第六章 微处理器的内部组成及外部功能特性
六章CPU设计
下地址控制编码方式
一般情况下后继微指令旳地址有下列几种给出方式：顺序递增法：将µPC设置成可实现自动加1旳功能，每当完毕目前指令旳执行，就以µPC +1后旳值为地址在控制存储器中取下一条微指令。直接给出法：下一条微指令旳地址直接取自微指令中旳下地址字段。分支转移法：在包括分支转移旳微指令中常设置一种条件选择子区域，用于指出哪些鉴定条件被测试，与此同步转移地址被存储在下地址字段。当转移条件满足时，将下地址字段旳内容读入到µPC中，取下一条微指令，实现微程序转移。若转移条件不满足，微程序则顺序执行。微程序入口地址旳形成：每条机器指令所相应旳微程序旳入口地址（首地址），一般由指令旳操作码所决定。在机器加电后，第一条微指令旳地址一般是由专门旳逻辑电路生成，也能够采用由外部直接输入旳形式取得。
操作控制编码方式
在操作控制字段一般涉及一种或多种操作控制域，每个控制域可控制一种或一组控制信号旳生成，根据控制信号是直接生成于控制域还是译码生成控制信号旳不同可分为下列几种形式。直接控制法：操作控制字段旳每一位都与一种独立控制信号相相应。若目前微指令旳某一位ki=1，则与之相应ci控制信号有效，不然ci控制信号无效。分段编码控制法：在微程序级别，许多微操作是能够并行执行。一般采用将微指令旳操作控制字段提成k个相互独立旳控制域，每一种控制域存储一组微操作，每一种编码相应一种微操作，每一种微操作都能够与其他控制域所存储旳任意一种微操作并行执行，但在组内旳微操作之间是互斥旳，不允许在同一时间段内发生或有效。分段间接编码控制法：在微指令格式里，假如一种字段旳含义不只决定本字段编码，还兼由其他字段决定，则可采用分段间接编码控制法。此时一种字段兼有两层或两层以上旳含义。其他方式：在实际微指令中操作控制编码并不是只单独采用上述三种编码方式中旳一种，而是将上述三种混合使用，以确保能综合考虑指令旳字长、灵活性和执行微程序旳速度等方面旳要求。
微处理器内部结构.ppt
2 8086/8088 CPU 主要性能
字长：16位 / 准16位。
时钟频率：8086/8088标准主频为5MHz,8086/8088-2主频为8MHz。
数据、地址总线复用。
最大内存容量：1MB。
基本寻址方式：8种。
指令系统：99条基本汇编指令。
可以对位、字节、字、字节串、字串、压缩和非压缩BCD
1.2 EU(Execution Unit）
功能
负责全部指令的执行； 向BIU输出（地址及结果）数据； 对Reg及PSW进行管理。
1.2 EU(Execution Unit）
组成
①
数据寄存器：AX，BX，CX，DX (16位)
8个通用寄存器
AH,AL,BH,BL,CH,CL,DH,DL（8位） 指针： SP，BP
I/O 内部通信寄存器 向“ALU数据总线” 传送数据。
“流水线”结构
总线接口部件BIU和执行部件EU并不是同步 工作的， 两者的动作管理遵循如下原则：
每当8086的指令队列中有2个空字节，BIU就会 自动把指令取到指令队列中。
而同时EU从指令队列取出一条指令，并用几个 时钟周期去分析、执行指令。
（ iii ）存储单元的逻辑地址和物理地址
逻辑地址 段地址 0000H~FFFFH（由段寄存器提供 ） 偏移地址 段内某个单元到段基地址的距离
（0000H~FFFFH，由指令提供 ）
CPU访问存储器时，送出00000H~FFFFFH间的一个20位的物理地址。
（ i ）存储器空间
20根地址线
220 = 1M Byte
00000H
A19
地址
A0
1 00 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1
微处理器简介及详细资料
微处理器简介及详细资料基本信息微处理器（英语：Microprocessor，缩写：µP或uP）是可程式化特殊积体电路。
一种处理器，其所有组件小型化至一块或数块积体电路内。
一种积体电路，可在其一端或多端接受编码指令，执行此指令并输出描述其状态的信号。
这些指令能在内部输入、集中或存放起来。
