微机原理与应用02 MPU
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1）PC或IP内容送地址寄存器AR。 2）PC自动加1为取下一条指令作准备。
3）AR通过AB送地址译码器进行译码，选中单元
4）CPU发出“读”命令。 5）将所选中的单元的内容读至DB上。 6）经DB，读出的送至数据寄存器DR。
①
PC
0000 0000 B
②
控制信号
ALU
AR
0000 0000 B
PLA B ID
微型计算机的工作原理
例：计算1+2=？的程序： MOV AX，01H ；机器语言：1011 0000 0000 0001B，把01送入累加器AX
ADD AX，02H ；机器语言：0000 0100 0000 0010B，02与AX中内容相加，结果存入AX
1、取指令阶段的执行过程：（设程序从00H开始存放）
1.条件标志 -----共6位，用于寄存程序运行的状态信息，这些标志往往用作后续指 令判断的依据。 2.控制标志 -----共3位，用于控制机器或程序的某些运行过程。
FR的状态标志位
15 14 13 12 11 OF 10 DF 9 IF 8 TF 7 SF 6 ZF 5 4 AF 3 2 PF 1 0 CF
1、取指令阶段的执行过程 2、执行指令阶段的执行过程：
1）将PC或IP的内容送地址寄存器AR。
2）PC自动加1为取下一条指令作好准备。
3）AR经AD送存储器地址译码器译码选中单元 4）CPU发出“读”命令。 5）将所选中单元读至DB上。 6）经DB，读出送至DR。 7）由控制码知立即数，将它送入A DR通过内部总线将05H送入累加器A中。
CPU的制造过程
4.分层
– 为加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅， 涂敷光阻物质，重复影印、 蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物 的沟槽结构。
P4处理器采用了7层金属连接，而Athlon64使用了9层，所使用的层数取 决于最初的版图设计，并不直接代表着最终产品的性能差异。
CPU的制造过程
1011 0000 B
⑦
⑥
④ 读命令
取第一条指令操作示意图
微型计算机的工作原理
例：计算1+2=？的程序： MOV AX，01H ；机器语言：1011 0000 0000 0001B，把01送入累加器AX
ADD AX，02H ；机器语言：0000 0100 0000 0010B，02与AX中内容相加，结果存入AX
用精密器械取出一块Die
从晶圆分离出来的Die
CPU生产流程说明
加入接口规格
加散热金属盖
产品要根据品质划分等级
微处理器的典型结构
微型计算机的基本工作过程
根据冯.诺依曼的设计，计算机应能自动执行程序，而执 行程序又归结为逐条执行指令。执行一条指令又可分为 以下五个基本操作：
– – – – – ① 取指令； ② 分析指令； ③ 取操作数； ④ 执行指令； ⑤ 保存结果 。
8086系统中存储器的结构
两个存储体与总线之间的连接
8086系统配置
最小模式和最大模式的概念
– 为了适应各种场合的要求，8086/8088CPU在设计中提供了两种 工作模式，即最小模式和最大模式。实际机器中究竟工作在哪一 种模式， 根据需要有硬件连接决定。
最小模式：
– 如果系统中只有一个微处理器8086（或8088），所有由它产生， 则系统中总线控制逻辑信号可先减少到最小，因此称这种系统为 最小模式系统。
十六进制地址 00000H 00001H 00002H …… FFFFEH FFFFFH 二进制地址 0000 0000 0000 0000 0000B 0000 0000 0000 0000 0001B 0000 0000 0000 0000 0010B …… 1111 1111 1111 1111 1110B 1111 1111 1111 1111 1111B 内存单元
微机原理与应用
四川化工职业技术学院 信息工程系 课程资料
知识要点
知识目标
• 了解8086CPU、80X86CPU、Pentium级CPU和酷睿系列的CPU基本结构、基本工作原理。
专业能力目标
• 能计算物理地址；能分析CPU性能；能绘制内存分布图。
方法能力目标
• 有自学能力、获取新工艺、新技术的能力；利用网络、各种资料获取信息的能力；自我约束、身心 健康与管理能力；制定工作计划、评价工作结果的能力。
社会能力目标
• 交流、合作能力；决策和执行能力；语言、文字表达能力；社会责任心和环境保护意识；尊纪守法、
良好职业道德和敬业精神。
概念
CPU是英文CENTRAL PROCESSING UNIT的缩 写，中文译为中央处理器。
CPU的制造过程
1.切割晶圆
– 所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规 格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个 CPU的内核(Die)。
⑥
④ 读命令
