《微机原理》PPT课件.ppt

微机系统与接口技术 武汉大学计算机学院 主讲 吴产乐 本课程在计算机课程体系中的位置 本课程是计算机科学与技术和信息安全等专业本科和专科学生必修的一门专业课 其前修课程有大规模集成电路 计算机组成原理 计算机系统结构 数据结构等 为进一步学习和研究计算机网络 分布式系统 大规模并行处理系统 计算机集群 网格系统等打下坚实的基础 本课程的教学目的 系统学习微处理器 内外存储器 各种控制器和输入 输出接口芯片的结构和原理 掌握构成现代微机系统的硬软件组成和接口技术 切实掌握微型计算机实现技术 计算机主板组成原理 各种接口设计及其驱动编程方法 微机系统的研究和开发 深入了解微处理器和微机系统的新发展和新技术 学会系统科学地分析问题和解决问题 提高认知能力和创新能力 本课程的要求 同学们不仅要学习32位微处理器的原理及微机各种接口电路的原理与作用 而且还要掌握常用接口的设计与分析方法 并具有一定的动手实验能力和接口应用程序的编写能力 为将来的学习与实践打下良好基础 请同学们下载电子讲义 在课堂上注意听讲并在讲义中补充课堂笔记 认真独立完成作业 做好实验 做好课前预习和课后复习 本课程的所有教学活动都可以在网络上进行 欢迎大家登录电子学习网站 本课程的教材 本课程内容组织 第二章 32位微处理器体系结构与工作原理 第三章 内存储器 半导体存储器 存储器硬件组织 存储器子系统 第五章 微机与外设数据交换 中断方式与8259DMA方式与8237 第六章 总线技术 系统总线局部总线外设总线通信总线 第七章 用户交互接口 键盘接口 打印机接口 显示器接口 第八章 外存储器 磁记录编码 EIDE和SCSI接口 磁盘阵列 光盘 第四章 I O接口 计数器82C54并行接口82C55A串行通信与8250 第一章 微机系统和接口的组成原理 典型微处理器简介 第九章 微计算机组成 IBMPC XT IBMPC AT 32位微机系统 第一章概论 1 1微计算机系统组成 微型计算机属于第四代电子计算机产品 一般主机按体积 性能和价格分为巨型机 大型机 中型机 小型机和微型机五类 起初 中央处理器CPU的运算器和控制器集成在一片集成电路芯片上 称为微处理器MPU 微处理器是微机系统的核心部分 自70年代初出现第一片微处理器芯片以来 微处理器的性能和集成度几乎每两年翻一番 其发展速度大大超过了前几代计算机 1 1 1微机系统 微计算机和微处理器 1 2典型微处理器简介1 2 18位微处理器 特点 产品 Intel8080 Motorola6800 ZilogZ80 RockwellR6502 特点 线宽 2 m NMOS 8000管主频 1MHz M6800 2MHz 8080 2 5 4 0MHz Z80 总线 8DB 16AB 40DIP寄存器 8080有9个 B C D E H L以及W Z 累加器 SP PCMC6800有6个 PC SP IX Acc A Acc B CCRZ80有18个8位寄存器以及4个16位寄存器PC SP IX IYI O端口 i8080和Z80是独立编址 M6800是存储器映像指令 70 80条周期为2 s时钟 单 多相电源 单 多电源 5v 12v功能 中断 堆栈 微程序控制语言 汇编 高级语言的解释和编译应用 商业和实时控制 智能终端 生产 进程控制 PC 1 2 18位微处理器 i8080 Intel8080 由8080芯片 系统控制器8228 时钟发生 驱动器8224构成 1973年 Motorola6800 ALU 指令译码和控制 寄存器组 I O和数据缓冲 1974年 1 2 18位微处理器 M6800 1 2 18位微处理器 Z80 Z80 由ALU 控制部件 寄存器组 总线及其缓冲器组成 1977年 两组通用R 变址R 中断页面I 刷新计数器R 较强中断能力 电源时钟单一 158条指令 兼容8080指令系统 1 2 216位微处理器 i8086 i8088 1 1 Intel8086 8088 