一章位微处理器

第11章32位微处理器本章教学目的n了解8028680486CPU和PENTIUM等32位机的结构和特点。了解计算机常用的总线标准和整机结构。本章 学习要求了解了解:p8028680486CPU和PENTIUM机的结构和特点。p计算机常用的总线标准和整机结构。主要内容n80386微处理器的结构n32位微处理器的地址总线和数据总线nPentium微处理器结构n32位微处理器的型号很多，Intel公司推出的主要类型有80386，80486和Pentium微处理器。n32位80386微处理器是为多用户和多任务操作系统而设计的q具有32位寄存器和数据通道q支持32位地址和数据类型nCPU片内有存储器管理部件q可实现分段和分页管理，使微处理器地址有4GB(千兆字节)物理存储器和64MMB(万亿字节)虚拟存储器，以及有4级保护功能，因此程序不能访问段所规定区域以外的单元，数据也不能写入到禁止的段里n指令流水线技术，在高速缓冲存储器(cache)和高速总线带宽的作用下，缩短了指令执行时间及增加了系统的数据吞吐能力。n80486微处理器是在80386基础上又增加了浮点运算部件和高速缓冲部件，其性能和速度又提高了一大步。nPentium处理器是一种最先进的32位微处理器。它是一种双ALU流水线工作的CPU，每一个时钟周期可执行两条指令，提供了强有力的工作站和服务器功能。nPentium，及微处理器又增添了多媒体处理功能，所以，Pentium微处理器也就最适用于多媒体计算机和网络计算机中。11.1 80386微处理器的结构n中央处理部件(CPU)q指令部件n指令预取队列n已译码指令队列q执行部件nALU 32位n8个32位通用寄存器组n64位的桶形移位器n乘除硬件n存储管理部件(MMU)q分段部件q分页部件q页是机械划分的，每4KB为一页，程序或数据均以页为单位进入实存。q存储器按段来组织，每段包含若干个页，段的最大容量可达4 000MB。q一个任务最多可包含16K个段，所以80386可为每个任务提供64MMB的虚拟存储空间。q为了加快访问速度，系统中还设置有高速缓冲存储器(cache)，构成完整的cache主存辅存的3级存储体系。n总线接口部件(BIU)q总线接口部件通过数据总线、地址总线和控制总线负责与外部取得联系，包括访问存储器预取指令，读写数据和访问IO端口读写数据等全部操作及其他控制功能。80386的寄存器q通用寄存器组q段寄存器q指令指针q标志寄存器q控制寄存器q系统地址寄存器q调试寄存器q测试寄存器图图11.211.2 32位微处理器的地址总线和数据总线n地址总线q32位地址总线是用30条地址线A2A31加上4个字节允许符BE0BE3来实现。q32位微处理器的物理寻址空间有4GB，即232字节n数据总线q32位数据总线q可以使用BS8和BS16引脚输入控制信号来改变数据总线的宽度，将数据传送到8位或16位设备中去。11.3 32位微处理器的工作方式32位微处理器有3种工作方式n实地址方式(real mode)q实地址方式的工作原理与8086基本相同，其主要区别是32位微处理器能处理32位数据。n保护方式(protected mode)q保护方式下，CPU可访问232字节的物理存储空间，段长为232字节，而且还可以实施保护功能q32位微处理器为了支持多任务操作系统，以4个特权级来隔离或保护各用户及操作系统。n虚拟8086方式(virtual 8086 mode)q在虚拟方式下，运行8086程序可以尽量利用32位微处理器的保护机构。尤其是32位微处理器允许同时执行8086的操作系统及其应用程序和32位微处理器操作系统的应用程序。11.7 80486位微处理器的特点简介下面对80486微处理器的特点作简单介绍。(1)80486 CPU除了有一般32位微处理器的保护功能、存储器管理功能、任务转换功能、分页功能和片内高速缓存器外，还具有浮点数运算部件。因此，在计算机系统内不再需要数字协处理器，是一种完整的32位微处理器。(2)80486 CPU能运行Windows,DOS,OS/2和UNIX V/386等操作系统，它与Intel公司的80X86系列的各种微处理器兼容。