第2章典型微处理器课件
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8086系统主要执行以下操作：
➢系统的复位和启动操作； ➢总线操作(包括存储器读/写操作和I/O端口读/
写操作)； ➢暂停操作； ➢中断响应总线周期操作； ➢总线保持或总线请求/允许操作。
上述操作均在时钟信号的同步下按规定时序一 步步地执行，这些执行过程构成了系统的操作时序。
13
第2章
2.4 Intel 80X86微处理器的功能结构
(3) 提供32位的指令，可支持8位、 16位、 32位 的数据类型，具有8个通用的32位寄存器，具有片 内地址转换的高速缓冲存储器Cache。
15
第2章
1. 80386的主要特点
(4) 提供32位外部总线接口，最大数据传输速率 为32Mbps。系统可同高速DRAM芯片接口，支持 动态总线宽度控制，动态切换32位/16位数据总线。
6
第2章
2.3.2 8086总线周期
计算机执行一条指令所需时间称为 指令周期 。 一个指令周期由若干总线周期组成。 总线周期是 CPU通过总线与存储器或外设进行一次数据传输所
需时间。
为保证总线的读/写操作， 8086总线周期至少要 由4个时钟周期组成，每个时钟周期称为T状态。时 钟周期是CPU的基本时间计量单位，由主频决定。 8086主频为5MHz，故一个时钟周期为200ns。
2
第2章
2.3 8086微处理器的总线周期和 工作方式
8086CPU 的操作在时钟CLK 统一控制下进行，使 取指令和传送数据能够协调地工作。
8086CPU 经总线对存储器或 I/O 端口进行一次信 息的输入或输出过程，称为总线操作，执行该操作所 需要的时间，称为总线周期。
一个总线周期包括 T1 、 T2 、 T3 、 T4 状态，即 个时钟周期。不同总线操作需要不同总线信号，对这 些信号变化进行时间顺序的描述称为“总线时序”。
使大的顺序操作分解为由不同功能部件分别完成、在 时间上重叠的子操作，这种技术称为流水线技术。
Pentium 微处理器采用超标量流水线技术，芯片 内设置多个相互独立的执行单元，使处理器在一个指 令周期内能执行多条指令。 两条超标量流水线： U流 水线和V流水线，U流水线是主要流水线，可执行全 部整数和浮点数指令， V流水线是第二流水线，只能 执行简单的整数指令和浮点数交换指令。
(4)具有机内自测试功能，可测试片上逻辑电路、 超高速缓存和片上分页转换高速缓存，调试性能包括 执行指令和存取数据时的断点设置功能。
21
第2章
2. 80486的基本结构
80486CPU的内部结构如图2-17所示，包括： ➢总线接口部件； ➢片内高速缓冲存储器Cache；
➢指令预取； ➢指令译码； ➢控制/保护； ➢整数、浮点运算；
24
第2章 在Pentium之后推出了Pentium Pro、Pentium Ⅱ 以及Pentium Ⅲ和Pentium 4 。
(1) Pentium Pro使用3路超标量结构，每个CPU 时钟周期可执行3条指令。具备16KB L1 cache ( 8KB数据， 8KB指令)和256KB/512KB L2 cache 。 首次采用双独立总线体系结构。
8
第2章
最小模式下的连接示意图
时钟发 生器
ALE
地址
8086
锁存
CPU
数据
收发
• •
地址总线 数据总线 控制总线
9
10
第2章
最大模式下的连接示意图：
时钟发 生器
ALE 地址
锁存 8086
CPU
数据 收发
总线 控制 器
地址总线 数据总线 控制总线
11
12
第2章
4 ．8086CPU系统的操作时序
➢分段和分页等功能部件。 80486 将这些部件集成在一块芯片上，既可以
减少主板空间，还可以提高CPU的执行速度。 22
教材P51：
图2-15 80486CPU内部结构
23
第 2章
2.5 Pentium系列微处理器基本结构及新 技术
2.5.1 Pentium系列微处理器典型结构 中文译名为“奔腾”，如果按X86系列来划分即为 586。其内部数据总线32位，外部数据总线64位； 芯片内集成310万只晶体管(高端产品集成330万 只)； 引脚数为296条；与80X86系列微处理器完 全兼容。 同80486相比，奔腾在性能上有很大提高，在 同频工作时，整数运算性能提高一倍，浮点运算性 能提高五倍。
➢寄存器组；
➢指令译码部件；
➢ 两 条 流 水 线 整 数 处 理 部 件 ( U流 水 线 和 V流 水 线 ) ；
