微处理器
精品课件-- Intel系列微处理器
2.指令流水线和存储器的分段模式 (1) 指令流水线
由于EU和BIU两个独立的功能部件可以并行工作，改变了以前8位微处理 器执行程序时的串行工作方式，使得取指令操作码和分析、执行操作重叠进 行，从而形成了两级指令流水线结构，提高了微处理器的运行速度。如图。
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(2)存储器的分段模式 8086/8088引入了“分段”的概念。即把1MB的物理存储空间分成若干个逻
图2-5 80486的流水线工作示意图
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2.内部寄存器组 80486的寄存器按功能可分为四类：基本寄存器、系统级寄存器、调
试和测试寄存器、浮点寄存器。 (1)基本寄存器
图2-6 基本寄存器
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(2)系统级寄存器 系统级寄存器包括4个控制寄存器和4个系统地址寄存器。
1）控制寄存器 80486有4个32位的控制寄存器(CR0、CR1、CR2和CR3)，它们的作用是保存全局
物理地址=段基址×l6＋段内偏移地址
BIU中的4个16位的段寄存器CS、SS、 DS和ES分别存放着4个当前段(代码段,堆 栈段,数据段,附加段)的段基址。
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2.1.2 80286微处理器 80286是继8086之后推出的一种增强型标准16位微处理器。与8086/8088
相比，它在结构上有很大改进，性能上有明显提高。主要表现在： (1) 内部由执行单元EU（Execution Unit）、总线单元BU（Bus Unit）、
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2.2.2 80486微处理器的内部结构 1.内部结构
图2-4 80486微处理器的内部结构示意图
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由图2-4可见,80486微处理器的内部结构主要由8个逻辑单元组成：总 线接口单元、指令预取单元、指令译码单元、指令执行单元、段管理单 元、页管理单元、高速缓冲存储器单元和浮点运算单元。
微处理器原理与应用
流水线技术
流水线技术是一种将处理器划分为多个阶段，每个阶段执行处理器操作的一部分，从而实现并行处理的技术。通过流水线技 术，处理器可以在一个时钟周期内完成多个操作，提高了处理器的吞吐量。
计算机系统
计算机系统是微处理器应用的另一个重要领域，包括个人计算机、服务器、工作 站等。微处理器作为计算机系统的核心，负责执行指令、处理数据和控制外设等 任务。
计算机系统中的微处理器需要具备高性能、低功耗、可扩展性和可靠性等特点， 以满足不同应用场景的需求。
通信与网络
通信与网络是微处理器应用的又一重要领域，涉及到移动通 信、卫星通信、光纤通信、互联网等领域。微处理器在网络 设备中扮演着重要的角色，负责数据处理、路由控制和网络 安全等功能。
对未来微处理器的展望
1
随着人工智能、物联网等技术的快速发展，未来 微处理器的需求将进一步增加，性能要求也将更 高。
2
未来微处理器将更加注重能效比的提升，以适应 绿色环保的发展需求，同时不断缩小制程工艺尺 寸，提高集成度。
3
未来微处理器将更加智能化和个性化，具备更强 大的数据处理和学习能力，能够更好地满足人们 多样化的需求。
VS
人工智能与机器学习中的微处理器需 要具备高性能计算能力、低功耗、可 扩展性和灵活性等特点，以满足不断 变化的应用需求。
04 微处理器的性能优化
指令级并行处理
指令级并行处理是一种通过同时执行 多个指令来提高处理器性能的技术。 它利用了程序中的指令依赖性，将相 互独立的指令并行执行，从而加快了 程序的执行速度。