1978 1979年 线宽 1 5 mCOMS工艺2 9万管5MHz 8MHz主频DB 内部 16位 外部 8086为16位 8088为8位AB 20位 寻址1MB地址空间EU ALUAX BX CX DX 通用寄存器SP BP 指针寄存器DI SI 变址寄存器FLAGS 状态标志CF PF AF ZF SF OF控制状态DF IF TF指令译码控制电路BIU CS DS SS ES段寄存器IP指令指针内部通信寄存器20位地址加法器 REGx16 偏移量指令队列FIFO 8088是4B 8086是6B总线控制电路 1 2 216位微处理器 i8086 i8088 2 BIU 与内存及I O芯片接口 提供总线控制信号 执行外部总线周期 根据EU请求完成取指和数据交换 EU 指令执行 进行数据处理和有效地址计算并管理R 1 2 216位微处理器 i80186 i80188 2 Intel80186 80188单片机 内含8MHz主频 68引脚的8086 8088时钟发生器片选和准备好电路一个中断控制器 PIC 1 二个DMA通道 DMAC 2 三个定时器 计数器 CNT 3 应用 智能控制器 网卡等 1 2 216位微处理器 i80286 1 3 Intel80286 1982年 1 概况增强16位 线宽1 5 2 m 13 4万管 6 25MHz主频DB 16四列直插封装AB 24片内MMU 物理地址16MB 虚拟地址1GB工作模式 实 地址 模式 8086全部功能 保护 虚拟地址 模式 实模式 存储管理 虚存支持 保护 多任务多用户支持 4级特权保护 支持OS与任务分离 支持任务中程序与数据保护CS DS SS ESTSS任务状态段 DTS描述符表段 GDT LDT IDT 15条新指令 1 2 216位微处理器 i80286 2 总线部件BU指令部件IU执行部件EU地址部件AU每个部件可与其他部件异步并行操作 运行速度比较快 1 2 216位微处理器 i80286 3 2 内部结构 BU IU EU AUBU CPU DB与80287FPU接口预取器和6B指令队列IU 指令译码器 指令字节 69位微码已译码指令队列 容纳3条指令EU ALU寄存器组 通用寄存器 FLAGS控制电路 69位微码 控制电位序列AU 实地址模式 段基址 偏移量 20位物理地址保护模式 存储保护 许可性 段限制逻辑地址 线性地址即24位物理地址 1 2 332位微处理器 i80386 1 1 Intel80386系列 1985 10 全32位体系结构MMU片内 Cache片外1 5 1 0 m CHMOS工艺 132引脚 27 5万管主频 12 5 40MHz物理地址4GB 虚存空间64TB段页式虚存6级流水线 1 内部结构 6个部件组成 指令流水线 地址流水线 总线接口部件 CPU 芯片总线特权请求控制器地址驱动器总线带宽控制器多路收发器接收预取部件取指和执行部件传数的请求 并做优先权处理 产生总线周期地址 数据和控制信号 与其它总线主控设备和协处理器接口 1 2 332位微处理器 i80386 2 总线接口指令预取指令译码执行分段分页部件 1 2 332位微处理器 i80386 3 指令预取部件预取器 总线空闲时 通过BIU按序取指送入预取队列 预取队列 16B 指令译码部件 指令译码部件指令译码 指令字节 内部码已译码指令队列 缓冲深度3条指令 部件组成80386的指令流水线 执行部件控制器数据处理器保护检测把已译码指令队列中的内部码转换成时序控制信号 其他部件协同完成指令操作 还用专用硬件加速某些操作的执行 分段部件 逻辑地址 线性地址三输入加法器描述符寄存器限长和属性PLA经过分段有效性检查 把逻辑地址转换成线性地址 1 2 332位微处理器 i80386 4 分页部件 线性地址 物理地址加法器页Cache控制和特性PLA允许分页时 将从分段部件或指令预取部件得到的线性地址转换成物理地址 并用TLB加速地址变换 变换后的物理地址送BIU 完成了内存与I