微机原理与接口技术-龚尚福-第二版-第2章-ppt课件.ppt
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1、第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第1页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日第2章 微处理器结构2.1 微处理器的发展历史微处理器的发展历史 2.2 微处理器的功能结构微处理器的功能结构习题习题2 第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第2页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日2.1 微处理器的发展历史微处理器的发展历史2.1.1 微处理器的发展微处理器的发展 由于集成电路工艺和计算机技术的发展,由于集成电路工艺和计算机技术的发展,20世纪世纪60年代末年代末和和70年代初,袖珍计算机得到了普遍的应用。为了研制灵活的年代初,袖珍计算机得到
2、了普遍的应用。为了研制灵活的计算机芯片,计算机芯片,1971年年10月,美国月,美国Intel公司首先推出公司首先推出Intel4004微微处理器。处理器。这是实现这是实现4位并行运算的单片处理器,构成运算器和控位并行运算的单片处理器,构成运算器和控制器的所有元件都集成在一片大规模集成电路芯片上,是第一制器的所有元件都集成在一片大规模集成电路芯片上,是第一片微处理器。片微处理器。从从1971年第一片微处理器推出至今年第一片微处理器推出至今30多年的时间里,微处多年的时间里,微处理器经历了理器经历了五代五代的发展。的发展。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第3页共页共79页页201
3、1年年9月月18日星期日日星期日 第一代,第一代,1971年年开始,是开始,是4位微处理器位微处理器和和低档低档8 8位微处理器位微处理器的的时期。典型产品有:时期。典型产品有:1971年年10月,月,Intel4004(4位微处理器位微处理器);1972年年3月,月,Intel8008(8位微处理器位微处理器),集成度为,集成度为2000管管/片,采片,采用用PMOS工艺,工艺,10m光刻技术。光刻技术。第二代第二代,1973年年开始,是开始,是8 8位微处理器位微处理器的时期。典型产品有:的时期。典型产品有:1973年,年,Intel8080(8位微处理器位微处理器);1974年年3月,月
4、,Motorola的的MC6800;19751976年,年,Zilog公司的公司的Z80;1976年,年,Intel8085。其中其中Intel8080的集成度为的集成度为5400管管/片,采用片,采用NMOS工艺,工艺,6m光光刻技术。刻技术。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第4页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 第三代第三代,1978年开始,是年开始,是16位微处理器位微处理器的时期。典型产品的时期。典型产品有:有:1978年,年,Intel8086;1979年,年,Zilog公司的公司的Z8000;1979年,年,Motorola的的MC68000,集
5、成度为集成度为68000管管/片,采用片,采用HMOS工艺,工艺,3m光刻技术。光刻技术。第四代第四代,1981年开始,是年开始,是32位微处理器位微处理器的时期。典型产品的时期。典型产品有:有:1983年,年,Zilog公司的公司的Z80000;1984年,年,Motorola的的MC68020,集成度为集成度为17万管万管/片,采用片,采用CHMOS工艺,工艺,2m光刻光刻技术;技术;1985年,年,Intel80386,集成度为集成度为27.5万管万管/片,采用片,采用CHMOS工艺,工艺,1.2m光刻技术。光刻技术。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第5页共页共79页页2
6、011年年9月月18日星期日日星期日 自自Intel80386芯片推出以来,又出现了许多高性能的芯片推出以来,又出现了许多高性能的32位位及及64位微处理器,如位微处理器,如Motorola的的MC68030 、MC68040,AMD公司的公司的K6-2、K6-3、K7以及以及Intel的的80486等。等。第五代:第五代:1993年年3月被称为月被称为Pentium的微处理器面市,的微处理器面市,1996年,年,一种具有双一种具有双CPU,可进行并行处理的,可进行并行处理的PentiumPro问世、问世、1998年年Pentium被推向市场、后继被推向市场、后继Pentium、Pentium
