计算机组成技术第四章.ppt

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1、书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,1,4.3 Intel 80 x86系列微处理器,4.3.1 8086/8088 微处理器,4.3.2 Intel 80286、80386、80486 微处理器,4.3.3 Intel Pentium 系列微处理器,4.4 从 CISC 到 RISC,4.5 ARM系列微处理器简介,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,2,Intel微处理器X86家族简介,Intel4004:1971年推出,一般的微处理器,第一代微处理器芯片;,Intel8008:1972年推出,8位的微处理器,与400

2、4的指令系统不兼容;,Intel8080:1974年推出,8位通用的微处理器,它的指令集包含了8008的指令集，从而获得了与8080指令集的兼容性;第二代微处理器,Intel8086:1978年推出,16位通用的微处理器,第三代微处理器它有两个关键的结构概念使微处理器设计定型，且从8086开始执行;既存储器分段和指令译码表，Intel的X86家族也由此开始。,4.3.2 Intel 80286、80386、80486 微处理器,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,3,4.3.2 Intel 80286、80386、80486 微处理器,系列机的出现，使得指令

3、系统越来越庞大，包含的指令条数,越来越多，尤其是实现一些复杂指令时，使机器运行效率下,降，甚至造成硬件线路设计的难度加大，成本上升，因此,80386、80486控制器的设计组合逻辑控制为主，微程序控制,为辅的方法，其中大部分简单指令的执行使用硬件线路完成,而一些复杂指令的执行采用微码结构线路实现，用简单指令,集合来实现复杂指令，所以80486中增加了微码ROM部件。,组合逻辑控制系列产品,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,4,4.3.3 Intel Pentium 系列微处理器,Pentium微处理器内部采用32位结构，外部采用64位数据总线,设置有两条指

4、令流水线U和V部件，称为“超标量整数处理部,件”每条流水线采用5级整数流水，分别是取指、译码、取操作,数、执行和回写。另外还设置了超流水线浮点处理部件FPU，浮,点流水线由8级独立的流水线组成，分别为取指、首次译码、二,次译码、取操作数、首次执行、二次执行、写浮点数和出错处理,在“执行”阶段又加入了浮点运算流水。,超标量和超流水技术,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,5,4.4 从CISC 到 RISC,4.4.1 CISC 简介,随着VLSI技术的发展，在计算机系统中，硬件成本不断下降，软件成本不断上升，使得人们热衷在指令系统中增加更多的指令和复杂指令，

5、以适应不同应用领域的要求，并考虑尽量缩短指令系统与高级语言的语义差异，以便于高级语言程序的编译和降低软件成本。,1964年，IBM360系统的诞生标志着系列机的产生。为了做到系列机的程序向后兼容，新机器一定要继承旧机器指令系统中的全部指令，这使得同一系列计算机的指令系统越来越,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,6,复杂。我们称这些计算机为“复杂指令系统计算机”简称CISC(Complex Instruction Set Computer)。CISC缺点：1、计算机的研制周期变长，硬件成本增加；2、复杂指令延长了执行周期，从而降低了机器速度；3、难于将基于C

6、ISC技术的微型机的全部硬件集成在一块芯片上；4、对于CISC机进行测试表明：各种指令的使用频率相差悬殊，最常使用的是一些简单指令，仅占指令总数的20%，但在程序中出现的频率却占80%。,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,7,4.4.2 RISC的由来,1975年IBM公司开始研究指令系统的合理性问题，IBM的John Cocke 提出精简指令系统的思想。1979年美国加州伯克利分校的RISC和RISC机、斯坦福大学的MIPS机的研制成功，为精简指令系统计算机，简称RISC（Reduced Instruction Set Computer）的诞生和发展奠定

7、了基础。,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,8,4.4.3 RISC 的设计思想和特点,精简指令系统计算机的着眼点不是简单地放在简化指令系统上，而是通过简化指令是计算机的结构更加简单合理，从而提高机器的运算速度，其途径是减少指令的执行周期数，因此有人觉得把它称为RICC（Reduced Instruction Count Computer）更合适。,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,9,1、使用大量的通用寄存器组，每个寄存器都可存放数据和地址；2、在Load/Store结构中，处理器只处理寄存器中的数据，而不直接处理存