O的存取 部件组成80386的地址流水线 部件构成存储器管理部件MMU 1 2 332位微处理器 i80386 5 2 寄存器组32位寄存器 EAX EBX ECX EDX ESI EDI EBP ESP指令指针 EIP 32 IP 16 EFLAGS VM RF NT IOPL OF DF IF TF SF ZF AF PF CFVM 虚拟8086模式RF 恢复标志NT 任务嵌套IOPL I O特权级控制RCR0 定义控制标志CR1 保留CR2 页故障线性地址CR3 页目录表基址系统地址寄存器测试寄存器调试寄存器段寄存器 16位 CS SS DS ES FS GS 1 2 332位微处理器 i80386 6 3 工作模式实模式 与8086相同 可以处理32位数据 增加FS GS保护模式 4GB物理空间 段长可达1MB 不用页 4GB 启动页 多任务保护机制虚拟8086模式 实模式 保护功能 4 存储地址空间物理地址空间4GB虚拟地址空间64TB 1 2 332位微处理器 i80386 7 5 80386Family80386DX全32位 80386原型80386SX外部DB16位 外部AB24位80386SL采用低功耗和SMM 系统管理模式 的80386SX3 3V和5V电源 SMI和静态CMOS工艺 系统闲置时工作频率降到0Hz进入休眠状态 功耗低于0 25W80386DL采用SL技术的80386DX 低功耗和节能型80386EXAB为26位的80386SX 增加系统管理模式和能源管理技术 主要应用于嵌入式系统 1 2 332位微处理器 i80486 1 2 Intel80486系列 1989 4 1 特点1 0 0 8 m工艺120万管25 120MHz168针PGARISC技术 40MIPS 常用指令执行仅1T微码控制 部分硬布线逻辑 降低指令执行的时钟数突发总线 BurstBUS 技术 地址相关的16B数据I O内部集成了FPU和Cache 并支持二级Cache内部结构 总线接口部件指令预取部件指令译码部件控制部件整数部件段部件 重定位页部件 固定页面Cache 数据与指令共用8KB 4路组相联FPU 算术运算 超越函数全32位体系结构 地址总线 数据总线和寄存器组数据总线动态变换 8 16 32位 1 2 332位微处理器 i80486 2 总线接口指令预取指令译码控制整数分段分页Cache浮点部件 1 2 332位微处理器 i80486 3 2 80486系列80486DX 80386 80387 8KBCache及控制器80486SX 80386 8KBCache及控制器80486SL低功耗节能型80486DX能工作在3 3V 电源切断电路 SMI 休眠状态80486SX2时钟倍频技术的80486SX80486DX2时钟倍频技术的80486DXIntelDX4时钟3倍频技术的80486DX0 6 m工艺 3 3V 时钟频率100NHz 16KBCache 1 2 332位微处理器 Pentium 1 3 IntelPentium系列 1 Pentium 1993 3 奔腾0 8 0 6 m静态BiCMOS工艺 310万管 273脚PGA 60 233MHz主频 RISC与CISC结合产品 超级流水线 U V两条流水线 1T执行2条指令 每条流水线都有ALU 地址生成逻辑和数据Cache接口 5级流水 高性能FPU 浮点数运算高度流水线化 8级流水 每T可完成1 2个浮点操作独立的指令Cache和数据Cache 都是8KB 数据Cache有二个接口分别与U V两条流水线相连 2路组相联存储器 分支预测 提高性能到达90MIPS分支目标缓冲器 BTB 的小Cache来动态预测程序的分支操作 64位外部DB 用于同内存以528MB S 66MHz钟频 交换数据 1个突发总线周期读入256位数据 1 2 332位微处理器 Pentium 2 600nmBiCMOS工艺超级流水线高性能FPU独立指令和数据CACHE分支预测外部DB64位 