第三章 微处理器

第三章微处理器
重要概念
✓ALU
✓I/O接口、I/O端口
✓EU、BIU
✓对准字、未对准字
✓物理地址、逻辑地址
知识点
✓总线的分类
✓EU和BIU的功能
✓8086CPU的寄存器结构
✓标志寄存器的定义
✓物理地址的形成
✓8086的寻址方式
一、填空题
（1） Intel 8086 包含两个功能部件，分别是（总线接口部件）和（执行部件）。

（2） 80286将BIU（总线接口单元）分为（AU（地址单元））、（IU（指令单元））和（BU（总线单元））。

（3）总线标准的四个特性是（物理特性）、（功能特性）、（电器特性）和（时间特性）。

（4）计算机指令执行的基本过程一般是按照以下步骤（取指令）、（译码）、（取操作数）、（执行指令）和（存结果）。

（5）完成一个总线操作周期，一般要分成4个阶段：（总线请求和仲裁）、（寻址）、（数据传送）和（结束）。

（6）从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为（复杂指令集）和（精简指令集）两部分。

（7）80486芯片内较之80386新添了三个新的部件，它们分别是（浮点部件FPU）、（控制和保护部件）和（Cache部件）。

（8）Pentium芯片集成了310万个晶体管，有（64）条数据线，（36）条地址线。

（9）Pentium内部有两个超高速缓冲存储器（Cache），一个为（指令超高速缓冲存储器），另一个为（数据超高速缓冲存储器）。

（10）Pentium CPU有U、V两条指令流水线，故称之为（超标量流水线）。

2、选择题：
（1） 80386 的内部可以分为（B）个部件。

A 8
B 6
C 4
D 2
（2）80486 配备有（B）个16位的段寄存器。

A．5 B． 6 C．7 D． 8
（3）数据传输率＝（总线频率×数据带宽）/8，假设有一个64位的CPU，其前端总线频率是400MHz，按照公式计算，它的数据传输率最大值是（B）。

A . 6.4GB/秒
B . 3.2GB/秒
C . 6.4MB/秒 D. 3.2MB/秒
（4）构成动态处理技术的是（D）。

A . 分支预测
B . 推测执行
C . 数据流量分析 D.以上三个都是
（5）CPU允许将多条指令不按程序规定的顺序分别发送给相应的电路单元进行处理的技术是（C）
A . 超流水线
B . 超标量
C . 乱序执行 D. 指令预取
3、简答题
（1）微处理器的基本功能部件有哪些？
答：总线接口部件负责与存储器、I/O端口传送数据；执行部件负责指令的执行。

（2）CPU中有那些寄存器？标志寄存器有那些标志位？各位的含义是什么？
答：微处理器的基本寄存器中包括8、16、32位的三种不同寄存器组，8位的寄存器有AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH和DL等8个，16位寄存器有AX、BX、CX、DX、SP、BP、DI、SI、IP、FLAGS、CS、DS、ES、SS、FS和GS。

扩展的32位寄存器有EAX、EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、EDI、ESI、EIP和EFLAGS。

标志寄存器的标志位和各位的含义见图2.4标志寄存器。

（3）解释下列术语：流水线、超流水线、超标量、乱序执行、分支预测和推测执行。

答：
流水线: 为了提高CPU的效率，在8086总线接口部件中包含一个6字节的指令队列缓冲器，在执行指令的同时，将下一条指令取出，并放入指令队列缓冲器中。

CPU执行完一条指令后，就可以从指令队列缓冲器中直接取下一条指令（这种方式也叫做流水线技术）
超流水线: 将流水线的若干流水级进一步细分为更多的阶段（流水小级），并通过一定的流水线调度和控制，使每个细分后的“流水小级”可以与其他指令的不同的“流水小级”并行执行，从而进一步提高微处理器的性能，这种技术称为“超流水线”
超标量:是通过内置多条流水线来同时执行多个处理器，其实质是以空间换取时间。