执行第一条指令操作示意图
CPU内部逻辑结构
8086逻辑结构图
8086/8088的指令执行过程
内部寄存器
8088/8086内部有14个16位的寄存器。按其功能可分为三大类：通 用寄存器（8个），段寄存器（4个），控制寄存器（2个）。
标志寄存器
标志寄存器（Flag Register）共有16位，其中7位未用。
Intel8086/8088存储器的结构
存储器地址空间与数据存储格式 ：
2、数据存储格式： – 每个存储单元存储一个字节的数据，存取一个字节的数据需一个总线周期。 – 两个相邻的字节定义为一个字。 – 每一个字的低字节存放在低地址中，高字节存放在高地址中，并以低字节的 地址作为字地址。若字地址为偶地址，则称为对准字存放，存取一个字也只 需要一个总线周期；若字地址为奇地址，则称为非对准字存放，存取一个非 对准字需要两个总线周期。 例：字数据存放示意 64ACH=0110 0100 1010 1100B
8086的时序
8086总线周期
T1
T2
T3
Tw
T4
T1
T2
典型的8086总线周期时序
8086的时序
时序是指CPU在运行过程中一些控制信号和数据/地址总 线在时间上的配合关系。
8086和8088的时序
Intel8086/8088存储器的结构
存储器地址空间与数据存储格式 ：
1、地址空间：AB=20条，空间为：220=1MB，范围：00000H～FFFFFH 。
15 14 13 12 11 OF 10 DF 9 IF 8 TF 7 SF 6 ZF 5 4 AF 3 2 PF 1 0 CF
(1)单步标志位TF（Trap Flag） (2)中断允许位IF（Interrupt Enable Flag） (3)方向位DF（Direction Flag）
Intel8086/8088微处理器
1011 0000 B
A
0000 0000 B
1011 0000 B
0000 0000 B
7）DR将其内容送至指令寄存器IR中，
经指令译码器 ID， 于是可编程逻辑阵列PLA发执行控制命令。
③
IR
DR
0000 0000 B 1011 0000 B 0000 0001 B 0000 0001 B ⑤ 0000 0002 B 0100 0100 B 0000 0003 B 0000 0010 B 0000 0004 B 1111 0100 B 1011 0000 B
③ ①
PC
0000 0010 B
②
控制信号
PLA
B
ALU
AR
0000 0001 B
A
0000 0001 B
B
B
ID
⑦
B
IR DR
0000 0001 B
B
0000 0000 B 1011 0000 B
0000 0001 B 0000 0001 B 0000 0002 B 0100 0100 B ⑤ 0000 0003 B 0000 0010 B 0000 0004 B 1111 0100 B
微型计算机的工作原理
在计算机进行数值计算前，应先做如下工作：
用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程序）； 用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别的机器 语言程序； 将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。 例：计算1+2=？的程序： MOV AX，01H ；机器语言：1011 0000 0000 0001B，把 01送入累加器AX ADD AX，02H ；机器语言：0000 0100 0000 0010B，02 与AX中内容相加，结果存入AX。
氧化并加入感光层
使用严格控制的短波长的紫外线和大曲率的透镜开始光刻蚀
CPU生产流程说明
光刻蚀后要去掉感光层
微观放大
创建晶体管及之间的电路连接
CPU生产流程说明
创建晶体管及之间的电路连接
不断重复前面的工作来增加层级
在每层间采用金属涂膜技术进行层间导电连接
CPU生产流程说明
上面的每一块就是一个CPU核心
5.离子注入(Ion Implantation)
– 通过离子轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电 状态，形成门电路。接下来的步骤就是不断重复以上的过程。一个完整 的CPU内核包含大约20层，层间留出窗口，填充金属以保持各层间电路 的连接。完成最后的测试工作后，切割硅片成单个CPU核心并进行封装， 一个CPU便制造出来了。
最大模式：
– 如果系统中包括两个以上处理器，其一个为8086/8088作为主 处 理器，其它处理器作为协处理器，这样的系统成为最大模式系统。
最小模式系统总线的形成
应用于单一的微机处理系统，3片8282锁存20位地址信息和BHE ，2 片8286作为16位数据收发器
最大模式系统总线的形成
应用于多微机处理系统，增设总线控制器8288
晶圆上的方块称为“芯片（die）”， 每个微处理器都会成为个人计算机系统的“大脑”。
CPU的制造过程
2.影印（Photolithography）