1 2 332位微处理器 PentiumPro 1 2 PentiumPro 1995 11 高能奔腾0 6 0 25 m四层BiCMOS工艺 387脚PGA 155 433MHz CPU内核 有8KB代码L1Cache 8KB数据L1Cahce 550万管 与CPU同频的256KBL2Cache 1550万管 64位全速总线相连 5个并行处理单元 整数 2 存储 1 装载 1 浮点 1 CISC指令RISC化 将指令分解为微操作乱序执行 Outoforderexecution CPU允许指令不按程序顺序发给处理单元 能提前的立即分发执行 然后重排单元将结果按指令顺序重排 CPU内电路满负荷 提高其运行速度动态分支预测和推测执行 dynamicbranchprediction speculativeexec 3路超标量结构和14级流水线结构 提高并行处理能力 1 2 332位微处理器 PentiumPro 2 1 2 332位微处理器 PentiumMMX 3 PentiumMMX Multimediaextension 1997 1 多能奔腾0 35 mCMOS工艺 450万管 160 233MHz 4种新的数据类型 8个64位寄存器和57条新指令 对IA 32指令系统扩展 浮点寄存器别名映象 A V 图形图象处理 多媒体及通信 新数据类型 紧缩的字节 字 双字和四字的64位数据放在8个64位寄存器 采用SIMD技术单指令处理多个数据饱和运算 环绕处理 F000H 4000H 3000H溢出截断 低位返回 进位丢失饱和运算 F000H 4000H FFFFH溢出结果截至数据类型最大 小位适用于图形等多媒体处理积和运算 矢量点积和矩阵乘法是A V和图象数据基本运算指令 PMADDWD积和运算指令用于压缩 解压SIMD技术 与紧缩数据类型配合提高性能 1 2 332位微处理器 PentiumII 4 PentiumII 1997 5 AMDK6 20 25 m工艺 750万管 233 450MHzPII PentiumPro PentiumMMX两级Cache L1为16KB 16KB L2为512KB 移到片外 运行频率为CPU核心频率一半 64位高速总线 除掉L2Cache即为Celeron 赛扬 处理器 浮点与PII持平 后加入高速128KBCache 动态执行多分支预测 预测程序流向 加速处理器的工作流程 数据流分析 分析指令流数据依赖关系 优化指令执行排序 推测执行 并行推测执行指令 使执行单元始终处于运行状态 双重独立总线结构DIBL2Cache总线 L2Cache与CPU专用总线 和系统总线 用于Mem 可提供3倍于单一总线结构处理器的带宽性能 单边接触盒 SEC 封装CPU和L2Cache SEC Slot1 主板双64位后端总线非PGA242触点 1 2 332位微处理器 PentiumIII 5 PentiumIII 1999 2 AMDK7 Athlon0 25 m工艺 950万管 70条SSE StreamingSIMDExtensions 指令 用于语言识别 实时压缩 三位图象处理 A V处理 L1Cache 16KB指令Cache和16KB数据Cache L2Cache 512KB 为CPU核心速度的一半 8x128bit单精度寄存器 同时处理4个单精度 4x32位 浮点变量 20亿次 秒浮点运算 继承了PII的动态执行 双重独立总线技术 100MHz前端总线 1 2 332位微处理器 PIIICoppermine 6 PentiumIIICoppermine 1999 10 0 18 m工艺 主频733MHz 外频133MHz 2800万管 1 1 1 7V256KB的L2Cache置于片内 工作在CPU核心频率下Cache转换架构L2Cache 256b宽通路 每时钟传32B 带宽11 2GB S 先进的系统缓冲器填充Buffer 4 6总线队列 4 8回写缓冲器 1 4移动PC的SpeedStep技术降低速度和电压后 