微型计算机技术
清华大学计算机系
赵雁南 温冬婵 杨泽红
前言
0.1、教学内容和目标
0.2、教学要求
0.3、教材与参考书
0.4、教学日历及其他
0.1、教学内容和目标
0.1.1 教学内容
?基础 以微计算机的基本概念为基础
?主线 以 微计算机的技术发展作为课
程的主线
?重点 以微计算机的关键技术为重点，
掌握要点和应用方法
0.1、教学内容和目标（续）
0.1.2 教学目标 —培养能力
?资料阅读能力
?分析软硬件能力
?设计接口，扩充系统能力
?使用设计与调试工具、设计与调试能
力
0.1、教学内容和目标（续）
0.1.3 学习方法 ——“问题驱动”方法
（ Question-Driven）
? 提出问题 Why? 体会事物发展的动因，培养创新思
维
? 分析问题 What? 培养分析问题的能力，抓住事物的
本质
? 如何解决 How? 学习具体的技术，积累创新的技能
和方法
? 举例,
Why？为什么选择本课程 ……
What? 本课程能学到什么内容 ……
How? 怎样学好本课程 ……
0.2、教学要求
0.2.1 注意基本能力的培养
0.2.2 理论教学与实验并重
0.2.3 关于作业
0.2.4 关于考核
0.3、教材与参考书
教材,
赵雁南、温冬婵、杨泽红, 微型计算机系统与接口,
清华大学出版社
参考书,
1,Barry B,Brey,“The Intel Microprocessors
8086/8088……Pentium Ⅱ Processors Architecture，
Programing and Interfacing”（有中译本）
2、戴梅萼、史家权,,微型计算机技术与应用 —从 16
位到 32位, 清华大学出版社
3,The 8086 Familly User’s Manual
4,Tom Shanley etc., Pentium Processor System
Architecture”
第一章 概 述
? 什么是微型计算机
? 微型计算机系统的构成和性能评价
? 微型计算机的发展概况
1.1 什么是微型计算机
? 从体积、功能和价格划分
?大型 —中型 —小型 —微型
? 从组成划分
?电子管 —晶体管 —集成电路 —LSI—VLSI
一般，把台式计算机类型的个人计算机,
结构相对简单的工业控制计算机等统称为
微型计算机
1.2 微型计算机系统的构成和性能评价
1.2.1 微型计算机系统的基本组成
微处理器、微计算机、微机系统
图 1-1 微计算机系统
1.2 微型计算机系统的构成和性能评价
1.2.1 微型计算机系统的基本组成
μC,
图 1-2 微计算机
1.2 微型计算机系统的构成和性能评价
1.2.1 微型计算机系统的基本组成
图 1-3 微处理器
μP,
1.2 微型计算机系统的构成和性能评价
1.2.1 微型计算机系统的基本组成
图 1-4 微处理器
μP,
1.2 微型计算机系统的构成和性能评价
1.2.2 微型计算机的性能描述
? 微处理器的字长和指令执行时间
? ALU的位数和数据总线的宽度为字长
? MIPS
Pentium100 150MIPS,Pentium Pro200 440MIPS
iCOMP（ intel COmparable Microprocessor
Performance）指数评测方案
Pentium100 815,Pentium200 1810
1.2 微型计算机系统的构成和性能评价
1.2.2 微型计算机的性能描述
? 内存储器容量和速度
? 处理机内存储器的最大容量和处理器的地
址线宽度有关,配置综合性能价格
? DRAM，访问时间，远低于处理器速度
? 系统总线传输速率
? 总线每秒钟能够传送的最大字节数
? 8MHz,16位 ISA 5.3MB/S; 66MHz,64位的
PCI峰值传送速率 528MB/S
1.3 微型计算机的发展概况
1.3.1 Intel 系列微处理器
1.3.1 Intel 系列微处理器
?1974年第一个通用 8位微处理器 8080诞生。
?8085将 8080的三片结构集成为一片，并优化。
?8085与其它器件接口方便且中断系统功能完
善等特点，在很长时间内被广泛地应用在计
算机控制系统当中。
?8080和 8085奠定了 80x86系列的雏形。
Intel 8080~8085
? 1978年,80x86第一代 16位微处理器。
?第一次将流水线思想引进微处理器：指令级流水。
?存储器分段管理机制引入处理器，扩大寻址能力。
?只有整数运算指令。可配套协处理器 8087,I/O处
理器 8089，具备较强大计算能力和 I/O处理能力。
?推出 8088,8位外部数据总线，兼容 丰富的 8位配套
器件,8088内部与 8086结构基本相同。
?基于 8088微处理器的 IBM PC-XT以及兼容系统。
Intel 8086
?1982年,80286诞生,16位处理器,80286在