又称半导体中央处理机（CPU），是微型计算机的一个主要部件。
微处理器的组件常安装在一个单片上或在同一组件内，但有时分布在一些不同晶片上。
在具有固定指令集的微型计算机中，微处理器由算术逻辑单元和控制逻辑单元组成。
在具有微程式控制的指令集的微型计算机中，它包含另外的控制存储单元（源自：英汉双解计算机字典）。
用作处理通用数据时，叫作中央处理器。
这也是最为人所知的套用（如：Intel Pentium CPU）；专用于作图像数据处理的，叫作Graphics Processing Unit图形处理器（如Nvidia GeForce 7X0 GPU）；用于音频数据处理的，叫作Audio Processing Unit音频处理单元（如Creative emu10k1 APU）等等。
物理性来说，它就是一块集成了数量庞大的微型电晶体与其他电子组件的半导体积体电路晶片。
之所以会称为微处理器，并不只是因为它比迷你电脑所用的处理器还要小而已。
最主要的原因，还是因为当初各大晶片厂之制程，已经进入了1 微米的阶段，用1 微米的制程，所产制出来的处理器晶片，厂商就会在产品名称上用“微”字，强调他们很高科技。
就如同现在的许多商业广告一样，很喜欢用“奈米”字眼。
早在微处理器问世之前，电子计算机的中央处理单元就经历了从真空管到电晶体以及再后来的离散式TTL积体电路等几个重要阶段。
甚至在电子计算机以前，还出现过以齿轮、轮轴和杠杆为基础的机械结构计算机。
文艺复兴时期的著名画家兼科学家李奥纳多·达·文西就曾做过类似的设计[来源请求]，但那个时代落后的制造技术根本没有能力将这个设计付诸实现。
微型计算机常见的微型计算机由哪五部分组成，并简述各部分的功能
微型计算机常见的微型计算机由哪五部分组成，并简述各部分的功能2011-02-20要具体的微型计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。
其中存储器又分内存储器、外存储器;通常我们把输入设备及输出设备统称为外围设备;而运算器和控制器又称为中央处理器――cpu(centralprocessingunit)。
1.微处理器微型计算机的中央处理器(cpu)习惯上称为微处理器,是微型计算机的核心,由运算器和控制器两部分组成:运算器是微机的运算部件;控制器是微机的指挥控制中心。
随着大规模集成电路的出现,使得微处理器的所有组成部分都集成在一块半导体芯片上,目前广泛使用的微处理器有:intel公司的80486、pentium(奔腾)、pentiumpro(高能奔腾)、pentiummmx(多能奔腾)、pentiumii(奔腾二代)、pentiumiii(奔腾三代)、pentiumiv(奔腾四代);amd公司的amdk5、amdk6、amdk7等。
[我们熟知的286、386、486,指的是80286、80386、80486处理器。
因为在美国数字不能申请为商标,所以从80486以后,intel开始用pentium作为处理器的名称。
]表征微机运算速度的指标是微机cpu的主频,主频是cpu的时钟频率,主频的单位是mhz(兆赫兹)。
主频越高,微机的运算速度越快。
2.内存储器(主存)目前,微型计算机的内存由半导体器件构成。
内存按功能可分为两种:只读存储器(readonlymory,简称rom)和随机(存取)存储器(randomaccessmory,简称ram)。
rom的特点是:存储的信息只能读出(取出),不能改写(存入),断电后信息不会丢失。
一般用来存放专用的或固定的程序和数据。
ram的特点是:可以读出,也可以改写,又称读写存储器;读取时不损坏原有存储的内容,只有写入时才修改原来所存储的内容。
断电后,存储的内容立即消失。
微处理器CPUCPU的内部和外部结构微处理器级总线
数据寄存器Data Register
存放数据
2.4 微处理器的寄存器组织
2.地址指针和变址寄存器（４个）
均
为
SP
地 址
BP
寄
SI
存 器
DI