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微处理器的发展历史
微处理器的发展历史- 第一代微处理器诞生于1971年。
Intel公司推出了第一款被称为Intel 4004的微处理器。
它是一款4位的微处理器，主要用于计算器和其他嵌入式系统。
- 在1974年，Intel公司推出了一款8位的微处理器，称为Intel 8080。
它是第一款被广泛采用的微处理器，并被用于许多个人计算机系统。
- 接着在1978年，Intel公司推出了Intel 8086处理器。
这款处理器采用了新的x86架构，并成为后来IBM个人电脑的标准架构。
该架构至今仍在广泛使用。
- 在1981年，Intel公司推出了第一款16位的微处理器，称为Intel 。
这款处理器在性能和功能方面有了显著改进，并成为第一个使用现代操作系统的个人电脑的主要处理器。
- 在1985年，Intel公司推出了Intel 386处理器，它是第一款32位的微处理器。
这款处理器在性能上有了大幅度提升，为之后的个人电脑提供了更高的计算能力。
- 在1993年，Intel公司推出了Intel Pentium处理器。
这款处理器在多任务处理和图形处理性能上有了显著提升，成为当时最受欢迎的个人电脑处理器之一。
- 随着技术的不断进步，微处理器的速度和性能不断提升。
不同的公司推出了各种新的微处理器，如AMD的Athlon系列和英特尔的Core系列。
- 最近几年，随着人工智能和物联网的发展，对微处理器的需求不断增加。
微处理器正在朝着更高的能效和更强的计算能力发展。
以上是微处理器发展的一些重要里程碑，它们为计算机技术的不断进步做出了重要贡献。
随着时间的推移，我们可以期待微处理器的发展继续带来更多的创新和突破。
微处理器概述
第一章冯诺依曼体系结构：计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成。
微处理器：mp包括运算器和控制器，集成到一个芯片上是cpu, control processing unit。
运算器负责对信息进行处理和运算。
控制器负责根据程序的要求发出各种控制命令，协调各部件之间的工作。
存储器：用来存放当前正字啊使用的或经常使用的程序、数据和运算结果。
分为ram（随机存储器）和rom（制度存储器）微型计算机的主要性能：字长：计算机内部一次可以处理的二进制的位数；存储容量：衡量微型计算机中存储能力的指标；运算速度：每秒能执行的质量条数；外设扩展能力：软件配置：系统稳定性和兼容性：常见CPU的位数：4位：4004,8位：8008,808016位：8086、8088，8028632位：英特尔386，英特尔486，英特尔奔腾，英特尔高能奔腾，英特尔奔腾二，奔腾二至强，奔腾三，奔腾三至强，奔腾四64位：至强，安腾，安腾二，奔腾M，奔腾D，Core 2 Duo原码、反码、补码原码就是将一个数转化为二进制数，最高位是符号位（负为1，正为0），机器内表示一个数存储原码的长度和机器字长一样，数值转化后不够机器字长的，以0补齐。
反码就是原码在符号位不变的前提下按位取反。
补码就是反码加一。
计算机常用编码BCD码：计算机常用的是8421BCD码。
ASCII码：美国信息交换标准码。
汉字编码：信息交换用汉字编码。
包括输入编码、内码、字形编码，分别用于汉字的输入、内部处理、输出。
汉字的输入编码一般有数字编码、拼音码、字形编码三类。
汉字的内码是用于汉字信息的存储、交换、检索等操作的机内代码。
汉字字形编码是用来描述汉字字形的代码，是汉字的输出形式。
微处理器
微处理器(CPU)微处理器的英文缩写是CPU，即中央处理单元，是计算机的核心，计算机完成的每一件工作，都是在它的指挥和干预下完成的。
计算机配置的CPU的型号实际上代表着计算机的的基本性能水平。
目前市场上流行的主要是多功能奔腾级以上的芯片。
MMX芯片MMX是英文MultiMedia eXtension（多媒体扩展）的缩写。