8、储器中的数据；3、只有Load/Store指令能完成与存储器交换数据任务；4、简单的寻址方式；5、采用固定长度的指令格式，以简化指令译码6、大部分指令在一个机器周期内完成；7、采用流水线技术；8、以硬件线路控制逻辑为主，不用或少用微码控制；9、以简单有效的方式支持高级语言,4.4.3 RISC 的设计思想和特点 RISC的特点,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,10,4.5 ARM系列微处理器简介,ARM的由来ARM是Advanced RISC Machines的缩写，它代表多重含义1985、4、28，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞

9、生，由美国加州San Jose VLSI技术公司生产此后ARM微处理器被应用在Acorn计算机公司的台式机中。1990年，ARM Limited公司（简称ARM公司）在剑桥成立。ARM公司并不生产芯片，他是一个设计公司，主要出售芯片设计技术的授权，机靠转让设计许可，由合作公司生产各具特色的芯片。,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,11,世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的RAM微处理器芯片来进入市场。,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,

10、12,ARM微处理器系列,目前ARM32位 RISC微处理器已经在全世界范围内成为低功耗、低成本、高性能的微处理器主流产品，特别是在嵌入式系统应用方面，基于ARM的微处理器的应用约占32位RISC微处理器75%以上的市场份额。,ARM微处理器系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM11、SecwrCoreXscale和StrongARM(Intel公司研制),书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,13,8086与8080简介,8086是1978年Intel推出的16位微处理器芯片，外部数据线为16位,1979年Intel又推出8088，它是80

11、86的8位版，与8086具有相同的内部结构，所不同的是8088对外只有8根数据线，按字节存取内存,从汇编语言程序设计的角度看，8086与8088几乎没有什么区别,微处理器微型机的CPU,4.3.1 8086/8088 微处理器,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,14,微处理器的基本功能,算数逻辑运算；执行指令，控制程序的运行；与存储器、外设交换数据；提供整个系统的定时控制；保存少量数据；响应外部中断；,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,15,微处理器的基本构成,算数逻辑运算部件ALU；累加器和通用寄存器组；程序计数器、

12、指令寄存器、指令译码器；时序和控制部件,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,16,8086/8088 CPU的结构特点,流水线结构,寄存器组结构,分段存储结构,总线结构,复杂指令集,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,17,8086寄存器组（1）,通用寄存器,数据寄存器,指针寄存器,基址寄存器,（“可见的”）,AX,BX,CX,DX,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,18,控制寄存器,段寄存器,（“可见的”）,8086寄存器组（2）,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大

13、计算机学院 宋颖慧,19,数据寄存器AX、BX、CX、DX,普通用途：保存操作数或运算结果。,专门用途：,累加器：,基址寄存器：,计数寄存器：,数据寄存器：,存储器地址指针,串操作、循环操作的控制寄存器,存放被除数的高16位或余数；I/O端口地址,它与ALU的一个输入端直接相连，进行I/O操作,AL为8位累加器,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,20,变址寄存器SI、DI,普通用途：保存操作数和运算结果。不可以拆成8位寄存器使用。,专门用途：,作为存储器指针，存放存储单元的偏移地址。,在字符串操作中，规定由SI给出原指针，由DI给出目的指针，所以称SI源变

14、址；DI目的变址。这两个寄存器有自动增量和减量的功能。,指针、偏移地址,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,21,按字节编址的存储器,（1）设：DS=0004，偏移地址=3,（1）指示的存储单元：0007单元,（2）设：DS=5678，偏移地址=3,（2）指示的存储单元：567B单元,偏移地址相对地址的概念,SI=0003,指针,SI=0003,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,22,指针寄存器BP、SP,BP（基指针寄存器）：给出堆栈中数据区基址的偏移。,SP（堆栈指针寄存器）：正常情况下，SP只作为堆栈指针使用。指出