延长运行时间 外接电源时 以全速全压运行 2000 6AMDAthlon Thunderbird 雷鸟 与PIIICoppermine有相同的缓存特性 同时将L2缓存间联合并发处理的通道数从2个增到16个 性能提升 1 2 332位微处理器 ProPIIPIII 1 2 332位微处理器 Pentium4 1 7 PentiumIV或Pentium4 2000 11 0 18 m工艺 6层铝金属层 4200万管 面向互联网技术 内核构架NetBurst IA 32体系结构超级流水线技术 20级 PIII是10级 ALU用内核频率的2倍 直接加速了整数指令的执行速度 将取指 译码 取数 执行和回写分给指令流水线不同级同时处理执行跟踪缓存指令L1Cache ExectcionTraceCache指令解码 执行跟踪缓存 1200条微操作 第1级流水出现分支预测错误 可从跟踪缓存中重新获取微操作 减少预测错误影响 高级动态执行引擎 为EU动态提供指令不使其停顿不等待数据的指令送到EU去执行增强的分支预测功能和BTB 4KB 高效的乱序推测能力减少预测失败引起的延迟快速执行引擎 ALU在时钟的上升和下降沿都执行运算 是CPU主频的两倍 平均半个时钟周期完成1条指令 采用的是时钟缓冲 Clockbuffering 电路 1 2 332位微处理器 Pentium4 2 1 2 332位微处理器 Pentium4 3 SSE2指令 对Internet 3D和多媒体技术144组指令提升多媒体指令的执行性能128bit的MMX寄存器128bit的SIMD整数运算128bit的双精度浮点运算提升多媒体指令的执行性能 如DVD MP3 MPEG 4的回放400MHz系统总线配合800MHz的RDRAM 其内存带宽 即3 2GB s数据传输率采用QDR QuadDateRate 技术 4条64位数据流 1 2 464位微处理器 基本术语 指令集CISC X86 x86 64指令集的Intel AMD等处理器 RISC PowerPC SPARC PA RISC MIPS Alpha等EPIC Itanium ItaniumIIX86 64 AMD64 EM64T 前身是IA 32E CPU扩展指令集MMX 57条多媒体指令SSE 70条 50条SIMD浮点运算 12条MMX整数运算 8条优化数据块传输SSE2 144条 SSE部分和MMX部分SSE3 13条 数据传输 数据处理 特殊处理 优化命令 超线程性能增强超标量和超流水线超流水线通过流水细化 提高主频 在1T内完成多个操作 以时间换取空间 超标量是内置多路流水线实时执行多处理器 以空间换取时间封装针栅阵列 PGA 封装的MPU使用socket插座单边接触盒 SEC 封装的MPU使用slotX 1 2 464位微处理器 Itanium 1 Itanium 开发代码Merced 安腾 Intel和HP IA 64架构 64位寻址能力和64位寄存器工艺 Madison100nm Montecito90nm 4 1亿管 指令定长 降低解码复杂度 指令可对寄存器操作 显式并行指令计算 EPIC 技术编译器 分析指令间依赖关系无依赖关系的指令组合执行部件 成组的指令群并行执行并行调度是编译时由软件决定 硬件调度会增加复杂性和提高成本3级高速缓存 L132KB 指令和数据 L2256KB L31 5 6MBItanium2的L3有9MB 其双核的L3有24MB IA 64的分支预测在编译控制 分支判断与分支语句同时执行 投机装载 数据预装数据提前几十个周期放入L1Cache 避免未命中 减少访存 主频高900MHz 1 5GHz 400MHz系统总线 CPU带宽6 4GB s 1 2 464位微处理器 ItaniumII IA 64架构 向双核或多核发展主要特点 EPIC指令集分支预测推测执行集束指令工作模式 由处理器状态寄存器PSR决定执行IA 64指令集还是IA 32指令集5组部件 指令处理 执行 控制 