英特尔在1996年3月份正式公布了MMX技术的细节后，于1997年1月正式向全球推出基于MMX 技术的 166MHz和200MHz的Pentium芯片，1997年3月份推出基于MMX技术的233MHz的Pentium Pro芯片。
MMX技术是英特尔公司针对X86微处理器体系结构的一次重大扩充，使计算机同多媒体相关任务的综合处理能力提高了1.5～2倍，它不仅是英特尔自 i386面世以来对英特尔CPU体系结构的一次显著改进，同时也是英特尔对多媒体数据处理等专用芯片及功能板卡的一次强力挑战。
从芯片设计的角度来看，新技术MMX有以下一些要点：单指令多数据技术英特尔为MMX技术设计了一组基本的、通用的整型指令集，以满足各种多媒体和通讯应用的需要。
其中最基本的是单指令多数据（即SIMD）技术。
该技术允许利用任何新增加的单个指令处理多组数据。
借用寄存器将CPU中8个浮点运算单元（FPU）重新命名为8个MMX寄存器，因而在物理上不需要增加新的寄存器。
这样，现有的操作系统和应用软件无需作任何修改即可运行于具有MMX的CPU上，保证了向下兼容。
增加新指令增加了57个MMX指令。
这些指令都具有一些各自的独特功能。
例如分支指令能够利用掩码和位比较在多个操作数中执行逻辑操作，从而达到没有延时的分支效果等等。
采用新的数据类型新的数据类型包括压缩型字节、压缩型字、压缩型双字和压缩型四字，他们都是压缩的定点整数类型，可以将多个整型机器字压缩到8个64位的MMX寄存器中。
将64位数据置于单个寄存器中，使MMX CPU可以同时处理8个字节的数据，这有利于加速计算密集型的循环运算。
微处理器
微处理器已经无处不在，无论是录像机、智能洗衣机、移动**等家电产品，还是汽车引擎控制，以及数控机 床、导弹精确制导等都要嵌入各类不同的微处理器。微处理器不仅是微型计算机的核心部件，也是各种数字化智 能设备的关键部件。国际上的超高速巨型计算机、大型计算机等高端计算系统也都采用大量的通用高性能微处理 器建造。
微处理器
计算机的运算核心和控制核心
01 综述
03 的分类
目录
02 内部结构 04 发展历程
05 组成
07 其他发展
目录
06 AMDCPU 08 中国研发
微处理器是由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的 功能。
微处理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控 制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。
第三阶段（1978—1984年）即16位微处理器。1978年，Intel公司率先推出16位微处理器8086，同时，为了 方便原来的8位机用户，Intel公司又提出了一种准16位微处理器8088。
8086微处理器最高主频速度为8MHz，具有16位数据通道，内存寻址能力为1MB。同时英特尔还生产出与之相 配合的数学协处理器i8087,这两种芯片使用相互兼容的指令集，但i8087指令集中增加了一些专门用于对数、指 数和三角函数等数学计算的指令。人们将这些指令集统一称之为 x86指令集。虽然以后英特尔又陆续生产出第二 代、பைடு நூலகம்三代等更先进和更快的新型CPU，但都仍然兼容原来的x86指令，而且英特尔在后续CPU的命名上沿用了原 先的x86序列，直到后来因商标注册问题，才放弃了继续用阿拉伯数字命名。
微处理器结构及其特点
总线
总结词
总线是微处理器中各个部件之间传输数据和指令的通道。
详细描述
总线可以分为数据总线、地址总线和控制总线。数据总线用于传输数据，地址总线用于传输地址信息 ，控制总线用于传输控制信号。总线的宽度和速度对微处理器的性能有很大影响，总线宽度越大，传 输速度越快，微处理器的性能就越高。
03
微处理器的指令系统
详细描述
控制器负责读取指令并解码，然后根据指令的要求向各个部 件发送控制信号，协调各个部件的工作。控制器还负责产生 各种时序信号，确保指令的正确执行。控制器的设计直接决 定了微处理器的执行效率和速度。