堆栈指针寄存器Stack Pointer 基址指针寄存器Base Pointer 源变址寄存器Source Index 目的变址寄存器Destination Index
均为16位，也能存放数据
2.4 微处理器的寄存器组织
二.段寄存器
在微机系统的内存中通常存放着三类信息： 代码（指令码） 指示CPU执行何种操作。 数据（数值、字符等） 程序处理的对象或结果。 堆栈信息 被保存的返回地址和中间结果等。
代码段 数据段 堆栈段
2.4 微处理器的寄存器组织
８０８６／８０８８ＣＰＵ有４个段寄存器。
四.控制寄存器（2个）
1.指令指针寄存器(IP:Instruction Pointer )(16位)
指令指针寄存器相当于一般微处理器中的程
序计数器(PC:Program Counter )。
它始终指向CPU下一条要取指令所在存贮器单 元的偏移地址(段地址由CS提供)。
用户不能更改IP的值,只有CPU执行转移指令, 子程序调用指令和子程序返回指令以及中断处理 时,IP才作相应的改变。
2.2 微处理器的内部结构
指令寄存器（IR）
保存从存储器中读入的当前要执行的指令。
指令译码器（ID）
对指令寄存器中保存的指令进行译码分析。
控制逻辑部件
根据ID对指令的译码分析，发出相应的一系 列的节拍脉冲和电位（控制信号），去完成指令 的所有操作。
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。
2.1什么是微处理器它包含哪几部分【精品推荐-doc】
习题22.1 什么是微处理器？它包含哪几部分？【解】：微处理器（CPU）的任务是执行存放在存储器里的指令序列。
为此，除要完成算术逻辑操作外，还需要担负CPU和存储器以及I/O之间的数据传送任务。
早期的CPU芯片只包括运算器和控制器两大部分。
从80386开始，为使存储器速度能更好地与运算器的速度相匹配，已在芯片中引入高速缓冲存储器。
它们主要由以下三部分组成。
（1）算术逻辑部件算术逻辑部件（Arithmetic Logic Unit，ALU）用来进行算术和逻辑运算及其相应操作。
（2）控制逻辑部件控制逻辑部件负责对全机的控制工作，包括从存储器取出指令，对指令进行译码分析，从存储器取得操作数，发出执行指令的所有命令，把结果存入存储器以及对总线及I/O的传送控制等。
（3）工作寄存器工作寄存器在计算机中起着重要的作用，每一个寄存器相当于运算器中的一个存储单元，但它的存取速度比存储器要快得多。
它用来存放计算过程中所需要的或所得到的各种信息，包括操作数地址、操作数及运算的中间结果等。
2.2 8086微处理器由哪几部分组成？各部分的功能是什么？【解】：按功能可分为两部分：总线接口单元BIU（Bus Interface Unit）和执行单元EU（Execution Unit）。
总线接口单元BIU是8086 CPU在存储器和I/O设备之间的接口部件，负责对全部引脚的操作，即8086对存储器和I/O设备的所有操作都是由BIU完成的。
所有对外部总线的操作都必须有正确的地址和适当的控制信号，BIU中的各部件主要是围绕这个目标设计的。
它提供了16位双向数据总线、20位地址总线和若干条控制总线。
其具体任务是：负责从内存单元中预取指令，并将它们送到指令队列缓冲器暂存。
CPU 执行指令时，总线接口单元要配合执行单元，从指定的内存单元或I/O端口中取出数据传送给执行单元，或者把执行单元的处理结果传送到指定的内存单元或I/O端口中。
执行单元EU中包含1个16位的运算器ALU、8个16位的寄存器、1个16位标志寄存器FR、1个运算暂存器和执行单元的控制电路。
《微处理器》课件
微处理器的新技术与应用
神经网络处理器
针对人工智能和机器学习应用，神经网络处理器能够加速深度学 习算法的运算。
嵌入式系统
微处理器在嵌入式系统中的应用将更加广泛，如智能家居、工业自 动化等领域。
物联网设备
随着物联网的发展，微处理器将应用于更多类型的物联网设备中， 实现设备间的互联互通。
微处理器的未来挑战与机遇
处理器体系结构
处理器核
01
处理器体系结构中的处理器核是微处理器的核心部分，负责执
行指令和处理数据。