性能上比 8086有了很大的提高。
?80286将存储器的保护管理模式引入 CPU的体
系结构，从 80286开始，处理器支持实地址模
式和虚拟保护模式。
?基于 80286的 IBM个人计算机即 IBM PC/AT。
Intel 80286
?85年，是第一个 32位微处理器，内部寄存器均为 32
位,32根地址线，最大地址空间为 4G字节。
?在处理器内部,80386增加了系统管理等专用寄存
器，集成了规范的存储管理部件，并按照速度的不
同，采用了分级的总线结构。
?80386也是第一个支持片外 Cache的 CPU。因此，基
于 386的微计算机系统，总体性能上有了很大提高。
Intel 80386
?80486将 8M字节的 Cache集成在处理器芯片内部，极
大的提高存储器访问的速度。
?486采用了取指、两级译码、执行和写回五级流水，
流水线上多数指令的执行仅需一个时钟就能完成。
?首批 486的主频从 386DX的 20MHz仅提高到了 25MHz，
指令的执行速度却提高了 3倍多，从 386的 6MIPS
（每秒百万指令流）提高到 20MIPS。
?从 80486开始，数值运算协处理器被集成在主处理
器内部。
Intel 80486
?九十年代初的 Pentium微处理器,32位，外部数据总
线宽度 64位。
?内部集成了独立的 8KB代码 Cache和 8KB数据 Cache，避
免取指和读写操作数时产生的 Cache访问冲突。
?Pentium采用了超标量流水线和指令分支预测技术，
集成了高性能的浮点处理单元。多数情况下，超标量
流水线每个时钟周期可以执行两条整型指令和一条浮
点处理指令。整数处理能力比 486提高 2倍，浮点处理
能力比 486提高 5~10倍。相同频率（ 100MHz）的
Pentium比 80486 iCOMP指数 提高 2倍。
Intel 80586－ Pentium
486DX4100~Pentium100
?继 Pentium之后，第六代微处理器 Pentium Pro在 2
年以后面世。 Pentium Pro处理器内部同时集成了
16KB的 L1 Cache和 256/512KB的 L2 Cache。
?并通过指令乱序执行以及重排序缓冲器进一步提高
指令级的并行性。
?Pentium Pro的首批 CPU频率就达到 200MHz，性能为
440MIPS。
Intel 80686－ Pentium Pro
?1997年,Pentium II处理器诞生,PII内部 L1级指
令 Cache和数据 Cache分别增加到 16MB，内部 L2级
Cache仍为 256/512KB。
?在超标量流水线结构中增强了 MMX指令的处理能力。
?从 PII开始采用了双独立总线结构，一条用于连接
处理器内核和 L2 Cache，一条连接系统总线，处理
器可以在 2条总线上同时传送数据。
Pentium II
?Pentium III在 PII的基础上进一步提高了性能，它
的集成度达到 820万晶体管，第一批 CPU的主频为
500MHz，运行速度为 1000MIPS。 P III的最高频率
为 1.40GHz。
?PIII具有 256bit宽的 Cache数据总线，它增加了 128
位的 SIMD（单指令多数据）寄存器，用于 Internet
流式 SIMD 扩展。 P III还增强了动态执行的微结
构。
Pentium III
?P4采用了混合流水线技术和快速执行引擎，增强的
浮点和多媒体单元。
?P4的 L1级 Cache增加了 12K的执行跟踪 Cache,系统
总线达到 400 MHz。
?P4的主频达到 2200MHz，指令执行速度高达
3000MIPS。
Pentium 4
Pentium 4
Pentium 4 EE (Extreme Expensive）
?90纳米工艺
?3.74GHz （ 3.46）
?1066MHz前端数据总线
?支持 64位计算
?集成度 1.69亿个晶体管
?2MB L2 Cache
?“execute bit disable”安全技术
Pentium 4 Extreme Expensive
? Extreme 多核结构
1.3.1 Intel 系列微处理器 Pentium Ⅲ
? Available at 1.13,1.26 and 1.40GHz
? 512KB Advanced Transfer Cache (L2) with
Error Correcting Code (ECC))
? Integrated high performance 16KB
instruction and 16KB data level one cache
? Dual Independent Bus (DIB) architecture
Separate dedicated external System Bus，