存储器
总结词
存储器是微处理器中用于存储数据和指令的部件。
详细描述
存储器可以分为内部存储器和外部存储器。内部存储器通常指的是寄存器和高速缓存，用于存储正在处理的指令 和数据。外部存储器指的是硬盘、闪存等，用于长期存储大量的数据和程序。存储器的容量和速度对微处理器的 性能有很大影响。
指令集
指令集是微处理器所能执行的指令集合，包括算术运算、 逻辑运算、控制转移等指令。指令集越丰富，微处理器的 功能越强大。
功耗
功耗是指微处理器在工作时所消耗的电能。低功耗的微处 理器能够在电池供电的情况下运行更长时间。
影响微处理器性能的因素
制造工艺
制造工艺决定了微处理器的制程技术，先进的制程技术能 够减小晶体管的尺寸，提高集成度，从而提高微处理器的 性能。
指令系统的定义与功能
指令系统的定义
指令系统是微处理器所能执行的所有 指令的集合，包括各种算术运算、逻 辑运算、数据传送、输入/输出等操 作。
指令系统的功能
指令系统决定了微处理器的功能和性 能，通过指令系统，微处理器可以实 现各种计算和控制任务。
微处理器概述
每段最大64KB。 4．存储器中保留两个固定的区域，一个是初始化程序区FFFFFH—
FFFF0H，另一个为中断向量表003FFH—00000H。 5．4特权级，在实地址方式下，程序在最高级0级上执行，指令集
除少数指令外，绝大多数指令在实地址方式下都有效。
2022年3月14日星期一1.5 Intel处理器的命源自方法Pentium 处理器号
处理器号如3XX（赛扬系列处理器）、5XX （Pentium 4系列）和7XX（Pentium M系列）等。
处理器号描述了处理器的体系架构、高速缓存、主 频、前端总线以及其它技术。处理器号用于区分某 一处理器家族内部的相关总体特性。
时钟频率
3.80 GHz 3.60 GHz 3.60 GHz 3.40 GHz 3.40 GHz 3.20 GHz 3.20 GHz
3 GHz 3 GHz 3.40 GHz 3.20 GHz 3 GHz 2.80 GHz
前端总线 频率
800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz 800 MHz
Cure 2 Duo Xnmmm
X:热功耗E(≥50W);T(25-49W)L(15-24)U(≤14) n:处理器类型(奇数为移动机,偶数为台式机用) mmm:产品型号 如Intel Core 2 Duo E6600;Core 2 Duo T7600
Pentium4系列
处理器号
670 661 660 651 650 641 640 631 630 551 541 531 521
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数据能力的一个重要指标。
（5）高速缓存：高速缓存（Cache）也是影响微处理器性能的一个重要因素， 在微处理器中内置高速缓存可以提高微处理器的运行效率。Cache的存取速度 与微处理器的主频相匹配。
例如： Intel 8086CPU：16位微处理器 采用HMOS工艺制造的 16根DB（字长为16） 20根AB(可寻址的地址空间达220即1M字节)。 单一 5V 电源 单相时钟， 时钟频率为5MHz 能与其他处理器组成多处理器系统。 Intel 8088CPU：准16位微处理器：内部寄存器、内 部运算部件以及内部操作都是按16位设计的，但对外的 数据总线只有8条。
15
0
有效地址EA
15
段寄存器
0 0 0000
例：（CS）=2000H， （IP）=2344H 则PA=(CS)左移4位+(IP) =20000H+2344H =22344H
实际地址PA
19
0
注意：“左移4位”中这 个位是指二进制位，而非十 六进制位。左移 4 位二进制 数相当于左移 1 位十六进制 数。
8086的工作模式
• 最大模式：有多个微处理器 • 小模式：仅有8086一个微处理器
8086CPU引脚及功能
