80x86微处理器（一）

• 微处理器是组成微型计算机系统的核心硬件。
• 微处理器通过与某些其他逻辑电路连接组成主板机系统，形成系统级总线。
• 许多外部设备经过接口逻辑与系统级总线连接，使主机与外部设备共同组成完整的微机硬件系统。

三级存储器结构

微处理器主要技术参数

字长

单位时间内同时处理的二进制数据的位数。

微处理器按字长可分为：

• 8位CPU
• 16位CPU
• 32位CPU
• 64位CPU

内部工作频率

• 又称为内频或主频
• 衡量微处理器速度的重要参数
• 微处理器内部数字脉冲信号震荡的速度，与实际运算能力没有直接关系
• 主频只能表示微处理器能力的一个方面，而不能代表微处理器的整体性能
• 内频的倒数是时钟周期，是处理器中最小的时间单位，处理器每个动作至少需要一个时钟周期

PC系列微处理器

平均需要时钟周期

• 80x86:12
• 80286 & 80386:4.5
• 80486 :2
• Pentium:1-2
• Pentium Pro/II/III : <1/3

80系列速度进一步提高，Pentium具有双指令流水线，Pentium Pro及之后的系列一个周期可以执行3条或者更多的指令。

外部工作频率

• 主板为CPU提供的基准时钟频率
• 早期：内频=外频
• 之后内频越来越快，从而出现内部倍频技术。
• 内频=外频x倍频
• Pentium时代，微处理器支持多种倍频，设定微处理器频率时需要同时设定外频和倍频。
• 目前微处理器内频:GHz量级

前端总线频率

• Front Side Bus: FSB
• 微处理器和外界交换数据的主要通道
• 连接主存、显卡等吞吐率高的部件
• 前端总线的传输能力对计算机整体性能作用很大
• Pentium IV之前，前端总线频率与外频相同
• 后期前端总线频率高于外频

片内Cache容量

• CPU cache
• CPU Cache的容量和工作容量对提高计算机的速度起着关键的作用

CPU Cache分类

• L1 Cache : 4-64KB
• L2 Cache：128KB - 2MB
• L2 Cache是影响CPU性能的关键因素之一
• 在CPU核心不变的情况下，增加L2 Cache 的容量能使其性能大幅提高

地址总线宽度

• 决定了微处理器可以访问的最大物理地址空间
• 决定了微处理器能够使用多大的主存
• Pentium 32 位地址线 最大容量:2^32=4GB

数据总线宽度

• 决定了微处理器与外部Cache、主存以及I/O设备进行一次信息传输的信息量。
• 32位数据总线每次最多可读写32位数据
• 64位数据总线每次最多可读写64位数据
• 数据总线中读写的是主存中的数据
• 数据总线和地址总线相互独立，数据总线宽度指明了芯片的信息传输能力，而地址总线宽度说明了芯片可以访问多少个主存单元。

工作电压

• 微处理器正常工作需要的电压
• 微处理器工作电压随工艺进步称下降趋势
• 电压的降低能够有效降低功耗，但是会提高生产成本

微处理器内部结构

• 微处理器是组成计算机系统的核心部件。
• 微处理器具有运算和控制的功能

CPU功能设计思路

基本功能：

• 进行算数和逻辑运算
• 具有接收存储器和I/O接口来的数据的功能
• 具有发送数据到存储器和I/O接口的功能
• 可以暂存少量数据
• 能对指令进行寄存、译码并执行指令所规定的操作
• 能提供整个系统所需的定时和控制信号
• 可响应I/O设备发出的中断请求

程序设计：

• 赋值和算术表达式
• 无条件转移
• 条件转移
• 关系和逻辑表达式
• 循环
• 数组和其他数据结构
• 子程序
• 输入/输出

CPU的内部结构是实现上述功能的执行部件。

CPU内部结构

• 控制器
• 寄存器
• I/O控制逻辑
• 运算单元(ALU)

控制器

• 完成指令的读取、寄存、译码和执行。
• 程序计数器PC用于保存下一条指令的地址
• 一般指令是顺序存放在存储器内
• 程序计数器又叫地址计数器
• 指令寄存器IR保存从存储器中读取的当前要执行的指令
• 指令译码器ID对指令寄存器中的指令击行译码分析
• 控制逻辑单元根据译码分析发出相应的一系列节拍脉冲和电位（控制信号）
• 状态字(PSW)寄存器暂存处理器当前的状态
• PSW中的各位用来指示诸如算术运算结构的正负、零否、进位和错位、溢出等标志
• 堆栈指示器SP是在对堆栈进行操作时提供地址的
• 堆栈用于子程序调用时保存返回地址和工作寄存器的内容

I/O控制逻辑

• CPU中与输入/输出操作有关的逻辑
• 处理输入/输出操作

计算机工作过程

计算机的工作过程时不停的取指令和执行指令的过程。

微处理器外部结构

• 数量有限的输入输出引脚
• 引脚与其他逻辑部件相连，组成多种型号的微型计算机系统的总线

总线及信号的功能设计

• 和存储器之间交换信息
• 和I/O设备之间交换信息
• 为了系统工作而接收和输出必要的信号（时钟脉冲、复位信号、电源、接地）

总线分类

• 数据总线(Data Bus)：传送信息（指令或数据）
• 地址总线(Address Bus):指示欲传信息的来源或目的
• 控制总线(Control Bus):管理总线上的活动
• CPU通过地址总线输出地址码来选择某一存储器单元或某一I/O端口的寄存器。
• 数据总线用于CPU和存储器或I/O接口之间的传送数据
• 控制总线用于传输自CPU发出的或送到CPU的控制信息与状态信息
• 数据总线的条数决定CPU和存储器或I/O设备一次能交换数据的位数