dedicated internal high-speed cache bus
? Internet Streaming SIMD Extensions
? Dynamic execution micro architecture
? Quad Quadword Wide (256 bit) cache data
bus
1.3.1 Intel 系列微处理器 Pentium 4
? Hyper Pipelined Technology
? 400 MHz System Bus
? Level 1 Execution Trace Cache
? Rapid Execution Engine
? 256KB or 512KB Level 2 Advanced
Transfer Cache
? Advanced Dynamic Execution
? Enhanced Floating-Point and Multimedia
Unit
? Internet Streaming SIMD Extensions 2
1.3.1 Intel 系列微处理器
1.3.2 近年来与 Intel 竞争的微处理器
① 整数运算,6X86>AMD K5>Pentium
浮点运算,6X86<AMD K5<Pentium
K5与 X86兼容, 丢弃 INTEL产权, 操作方式与 PENTIUM不同, 结果同
② 类似 486 + 缓存, MMX技术, 速度接近 Pentium,价格最低
③ 整数运算,6x86MX >AMD K6>>Pentium MMX,6x86MX 0.25um工艺
浮点运算,AMD K6<PentiumMMX； 6x86MX,MⅡ 很差
MⅡ 技术与 PⅡ 接近
④ 1998,AMD K6-2 改进体系结构, 支持 3Dnow!指令, 优于 MMX,近于
PⅡ
1998,Winchip C6-2支持 3Dnow!指令
⑤ INTEL争夺低价位市场, 早期 celeron（ covington） 无 L2 cache,浮点等于
PⅡ, 二期 （ Mendocino） 加 128kb L2 内部缓存, 性能大大提高
INTEL Pentium ① P.MMX ③ PⅡ ④ PⅢ
INTEL Celeeron ⑤ CeleronⅡ
AMD AMD K5 AMD K6 AMD K6-2 AMD K7
Cyrix 6x86,6x86L 6x86MX,MⅡ
IDT Winchip C6 ② WinchipC6-
2
清华大学计算机系
赵雁南 温冬婵 杨泽红
前言
0.1、教学内容和目标
0.2、教学要求
0.3、教材与参考书
0.4、教学日历及其他
0.1、教学内容和目标
0.1.1 教学内容
?基础 以微计算机的基本概念为基础
?主线 以 微计算机的技术发展作为课
程的主线
?重点 以微计算机的关键技术为重点，
掌握要点和应用方法
0.1、教学内容和目标（续）
0.1.2 教学目标 —培养能力
?资料阅读能力
?分析软硬件能力
?设计接口，扩充系统能力
?使用设计与调试工具、设计与调试能
力
0.1、教学内容和目标（续）
0.1.3 学习方法 ——“问题驱动”方法
（ Question-Driven）
? 提出问题 Why? 体会事物发展的动因，培养创新思
维
? 分析问题 What? 培养分析问题的能力，抓住事物的
本质
? 如何解决 How? 学习具体的技术，积累创新的技能
和方法
? 举例,
Why？为什么选择本课程 ……
What? 本课程能学到什么内容 ……
How? 怎样学好本课程 ……
0.2、教学要求
0.2.1 注意基本能力的培养
0.2.2 理论教学与实验并重
0.2.3 关于作业
0.2.4 关于考核
0.3、教材与参考书
教材,
赵雁南、温冬婵、杨泽红, 微型计算机系统与接口,
清华大学出版社
参考书,
1,Barry B,Brey,“The Intel Microprocessors
8086/8088……Pentium Ⅱ Processors Architecture，
Programing and Interfacing”（有中译本）
2、戴梅萼、史家权,,微型计算机技术与应用 —从 16
位到 32位, 清华大学出版社
3,The 8086 Familly User’s Manual
4,Tom Shanley etc., Pentium Processor System
Architecture”
第一章 概 述
? 什么是微型计算机
? 微型计算机系统的构成和性能评价
? 微型计算机的发展概况
1.1 什么是微型计算机
? 从体积、功能和价格划分
?大型 —中型 —小型 —微型
? 从组成划分
?电子管 —晶体管 —集成电路 —LSI—VLSI
一般，把台式计算机类型的个人计算机,
结构相对简单的工业控制计算机等统称为
微型计算机
1.2 微型计算机系统的构成和性能评价
1.2.1 微型计算机系统的基本组成