➢浮点处理部件FPU等。
29
教材P53： 图2-16 Pentium微处理器内部结构 30
第2章
2.5.2 Pentium系列微处理器采用的新技术
1 ．超标量结构和超级流水线技术 为提高工作速度，采用某些功能部件分离的方法，
27
第2章
1. Pentium系列微机的主要特点
(4) 系统可工作在实地址方式、保护方式、虚拟 8086方式以及SMM系统管理方式。系统复位时自动 进入实地址方式，并可从一种方式切换到另一种方式。
(5) 将常用指令进行了固化及微代码的改进，把一 些 常 用 指 令 ( 如 MOV、 INC、 DEC、 PUSH等 ) 改 用 硬件实现，不再使用微代码操作，使指令执行速度进
3
第2章
2.3.1 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。
4
图2-11 8284A引脚特性 5
第2章
8284A时钟信号发生器工作原理
7
第2章
2.3.3 8086CPU的最小/最大工作模式
为适应各种应用场合，构成不同规模微机系统， 8086CPU规定了最小和最大工作模式。通过CPU的第33条 引脚MN/ 来控制。
(1)最小工作模式(MN/ =1)： 8086CPU的33引脚接 +5V时，系统处于最小工作模式。适用于单微处理器组成的 小系统，所有总线控制信号直接由8086CPU产生。 CPU的8 条控制引脚24－31的功能定义如表2-7所示。 ( 2 )最大工作模式( MN/ =0 )： 8086 的 33 引脚接地 时，系统为最大工作模式。此时系统中存在两个或两个以上 的微处理器，其中一个主处理器8086，其他处理器为协处 理器。
(5) 具有片内集成存储器管理部件MMU，可支持 虚拟存储和特权保护。片内具有多任务机构，能快 速完成任务切换。
(6)通过配置浮点协处理器80387实现数据高速 处理，加快了浮点运算速度。
(7 )系统能在时钟频率为 12.5 MHz 或 16 MHz 下 可靠工作，指令的执行速度可达3~4MIPS以上。
2.4.1 Intel 80386微处理器 80386是Intel公司在1985年10月推出的32 位微处理器。 ➢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； ➢采用高速缓冲器结构，大大提高了指令的执 行速度和工作效率。
14
第2章
1. 80386的主要特点
(1) 拥有32位数据总线和32位地址总线，可直接 寻址4GB (232 )物理存储空间，同时具有虚拟存储 能力，虚拟存储空间达64TB。存储器采用分段结构， 一个段最大4GB。
(2) 采用流水线和指令重叠技术、虚拟存储技术、 片内存储器管理技术、存储器管理分段分页保护技 术等，实现多用户多任务操作，功能加强。
一步提高。 此外，系统使用 部总线，系统内部还增强了 错误检测与报告功能、支持多重处理等功能。
28
第2章
2. Pentium微处理器的内部结构
Pentium内部结构如图2-16所示，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； ➢指令预取部件与转移目标缓冲器；
16
第2章
2. 80386的工作方式
(1) 实地址方式：系统启动或复位时， 80386自动 进入实地址方式工作，可访问32位寄存器组。
(2) 保护方式：存储器按段组织，每段最长4GB ， CPU可寻址4GB物理地址及64TB虚拟空间。对 64TB虚拟存储允许每个任务最多可用16K个段。
(3) 虚拟8086方式：可在实地址方式下运行8086应 用程序，利用80386的虚拟保护机构运行多用户操 作系统及程序，能实现多个用户程序同时运行，计 算机资源得到共享，非常灵活。
第2章
2.3 8086微处理器的总线周期和工作 方式
本次课主要教学内容
➢8086微处理器的总线周期和工作方式 ➢80X86微处理器的组成结构及特点 ➢Pentium系列微处理器的组成结构及特点 ➢本章小结及作业布置
1
第2章
教学要求
通过学习: ➢掌握8086微处理器的总线周期 ➢了解8086微处理器的工作方式 ➢掌握80X86微处理器的基本应用； ➢了解Pentium微处理器组成及其寄存器结构； ➢了解高档微处理器的应用特点。
(2) Pentium Ⅱ 在Pentium Pro结构的基础上增 加了对MMX (多媒体扩展技术)的支持，新增加了 57条MMX指令和4种数据类型，以增强多媒体数据 的处理能力。