– 在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻(Photo resist)物质， 紫外线通过印制着CPU复杂电路结构图样的模板照射硅基片，被紫外线 照射的地方光阻物质溶解。
技术人员正在检查各个晶圆，确保每个晶圆都处于最佳状态。 每个晶圆中可能包含数百个芯片。
CPU的制造过程
3.蚀刻(Etching)
– 用溶剂将被紫外线照射过的光阻物清除，然后再采用化学处理方式，把 没有覆盖光阻物质部分的硅氧化物层蚀刻掉。然后把所有光阻物质清除， 就得到了有沟槽的硅基片。
英特尔技术人员在监测自动湿刻蚀工具中的晶圆， 该工艺可清除晶圆上多余的操作助剂或者污染物。
每个长方形就是一个CPU核心
英特尔灵动处理器，仅有一粒米大 小，却有将近4700万个晶体管
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
从一粒沙到CPU
CPU生产流程说明
你可以把这看作无数块CPU 硅原料化学提纯
经过加温等特殊处理
CPU生产流程说明
提取高纯度硅原料 出炉形成一个圆柱体形状的硅锭
切片越薄越好
CPU生产流程说明
切片的初始状态
(1)进位位CF （Carry Flag） (2)奇偶位PF （Parity Flag） (3)辅助进位位AF（Auxiliary Carry Flag） (4)零值位ZF（Zero Flag） (5)符号位SF（Sign Flag） (6)溢出位OF（Overflow Flag）
FR的控制标志位
ACH 64H …… 00000H 00001H 低地址 高地址
8086系统中存储器的结构
8086系统中，将1MB的存储空间分成两个512KB的存储体，一个存储体中包 含偶数地址单元，用数据总线的低8位与它相连。另一个包含奇数地址单元， 用数据总线的高8位与它相连。两个存储体之间采用字节交叉编址方式。
8086/8088 CPU芯片的引脚及其功能
40条引脚，双列直插式封装 采用分时复用地址数据总线 两种模式公用的引脚的定义 • AD0～AD15：分时复用的地址数据线。双向。 • A19/S6～A16/S3：分时复用，输出引脚。 • GND ：地线（两个），分别为引脚1和20； • RD 读，三态输出 • READY：准备就绪，输入。插入Tw状态 • TEST：输入，测试信号。等待状态结束 • INTR：输入，可屏蔽中断请求。 • NMI：输入，非可屏蔽中断请求，上升沿有效。 • RESET：输入，复位。CPU从FFFF0H开始执行程序。 • CLK：输入，时钟，处理器和总线控制器定时操作 • Vcc：电源，+5V。
3）AR通过AB送地址译码器进行译码，选中单元
4）CPU发出“读”命令。 5）将所选中的单元的内容读至DB上。 6）经DB，读出的送至数据寄存器DR。
①
PC
0000 0000 B
②
控制信号
ALU
AR
0000 0000 B
PLA B ID
微型计算机的工作原理
例：计算1+2=？的程序： MOV AX，01H ；机器语言：1011 0000 0000 0001B，把01送入累加器AX
ADD AX，02H ；机器语言：0000 0100 0000 0010B，02与AX中内容相加，结果存入AX
1、取指令阶段的执行过程：（设程序从00H开始存放）
1.条件标志 -----共6位，用于寄存程序运行的状态信息，这些标志往往用作后续指 令判断的依据。 2.控制标志 -----共3位，用于控制机器或程序的某些运行过程。
FR的状态标志位
15 14 13 12 11 OF 10 DF 9 IF 8 TF 7 SF 6 ZF 5 4 AF 3 2 PF 1 0 CF
1、取指令阶段的执行过程 2、执行指令阶段的执行过程：
1）将PC或IP的内容送地址寄存器AR。
2）PC自动加1为取下一条指令作好准备。
3）AR经AD送存储器地址译码器译码选中单元 4）CPU发出“读”命令。 5）将所选中单元读至DB上。 6）经DB，读出送至DR。 7）由控制码知立即数，将它送入A DR通过内部总线将05H送入累加器A中。
CPU的制造过程
4.分层
– 为加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅， 涂敷光阻物质，重复影印、 蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物 的沟槽结构。
P4处理器采用了7层金属连接，而Athlon64使用了9层，所使用的层数取 决于最初的版图设计，并不直接代表着最终产品的性能差异。
CPU的制造过程
1011 0000 B
⑦
⑥
④ 读命令
取第一条指令操作示意图
微型计算机的工作原理
例：计算1+2=？的程序： MOV AX，01H ；机器语言：1011 0000 0000 0001B，把01送入累加器AX
ADD AX，02H ；机器语言：0000 0100 0000 0010B，02与AX中内容相加，结果存入AX
用精密器械取出一块Die
从晶圆分离出来的Die
CPU生产流程说明