微处理器、微计算机、微机系统
图 1-1 微计算机系统
1.2 微型计算机系统的构成和性能评价
1.2.1 微型计算机系统的基本组成
μC,
图 1-2 微计算机
1.2 微型计算机系统的构成和性能评价
1.2.1 微型计算机系统的基本组成
图 1-3 微处理器
μP,
1.2 微型计算机系统的构成和性能评价
1.2.1 微型计算机系统的基本组成
图 1-4 微处理器
μP,
1.2 微型计算机系统的构成和性能评价
1.2.2 微型计算机的性能描述
? 微处理器的字长和指令执行时间
? ALU的位数和数据总线的宽度为字长
? MIPS
Pentium100 150MIPS,Pentium Pro200 440MIPS
iCOMP（ intel COmparable Microprocessor
Performance）指数评测方案
Pentium100 815,Pentium200 1810
1.2 微型计算机系统的构成和性能评价
1.2.2 微型计算机的性能描述
? 内存储器容量和速度
? 处理机内存储器的最大容量和处理器的地
址线宽度有关,配置综合性能价格
? DRAM，访问时间，远低于处理器速度
? 系统总线传输速率
? 总线每秒钟能够传送的最大字节数
? 8MHz,16位 ISA 5.3MB/S; 66MHz,64位的
PCI峰值传送速率 528MB/S
1.3 微型计算机的发展概况
1.3.1 Intel 系列微处理器
1.3.1 Intel 系列微处理器
?1974年第一个通用 8位微处理器 8080诞生。
?8085将 8080的三片结构集成为一片，并优化。
?8085与其它器件接口方便且中断系统功能完
善等特点，在很长时间内被广泛地应用在计
算机控制系统当中。
?8080和 8085奠定了 80x86系列的雏形。
Intel 8080~8085
? 1978年,80x86第一代 16位微处理器。
?第一次将流水线思想引进微处理器：指令级流水。
?存储器分段管理机制引入处理器，扩大寻址能力。
?只有整数运算指令。可配套协处理器 8087,I/O处
理器 8089，具备较强大计算能力和 I/O处理能力。
?推出 8088,8位外部数据总线，兼容 丰富的 8位配套
器件,8088内部与 8086结构基本相同。
?基于 8088微处理器的 IBM PC-XT以及兼容系统。
Intel 8086
?1982年,80286诞生,16位处理器,80286在
性能上比 8086有了很大的提高。
?80286将存储器的保护管理模式引入 CPU的体
系结构，从 80286开始，处理器支持实地址模
式和虚拟保护模式。
?基于 80286的 IBM个人计算机即 IBM PC/AT。
Intel 80286
?85年，是第一个 32位微处理器，内部寄存器均为 32
位,32根地址线，最大地址空间为 4G字节。
?在处理器内部,80386增加了系统管理等专用寄存
器，集成了规范的存储管理部件，并按照速度的不
同，采用了分级的总线结构。
?80386也是第一个支持片外 Cache的 CPU。因此，基
于 386的微计算机系统，总体性能上有了很大提高。
Intel 80386
?80486将 8M字节的 Cache集成在处理器芯片内部，极
大的提高存储器访问的速度。
?486采用了取指、两级译码、执行和写回五级流水，
流水线上多数指令的执行仅需一个时钟就能完成。
?首批 486的主频从 386DX的 20MHz仅提高到了 25MHz，
指令的执行速度却提高了 3倍多，从 386的 6MIPS
（每秒百万指令流）提高到 20MIPS。
?从 80486开始，数值运算协处理器被集成在主处理
器内部。
Intel 80486
?九十年代初的 Pentium微处理器,32位，外部数据总
线宽度 64位。
?内部集成了独立的 8KB代码 Cache和 8KB数据 Cache，避
免取指和读写操作数时产生的 Cache访问冲突。
?Pentium采用了超标量流水线和指令分支预测技术，
集成了高性能的浮点处理单元。多数情况下，超标量
流水线每个时钟周期可以执行两条整型指令和一条浮
点处理指令。整数处理能力比 486提高 2倍，浮点处理
能力比 486提高 5~10倍。相同频率（ 100MHz）的
Pentium比 80486 iCOMP指数 提高 2倍。
Intel 80586－ Pentium
486DX4100~Pentium100
?继 Pentium之后，第六代微处理器 Pentium Pro在 2
年以后面世。 Pentium Pro处理器内部同时集成了
16KB的 L1 Cache和 256/512KB的 L2 Cache。
?并通过指令乱序执行以及重排序缓冲器进一步提高
指令级的并行性。
?Pentium Pro的首批 CPU频率就达到 200MHz，性能为
440MIPS。
Intel 80686－ Pentium Pro
