微机原理课件ch02英文.ppt
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Chapter2TheMicroprocessoranditsArchitecture,Instructor:
Dr.YuYouling;ShenRunjie,Outline,InternalMicroprocessorArchitectureRealModelMemoryAddressing,2022/10/10,第2页,Architecture,ThememoryandIOSystem,2022/10/10,第3页,Microprocessor,Memory,I/OSystem,BUS,BUS,DynamicRAM(DRAM)StaticRAM(SRAM)CacheReadonly(ROM)FlashmemoryEEPROMSDRAMRAMBUSDDRRAM,8086808880186802868038680486PentiumPentiumProPentiumIIPentiumIIIPentium4,PrinterSerialcommunicationFloppydiskdriveHarddiskdriveMouseCD-ROMdrivePlotterKeyboardMonitorTapebackupScannerDVD,TheCPU,TheCentralProcessingUnit(CPU)isafundamentalcomponentofaPCsystem(NoCPUNoComputer)Basicallyitisacomplexmicroprocessorwhosemaintaskistoprocessdatastoredinanexternalmemory(RAM)accordingtoinstructionsalsostoredwithinthatexternalmemoryAdditionally,however,CPUsalsogenerallycontainsomespecialfastinternalstoragememory,calledregisters,2022/10/10,第4页,2022/10/10,TongjiUniversity,Page5,Microprocessor,基本概念:
微处理器(MPU/CPU)微处理器也称中央处理器(CentralProcessingUnit,CPU)。
它是由控制单元(ControlUnit)、算术逻辑运算单元(ArithmeticLogicUnit,ALU)和存储单元(MemoryUnit,包括寄存器和高速缓存)三大部分组成的。
三部分通过互连机构的连接,互相配合,共同完成对指令信息和数据信息的分析、判断、运算,从而控制计算机各部件协调工作。
2022/10/10,TongjiUniversity,Page6,CPU最基本组成部分逻辑框图,2022/10/10,TongjiUniversity,Page7,Microprocessor,基本原理:
指令控制所谓指令控制,就是指计算机严格按照程序的顺序执行。
一条指令往往是由若干个微操作信号的组合来实现的,CPU从内存取出指令,译码后产生微操作信号,然后把各种微操作信号送往相应的部件,从而控制这些部件按指令的要求开始动作,这就是操作控制功能。
回溯:
图灵机,分析机,V.Neumann机,2022/10/10,TongjiUniversity,Page8,ArithmeticLogicUnit,基本概念:
算逻单元(ALU)算逻单元全称为算术/逻辑运算单元(ArithmeticLogicUnit)。
主要用来完成算术运算和逻辑运算。
在实现时,一般采用全加器和先行进位逻辑电路进行组合,从而能实现高速运算功能。
一位全加器(FA)的逻辑表达式为:
Fi=AiBiCiCi+1=AiBi+(Ai+Bi)Ci,2022/10/10,TongjiUniversity,Page9,ArithmeticLogicUnit,构成ALU的最基本构件:
一位全加器(FullAdder)思考:
如何由一位全加器构成多位全加器?
(级联问题)?
如何提高运算效率?