(3)80486 CPU具有完整的RISC内核，使得常用的指令执行时间都只要一个时钟周期。(4)80486 CPU采用8KB统一的代码和数据cache(高速缓冲存储器)，具有160MB/s的突发总线，保证在整机中采用了廉价的DRAM(动态RAM)能达到较高的系统流通量。(5)80486 CPU内部的自测试功能包括执行代码和访问数据时的断点陷阱，会广泛地测试片上逻辑、cache和分页转换cache。11.8 Pentium微处理器nPentium微处理器是一种最先进的32位微处理器。它与DOS，Windows,OS/2和UNIX基础上的应用软件兼容。q有两组算术逻辑单元(ALU)、两条流水线、能同时执行两条指令；q并且把数据cache(高速缓冲存储器)和代码cache分开；不仅提高了总线的速度；还将数据总线增加到64条；q流水浮点部件提供了工作站的特性。因此它几乎具有两台80X86的功能。1.数据总线nPentium微处理器有64条数据总线是一般32位微处理器的一倍。2.地址总线nPentium微处理器的32位地址总线。32位微处理器的物理寻址空间有4GB，即232字节；而I/O地址空间只有64KB，即216字节。第12章PC总线及整机结构12.1PC机主机结构及主板概述PC机最主要核心部分：n主机箱n监控器(显示器)n键盘图图12.1图图12.2主板：(1)CPU及其相关器件所组成的系统；(2)总线扩展槽所形成的系统；(3)主板上的存储器(RAM及ROM)系统；(4)芯片组(chipset)及其他芯片；(5)跳线(jumper)及各种辅助电路。图图12.3图图12.412.2 常用的常用的CPU及其在主板上的插座及其在主板上的插座n微型计算机的主板上所配的CPU的主频必须与主板所设定的频率相一致。也就是说，主板上与频率有关的跳线跳线必须设定得与所选用的CPU相一致。这样才可以将CPU插到主板的插座上。n微型计算机的主板的型号常以其上所装的CPU而得名，如486DX2/66，486SX/33和586/166,P/355等等。这些型号的后面的数字表示该CPU的标称频率，其单位为MHz。当然，该主板上的晶体频率也已设定为该频率。如果主板上的晶体的频率设置得低于CPU的标称频率，则CPU被迫只好在低于其标称频率下运行，这就意味着该微机将运行于较低的速率，从而降低了CPU的性能和功能。第二代奔腾，即第二代奔腾，即P的插座与此完全不同。在的插座与此完全不同。在P主主板上有供其板上有供其CPU专用的专用的插槽插槽Solt 1。这种插槽安装起。这种插槽安装起来比较复杂，与其相关的说明书会有详细说明。来比较复杂，与其相关的说明书会有详细说明。12.3 PC机的总线结构及主板上的总线扩展槽机的总线结构及主板上的总线扩展槽1.ISA总线结构n工业标准结构（Industrial Standard Architecture，ISA)是IBM的标准兼容总线。它在1987年以前是通用的总线结构。nISA标准是一种系统总线的标准，q数据宽度为816位q工作频率为4.78MHzq传输速率最高可达8MB/S。q早期的IBM PC/XT用的是8位总线，它有8条并行线连接到扩展槽的各个插件板。当开发80286微处理器时，8位总线就太慢了，并行线数不够已相当明显。2.MCA总线结构该总线结构称为微通道结构（Micro Channel Architecture，MCA)。为了打破上面所说的ISA总体对32位微处理器形成的瓶颈，即高主频的微处理器与低速度及窄宽度的矛盾，IBM公司在推出第一台386型微机时，创造了一个全新的与ISA标准完全不同的系统总线标准MCA总线结构。此MCA总线标准，数据宽度为32位，并提供burst mode使其数据传输率为ISA的4倍。由于IBM公司为了垄断市场而不将MCA标准公布于众，所以MCA总线结构没有得到广泛的流行。3.EISA总线结构该总线结构称为扩展了的工业准结构（Extended Industrial Standard Architecture，EISA)。