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。
6
(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
微处理器实习报告
一、实习背景随着科技的飞速发展，微处理器作为计算机系统的核心部件，其性能和功能日益受到重视。
为了更好地了解微处理器的原理和应用，我于2023年在XX科技有限公司进行了为期一个月的微处理器实习。
通过这次实习，我对微处理器的架构、设计、编程以及在实际应用中的性能优化有了更加深入的认识。
二、实习内容1. 微处理器基础知识学习实习初期，我重点学习了微处理器的基本概念、发展历程、分类以及常见型号。
通过查阅资料、参加培训课程，我对微处理器的基本原理有了初步了解，包括指令集、寄存器、总线、缓存等。
2. 微处理器架构分析在实习过程中，我深入研究了不同类型的微处理器架构，如CISC（复杂指令集计算）、RISC（精简指令集计算）以及ARM架构。
通过对这些架构的对比分析，我认识到不同架构在性能、功耗、成本等方面的差异，为后续设计工作提供了理论依据。
3. 微处理器编程实践为了提高实际操作能力，我参与了微处理器编程实践。
在导师的指导下，我使用C语言编写了简单的微处理器程序，实现了对寄存器、内存、I/O端口等资源的操作。
通过实践，我掌握了微处理器编程的基本技巧，为后续开发工作打下了基础。
4. 微处理器性能优化在实习后期，我参与了微处理器性能优化项目。
通过分析程序运行过程中的瓶颈，我提出了相应的优化方案，包括指令重排、流水线优化、缓存优化等。
在实际操作中，我使用编译器优化工具和调试工具对程序进行了优化，有效提升了程序性能。
5. 项目总结与汇报在实习的最后阶段，我对实习期间参与的项目进行了总结，撰写了项目报告。
在导师的指导下，我进行了项目汇报，展示了实习成果。
通过这次汇报，我巩固了所学知识，提高了自己的表达能力。
三、实习收获1. 知识层面：通过实习，我对微处理器的原理、架构、编程以及性能优化等方面有了全面的认识，为今后的工作打下了坚实的基础。
2. 技能层面：在实习过程中，我掌握了微处理器编程、调试、优化等技能，提高了自己的实际操作能力。
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。
常用数字芯片
常用数字芯片数字芯片是指由集成电路技术制造的芯片，在电路中完成数字信号的处理和计算的功能。
数字芯片的种类很多，常用的数字芯片有很多种，下面列举一些常见的数字芯片。
1. 微处理器芯片（Microprocessor Chip）：微处理器是指集成了中央处理器（CPU）、存储器、输入输出接口等功能的芯片。
常见的微处理器芯片有Intel的x86系列和ARM系列的芯片，它们是计算机和移动设备的核心处理器。
2. 数字信号处理器芯片（Digital Signal Processor Chip）：数字信号处理器是一种专用于处理数字信号的芯片，主要用于音频、视频和通信等领域。
常见的数字信号处理器芯片有德州仪器的TMS320系列和ADI的Blackfin系列，它们具有高性能和低功耗的特点。
3. 逻辑门芯片（Logic Gate Chip）：逻辑门芯片包括与门、或门、非门等逻辑门电路，用于实现逻辑运算。
逻辑门芯片广泛应用于计算机、电子器件和数字电路中，常见的逻辑门芯片有74系列逻辑芯片，如74LS00、74HC00等。
4. 存储芯片（Memory Chip）：存储芯片用于数据的存储和读取，分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种。
常见的存储芯片有动态随机存储器（DRAM）和闪存（Flash Memory）芯片，用于计算机、手机等设备的存储和扩展。
5. 时钟芯片（Clock Chip）：时钟芯片主要用于提供时钟信号，控制其他芯片的工作节奏，包括主时钟、RTC（Real Time Clock）等。
常见的时钟芯片有石英晶体振荡器和PLL（Phase-locked Loop）芯片，用于各种电子设备。
6. 接口芯片（Interface Chip）：接口芯片用于连接外部设备和计算机系统，实现数据的输入和输出。
常见的接口芯片有UART、USB、SPI、I2C等，用于串口通信、USB接口和各种外设的连接。
7. 可编程逻辑器件（Programmable Logic Device）：可编程逻辑器件包括可编程逻辑阵列（PLA）和可编程逻辑阵列（PAL）等，可根据需求进行编程，实现特定的逻辑功能。
常用微处理器介绍
中断源 软件
外部中断
串行口
软件定时器
HS1.0
高速输出
HSI 数据
A/D 转换完成 定时器溢出
中断向量地址
2011H 2010H 200FH 200EH
200DH 200CH
200BH 200AH
2009H 2008H
2007H 2006H 2005H 2004H
2003H 2002H 2001H 2000H
其停止计数并恢复为 0。 ? 定时器 1产生高速输入单元 HSI 和高速输出单
元HSO的基准时间。
第二十页，编辑于星期一：十二点 三十九分。
高速输入单元
