微机原理第二章

第二章微处理器的性能与结构。

重点：1.微处理器的各组成部分。

2.程序执行的流程。

3.时钟、周期和时序。

4.存储器结构体系和i/o端口。

2．1 微处理器概述。

微处理器（cpu）是组成微型计算机或微处理器系统的核心，包含运算器和控制器，除执行算术运算和逻辑运算之外，还承担着控制整个计算机系统的责任，使它能够高效、自动和协调地完成各种系统管理和操作。

cpu的性能基本上确定了微计算机的功能。

2．1．1 微处理器的基本功能。

微处理器要控制整个程序的执行，它必须具有以下基本功能：

1、程序控制。

程序执行顺序称为程序控制。由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按程序规定的顺序进行。因此，保证机器按规定的顺序执行是微处理器的首要任务。

2、操作控制。

指令功能的完成往往是由一系列操作信号的组合来实现的。因此，微处理器分析并产生每条指令的操作信号，将这些信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行相应的操作。

3、时间控制。

对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。这是因为在计算机中的各种指令的操作信号是在系统时序的控制之下发出的。而一条指令的整个执行过程所花费的时间也在系统的严格控制之下。

因为只有这样，计算机才能够有条不紊地自动工作。

4、数据加工。

所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算的处理。微处理器的最根本任务也就是有效地、高速地完成对数据的加工处理。

2．1．2 微处理器的主要性能。

1、微处理器的字长。

微处理器的字长是指它在交换、加工和存放信息时，一次传送或处理的二进制的位数。

字长长的机器处理数据的精度和速度都更高。因此，字长是微处理器最重要的指标之一。

字节是通用基本单元的长度，由8个二进制位（bit）组成。

图2-1示出字节和字的结构。字节右边的位，称为最低位（lsb），即位0，左边的位称为最高位（msb），即位7。在16位的字中，右边8位称低位字节，左边8位称高位字节。

一个16位的数，用8位微处理器，需进行两次传送、处理；而用16位微处理器，只需进行一次。这就是字长长的机器在处理速度上带来的优越性。

字长由微处理器对外数据通路的数据总线条（位）数决定。同时，字长又确定了微处理器的内部结构。常称的16位微处理器，是指数据总线条数和内部寄存器的位数均为16位；而对外数据总线只有8条的16位内部结构又称准16位微处理器（如intel 8088 cpu）。

图2-1 字节和字。

2、指令数。

指令是指挥计算机完成某种操作的命令。

cisc---complex instruction set computer

risc---reduced instruction set computer

risc的特点：

采用功能简单、数量有限的指令系统；

大量通用的寄存器，通过编译技术优化寄存器的使用；

通过优化指令流水线提高微处理器性能。

早期微处理器的功能强弱是以能执行指令的多少来衡量，微处理器指令数愈多，表示它的功能愈强。

现在，指令数一般不作为衡量微处理器功能强弱的标准。

32位的80x86从80486开始借鉴risc的思想。使cisc的微处理器融入risc技术。

3、基本指令执行时间和平均指令执行时间。

基本指令执行时间=寄存器加法指令执行时间。

平均指令执行时间=∑所有指令的执行时间/所有指令数。

微处理器中的各种指令由于完成的操作不同，所需花费的时间也不一样。为了取一种衡量处理器速度的标准，选用了各种微处理器都设有的一条指令——寄存器加法指令作为基本指令，它的执行时间就称为基本指令执行时间。基本指令执行时间由该微处理器的时钟周期及所用的时钟周期数决定，此时间愈短，表示微处理器的工作速度愈高。

随着计算机的发展，指令系统越来越复杂，特别是复杂指令系统计算机，仅用寄存器加法指令的执行时间来衡量已经不科学，因而采用平均指令执行时间作为参考标准。

4、能够构成的最大存储空间。

---取决于地址线的根数。微处理器采用寻址的方式访问内存单元。

最大存储空间是指由该微处理器构成的系统所能访问（读/写）的存储单元总数。该总数由系统所能提供的地址总线的条数决定。

在x86系列cpu中，8位微处理器地址总线有16条，能编出的地址码总数为216=65536种，表示由它构成的存储空间有65536个单元号，简称为64kb；16位微处理器有20条地址总线，为220=1048576，简称为1mb；32位微处理器有32条地址总线，它能访问的最大空间为4gb。

5、多处理器系统。

数值数据协处理器---8087 i/o通道控制器---8089

从80486开始，出现片内的数值数据协处理器，从而大大提高了浮点数据处理能力。

若微处理器具有协处理器接口，就可用来构成多处理器系统。这样，主处理器的某些任务——如：浮点数据运算（数据协处理器）、输入/输出任务（通道控制器或通道处理机）等，交给协处理器去完成，使主处理器从繁琐的事务处理中解脱出来，主处理器与协处理器采用并行工作方式，因而整个系统的性能将成倍的增加，但在16位微处理器之前的8/4位微处理器并不具有多处理器扩展性能。