核外设备
02
核外设备包括寄存器、高速缓存、总线接口等，用于扩展处理
器核的功能和性能。
处理器优化
03
为了提高微处理器的性能，需要对处理器进行优化，如采用流
水线技术、并行处理技术等。
03
微处理器的指令系统
《微处理器》课件
CONTENTS
• 微处理器概述 • 微处理器的体系结构 • 微处理器的指令系统 • 微处理器的编程模型 • 微处理器的应用开发 • 微处理器的未来发展
01
微处理器概述
微处理器的定义
总结词
微处理器的核心作用
详细描述
微处理器是计算机系统的核心部件，它能够执行程序指令，控制计算机的各个 部分协调工作。
技术创新
随着半导体工艺的物理极限临近，微处理器 设计将面临技术上的挑战，需要寻求新的技 术创新。
安全问题
随着微处理器广泛应用于各个领域，安全问题变得 越来越重要，需要加强安全设计和防护措施。
新市场机遇
随着技术的发展，微处理器将有更多新的应 用领域和市场机遇，如自动驾驶、虚拟现实 等。
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开发环境
微处理器的组成
微处理器的组成
微处理器包括两个主要部分，运算器和掌握器。
1.运算器:是计算机中进行数据加工的部件，其主要功能包括：（1)执行数值数据的算术加减乘除等运算，执行规律数据的与或非等规律运算，由一个被称为ALU 的线路完成。
（2）临时存放参与运算的数据和中间结果，由多个通用寄存器来担当。
（3）运算器通常也是数据传输的通路。
2.掌握器
计算机中掌握执行指令部件，要向计算机各功能部件供应每一时刻协同运行所需的掌握信号。
其主要功能包括：
（1）正确执行每条指令：首先是取来一条指令，接着分析这条指令，再按指令格式和功能执行这条指令。
（2）保证指令按规定序列自动连续地执行。
（3）对各种特别状况和恳求准时响应和处理。
3.CPU中的主要寄存器：
（1）累加器（A）：使用最频繁的寄存器，协作ALU进行各种数据处理。
（2）数据寄存器(DR)：是通过数据总线向存储器和I/O设备读写数据的暂存单元。
（3）指令寄存器(IR)：暂存当前指令。
（4）指令译码器(ID)：将每条指令译码变成掌握电平。
（5）程序计数器(PC)：存放当前指令地址。
CPU执行程序时，先按PC给出的地址到存储器取一条指令，PC自动加1。
CPU执行完一条指令，再到存储器取下一条指令。
（6）地址寄存器(AR)：用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O 设备的地址。
微处理器的硬件特性及微机系统组成
8086/8088的两种工作模式 P186
两种模式构成两种不同规模的应用系统 最小模式 P187 图5.3
构成小规模的应用系统 8088本身提供所有的系统总线信号
最大模式 P189 图5.4
构成较大规模的应用系统，例如可以接入数值协 处理器8087
8088和总线控制器8288共同形成系统总线信号
最小模式下 24—31引脚信号(续1)
2. ALE（Address Latch Enable）
地址锁存允许，输出、三态、高电平有效 ALE引脚高有效时，表示复用引脚：AD15～
AD0和A19/S6～A16/S3正在传送地址信息 由于地址信息在这些复用引脚上出现的时间
很短暂，所以系统可以利用ALE信号将地址 信息锁存起来
AD0 NMI INTR CLK GND
1
40
2
39
3
38
4
37
5
36635来自7348
33
9
32
10 8088 31
11
30
12
29
13
28
14
27
15
26
16
25
17
24
18
23
19
22
20
21
VCC
A15 A16/S3 A17/S4 A18/S5
A19/S6
-SS0
(HIGH)
MN/-MX
-RD
HOLD (-RQ0/-GT0)
最小模式下24—31引脚(续2)
3. DEN（Data Enable）
数据允许，输出、三态、低电平有效 有效时，表示当前数据总线上正在传送数据，
可利用他来控制对数据总线的驱动