无操作
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23 转到最小模式
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24
8288引脚图
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
IOB
CLK
S1
DT/R
ALE
AEN
MRDC
AMWC
MWTC
GND
VCC
S0
S2
MCE/PDEN
DEN
CEN
INTA
IORC
AIOWC
IOWC
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8288在 PC/XT机中的连接
ALE
DT/R
DEN
AIOWC
AMWC
IORC
MWTC
MRDC
INTA
S0
S1
S2
AEN
CEN
CLK
IOB
S0
S1
S2
AENBRD
AEN
CLK
ALE（地址锁存信号）
DT/R（数据传输方向）
DEN（数据总线允许）
IOW（写 I/O）
MEMW（写存储器）
IOR（读 I/O）
MWTC（写存储器）
MEMR（读存储器）
INTA（中断响应）
（ 8288工作在系统总线方式）
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BX
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三,8086/8088的存储器管理
16位段地址 16位段内偏移:
16位段地址
16位段内偏移
（左移四位）
+
20位物理地址=
6417H∶ 0100H
6417H× 10H + 0100H = 64170H + 0100H = 64270H
采用了内存分段的办法，内存分为若干段，段的大小根据需要决定，最大为 64KB
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1.3.2 Pentium 微处理器
80x86系列微处理器兼容
有 32位地址总线,64位数据总线。
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。
具有高性能的浮点运算器。
双重分离式高速缓存。
增强的错误检测和报告功能。
分支指令预测。
常用的指令不采用微程序设计，而改用硬件实现。
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一,Pentium微处理器内部结构分支目标缓冲器代码
Cache 8KB
TLB
指令指针预取缓冲存储器指令译码部件
256位总线接口部件分页部件
64位数据总线预取地址
32位地址总线控制控 制 部 件地址生成
（ U流水线）
地址生成
（ V流水线）
控制
ROM
ALU
（ U流水线）
ALU
（ V流水线）
整数寄存器组桶形移位器数据 Cache
8KBTLB
浮点部件控制寄存器组加法器除法器乘法器
80位
80
位分支检测和目标地址
64位数据总线 32位地址总线
32位
32位
32位
32位
32位
32位
①
②
③
④
⑤
① =指令预取
② =首次译码
③ =二次译码
④ =指令执行
⑤ =写回 R
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二,Pentium的寄存器
1,通用寄存器
16位通用寄存器高 16位扩展
32位通用寄存器
EAX,EBX,ECX,EDX,ESI,EDI,EBP和 ESP
2,段寄存器
CS,DS,SS,ES,FS和 GS
3,指令指针寄存器
16位的 IP高 16位扩展
32位指令指针寄存器 EIP
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4.标志寄存器虚拟中断挂起位嵌套标志
I/O特权位恢复标志虚拟 8086模式对齐检查虚拟中断位标识位这部分同 8088
OF
31…… 2221 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
DF IF TF SF ZF AF CFPFIOPLNTRFVMACVIFVIPID保 留
00 核心级（最高）
01次高级
02 次低级
03 用户级（最低）
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5,控制寄存器
31 7 6 5 4 3 2 1 0
MC
E
0 PSE DE TSD VM
E
PVI保留,缺省为全 0 CR4
31 12 11 4 3 0
PWTPCD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 PEMPN
W
CDPG CR0
31 0
EMTSAM
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33
写保护定位屏蔽允许分页禁止 Cache
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 PEMPNWCDPG CR0EMTSAM
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。
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禁止 Cache
页面写贯穿
31 12 11 4 3 0
PWTPCD页目录基地址寄存器 CR3
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允许机器检查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 8086模式扩展
31 7 6 5 4 3 2 1 0
MCE 0 PSE DE TSD VMEPVI保留,缺省为全 0 CR4
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36
三,Pentium的工作模式
实地址模式
- 1MB空间，分段管理，所有程序全在 0级
保护模式
- 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，可以使用分页技术
虚拟 8086模式
系统管理模式 （电源管理及为操作系统和正在运行的应用程序提供安全）
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工作模式的转换实地址模式
CPU复位
SMM
模式保护模式虚拟 8086
模式
CR0.PE=1
CR0.PE=0
RSM指令
RSM指令
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1.3.3 Pentium II 微处理器
Pentium Pro核心 +MMX
一、特点
双独立总线结构
- 后端总线连接到 L2 Cache上，后来的 L2 Cache集成到了 CPU芯片中，后端总线用以连接 L3 Cache
- 前端总线 FSB主要负责主存储器的信息传送操作
借鉴了 RISC技术来实现传统的 x86指令系统
- 每一条 x86操作都转换成简单的微操作
采用动态执行技术和寄存器重命名技术
Pentium II
北桥 内存
FSB 前端总线
L2 Cache
后端总线
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二、动态执行技术
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
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处理这些指令
推测执行
- 尽量保持多端口、多功能的执行部件始终为,忙,
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三,Pentium II 的内部结构
L2 Cache