加入接口规格
加散热金属盖
产品要根据品质划分等级
微处理器的典型结构
微型计算机的基本工作过程
根据冯.诺依曼的设计，计算机应能自动执行程序，而执 行程序又归结为逐条执行指令。执行一条指令又可分为 以下五个基本操作：
– – – – – ① 取指令； ② 分析指令； ③ 取操作数； ④ 执行指令； ⑤ 保存结果 。
8086系统中存储器的结构
两个存储体与总线之间的连接
8086系统配置
最小模式和最大模式的概念
– 为了适应各种场合的要求，8086/8088CPU在设计中提供了两种 工作模式，即最小模式和最大模式。实际机器中究竟工作在哪一 种模式， 根据需要有硬件连接决定。
最小模式：
– 如果系统中只有一个微处理器8086（或8088），所有由它产生， 则系统中总线控制逻辑信号可先减少到最小，因此称这种系统为 最小模式系统。
十六进制地址 00000H 00001H 00002H …… FFFFEH FFFFFH 二进制地址 0000 0000 0000 0000 0000B 0000 0000 0000 0000 0001B 0000 0000 0000 0000 0010B …… 1111 1111 1111 1111 1110B 1111 1111 1111 1111 1111B 内存单元
微机原理与应用
四川化工职业技术学院 信息工程系 课程资料
知识要点
知识目标
• 了解8086CPU、80X86CPU、Pentium级CPU和酷睿系列的CPU基本结构、基本工作原理。
专业能力目标
• 能计算物理地址；能分析CPU性能；能绘制内存分布图。
方法能力目标
• 有自学能力、获取新工艺、新技术的能力；利用网络、各种资料获取信息的能力；自我约束、身心 健康与管理能力；制定工作计划、评价工作结果的能力。
社会能力目标
• 交流、合作能力；决策和执行能力；语言、文字表达能力；社会责任心和环境保护意识；尊纪守法、
良好职业道德和敬业精神。
概念
CPU是英文CENTRAL PROCESSING UNIT的缩 写，中文译为中央处理器。
CPU的制造过程
1.切割晶圆
– 所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规 格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个 CPU的内核(Die)。
⑥
④ 读命令
执行第一条指令操作示意图
CPU内部逻辑结构
8086逻辑结构图
8086/8088的指令执行过程
内部寄存器
8088/8086内部有14个16位的寄存器。按其功能可分为三大类：通 用寄存器（8个），段寄存器（4个），控制寄存器（2个）。
标志寄存器
标志寄存器（Flag Register）共有16位，其中7位未用。
Intel8086/8088存储器的结构
存储器地址空间与数据存储格式 ：
2、数据存储格式： – 每个存储单元存储一个字节的数据，存取一个字节的数据需一个总线周期。 – 两个相邻的字节定义为一个字。 – 每一个字的低字节存放在低地址中，高字节存放在高地址中，并以低字节的 地址作为字地址。若字地址为偶地址，则称为对准字存放，存取一个字也只 需要一个总线周期；若字地址为奇地址，则称为非对准字存放，存取一个非 对准字需要两个总线周期。 例：字数据存放示意 64ACH=0110 0100 1010 1100B
8086的时序
8086总线周期
T1
T2
T3
Tw
T4
T1
T2
典型的8086总线周期时序
8086的时序
时序是指CPU在运行过程中一些控制信号和数据/地址总 线在时间上的配合关系。
8086和8088的时序
Intel8086/8088存储器的结构
存储器地址空间与数据存储格式 ：
1、地址空间：AB=20条，空间为：220=1MB，范围：00000H～FFFFFH 。
15 14 13 12 11 OF 10 DF 9 IF 8 TF 7 SF 6 ZF 5 4 AF 3 2 PF 1 0 CF
(1)单步标志位TF（Trap Flag） (2)中断允许位IF（Interrupt Enable Flag） (3)方向位DF（Direction Flag）
Intel8086/8088微处理器
1011 0000 B
A
0000 0000 B
1011 0000 B
0000 0000 B
7）DR将其内容送至指令寄存器IR中，
经指令译码器 ID， 于是可编程逻辑阵列PLA发执行控制命令。
③
IR
DR
0000 0000 B 1011 0000 B 0000 0001 B 0000 0001 B ⑤ 0000 0002 B 0100 0100 B 0000 0003 B 0000 0010 B 0000 0004 B 1111 0100 B 1011 0000 B
③ ①
PC
0000 0010 B
②
控制信号
PLA
B
ALU
AR
0000 0001 B
A
0000 0001 B
B
B
ID
⑦
B
IR DR
0000 0001 B
B
0000 0000 B 1011 0000 B