? 高速输入单元 HSI 可用定时器 1作实时时钟来
记录外部事件发生的时间。“高速”表示事
件的获取无需 CPU的干预。
方式选择位
事件定义
00
8 个正跳变为一个事件
? 微机测控系统中最常用的是 8位以及 16位单 片机。
第三页，编辑于星期一：十二点 三十九分。
3.1.1 MCS-51系列单片机
? Intel在20世纪 80年代初研制。在 80年代中期
以专利转让形式把 51内核给了许多半导体厂
商，形成了与 51指令系统兼容的单片机。 ? 目前，国内市场上以 Atmel和Philips 公司的 51
成准 16位。 ? 与51的主要区别：
? 取消累加器结构，可直接对寄存器组合及专用
寄存器构成的 256字节地址空间进行操作。 ? CPU通过专用寄存器直接控制 IO。
? HSI、HSO
? PWM
第十三页，编辑于星期一：十二点 三十九分。
80C196KB 及8098单片机引脚
第十四页，编辑于星期一：十二点 三十九分。
第02章 微型计算机系统中的微处理器
主要引线（最小模式下）：
8088是工作在最小还是最大模式由MN/MX端状态决 定。MN/MX=0工作于最大模式，反之工作于最小模式
AD7---AD0：低8位地址和数据信号分时复 用。在传送地址信号时为单 向，传送数据信号时为双向。 A19--- A16：高4位地址信号，分时复用。 A15--- A8 ：输出8位地址信号。
第2章 微型计算机系统中的微处理器
2.1 微型计算机的组成及工作原理 2.1.1微型计算机基本结构（冯诺依曼结构）
存储程序工作原理是指把程序存储在计算机内， 使计算机能像快速存取数据一样地快速存取组 成程序的指令。为实现控制器自动连续地执行 程序，必须先把程序和数据送到具有记忆功能 的存储器中保存起来，然后给出程序中第一条 指令的地址，控制器就可依据存储程序中的指 令顺序周而复始地取指令、译码、执行，直到 完成全部指令操作为止，即控制器通过指令流 的串行驱动实现程序控制
2.1.2微处理器CPU
1、寄存器组 2、算术逻辑单元ALU 3、控制器 （1）程序计数器PC （2）地址寄存器AR （3）数据寄存器DR （4）指令寄存器IR和指令译码器ID （5）时许部件
2.1.3 总线
1、DB 2、AB 3、CB
2.1.4 存储器----P11 通常指内存，有读、写操作
图2-13 8086CPU最小模式下的典型配置
2．最大工作模式
由图2-4可知， 最大模式配 置和最小模 式配置有一 个主要的差 别： 最大模 式下多了 8288总线控 制器。
图2-4 8086CPU最大工作 模式下的典型配置
2.6 8086的总线时序
1．读周期的时序 2．写周期的时序
1．读周期的时序（图2-9）
第2章
微处理器的发展
微处理器的发展历史第一代:1971-1973年字长(4/8)典型产品：Intel 4004、4040, Intel8008Intel公司研制出MCS4微型计算机（CPU为4040，4位机）。
1971年，第一台微处理机4004由英特尔公司研制成功。
第二代：1974-1977年字长（8）典型产品：Intel8086，Motorola 6800,Zilog Z-80,Rockwell 6502 微型计算机的发展和改进阶段。
1975年，ATARI——8800微电脑问世。
1977年，柯莫道尔公司宣称全组合微电脑PET——2001研制成功。
1977年，TRS——80微电脑诞生。
1977年，苹果——II型微电脑诞生。
第三代：1978-1984年字长（16）典型产品：Intel 8086、8088、80186、8286，Motorola MC68000 16位微型计算机的发展阶段微型计算机代表产品是IBM-PC（CPU为8086）。
本阶段的顶峰产品是APPLE公司的Macintosh(1984年)和IBM公司的PC／AT286(1986年)微型计算机。
1979年，夏普公司宣布制成第一台手提式微电脑。
1982年，微电脑开始普及，大量进入学校和家庭。
1984年1月: Apple 的Macintosh发布。
基于Motorola 68000微处理器。
可以寻址16M。
第四代：1985-1991年字长（32）典型产品：Intel90386、80486，Motorola 68020、MC68030、68040，Z8000032位微型计算机的发展阶段Intel公司推出了Pentium或称P5（中文译名为“奔腾”）的微处理器，它具有64位的内部数据通道。
1985年10月17日: 80386 DX推出。
时钟频率到达33MHz，可寻址1GB内存。
比286更多的指令。
每秒6百万条指令，集成275000个晶体管。
1987: Macintosh II发布，基于Motorola 68020处理器。
8086微处理器的工作过程
8086微处理器的工作过程
8086微处理器是一种16位微处理器，它是Intel推出的一款经典产品，被广泛应用于个人电脑和嵌入式系统中。
它的工作过程可以从以下几个方面来描述：
指令执行过程，8086微处理器的指令执行过程包括取指令、译码、执行和写回四个阶段。
首先，指令被取出并存储在指令寄存器中，然后被送到指令译码器中进行译码，确定指令的操作类型和操作数。