25
第2章
(3) Pentium Ⅲ处理器是基于Pentium Ⅱ和 Pentium Pro结构上的第三代产品，引入了流式 SIMD扩展(SSE)技术。 SSE中包含了70条新 指令，进一步提高了图像、视频、音频和语音识
3D和多媒体等多种应用模式提供了强大功能。 26
第2章
1. Pentium系列微机的主要特点
(1) 采用超标量双流水线结构，使微处理器可在一 个时钟周期内同时执行多条指令。
(2) 采用两个彼此独立的高速缓冲存储器，将指令 高速缓存与数据高速缓存分离，各自拥有独立的 8KB高速缓存。
(3) 采用全新设计的增强型浮点运算器 (FPU)， FPU采用超级流水线技术，其浮点运算速度比 80486DX要快3－5倍。处理器内部采用分支预测 技术，大大提高流水线执行效率。
l外界准备就绪信号输入8284A，经时钟下降沿同步后，输 出READY信号作为8086的准备就绪信号； l外界复位信号输入8284A，经整形并由时钟下降沿同步后， 输出RESET信号作为8086的复位信号，其宽度不得小于4个 时钟周期； l采用脉冲发生器作为振荡源时将脉冲发生器的输出端和 8284A的EFI端相连， 13引脚接高电平； l采用石英晶体振荡器作为振荡源时将晶体振荡器连在8284A 的X1和X2两端， 13引脚接地。 l不管哪种方法， 8284A输出时钟频率CLK应是振荡源频率的 1/3，经驱动后，再由OSC端输出供系统使用。
17
第2章
3.80386的内部结构
80386CPU组成： ➢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。 其内部结构如图2-16所示。
18
教材P49：
图2-14 80386CPU的内部结构框图
19
第2章
2.4.2 Intel 80486微处理器
20
第2章
1 ．80486的主要特点
(1)在复杂指令集计算机CISC技术基础上，首次采 用精简指令集计算机RISC技术。
(2)浮点运算部件和高速缓冲存储器Cache集成在芯 片内，使运算速度和数据存取速度得到大大提高。
(3)增加了多处理器指令，增强了多重处理系统， 片上硬件确保超高速缓存一致性协议，并支持多级超 高速缓存结构。
Intel 公司在 1989 年 4 月推出了与 80386 完全兼 容但功能更强的32位微处理器80486，它是对 80386的改进和发展，是第二代32位微处理器的代 表。
➢芯片采用1mm的CHMOS工艺； ➢芯片内集成120万个晶体管； ➢时钟频率为25－66MHz； ➢内部寄存器为32位； ➢数据总线和地址总线皆为32位； ➢采用168条引线网格阵列式封装。
别等处理能力。
上述CPU属于IA (intel architecture)结 构，在目标代码一级上维持向后兼容。
(4)新一代高性能32位Pentium 4微处理器， 478条引脚，采用FC-BGA2 (第二代反转芯片针 脚栅格阵列)封装技术，新式NetBurst处理器结 构，为因特网、图形处理、数据流视频、语音、
➢系统的复位和启动操作； ➢总线操作(包括存储器读/写操作和I/O端口读/
写操作)； ➢暂停操作； ➢中断响应总线周期操作； ➢总线保持或总线请求/允许操作。
上述操作均在时钟信号的同步下按规定时序一 步步地执行，这些执行过程构成了系统的操作时序。
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第2章
2.4 Intel 80X86微处理器的功能结构
(3) 提供32位的指令，可支持8位、 16位、 32位 的数据类型，具有8个通用的32位寄存器，具有片 内地址转换的高速缓冲存储器Cache。
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第2章
1. 80386的主要特点
(4) 提供32位外部总线接口，最大数据传输速率 为32Mbps。系统可同高速DRAM芯片接口，支持 动态总线宽度控制，动态切换32位/16位数据总线。
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第2章
2.3.2 8086总线周期
计算机执行一条指令所需时间称为 指令周期 。 一个指令周期由若干总线周期组成。 总线周期是 CPU通过总线与存储器或外设进行一次数据传输所