7、4面市。面市。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第6页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第7页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日4G16M1M64K第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第8页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日64G2001年,年,HP与与Intel携手研发的携手研发的安腾安腾(ItaniumItanium)处处理器理器 问世,问世,64位位2007英特尔英特尔安腾安腾2处理器处理器,专为世界上最复杂的高端计专为世界上最复杂的高端计算平台而设计。算平台而
8、设计。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第9页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 2 2微处理器的发展趋势微处理器的发展趋势 目前微型计算机基本上是沿着两个方向发展:目前微型计算机基本上是沿着两个方向发展:一是生产性能更好的单片机及一是生产性能更好的单片机及4位、位、8位微型计算机,位微型计算机,主要是面向要求低成本的家电、传统工业改造及普及教育主要是面向要求低成本的家电、传统工业改造及普及教育等,其特点是等,其特点是专用化、多功能、可靠性好专用化、多功能、可靠性好;二是发展二是发展16位、位、32位、位、64位微型计算机,面向更加复位微型计算机,面向更加复杂的
9、数据处理、杂的数据处理、OA、DA科学计算等,其特点是大量采用科学计算等,其特点是大量采用最新技术成果,在最新技术成果,在IC技术、体系结构等方面,技术、体系结构等方面,向高性能、向高性能、多功能的方向发展多功能的方向发展。下面主要介绍一下高档微处理器技术。下面主要介绍一下高档微处理器技术发展的一些趋势。发展的一些趋势。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第10页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日早期的早期的4位或位或8位微处理器中,位微处理器中,CPU和总线是和总线是串行串行工作的工作的这种模式总线利用率低,命令执行速度慢这种模式总线利用率低,命令执行速度慢第第
10、2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第11页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 1)1)多级流水线结构多级流水线结构 在一般的微处理器中,在一个总线周期在一般的微处理器中,在一个总线周期(或一个机器或一个机器周期周期)未执行完以前,地址总线上的地址是不能更新的。未执行完以前,地址总线上的地址是不能更新的。在流水线结构情况下,如在流水线结构情况下,如8086以上的总线周期中,当前一以上的总线周期中,当前一个指令周期正执行命令时,下一条指令的地址已被送到地个指令周期正执行命令时,下一条指令的地址已被送到地址线,这样从宏观来看两条指令执行在时间上是重叠的。址线,这样从宏观来
11、看两条指令执行在时间上是重叠的。这种流水线结构可大大提高微处理器的处理速度。这种流水线结构可大大提高微处理器的处理速度。8086两级流水两级流水第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第12页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日80468五级流水五级流水第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第13页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 2)2)芯片上存储管理技术芯片上存储管理技术 该技术是把存储器管理部件与微处理器集成在一该技术是把存储器管理部件与微处理器集成在一个芯片上。目前把个芯片上。目前把数据高速缓存、指令高速缓存数据高速缓存、指令高速缓
12、存与与MMU(存储器管理单元存储器管理单元)结合在一起结合在一起的趋势已十分明显,的趋势已十分明显,这样可以这样可以减少减少CPU的访问时间,减轻总线的负担的访问时间,减轻总线的负担。例。例如,摩托罗拉的如,摩托罗拉的MC68030将将256个字节的指令高速缓存、个字节的指令高速缓存、256个字节的数据高速缓存与个字节的数据高速缓存与MMU做在一起构成做在一起构成CacheMemoryUnit。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第14页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 3)虚拟存储管理技术虚拟存储管理技术 该技术已成为当前微处理器存储器管理中的一个重要该技术已