乱序执行: 是指CPU允许将多条指令不按程序规定的顺序分别发送给相应的电路单元进行处理的技术。

分支预测：通过几个分支对程序流向进行预测，采用多路分支预测算法后，处理器便可参与指令流向的跳转。

推测执行：通过提前判读并执行有可能需要的程序指令的方式提高执行速度，当处理器执行指令时（每次五条），采用的是“推测执行”的方法。

这样可使处理器的超级处理能力得到充分的发挥，从而提升软件性能。

（4）什么是时钟周期、总线周期及指令周期？
答：系统时钟一个周期信号所持续的时间称为时钟周期（T），大小等于频率的倒数，是CPU的基本时间计量单位。

CPU通过总线完成一次访问存储器或I/O接口操作所需要的时间，称为总线周期。

一个总线周期由多个时钟周期（T）组成。

指令周期（instruction cycle）指的是从取指令到该条指令执行完毕所需要的全部时间。

不同指令所需要的指令周期是不相同的。

一个指令周期由一个或几个总线周期构成。

（5）8086/8088系统中，存储器的物理地址是如何生成的？设DS=095FH，物理地址是11820H，当DS=252FH时，物理地址是多少？
答：8086/8088系统中，存储器的物理地址生成如下图所示：
当DS=252FH时，物理地址是2D520H。

（6）什么是同步传送、异步传送和半同步传送？
答：同步传送时采用精确稳定的系统时钟，作为各模块动作的基准时间。

模块间通过总线完成一次数据传送即一个总线周期，时间是固定的。

每次传送一旦开始，主、从设备都必须按严格的时间规定完成相应的动作。

同步传送要求总线上的各主、从设备操作速度要严格匹配，为了能用不同速度的设备组成系统，可以采用异步传送的办法来控制数据的传送。

异步传送需设置一对信号交换握手（Handshaking）线，即请求（Request）和响应（Acknowledge）信号线。

半同步传送是综合同步和异步传送的优点而设计出来的混合式传送。

（7）简述Cache的作用。

答：Cache的作用是存放CPU最近要使用的，在主存储器中保存着指令、操作数以及其他一些数据的副本。

若微处理器当前需用的信息正在Cache中，则称之为Cache命中。

在Cache命中情况下，操作不需要执行总线读周期，直接到Cache 读即可。

若微处理机所需用的信息此时不在Cache内，则称之为Cache不命中。

这时微处理机就会一次传送16个字节，经一次或多次传送将微处理机所需用的信息从主存储器读到Cache中去，这种操作就是Cache行的填充
（8）什么是实地址方式、保护虚地址方式、虚拟86模式和系统管理方式
答：
实地址方式是80x86系列CPU共有的存储器管理模式，8086/8088 CPU只能工作在此方式下，在其他类型的CPU中实地址方式用来兼容8086。

在实地址方式中地址总线信号中只有低20位有效，其寻址空间和寻址方法与8086完全相同，即8086的应用程序可不加修改地移植到该方式下运行，但速度会更快
保护方式充分体现了IA-32架构CPU的特色。

在这种工作方式下，地址总线信号全部有效，可寻址的物理内存大大地增加；通过存储管理和保护机构，可为每个任务提供更多的虚拟存储空间，从而有力地支持多用户、多任务的操作。

这种工作方式是一种在保护方式下运行的类似实地址方式的运行环境，是一种既有保护功能又能执行8086代码的工作方式，可同时模拟多个8086处理器。

（9）微处理器的主要性能指标有哪些？
答：微处理器的主要性能指标有主频、倍频和外频；前端总线（FSB）频率；CPU 的字长；工作电压；总线宽度；协处理器；超标量；高速缓存；
（10）Pentium CPU内部的主要部件有哪些？
答：
总线接口部件
Uλ流水线和V流水线
λ指令高速缓冲存储器Cache λ数据高速缓冲存储器Cache λ指令预取部件
λ指令译码器
λ浮点处理部件FPU
λ分支目标缓冲器BTB
λ微程序控制器中的控制ROM λ寄存器组。