接着，指令被执行，执行的结果可能会写回到寄存器或者存储器中。
数据传输过程，8086微处理器通过数据总线和地址总线与外部设备进行数据传输。
当需要从外部设备读取数据时，8086将地址发送到地址总线，然后通过数据总线将数据传输到内部寄存器中。
反之，当需要向外部设备发送数据时，8086将数据发送到数据总线，然后通过地址总线将数据传输到外部设备中。
中断处理过程，8086微处理器支持外部设备通过中断请求线向其发出中断请求。
当发生中断请求时，处理器会根据中断类型执行相应的中断服务程序，并在执行完中断服务程序后返回到原程序继
续执行。
时序控制过程，8086微处理器的工作时序由内部时钟控制，不同的指令需要不同的时钟周期来完成。
时钟信号的频率决定了微处理器的工作速度，同时也影响了系统的整体性能。
总线控制过程，8086微处理器通过控制总线与外部设备进行数据传输和通讯。
总线控制信号包括读、写、传输方向等，控制着数据在总线上的流动和处理器与外部设备的交互。
8086微处理器的工作过程涉及到指令执行、数据传输、中断处理、时序控制和总线控制等多个方面，它在计算机系统中扮演着核心的角色，对于理解计算机的工作原理具有重要意义。
微处理器的结构及存储器
存储器对微处理器性能的影响
访问速度
存储器的访问速度直接影响微处理器的运行效率。
容量限制
存储器的容量限制了可以存储的数据量，影响微 处理器的处理能力。
功耗管理
存储器的功耗管理对于微处理器的节能和散热至 关重要。
现代微处理器中的缓存（Cache）
缓存层次结构
缓存容量
缓存容量的大小决定了可以存储的数据量，影响缓 存的命中率。
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现代微处理器通常采用多级缓存结构，包括 L1、L2、L3等。
缓存替换策略
当缓存满时，需要选择替换哪一行数据，常用 的策略有最近最少使用（LRU）等。
05 微处理器与存储器的发展 趋势
新型存储器的出现
非易失性存储器
如铁电随机存取存储器 （FeRAM）、相变随机 存取存储器（PRAM） 和磁性随机存取存储器 （MRAM），具有低功 耗、快速读写和长期数 据保持等优点。
寄存器组的数量和类型直接影响微处理器的性 能和功能，是微处理器设计中需要考虑的重要 因素之一。
03 存储器的分类与结构
随机存取存储器（RAM）
总结词
随机存取存储器（RAM）是一种易失性存储器，数据存储在RAM中是暂时的， 断电后数据会丢失。
详细描述
RAM是微处理器中最重要的存储器之一，它允许数据在任何位置随机存取，读 写速度较快，但断电后数据会丢失。RAM通常分为静态随机存取存储器 （SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）。
02 微处理器的基本结构
运算器
运算器是微处理器中执行算术和逻辑运算的部件， 主要负责处理数据和执行指令。
它包括算术逻辑单元（ALU）、累加器、寄存器 等组件，用于执行加减乘除、逻辑运算等操作。
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
组成：
（1）四个段地址寄存器
CS:16位代码段寄存器；DS:16位数据段寄存器；
ES:16位附加段寄存器；SS:16位堆栈段寄存器。
（2）16位指令指针寄存器IP（PC）。 （3）20位的地址加法器。 （4）六字节的指令队列缓冲器。
说明：
（1）指令队列缓冲器：在执行指令的同时，将取下一 条指令，并放入指令队列缓冲器中。CPU执行完一条指 令后，可以指令下一条指令（流水线技术）,提高CPU 效率。
1、地址/数据总线
AD15-AD0：地址/数据复用引脚，双向，三态。
•（8086/8088）AD15-AD0：16位地址总线A15-A0，输 出访问存储器或I/O的地址信息。 •（8086）AD15-AD0：16位数据总线D15-D0，与存储器 和I/O设备交换数据信息。 •（8088）AD7-AD0：8位数据总线D7-D0，与存储器和 I/O设备交换数据信息。
为什麽需要设计专门的微机总线呢？
2、CPU的主要参数
（10）RESET：复位信号，输入，高电平有效。 RESET信号至少要保持4个时钟周期。复位时：标志寄 存器、IP、DS、SS、ES为0，CS=FFFFH，复位后 CPU从FFFF0H处开始 执行。
（11）ALE：地址锁存允许信号，输出，高电平有效。 用来锁存地址信号A15-A0，分时使用AD15-AD0地址/ 数据总线。
(3)8086存储器的逻辑地址和物理地址
存储器中的每个存储单元都可以用两个形式的地址来 表示： 实际地址（或称物理地址）和逻辑地址。
实际地址：也称物理地址，是用唯一的20位二进制数 所表示的地址，规定了1M字节存储体中某个具体单 元的地址 。 逻辑地址在程序中使用，即段地址：偏移地址 。
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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”。