13、成为当前微处理器存储器管理中的一个重要技术,它技术,它允许用户将外存看成是主存储器的扩充,即模拟允许用户将外存看成是主存储器的扩充,即模拟一个比实际主存储器大得多的存储系统一个比实际主存储器大得多的存储系统,而且它的操作过,而且它的操作过程是完全透明的。程是完全透明的。4)并行处理的哈佛并行处理的哈佛(HarVard)结构结构 为了克服为了克服MPU数据总线宽度的限制,尤其是在单处理数据总线宽度的限制,尤其是在单处理器情况下,进一步提高微处理器的处理速度,采用高度并器情况下,进一步提高微处理器的处理速度,采用高度并行处理技术行处理技术HarVard结构结构己成为引人注目的趋势。己成为引人注目的
14、趋势。哈佛结构的基本特性是:采用多个内部数据地址总哈佛结构的基本特性是:采用多个内部数据地址总线;将数据和指令缓存的存取分开;使线;将数据和指令缓存的存取分开;使MMU和转换后援缓和转换后援缓冲存储器冲存储器(TLB)与与CPU实现并行操作。该结构是一种非实现并行操作。该结构是一种非冯冯诺依曼结构诺依曼结构。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第15页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 5)RISC结构结构RISC结构就是结构就是简化指令集简化指令集的微处理器结构。其指导思的微处理器结构。其指导思想是在微处理器芯片中,将那些不常用的由硬件实现的复杂想是在微处理器芯
15、片中,将那些不常用的由硬件实现的复杂指令改由软件来实现,而硬件只支持常用的简单指令。指令改由软件来实现,而硬件只支持常用的简单指令。这种方法可以大大减少硬件的复杂程度,并显著地减少这种方法可以大大减少硬件的复杂程度,并显著地减少处理器芯片的逻辑门个数,从而提高处理器的总性能。这种处理器芯片的逻辑门个数,从而提高处理器的总性能。这种结构更适合于当前微处理器芯片新半导体材料的开发和应用。结构更适合于当前微处理器芯片新半导体材料的开发和应用。但是,这些材料与硅相比,其加工技术难于掌握,技术还不但是,这些材料与硅相比,其加工技术难于掌握,技术还不成熟,芯片的集成度还远远满足不了传统的成熟,芯片的集成度
16、还远远满足不了传统的复杂指令系统复杂指令系统计计算机算机(CISC)的要求。的要求。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第16页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日6)整片集成技术整片集成技术(WaferscaleIntegration)目前高档微处理器已基本转向目前高档微处理器已基本转向CMOSVLS工艺,集成工艺,集成度已突破千万晶体管大关。一个令人瞩目的动向是新一代度已突破千万晶体管大关。一个令人瞩目的动向是新一代的微处理器芯片已将更多的功能部件集成在一起,并做在的微处理器芯片已将更多的功能部件集成在一起,并做在一个芯片上。一个芯片上。目前在一个目前在一个MP
17、U的芯片上己实现了芯片上的的芯片上己实现了芯片上的存储管理、高速缓存、浮点协处理器部件、通信存储管理、高速缓存、浮点协处理器部件、通信I/O接口、接口、时钟定时器等时钟定时器等。同时,单芯片多处理器并行处理技术也己。同时,单芯片多处理器并行处理技术也己由不少厂家研制出来。由不少厂家研制出来。另外,从微型计算机系统角度来看,采用多机系统结另外,从微型计算机系统角度来看,采用多机系统结构、增强图形处理能力、提高网络通信性能等方面都是当构、增强图形处理能力、提高网络通信性能等方面都是当前微型计算机系统所追求的目标。前微型计算机系统所追求的目标。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第17页
18、共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日提高微处理器能力主要办法:提高微处理器能力主要办法:1 1、提高芯片的时钟频率、提高芯片的时钟频率 缺点:频率越高功耗越大,处理器和主板设计越困缺点:频率越高功耗越大,处理器和主板设计越困难,成本越高。难,成本越高。2 2、增加数据总线宽度、增加数据总线宽度 DIP封装价格昂贵,现采用封装价格昂贵,现采用PAG封装封装3 3、改变微处理器结构,使尽可能多的指令并行工作。、改变微处理器结构,使尽可能多的指令并行工作。超流水、超标量。结构复杂超流水、超标量。结构复杂第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第18页共页共79页页2011年年
19、9月月18日星期日日星期日2.1.2微处理器简介微处理器简介1、Intel8086微处理器微处理器 8086微处理器是美国微处理器是美国Intel公司公司1978年推出的一种高性能的年推出的一种高性能的16位微处理器,它采用硅栅位微处理器,它采用硅栅HMOS工艺制造,在工艺制造,在1.45cm2单个单个硅片上集成了硅片上集成了29000个晶体管。它一问世就显示出了强大的生个晶体管。它一问世就显示出了强大的生命力,以它为核心组成的微机系统,其性能已达到中、高档小命力,以它为核心组成的微机系统,其性能已达到中、高档小型计算机的水平。型计算机的水平。它具有丰富的指令系统,采用它具有丰富的指令系统,采