?1997年,Pentium II处理器诞生,PII内部 L1级指
令 Cache和数据 Cache分别增加到 16MB，内部 L2级
Cache仍为 256/512KB。
?在超标量流水线结构中增强了 MMX指令的处理能力。
?从 PII开始采用了双独立总线结构，一条用于连接
处理器内核和 L2 Cache，一条连接系统总线，处理
器可以在 2条总线上同时传送数据。
Pentium II
?Pentium III在 PII的基础上进一步提高了性能，它
的集成度达到 820万晶体管，第一批 CPU的主频为
500MHz，运行速度为 1000MIPS。 P III的最高频率
为 1.40GHz。
?PIII具有 256bit宽的 Cache数据总线，它增加了 128
位的 SIMD（单指令多数据）寄存器，用于 Internet
流式 SIMD 扩展。 P III还增强了动态执行的微结
构。
Pentium III
?P4采用了混合流水线技术和快速执行引擎，增强的
浮点和多媒体单元。
?P4的 L1级 Cache增加了 12K的执行跟踪 Cache,系统
总线达到 400 MHz。
?P4的主频达到 2200MHz，指令执行速度高达
3000MIPS。
Pentium 4
Pentium 4
Pentium 4 EE (Extreme Expensive）
?90纳米工艺
?3.74GHz （ 3.46）
?1066MHz前端数据总线
?支持 64位计算
?集成度 1.69亿个晶体管
?2MB L2 Cache
?“execute bit disable”安全技术
Pentium 4 Extreme Expensive
? Extreme 多核结构
1.3.1 Intel 系列微处理器 Pentium Ⅲ
? Available at 1.13,1.26 and 1.40GHz
? 512KB Advanced Transfer Cache (L2) with
Error Correcting Code (ECC))
? Integrated high performance 16KB
instruction and 16KB data level one cache
? Dual Independent Bus (DIB) architecture
Separate dedicated external System Bus，
dedicated internal high-speed cache bus
? Internet Streaming SIMD Extensions
? Dynamic execution micro architecture
? Quad Quadword Wide (256 bit) cache data
bus
1.3.1 Intel 系列微处理器 Pentium 4
? Hyper Pipelined Technology
? 400 MHz System Bus
? Level 1 Execution Trace Cache
? Rapid Execution Engine
? 256KB or 512KB Level 2 Advanced
Transfer Cache
? Advanced Dynamic Execution
? Enhanced Floating-Point and Multimedia
Unit
? Internet Streaming SIMD Extensions 2
1.3.1 Intel 系列微处理器
1.3.2 近年来与 Intel 竞争的微处理器
① 整数运算,6X86>AMD K5>Pentium
浮点运算,6X86<AMD K5<Pentium
K5与 X86兼容, 丢弃 INTEL产权, 操作方式与 PENTIUM不同, 结果同
② 类似 486 + 缓存, MMX技术, 速度接近 Pentium,价格最低
③ 整数运算,6x86MX >AMD K6>>Pentium MMX,6x86MX 0.25um工艺
浮点运算,AMD K6<PentiumMMX； 6x86MX,MⅡ 很差
MⅡ 技术与 PⅡ 接近
④ 1998,AMD K6-2 改进体系结构, 支持 3Dnow!指令, 优于 MMX,近于
PⅡ
1998,Winchip C6-2支持 3Dnow!指令
⑤ INTEL争夺低价位市场, 早期 celeron（ covington） 无 L2 cache,浮点等于
PⅡ, 二期 （ Mendocino） 加 128kb L2 内部缓存, 性能大大提高
INTEL Pentium ① P.MMX ③ PⅡ ④ PⅢ
INTEL Celeeron ⑤ CeleronⅡ
AMD AMD K5 AMD K6 AMD K6-2 AMD K7
Cyrix 6x86,6x86L 6x86MX,MⅡ
IDT Winchip C6 ② WinchipC6-
2