需时间。
为保证总线的读/写操作， 8086总线周期至少要 由4个时钟周期组成，每个时钟周期称为T状态。时 钟周期是CPU的基本时间计量单位，由主频决定。 8086主频为5MHz，故一个时钟周期为200ns。
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第2章
2.3 8086微处理器的总线周期和 工作方式
8086CPU 的操作在时钟CLK 统一控制下进行，使 取指令和传送数据能够协调地工作。
8086CPU 经总线对存储器或 I/O 端口进行一次信 息的输入或输出过程，称为总线操作，执行该操作所 需要的时间，称为总线周期。
一个总线周期包括 T1 、 T2 、 T3 、 T4 状态，即 个时钟周期。不同总线操作需要不同总线信号，对这 些信号变化进行时间顺序的描述称为“总线时序”。
使大的顺序操作分解为由不同功能部件分别完成、在 时间上重叠的子操作，这种技术称为流水线技术。
Pentium 微处理器采用超标量流水线技术，芯片 内设置多个相互独立的执行单元，使处理器在一个指 令周期内能执行多条指令。 两条超标量流水线： U流 水线和V流水线，U流水线是主要流水线，可执行全 部整数和浮点数指令， V流水线是第二流水线，只能 执行简单的整数指令和浮点数交换指令。
(4)具有机内自测试功能，可测试片上逻辑电路、 超高速缓存和片上分页转换高速缓存，调试性能包括 执行指令和存取数据时的断点设置功能。
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第2章
2. 80486的基本结构
80486CPU的内部结构如图2-17所示，包括： ➢总线接口部件； ➢片内高速缓冲存储器Cache；
➢指令预取； ➢指令译码； ➢控制/保护； ➢整数、浮点运算；
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第2章 在Pentium之后推出了Pentium Pro、Pentium Ⅱ 以及Pentium Ⅲ和Pentium 4 。
(1) Pentium Pro使用3路超标量结构，每个CPU 时钟周期可执行3条指令。具备16KB L1 cache ( 8KB数据， 8KB指令)和256KB/512KB L2 cache 。 首次采用双独立总线体系结构。
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第2章
最小模式下的连接示意图
时钟发 生器
ALE
地址
8086
锁存
CPU
数据
收发
• •
地址总线 数据总线 控制总线
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第2章
最大模式下的连接示意图：
时钟发 生器
ALE 地址
锁存 8086
CPU
数据 收发
总线 控制 器
地址总线 数据总线 控制总线
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第2章
4 ．8086CPU系统的操作时序
➢分段和分页等功能部件。 80486 将这些部件集成在一块芯片上，既可以
减少主板空间，还可以提高CPU的执行速度。 22
教材P51：
图2-15 80486CPU内部结构
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第 2章
2.5 Pentium系列微处理器基本结构及新 技术
2.5.1 Pentium系列微处理器典型结构 中文译名为“奔腾”，如果按X86系列来划分即为 586。其内部数据总线32位，外部数据总线64位； 芯片内集成310万只晶体管(高端产品集成330万 只)； 引脚数为296条；与80X86系列微处理器完 全兼容。 同80486相比，奔腾在性能上有很大提高，在 同频工作时，整数运算性能提高一倍，浮点运算性 能提高五倍。
➢寄存器组；
➢指令译码部件；
➢ 两 条 流 水 线 整 数 处 理 部 件 ( U流 水 线 和 V流 水 线 ) ；
➢浮点处理部件FPU等。
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教材P53： 图2-16 Pentium微处理器内部结构 30
第2章
2.5.2 Pentium系列微处理器采用的新技术