15、堆栈栈顶地址的偏移。,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,23,标志寄存器,15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,溢出标志,方向标志,中断允许,跟踪标志,符号标志,零标志,辅助进位,奇偶标志,进位标志,状态标志,运算结果标志,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,24,算逻运算指令影响运算结果标志，反之亦然。,状态标志反映了处理机工作状态，用专门的指令可以设置它。,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,25,IBM-PC的存储器结构,（存储器单元的地址和

16、内容）,（0004）=78H,4号字节单元,4号字单元,4号双字单元,（0004）=5678H,（0004）=12345678H,存储单元、物理地址、存储内容,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,26,存储器单元地址的表示,存储器单元内容的存放,IBM-PC的存储器结构,单元地址：最低字节地址,“高高低低”原则,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,27,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,28,存储器的分段管理（1）,逻辑段的划分(16-64K个),地址线:20根,内存容量:1M字节（=

17、220）,寄存器长度：16 bit,段A,段B,段C,段D,段E,64K,段内64K,段起始地址,XXXX0,XXXX0,XXXX0,XXXX0,XXXX0,偏移,用16位地址寄存器访问 1M字节的物理空间,8086/8088CPU,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,29,（a）8086引脚图,（b）8088引脚图,每个存储单元都有一个20位的物理地址,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,30,存储器的分段管理（2）,段地址（段基地址）：指每一段的起始地址。他必须是每一小段的首地址。,每一小段首地址,书名：计算机组成技术

18、章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,31,IBMPC系列机的存储器地址,物理地址和逻辑地址,物理地址：由CPU地址线组成的地址。它是CPU访问存储器 使用的地址。例如：（8086/8088）CPU芯片20根地址线输出。,逻辑地址：在程序设计中，程序员使用的地址。,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,32,物理地址的形成,（物理地址产生示意图）,段值：20位段起始地址的高16位偏移：存储单元地址与所在段起始地址的差称为段内偏移,物理地址=段地址16+偏移,（左移4位）,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,33

19、,逻辑地址的表示：,段地址 偏移,物理地址=段地址16+偏移,例如：逻辑地址0AF00:1000H,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,34,代码段：存放当前正在运行的程序。,数据段：存放当前运行程序所用的数据。,附加段：是附加的数据段，是一个辅助的数据区，也是串操作指令的目的操作数存放区。,堆栈段：定义了堆栈所在区域。,当前段：由4个段寄存器指向的那些段叫当前段,逻辑段的分类和作用,逻辑段的类型有4种，即：,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,35,段寄存器,在8086系列机中，有4个专门存放段地址的寄存器，称为段寄存器

20、。,即：代码段CS、数据段DS、附加段ES、堆栈段SS寄存器。,4个逻辑段的段地址分别保存在4个段寄存器中。程序员在编制程序时，应该按照上述规定把程序的各个部分放在规定的段区之内,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,36,段寄存器与指针寄存器配对使用,堆栈段,附加段,数据段,代码段,SS,ES,DS,CS,指针寄存器或直接地址偏移,SI、DI或BX,SI、DI或BX,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,37,逻辑段映射到物理存储器,在不同时刻被映射到物理内存,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院

21、宋颖慧,38,逻辑段映射到物理内存的例子,O.S,2KB数据,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,39,实模式和保护模式,80X86系列中，除8086/8088只能在实模式下工作外，其他均可在实模式或保护模式下工作。,实模式下用户可以访问的存储器容量与物理内存容量相等。,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,40,在8086/8088系统中，堆栈是一段内存区域。称为栈底的一端地址较大，称为栈顶的一端地址较小。在程序设计中，堆栈是用堆栈段来定义的，堆栈段段地址存放在堆栈段寄存器SS中。堆栈指针寄存器SP始终指向栈顶。,堆栈定义,堆栈操作,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,41,存储器,低地址0000,高地址00FF0H,堆 栈 例 子,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,42,机器指令格式,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,43,段寄存器：（SS、ES、DS、CS）,指针寄存器：（SI、DI、BX、BP）,堆栈指针寄存器：SP,指令地址寄存器：IP,段寄存器的引用,书名：计算机组成技术章节：第四章-2 幻灯片,哈工大计算机学院 宋颖慧,44,