• 40根引脚 分时复用 • 1。AD0~AD15：T1—A（三态输出）； T2~T4—D（三态双向） • 2。A16/S3~A19/S6：T1—A； T2~T4—状态 • 3。VCC，GND，GND • 4。控制总线：17根
(4)在执行转移、调用和返回指令时，指令队列中
的原有内容被自动清除。
二、指令的流水线
指令的一般执行过程：
取指令 指令译码 （前2步合称为取指） 读取操作数 执行指令 存放结果 （最后3步统称指令执行）
串行工作方式：
• 8088以前的CPU采用串行工作方式：
CPU BUS
取指令 1 执行 1
存结果 1 取指令 2 取操 作数2 执行 2
第三章 微处理器及其结构
• • • • 熟练掌握8086的编程结构 熟练掌握8086的最小工作模式及引脚功能 熟练掌握8086的存储器和I/O组织 了解8086的操作和时序
微处理器的主要性能指标
（1）字长：是微处理器在交换、加工、存储信息时，其信息位的最基本的长
度，与数据总线的根数、内部寄存器和运算器的位数相同。字长应该是字节的 整数倍。
默认段和偏移寄存器
• 8086规定了访问存储器段的规则：
– 此规则定义了段地址寄存器和偏移地址寄存器 的组合方式，其默认规则如下表： 段地址 默认偏移地址 用于访问
·· ·· ·· ·· ·· ··
CPU BIU
总线BUS
t t
忙
忙
忙
忙
忙
·· ·· ·· t
并行工作方式
8088的指令执行过程
三、8086的内部寄存器
• 含14个16位寄存器，按功能可分为三类 8个通用寄存器（通用Regs） 4个段寄存器 （Seg Regs） 专用Regs 2个控制寄存器（Con Regs）
（2）主频、外频、倍频：主频是微处理器的时钟频率，它决定了微处理器的
处理速度；外频是指系统总线的工作频率，即主板的工作频率，它可以衡量微 型计算机外设的工作速度；而倍频则是指微处理器外频与主频相差的倍数。三 者的关系为：主频＝外频×倍频。 （3）地址总线的宽度：决定微处理器可以直接访问的存储器物理空间，对于 8086微处理器，地址总线的宽度为20位，最多可以直接访问1MB的物理空间。 （4）主存容量：指主存储器中RAM和ROM的容量总和，是衡量微型计算机处理
第一节 8086/8088微处理器的内部结构
• 执行部件EU的作用：负责 执行指令、形成有效地址EA。 EU 包括4部分： • 运算器用于算术逻辑运算和 形成有效地址 • 标志寄存器用来存放反映 ALU运算结果的状态和一些控 制标志。 • 通用寄存器包括AX，BX， CX，DX，SI，DI，BP，SP • 控制单元用于译码，形成控 制信号。
S3、S4表示用何段寄存器
S4S3 0 0 0 1 1 0 1 1
段寄存器 ES SS CS（I/O、INT） DS
S5=IF，S6=0
VCC MN/MX RD 时钟发 生器
CLK
WR
地 BHE 址 锁 存 器 数 据 收 发 器
READY M/IO
RESET ALE TEST BHE
A16~A19
8088为准16位CPU，内部DB为16位，但外部仅 为8位，16位数据要分两次传送
第三节
一、数据的存储格式
存储器组织
在存储器里以字节为单位存储信息。为 了正确地存储信息，每1个字节单元被赋予一 个地址，即存储单元地址。 一个存储单元中存放的信息称为该存储单 元的内容。如图表示，在0002H地址单元存储 的信息为34H，即0002H单元的内容为34H，表 示为： [0002H]＝34H或（0002H）＝34H。 若存放的数据为一个字，则要占用连续两个存储单元。存放时字的低 字节存放在低地址单元中，高字节存放在高地址单元中，并以低地址作为 该字的地址。从偶地址开始存放的字，称为规则字或对准字，从奇地址开 始存放的字，称为非规则字或非对准字。 如图3-13中，0002H“字”单元的内容为[0002H]＝1234H。 因此，同一个地址既可以看作字节单元的地址，也可以看作字单元的 地址，这要根据具体情况来确定。
AD0~AD15
HLDA . HOLD . 8086 INTA . INTR DEN NMI DT/R
存储器