1 ．超标量结构和超级流水线技术 为提高工作速度，采用某些功能部件分离的方法，
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第2章
1. Pentium系列微机的主要特点
(4) 系统可工作在实地址方式、保护方式、虚拟 8086方式以及SMM系统管理方式。系统复位时自动 进入实地址方式，并可从一种方式切换到另一种方式。
(5) 将常用指令进行了固化及微代码的改进，把一 些 常 用 指 令 ( 如 MOV、 INC、 DEC、 PUSH等 ) 改 用 硬件实现，不再使用微代码操作，使指令执行速度进
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第2章
2.3.1 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。
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图2-11 8284A引脚特性 5
第2章
8284A时钟信号发生器工作原理
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2.3.3 8086CPU的最小/最大工作模式
为适应各种应用场合，构成不同规模微机系统， 8086CPU规定了最小和最大工作模式。通过CPU的第33条 引脚MN/ 来控制。
(1)最小工作模式(MN/ =1)： 8086CPU的33引脚接 +5V时，系统处于最小工作模式。适用于单微处理器组成的 小系统，所有总线控制信号直接由8086CPU产生。 CPU的8 条控制引脚24－31的功能定义如表2-7所示。 ( 2 )最大工作模式( MN/ =0 )： 8086 的 33 引脚接地 时，系统为最大工作模式。此时系统中存在两个或两个以上 的微处理器，其中一个主处理器8086，其他处理器为协处 理器。
(5) 具有片内集成存储器管理部件MMU，可支持 虚拟存储和特权保护。片内具有多任务机构，能快 速完成任务切换。
(6)通过配置浮点协处理器80387实现数据高速 处理，加快了浮点运算速度。
(7 )系统能在时钟频率为 12.5 MHz 或 16 MHz 下 可靠工作，指令的执行速度可达3~4MIPS以上。
2.4.1 Intel 80386微处理器 80386是Intel公司在1985年10月推出的32 位微处理器。 ➢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； ➢采用高速缓冲器结构，大大提高了指令的执 行速度和工作效率。
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第2章
1. 80386的主要特点
(1) 拥有32位数据总线和32位地址总线，可直接 寻址4GB (232 )物理存储空间，同时具有虚拟存储 能力，虚拟存储空间达64TB。存储器采用分段结构， 一个段最大4GB。
(2) 采用流水线和指令重叠技术、虚拟存储技术、 片内存储器管理技术、存储器管理分段分页保护技 术等，实现多用户多任务操作，功能加强。
一步提高。 此外，系统使用 部总线，系统内部还增强了 错误检测与报告功能、支持多重处理等功能。
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第2章
2. Pentium微处理器的内部结构
Pentium内部结构如图2-16所示，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； ➢指令预取部件与转移目标缓冲器；
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第2章
2. 80386的工作方式
(1) 实地址方式：系统启动或复位时， 80386自动 进入实地址方式工作，可访问32位寄存器组。
(2) 保护方式：存储器按段组织，每段最长4GB ， CPU可寻址4GB物理地址及64TB虚拟空间。对 64TB虚拟存储允许每个任务最多可用16K个段。
(3) 虚拟8086方式：可在实地址方式下运行8086应 用程序，利用80386的虚拟保护机构运行多用户操 作系统及程序，能实现多个用户程序同时运行，计 算机资源得到共享，非常灵活。
第2章