20、用多级中断技术、多重寻址方多级中断技术、多重寻址方式、多重数据处理形式、段式存储器结构式、多重数据处理形式、段式存储器结构和和硬件乘除法运算电硬件乘除法运算电路路,增加了,增加了预取指令的队列寄存器预取指令的队列寄存器等,使其性能大为增强。等,使其性能大为增强。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第19页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 与其他几种与其他几种16位微处理器相比,位微处理器相比,8086的内部结构规模较的内部结构规模较小,仍采用小,仍采用40引脚的双列直插式封装。引脚的双列直插式封装。8086的一个突出特点是多重处理能力,的一个突出特点是多重处理能
21、力,用用8086CPU与与8087协处理器以及协处理器以及8089I/O处理器组成的多处理器系统,可大处理器组成的多处理器系统,可大大提高其数据处理和输入大提高其数据处理和输入/输出能力。另外,与输出能力。另外,与8086配套的各配套的各种外围接口芯片非常丰富,方便用户开发各种系统种外围接口芯片非常丰富,方便用户开发各种系统。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第20页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日2、Intel80386微处理器微处理器 1985年,年,Intel公司推出了第一个公司推出了第一个32位微处理器位微处理器80386DX,它是对它是对808680
22、286微处理器的彻底改进,它的微处理器的彻底改进,它的数据总线数据总线和内存地址都是和内存地址都是32位的位的,寻址空间可达寻址空间可达4GB。1988年,年,Intel l公司推出了外部总线为公司推出了外部总线为16位的微处理器位的微处理器80386SX,寻址空间寻址空间为为16MB,含含16位数据总线位数据总线和和24位地址总线位地址总线。80386还有一些版本,如还有一些版本,如80386SL/80386SLC,寻址空间寻址空间为为16MB,含含16位数据总线和位数据总线和25位地址总线,位地址总线,80386SLC还还包含了一个内部高速缓冲存储器,以便于高速处理数据。包含了一个内部高速
23、缓冲存储器,以便于高速处理数据。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第21页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日 1995年,年,Intel公司推出了公司推出了80386EX,也叫,也叫嵌入式嵌入式PC,它在一个集成芯片上包囊了,它在一个集成芯片上包囊了AT类类PC的所有部件,的所有部件,它还有它还有24根输入根输入/输出数据线、输出数据线、26位的地址总线、位的地址总线、16位位的数据总线、一个的数据总线、一个DRAM刷新控制器,以及可编程的刷新控制器,以及可编程的芯片选择逻辑。芯片选择逻辑。80386的指令系统和早期的指令系统和早期8086、8088、80286
24、的指的指令系统是令系统是向下兼容向下兼容的,附加的指令涉及到的,附加的指令涉及到32位的寄存位的寄存器,还可以管理内存系统器,还可以管理内存系统。第第2章章 微处理器结构微处理器结构第第2章第章第22页共页共79页页2011年年9月月18日星期日日星期日3、Intel80486微处理器微处理器 80486是是Intel公司公司1989年推出的一种与年推出的一种与80386完全兼容但功完全兼容但功能更强的能更强的32位微处理器,它采用了一系列新技术来增强微处理位微处理器,它采用了一系列新技术来增强微处理功能。功能。例如,对例如,对80386核心硬件进行改进,采用核心硬件进行改进,采用RISC(精
25、简指令系精简指令系统计算机统计算机)技术技术来加快指令的执行速度;来加快指令的执行速度;增强总线接口部件增强总线接口部件,加快加快CPU从主存中存取信息的速度;把从主存中存取信息的速度;把浮点运算协处理器浮点运算协处理器部件、部件、高速缓存高速缓存及其及其控制器部件控制器部件集成到主处理器芯片内集成到主处理器芯片内加快信息的传加快信息的传送与处理性能。由于在上述功能上的各种改进,使得送与处理性能。由于在上述功能上的各种改进,使得80486微微处理器的性能要比带一个处理器的性能要比带一个80387浮点运算协处理器的浮点运算协处理器的80386DX微处理器速度提高近微处理器速度提高近4倍。倍。第第
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