后端总线主 存前端总线总线接口单元 BIU L1数据 Cache 16KB
L1代码 Cache
16KB
指令预取单元 IFU
分支目标缓冲器 BTB
存储器排序缓冲器 MOB
x86指令译码器译码器 0
译码器 1
译码器 2
寄存器别名表 RAT
指令重排缓冲器 ROB
保留站RS
端口 4
微指令序列器 MIS
存储数据单元端口 3 存储地址单元端口 2 加载地址单元端口 1 MMX移位器MMX ALU
简单整数单元转移执行单元端口 0 MMX ALU
MMX乘法器复杂整数单元复杂浮点单元简单浮点单元结果总线
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四,Pentium II 的控制寄存器物理地址扩展页全局允许性能计数器允许
PGEPCE
831 7 6 5 4 3 2 1 0
MCE PAE PSE DE TSD VMEPVI保留,缺省为全 0 CR4
31 12 11 4 3 0
PWTPCD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 PEMPNWCDPG CR0
31 0
EMTSAM
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42
1.3.4 Pentium III 微处理器
增加了 70条 SSE指令
- 8条内存连续数据流优先处理指令
- 50条单指令多数据流浮点运算指令
- 12条新的多媒体指令
增加了 8个 128位单精度浮点数寄存器
首次内置序列号
加快了前端总线
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1.3.5 Pentium 4（ 90nm）微处理器
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
支持 HT（超线程）技术
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
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1.3.6 时钟周期、总线周期和指令周期每两个时钟脉冲上升（下降）沿之间的时间间隔称为 T状态，也称为 时钟周期（ Clock Cycle）
T
CPU与存储器或输入 /输出端口进行一次数据交换所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）
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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…… ……
8088中，执行 INC BYTE PTR[BX]指令（指令已在指令队列中）需要 个总线周期。2
单周期指令 CPU的指令周期只包含一个时钟周期
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或
A19~A16
/S6~S3
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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
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思考：用一条指令让 EBX寄存器清 0，有几种办法，
在 X86不同的 CPU中，哪种方案最好？
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1.4.1 PC/XT机的基本结构
1.4 PC系列微机基本结构微处理器 8088 协处理器 8087
ROM BIOS DRAM控制器 主板上的
RAM8253
定时 /计数器
8259
中断控制器
8250串行通信控制器
8255
并行接口
8237
DMA控制器
DMA
页面寄存器 8个 8位 62引脚扩展插槽
PC总线扩展总线缓冲返回
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1.4.2 386/486机的基本结构微处理器
80386/80486
总线控制器
Cache
控制器 Cache 主存80387(386微机 )
集成外围控制器 扩展总线 控制器实时时钟 /日历
CMOS RAM
ISA总线
CPU局部总线
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1.4.3 南北桥结构的 Pentium II微机
Pentium II
处理器
Pentium II
处理器
CPU前端总线
82443BX
（北桥）
主存支持 SDRAM
66/100M
Hz2× AGP总线图形设备
82371EB
（ PIIX4E）
（南桥） ISA插槽
2个 IDE接口
2个 USB接口
I/O
APIC
PCI总线
PCI插槽系统 BIOS
ISA总线
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1.4.4 中心结构的 Pentium III微机键盘鼠标串行口并行口处理器
8XX系列存储控制中心中心高速接口
I/O控制中心
ICH2
固件中心
PCI槽
PCI总线
ATA 100/66/33
USB端口
AC’97编码支持完整 AC3
Super I/OLPC I/F
AGP图形控制器 主存储器处理器
CPU前端总线
LAN连接
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1.4.5 使用 875芯片组的 Pentium 4微机
*GbE=Giga bit Ethernet
*HT=Hyper-Threading Technology
*DDR= Double Data Rate
Pentium 4处理器
82875
MCH
中心高速接口
I/O控制中心
ICH5/
ICH5R
支持 HT技术的固件中心
PCI槽
PCI总线传统 ATA 100
USB2.0端口
Super I/OLPC I/F
AGP 8× DDR内存
CPU前端总线，支持 800MHz
10/100 LAN连接通信流结构 /GbE
3 AC’97编码支持完整 AC3
3 AC’97编码支持完整 AC3
3 AC’97编码支持完整 AC3
2个 SATA端口
ICH5R支持 RAID0
DDR内存
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1.4.6 使用 915芯片组的 Pentium 4微机
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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
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1.5 Intel 815EP芯片组简介
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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 4× AGP数据传送的 AGP 2.0
符合 ACPI电源管理规范
- Full-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
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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 AC’97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
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1.5.3 SIO
LPC47B27X芯片