2.3 8086微处理器的总线周期和工作 方式
本次课主要教学内容
➢8086微处理器的总线周期和工作方式 ➢80X86微处理器的组成结构及特点 ➢Pentium系列微处理器的组成结构及特点 ➢本章小结及作业布置
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第2章
教学要求
通过学习: ➢掌握8086微处理器的总线周期 ➢了解8086微处理器的工作方式 ➢掌握80X86微处理器的基本应用； ➢了解Pentium微处理器组成及其寄存器结构； ➢了解高档微处理器的应用特点。
(2) Pentium Ⅱ 在Pentium Pro结构的基础上增 加了对MMX (多媒体扩展技术)的支持，新增加了 57条MMX指令和4种数据类型，以增强多媒体数据 的处理能力。
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第2章
(3) Pentium Ⅲ处理器是基于Pentium Ⅱ和 Pentium Pro结构上的第三代产品，引入了流式 SIMD扩展(SSE)技术。 SSE中包含了70条新 指令，进一步提高了图像、视频、音频和语音识
3D和多媒体等多种应用模式提供了强大功能。 26
第2章
1. Pentium系列微机的主要特点
(1) 采用超标量双流水线结构，使微处理器可在一 个时钟周期内同时执行多条指令。
(2) 采用两个彼此独立的高速缓冲存储器，将指令 高速缓存与数据高速缓存分离，各自拥有独立的 8KB高速缓存。
(3) 采用全新设计的增强型浮点运算器 (FPU)， FPU采用超级流水线技术，其浮点运算速度比 80486DX要快3－5倍。处理器内部采用分支预测 技术，大大提高流水线执行效率。
l外界准备就绪信号输入8284A，经时钟下降沿同步后，输 出READY信号作为8086的准备就绪信号； l外界复位信号输入8284A，经整形并由时钟下降沿同步后， 输出RESET信号作为8086的复位信号，其宽度不得小于4个 时钟周期； l采用脉冲发生器作为振荡源时将脉冲发生器的输出端和 8284A的EFI端相连， 13引脚接高电平； l采用石英晶体振荡器作为振荡源时将晶体振荡器连在8284A 的X1和X2两端， 13引脚接地。 l不管哪种方法， 8284A输出时钟频率CLK应是振荡源频率的 1/3，经驱动后，再由OSC端输出供系统使用。
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第2章
3.80386的内部结构
80386CPU组成： ➢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。 其内部结构如图2-16所示。
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教材P49：
图2-14 80386CPU的内部结构框图
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第2章
2.4.2 Intel 80486微处理器
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第2章
1 ．80486的主要特点
(1)在复杂指令集计算机CISC技术基础上，首次采 用精简指令集计算机RISC技术。
(2)浮点运算部件和高速缓冲存储器Cache集成在芯 片内，使运算速度和数据存取速度得到大大提高。
(3)增加了多处理器指令，增强了多重处理系统， 片上硬件确保超高速缓存一致性协议，并支持多级超 高速缓存结构。
Intel 公司在 1989 年 4 月推出了与 80386 完全兼 容但功能更强的32位微处理器80486，它是对 80386的改进和发展，是第二代32位微处理器的代 表。
➢芯片采用1mm的CHMOS工艺； ➢芯片内集成120万个晶体管； ➢时钟频率为25－66MHz； ➢内部寄存器为32位； ➢数据总线和地址总线皆为32位； ➢采用168条引线网格阵列式封装。
别等处理能力。
上述CPU属于IA (intel architecture)结 构，在目标代码一级上维持向后兼容。
(4)新一代高性能32位Pentium 4微处理器， 478条引脚，采用FC-BGA2 (第二代反转芯片针 脚栅格阵列)封装技术，新式NetBurst处理器结 构，为因特网、图形处理、数据流视频、语音、