I/O芯片
最小模式
最大模式
8088与8086的区别:
指令预取队列：8088为4字节，8086为6字节 数据总线引脚：8088有8根，8086有16根 控制线引脚： 8088为IO//M，而8086为M//IO 8088 为SS0，而8086 的/BHE 。
8088系统中存储器与总线连接
三、存储器分段
在8086系统中，可寻址的存储空 间达1MB。要对整个存储器空间寻址， 则需要20位的地址码，而8086系统内 所有的寄存器都只有16位，只能寻址 64KB（216B）。因此把整个存储中间 分成许多逻辑段，每个逻辑段容量最 多为64KB。8086微处理器允许它们在 整个存储空间中浮动，各个逻辑段之 间可以紧密相连，也可以相互重叠， 还可以分开一段距离，如图3-17所示。
标志寄存器中的标志位在计算机中的表示符号
标志
OF DF IF SF ZF AF PF CF
为1的符号
OV DN EI NG ZR AC PE CY
为0的符号 NV UP DI PL NZ NA PO NC
段寄存器
• 存储器分段原因：16位地址寄存器与20位地址总线之间 的矛盾。 • 段的起始地址特征：实际地址的低4位（二进制）为零。 实际地址的高16位称为段基址。段内偏移地址（有效地 址）。段基址*16=段起始地址。 • 段的最大长度：64K。（与16位寄存器相对应） • 段的分类：分四大功能段：数据段、代码段、堆栈段和附 加段。段寄存器存放当前段的段基址。 CS：代码段寄存器，代码段用于存放指令代码 DS：数据段寄存器 ES：附加段寄存器 数据段和附加段用来存放操作数 SS：堆栈段寄存器 堆栈段用于存放返回地址，保存寄存器内容，传递参数
二、8086存储器的分体结构
1. 分体结构概念 两个存储体：偶地址存储体+奇地址存储体，各为 512KByte，共1M Byte.
A1~A19 A0 BHE
SEL A0~A18
高位（奇数）库 512K*8
SEL A0~A18 低位（偶数）库 512K*8 D0~D7
D0~D7
D8~D15 D0~D7
OF DF IF TF SF ZF
D0
AF PF CF
方 向 标 志
单 步 中 断
符 零 号 标 标 志 志
1-结果为0 0-结果不为0
溢 出 标 志
中 断 允 许
半 进 借 位 标 志
奇 偶 标 志
进 借 位 标 志
1-有进、借位 0-无进、借位
1-低4位向高4位有进、借位 0-低4位向高4位无进、借位
• [例]：已知(CS)=1055H，(DS)=250AH，
(ES)=2EF0H，(SS)=8FF0H， 数据段有一操作数，其偏移地址=0204H， 1)画出各段在内存中的分布 2)指出各段首地址 3)该操作数的物理地址=？ 10550H
代码
解： 各段分布及段首址见右图所示。 操作数的物理地址为： 250AH×10H+0204H = 252A4H 这个例子说明：段与段可以不连续 段之间可以重叠
250A0H
2EF00H
数据
扩展
8FF00H
堆 栈
四、存储器地址
（1）物理地址(Physical Address，简称PA)：为无符号的20位二 进制数，是存储单元的实际地址，是唯一代表存储空间每个字节单 元的地址。当CPU与某个存储单元交换信息时，必须给出该单元的 物理地址，才能进行存取操作。 （2）段的起始地址：为无符号的20位二进制数，是各类段的第一 个存储单元的物理地址。段的起始地址要求能被16整除，即20位物 理地址的低4位为“0”。 （3）段基址(Segment Address)：为无符号的16位二进制数，是段 的起始地址的高16位，当前段的段基址存放在段寄存器中。 （4）偏移地址(Offset Address)：为无符号的16位二进制数，是 要寻址的内存单元距本段段的起始地址的偏移量。在编程中常被称 做“有效地址EA(Effective Address)”。 （5）逻辑地址(Logic Address)：为无符号的16位二进制数，是在 程序中使用的地址，由段基址和偏移地址两部分组成。表示形式为 “段基址：偏移地址”。