n为了冲破IBM公司的垄断市场的封闭标准行为，1989年由Compag,HP,AST,Epson,NEC Olivetti,Tandy,Wyse以及ZDS(ZeH Data System)九家计算机大公司联合推出一个新的总线标准EISA。此EISA不仅具有MCA的全部功能，同时保存了与ISA标准百分之百的兼容。EISA的公开性是对MCA的重大打击。n到目前为止，已有数百种EISA addon卡(包括LAN，SCSI，IDE，GRAPHIC等)相继问世，这样，EISA的应用领域得到了充分的发展。图图12.75.PCI总线结构外部设备互联(peripheral component interconnect，PCI）总线结构是Intel公司于1992年7月推出的，是为配合奔腾芯片而设计的。这种PCI总线结构也可在386和486系统上使用，但它主要是应用于奔腾系统。PCI总线的优点如下：总线的优点如下：(1)即插即用(plug and play)PCI总线有自动将增加的PCI卡配置到系统中去的能力。(2)可使用在多处理器环境中，还可支援多媒体及数据量非常大的应用。它不会使CPU负担过重，又能支援更多的局部总线。(3)PCI的扩展槽可以多达10个，而VLB最多只允许三个扩展槽。PCI总线可与ISA，EISA，VESA共存于同一主板上。有3种不同的PCI插座：一种用于32位总线，一种用于3V的64位总线，还有一种则用于5V的64位总线。n所谓总线，说全了就是“总线标准”。所谓总线标准就是由CPU出来的数据线、地址线、控制线等必须按照各自的标准在总线插座上安排。n根据ISA总线标准设计的总线插座只能接受根据ISA总线设计的插件。根据EISA总线标准设计的总线插座只能接受根据EISA总线设计的插件。根据PCI总线标准设计的总线插座只能接受根据PCI总线设计的插件，等等。n如果只有一个总线插座，CPU就只能接受一个插件，不能发挥CPU的强大功能。为此，主板上设有若干个扩展插座，也就是常说的扩展槽。总线扩展槽一般有48个。如果兼有ISA，ESA和PCI的话，每种的个数就会少些。12.4主板上的存储设备nPC机中有各种各样的存储设备。在主板上的存储设备有下列几种：内存条；基本输入输出系统（BIOS）；高速缓冲存储器（Cache）。n在主板外，又和主板用扁平电缆相连的存储设备有下列几种：软盘存储器；硬盘存储器；光盘存储器。2.BIOS及CMOS设置n基本输入输出系统(basic input output system，BIOS)是在计算机一通电时就能监测计算机的各个主要部件的程序。nBIOS的性能对主板的性能影响很大。BIOS提供了一个便于操作的系统软硬件接口。n操作BIOS是通过CPU的程序中断方式。BIOS中的各项操作是通过它们各自的中断来实现的。BIOS的流行程序有下列3种：(1)AMI BIOS是American Megatrends Inc.公司设计的。(2)MR BIOS是Euposoft公司设计的。(3)AD BIOS是Award公司设计的。12.5 主板上的芯片组n芯片组在主板上的作用仅次于CPU，其功能就是支持CPU的工作。比如CPU完成计算工作，芯片组就把计算结果传送给有关部件。DMA和IRQ控制器也都融合在芯片组内，这样就使得主机板上的器件较少。n芯片组对整个主机板的性能和功能也有重要影响，比如较老的奔腾主机板就不支持新式的带多媒体的奔腾CPU(MMX)，这就是芯片组的作用。n基本概念基本概念q80386微处理器的结构q32位微处理器的地址总线和数据总线qPentium微处理器结构q计算机的总线标准。q计算机的整机结构。本章本章 小结小结参考文献参考文献n郑学坚，周斌.微型计算机原理及应用（第三版）.北京：清华大学出版社，2001n郑学坚，马力妮.微型计算机原理及应用试验指导.北京：清华大学出版社，2001n周佩玲，彭虎.微机原理与接口技术.北京：电子工业出版社，2005n姚燕南，薛钧义.微型计算机原理.西安：西安电子科技大学出版社，1994n邹逢兴.微型计算机接口原理与技术.长沙：国防科技大学出版社，1993n幸云辉.16位微型计算机原理与应用.北京：北京邮电学院出版社，1991n尹彦芝.IBM-PC宏汇编语言程序设计.北京：水利电力出版社，1987