内存子系统 IA 32兼容执行引擎IA 32兼容执行引擎 指令预取 解码 调度和控制 专用执行单元 通用寄存器 选择器 描述符寄存器 浮点寄存器 MMX寄存器 SIMD流扩展寄存器等IA 32EC技术 IA 32执行层技术将IA 32代码译成原始IA 64代码 充分利用IA 64强大资源 IA 32EL软件是与硬件分离的执行层软件 可全面增强IA 64系统上IA 32软件的执行性能争议问题 IA 64处理器引入了x86toIA 64解码器 但不是最有效 2 AMD64AMD使用x86结构并扩展到64位来获得x86 64结构 处理器能全速高性能地运行x86和x86 64程序 64位模式不采用分段模式 具有长模式和遗传模式 长模式包括64位模式和兼容模式 允许现有程序无需修改就运行在长模式下 真正的64位x86芯片 增加到16个64位REG 8组128位SSEREG 给SIMD提供更多空间 1 2 464位微处理器 AMD64 1 1 2 464位微处理器 AMD64 2 AMD64位MPU体系架构 Hammer 面向4路及8路服务器市场 补充AthlonMP32位MPU适用于大型数据库 数据挖掘 在线事务处理等企业级应用集成化的DDRDRAM控制器 支持ECC内存 检查和纠正内存中的代码错AMD的HyperTransport总线结构 使PC内部芯片之间的数据传输速率达到12 8Gbps此技术得到Apple Cisco Sun Transmeta Nvidia API PMC Sierra等支持AMD支持64位技术 Athlon64系列 速龙 Opteron系列 皓龙 Sempron系列 闪龙 Turion系列 炫龙 1 2 464位微处理器 IntelEM64T 3 IntelEM64T 前身是IA 32E Intel扩展64位内存技术 增强IA 32结构 扩展到64位结构操作 完全兼容现在的IA 32结构和x86 64技术 具有传统IA 32模式和扩展IA 32e模式 扩展IA 32e模式包括64位模式和兼容模式 由扩展功能激活寄存器IA 32 EFER选定 64位模式下具有以下特性 64位线性平面地址 增加8个新的通用寄存器 都扩展到64位 增加8个128位SIMD流扩展寄存器 SSE SSE2和SSE3 64位宽的通用寄存器和指令指针寄存器 1 2 5微处理器简介汇总 1 1 2 5微处理器简介汇总 2 1 2 5微处理器简介汇总 3 1 2 5微处理器简介汇总 4 1 3微机接口技术 微机接口技术是通过硬件的连接和软件的控制 将微处理器和各种LSI VLSI接口芯片有效地结合成微计算机系统的技术 应用接口技术的任务是对微机系统进行硬 软件设计 使微机能够有效地与外部世界和用户进行联系 充分发挥它的效能 硬件接口设计的任务是选择和使用适当的LSI VLSI接口芯片构筑微处理器与系统部件 外部设备间的接口 软件接口设计的任务是编制相应程序使可编程接口芯片发挥应有的功能和提高微机系统的性能和效率 1 3 1微机接口的类型 运行辅助 1 运行辅助接口微机的功能处于最 低 基本水平所需的接口CPU芯片总线变换成系统总线的那些接口地址锁存数据驱动和收发时钟和片选等电路外存通过EIDE或SCSI接口与主机系统连接 1 3 1微机接口的类型 用户交互 2 用户交互接口用户与主机系统交互的接口表示方法和表现速度的转换终端 键盘 鼠标 操纵杆 光笔 录入笔 语音识别显示 打印 语言合成表示方法的转换 外设进行转换计算机与外设的不同表示表现速度的同步 硬件中断或软件轮询使速度匹配主机与用户交互主机与外设交互串并行接口的数据转换 速率匹配 1 3 1微机接口的类型 传感和控制 3 传感和控制接口微机控制系统应用 传感接口监测状态 控制接口驱操作传感接口 A DC 模拟量 数字量数字量 系统总线接口 缓冲 接收 驱动传送给微机处理控制接口 D AC 数字量转换成模拟量 电压或电流直接或通过机电接口对外部世界控制控制接口有时比较复杂 1 3 2微机接口的基本功能