(硬件加速问题),2022/10/10,TongjiUniversity,Page10,ArithmeticLogicUnit,全加器的功能扩展:
上述全加器只能实现算术运算,为了使它具有逻辑运算功能,必须对其功能进行扩展。
扩展时通过增加一个函数发生器,在4个控制开关S0、S1、S2、S3的控制下,使Ai、Bi经函数发生器产生新的组合函数Xi、Yi,然后再将Xi、Yi和进位Ci通过全加器进行全加。
这样,不同的控制开关组合,就可以得到不同的组合函数,从而能够实现多种算术和逻辑运算,如图2.3所示。
ALU的逻辑符号如图2.4所示。
2022/10/10,TongjiUniversity,Page11,ArithmeticLogicUnit,一位全功能全加器,2022/10/10,TongjiUniversity,Page12,ArithmeticLogicUnit,由一位的全功能全加器经过复合/级联/优化设计后得到实际中的ALU,2022/10/10,TongjiUniversity,Page13,ArithmeticLogicUnit,双总线定点运算运算器在ALU的基础上加上与暂存/传输有关的各种寄存器,总线接口部件等电路就得到了完整的运算器关键概念:
数据通路(datapath),2022/10/10,TongjiUniversity,Page14,ArithmeticLogicUnit,定点与浮点部件定点数部件:
定点数是小数点位置固定不变的数。
由于小数点位置固定,小数点就不再使用记号“”来表示。
我们通常将定点数分为定点小数和定点整数。
浮点部件:
浮点数的小数点位置不固定,在表示一个浮点数N时,一般记为N=REM的形式。
其中M称为浮点数的尾数,是一个纯小数,E为阶码,是一个纯整数,基数R可取2、8或16,一般取2。
为了在机器中表示一个浮点数,通常要将寄存器分成两部分,一部分存放阶码E,另一部分存放尾数M。
2022/10/10,TongjiUniversity,Page15,ArithmeticLogicUnit,浮点运算器的一般结构,Example:
8086/8088,Intel8086和Intel8088溯源Intel8086/8088的基本技术指标主频:
4.77MHz16位的内部体系结构数据线16位/8位20位地址线16位I/O端口地址线其他,Example:
8086/8088,微处理器的制造工艺限制引脚数限制芯片面积限制器件速度限制8086微处理器的基本特点引脚功能复用单总线累加器结构。
可控三态电路总线分时复用,Example:
8086/8088,8086CPU的内部结构由两大部件组成总线接口部件BIU(BusInterfaceUnit)执行部件EU(ExecutionUnit),Example:
8086/8088,总线接口部件BIU构成四个段寄存器20位地址加法器指令队列8088芯片:
4字节8086芯片:
6字节总线控制逻辑16位指令指针,Example:
8086/8088,执行部件EU负责指令译码、执行与数据处理构成EU控制逻辑暂存器算术逻辑运算单元ALU寄存器组标志寄存器,TheCPUComponents,BasicComponentsRegisters&FlagsArithmeticLogicUnitsShifters/RotatorsAddressDecodingModulesAdvancedComponentsMath.Co-processorsData&ProgramPipelinesCachesMicro-codeinstructiondecoders.MultimediaExtensionProcessors.(MMX)Etc.,2022/10/10,第22页,2022/10/10,TongjiUniversity,Page23,Registers,基本概念:
寄存器寄存器是沟通硬件电路与软件代码之间的桥梁。
软件通过读写寄存器获取硬件的状态并实现对硬件的操纵。
现代CPU中通常包含了大量的寄存器,既有通用用途,又有专门用途用户可见寄存器用户可见寄存器,就是指用户使用机器语言、汇编语言或其他高级语言可以直接访问和控制的寄存器。
如:
各个通用寄存器,2022/10/10,TongjiUniversity,Page24,Registers,对用户透明寄存器这类寄存器对用户来说是不可见的。
它是在操作系统的作用下,在CPU中起着控制计算机操作的作用。
对用户透明寄存器至少包括程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)等。
状态寄存器状态寄存器由一个或一组寄存器构成。
用来保存由算术指令和逻辑指令运行或测试后的结果、建立的各种条件码内容以及系统中断和系统工作状态等信息。
Registers,Registerscanbeusedbyaprogrammer/userlikeascratchpadtocarryoutcalculationsorothertasksperformedwithintheCPUAllofthe8086familyofCPUshave14,16-bitregistersthatarecommonlyusedandareatthedisposaloftheuserStartingwiththe80386,Intelalsoaddedanewsetof32-bitregistersandinstructionstotheCPUForthiscourse,however,weareonlygoingtofocusonwhatIntelrefertoastheRealModeoperationoftheCPU,2022/10/10,第25页,RealModeMemoryAddressing,ThespecialmodecalledRealModeswitchesany8086familyCPUintoan8086compatibilitymode(evenPentiumIVshavethismodeimplemented)Inthismodetheuserisallowedaccessonlyto14basic16-bitregisters,1MbofRAMand64KbofI/OspaceOncethisareahasbeenmastered,thebasicskillsandknowledgerequiredtomasterthemoreadvancedCPUslikethe80386,80486,Pentiums,PentiumIIswithMMX,etc.willhavebeendeveloped,2022/10/10,第26页,1MBRAM,Inrealmode,8086familyCPUsareabletoaccessatotalof1MBofRAMConceptuallythiscanbethoughtofasacontiguousblockfrom00000hFFFFFhInpractice,however,thismemoryissegmentedinto64Kbblocks,i.e.blocksfr
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