0000 0001 B 0000 0001 B 0000 0002 B 0100 0100 B ⑤ 0000 0003 B 0000 0010 B 0000 0004 B 1111 0100 B
微型计算机的工作原理
在计算机进行数值计算前，应先做如下工作：
用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程序）； 用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别的机器 语言程序； 将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。 例：计算1+2=？的程序： MOV AX，01H ；机器语言：1011 0000 0000 0001B，把 01送入累加器AX ADD AX，02H ；机器语言：0000 0100 0000 0010B，02 与AX中内容相加，结果存入AX。
氧化并加入感光层
使用严格控制的短波长的紫外线和大曲率的透镜开始光刻蚀
CPU生产流程说明
光刻蚀后要去掉感光层
微观放大
创建晶体管及之间的电路连接
CPU生产流程说明
创建晶体管及之间的电路连接
不断重复前面的工作来增加层级
在每层间采用金属涂膜技术进行层间导电连接
CPU生产流程说明
上面的每一块就是一个CPU核心
5.离子注入(Ion Implantation)
– 通过离子轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电 状态，形成门电路。接下来的步骤就是不断重复以上的过程。一个完整 的CPU内核包含大约20层，层间留出窗口，填充金属以保持各层间电路 的连接。完成最后的测试工作后，切割硅片成单个CPU核心并进行封装， 一个CPU便制造出来了。
最大模式：
– 如果系统中包括两个以上处理器，其一个为8086/8088作为主 处 理器，其它处理器作为协处理器，这样的系统成为最大模式系统。
最小模式系统总线的形成
应用于单一的微机处理系统，3片8282锁存20位地址信息和BHE ，2 片8286作为16位数据收发器
最大模式系统总线的形成
应用于多微机处理系统，增设总线控制器8288
晶圆上的方块称为“芯片（die）”， 每个微处理器都会成为个人计算机系统的“大脑”。
CPU的制造过程
2.影印（Photolithography）
– 在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻(Photo resist)物质， 紫外线通过印制着CPU复杂电路结构图样的模板照射硅基片，被紫外线 照射的地方光阻物质溶解。
技术人员正在检查各个晶圆，确保每个晶圆都处于最佳状态。 每个晶圆中可能包含数百个芯片。
CPU的制造过程
3.蚀刻(Etching)
– 用溶剂将被紫外线照射过的光阻物清除，然后再采用化学处理方式，把 没有覆盖光阻物质部分的硅氧化物层蚀刻掉。然后把所有光阻物质清除， 就得到了有沟槽的硅基片。
英特尔技术人员在监测自动湿刻蚀工具中的晶圆， 该工艺可清除晶圆上多余的操作助剂或者污染物。
每个长方形就是一个CPU核心
英特尔灵动处理器，仅有一粒米大 小，却有将近4700万个晶体管
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
从一粒沙到CPU
CPU生产流程说明
你可以把这看作无数块CPU 硅原料化学提纯
经过加温等特殊处理
CPU生产流程说明
提取高纯度硅原料 出炉形成一个圆柱体形状的硅锭
切片越薄越好
CPU生产流程说明
切片的初始状态
(1)进位位CF （Carry Flag） (2)奇偶位PF （Parity Flag） (3)辅助进位位AF（Auxiliary Carry Flag） (4)零值位ZF（Zero Flag） (5)符号位SF（Sign Flag） (6)溢出位OF（Overflow Flag）
FR的控制标志位
ACH 64H …… 00000H 00001H 低地址 高地址
8086系统中存储器的结构
8086系统中，将1MB的存储空间分成两个512KB的存储体，一个存储体中包 含偶数地址单元，用数据总线的低8位与它相连。另一个包含奇数地址单元， 用数据总线的高8位与它相连。两个存储体之间采用字节交叉编址方式。
8086/8088 CPU芯片的引脚及其功能
40条引脚，双列直插式封装 采用分时复用地址数据总线 两种模式公用的引脚的定义 • AD0～AD15：分时复用的地址数据线。双向。 • A19/S6～A16/S3：分时复用，输出引脚。 • GND ：地线（两个），分别为引脚1和20； • RD 读，三态输出 • READY：准备就绪，输入。插入Tw状态 • TEST：输入，测试信号。等待状态结束 • INTR：输入，可屏蔽中断请求。 • NMI：输入，非可屏蔽中断请求，上升沿有效。 • RESET：输入，复位。CPU从FFFF0H开始执行程序。 • CLK：输入，时钟，处理器和总线控制器定时操作 • Vcc：电源，+5V。