6、其他。采用不同工艺制造的微处理器芯片，性能上有较大差别，信号电平和使用环境的要求也不同，选用时应注意。

其他还有控制功能（包括中断、等待、保持和复原等）、封装形式、电源种类、功耗等，也是选用时应注意的。

2．2 微处理器的内部结构。

图2-2 8086 cpu内部结构。

执行单元eu(execution unit)

由alu、通用寄存器组、eu控制单元、状态标志寄存器等构成，它负责指令的译码、执行和数据的运算。

总线接口单元（bus interface unit）

由指令队列缓冲器、专用寄存器组、地址加法器和总线控制逻辑等构成。该单元主要功能是形成访问存储器的物理地址，访问存储器取得指令并暂存到指令队列中等待执行，访问存储器或i/o端口以读取操作数参与eu运算，或存放运算结果等。

2．2．1 执行部件eu

执行部件eu只负责分析并执行指令，而不与外部总线打交道。eu执行的指令从biu的指令队列缓冲器取得，经控制单元译码并执行，将所得结果数据或执行指令所需的数据由eu向biu发出请求，由biu向存储器或外部设备存入或读取。

1、运算器。

运算器由下列部分组成，负责所有运算。除此之外，通用寄存器也将协助其工作。

十六位算术逻辑单元alu(arithmetic and logic unit)

核心是二进制加法器

作用：1）进行所有的算术运算和逻辑运算；

2）按指令的寻址方式计算出寻址单元的十六位的有效地址ea(effective address)，并将此有效地址（偏移地址）送到biu中形成一个二十位的实际地址（physical address ），以对1m字节的存储空间寻址。

16位的状态标志寄存器flags

该寄存器用来存放由算术运算指令、逻辑运算指令和测试结果所建立的特征状态标志，除此之外，还存放一些控制系统操作的控制标志。

6个状态标志、3个控制标志。

数据暂存寄存器。

协助alu完成运算，对参加运算的数据进行暂存。

2、通用寄存器组。

通用寄存器组包括8个16位的寄存器，其中ax、bx、cx、dx为数据寄存器，既可以寄存16位数据，也可分成两半，分别寄存8位数据；

sp为堆栈指针寄存器，用于堆栈操作时，确定堆栈在内存中的位置，由它给出堆栈栈顶的偏移量；

bp为基址指针寄存器，用来存放位于堆栈段中的一个数据区基址的偏移量；

si和di为变址寄存器，si用来存放源操作数地址的偏移量，di用来存放目的操作数地址的偏移量。所谓偏移量是相对于段起始地址（或称段首址）的距离。

3、eu控制电路。

接收从biu的指令队列中来的指令，经过译码，翻译形成各种控制信号，对eu的各个部件实现在规定的时间完成规定的操作。eu中所有的寄存器和数据通路都是十六位的，可实现数据的快速传送。

2．2．2 总线接口部件biu

总线接口部件biu是专门负责和总线打交道的接口部件，它根据eu的请求，执行8086 cpu对存储器或i/o接口的总线操作，完成其数据传送。biu由下列几个部分组成：

1、指令队列缓冲器。

可同时存放6个字节的指令。采用“先进先出”原则。

指令队列缓冲器是用来暂时存放从程序存储区中取来的一组指令的暂存单元，由六个8位的寄存器组成，最多可存入6个字节的指令码，采用“先进先出”原则，顺序存放，依次地被取到eu中去执行。其工作将遵循以下原则：

1）取指令时，取来的指令存入指令队列缓冲器。当缓冲器存入第一条指令时，eu就开始执行；

2）指令队列缓冲器中只要有一个字节为空，biu便自动执行取指令操作，直到填满为止；

3）在eu执行指令过程中，若需要对存储器或i/o接口进行数据存取时，biu将在执行完现行取指令周期后的下一个存储器周期，对指定的存储单元或i/o接口进行存取操作，交换的数据经biu交eu进行处理；

4）当eu执行转移、调用和返回指令结束时（即程序的执行发生跳转），将清空指令队列缓冲器，并要求biu从新的地址重新开始取指令，新取的第一条指令将直接送去eu执行，随后取来的指令填入指令队列缓冲器。

特点：取指和执行指令重叠并行。

由于执行部件eu和总线接口部件biu是两个独立的工作部件，它们可按并行方式重叠操作，在eu执行指令的同时，biu也在进行取出指令、读取操作数或存入结果的操作。这样，提高了整个系统的执行速度，并充分利用了总线，实现最大限度的信息传输。

位指令指针寄存器ip (instruction pointer)

程序计数器ip是一个非常重要的寄存器，它随时跟踪着程序的执行。由于8086取指令和执行指令是同时进行的，为保证执行指令的需要，实际上biu的取指令操作总是提前的，为了保证在遇到调用子程序或中断时能正确地记录程序的返回地址，就需要用一个专门的寄存器来保存eu将要执行的下一条指令的偏移地址，ip就是这样一个寄存器。

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