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第三章
第一節(jié) 微型計(jì)算機(jī)硬件組成與工作原理
微處理器的原理與組成:微處理器結(jié)構(gòu)，指令及其執(zhí)行過(guò)程，程序中斷，支持芯片及其與CPU的互連
微機(jī)的基本配置包括主機(jī)箱(內(nèi)含CPU、內(nèi)存、外存、I/O接口、總線等部件)、顯示器、鍵盤和鼠標(biāo)器。
在微機(jī)主板上的主要部件包括CPU、快存與主存、ROM與CMOS電路、支持系統(tǒng)工作的控制電路(磁盤控制、中斷控制、DMA控制、系統(tǒng)定時(shí)控制、DRAM刷新控制等)、總線和擴(kuò)展插槽等。在主板上一般有4個(gè)或8個(gè)內(nèi)存條插槽。每個(gè)內(nèi)存條的容量可以是4MB、8MB、16MB或更大。內(nèi)存條有30線、72線和168線，其數(shù)據(jù)位寬分別為16位、32位和64位。
主存儲(chǔ)器常采用EDO(Extended Data Out)DRAM和SDRAM(同步DRAM)兩種快速芯片。目前在主板上一般都有3個(gè)PCI總線插槽和4個(gè)ISA總線插槽，一共可插入7塊I/O卡。目前奔騰機(jī)主板上一般有1個(gè)并行口，2個(gè)串行口，一個(gè)軟盤插口(可接4個(gè)軟驅(qū))，1個(gè)IDE插口(可接一個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)光盤驅(qū)動(dòng)器)。
微機(jī)常用的輸入設(shè)備有:鍵盤、鼠標(biāo)器、掃描儀、數(shù)字化儀以及條形碼讀入器、磁卡讀入器、IC卡讀入器等。
微機(jī)常用的輸出設(shè)備有:顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。
1.微處理器的基本部件
微處理器的基本部件包括運(yùn)算單元、控制單元和總線接口單元，在運(yùn)算單元中有若干寄存存儲(chǔ)器組。
2.指令及其執(zhí)行過(guò)程
指令主要由兩部分組成:操作碼和操作數(shù)(或操作數(shù)地址)。微處理器的指令長(zhǎng)度為一字節(jié)或多字節(jié)構(gòu)成。微處理器的指令系統(tǒng)曾經(jīng)為了兼容性而越來(lái)越復(fù)雜，而事實(shí)上使用頻率很高的指令只有很少一部分，因此提出了精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(RISC)的概念。RISC結(jié)構(gòu)指令長(zhǎng)度固定，指令格式與種類簡(jiǎn)單，在硬件和軟件上采取相應(yīng)措施，可以提高指令的執(zhí)行速度，獲得較高的性能/價(jià)格比。
指令的執(zhí)行過(guò)程包括5個(gè)步驟:取指令、指令譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行運(yùn)算和回送結(jié)果。在現(xiàn)代微處理器中通常采用流水線結(jié)構(gòu)，使指令的不同步驟對(duì)不同的指令同時(shí)執(zhí)行，就象工廠的流水線一樣，這樣指令的執(zhí)行時(shí)間主要與CPU的時(shí)鐘周期有關(guān)，而與指令執(zhí)行需要多少步驟無(wú)關(guān)。
3.時(shí)鐘周期、總線周期與指令周期
時(shí)鐘周期是CPU時(shí)鐘頻率的倒數(shù)。
總線周期是CPU通過(guò)總線讀寫存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備所需要的時(shí)間。
指令周期是從取指令開始到回送結(jié)果完成所需要的時(shí)間，不同的指令其指令周期也不相同。在8086CPU中，一條指令的指令周期包含一個(gè)到幾個(gè)總線周期;一個(gè)總線周期又包含4個(gè)或4個(gè)以上的時(shí)鐘周期。在80486及其以上的CPU中，由于采用指令的流水線結(jié)構(gòu)，可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行1條甚至多條指令。
4.CPU的支持芯片及其與CPU的互連
早期CPU(8086、80286)的支持芯片分為兩類:
�、賲f(xié)處理器、總線控制器、時(shí)鐘電路、地址驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)收發(fā)電路等，通過(guò)局部總線與CPU相連，支持CPU訪問(wèn)內(nèi)存和完成指令功能;
�、谥袛嗫刂破�(8259)、DMA控制器(8237)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器(8253)、通過(guò)系統(tǒng)總線與CPU相連，支持CPU完成I/O操作。
在Pentium機(jī)中現(xiàn)在普遍采用基于PCI/ISA總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，CPU的支持芯片也分為兩類:①主存與二級(jí)Cache控制器芯片，CPU局部總線至PCI總線的橋控制芯片，用來(lái)連接軟驅(qū)、硬驅(qū)、光驅(qū)、網(wǎng)卡等快速外設(shè);
�、赑CI接口芯片(可選擇IDE、SCSI或LAN接口)，PCI至ISA的橋芯片(實(shí)現(xiàn)PCI總線到ISA總線的轉(zhuǎn)換，并將8238、8259、8253等芯片集成其中)，ISA總線用來(lái)連接打印機(jī)等慢速外設(shè)。
5.80X86CPU系列的發(fā)展
8086CPU，數(shù)據(jù)位寬16位，地址線20條，可訪問(wèn)內(nèi)存空間1MB，不支持虛存。其內(nèi)部由2個(gè)部件組成:執(zhí)行部件(EU)和總線接口部件(BIU)。
8086CPU，數(shù)據(jù)位寬16位，地址線24條，可訪問(wèn)內(nèi)存空間16MB，支持段式虛存，最大虛存容量為1GB(2 30 B)，工作方式分為2種:實(shí)地址方式和保護(hù)方式。其內(nèi)部由4個(gè)部件組成:總線部件(BU)、指令部件(IU)、執(zhí)行部件(EU)和地址部件(AU)。
80386CPU，數(shù)據(jù)位寬為32位，地址線32條，可訪問(wèn)內(nèi)存空間4GB，支持段頁(yè)式虛存，最大虛存容量為64TB(2 46 B)，工作方式分為3種:實(shí)地址方式、保護(hù)方式和虛擬8086方式。其內(nèi)部由6個(gè)部件組成:總線接口部件、指令預(yù)取部件、指令譯碼部件、執(zhí)行部件、分段部件、分頁(yè)部件。80486CPU，除80386的指標(biāo)外，主要是將80386協(xié)處理器和8KB的高速緩存(Cache)集成在芯片中。
Pentium CPU，數(shù)據(jù)線位寬64位，地址線32條，其主要特點(diǎn)是采用了超標(biāo)量流水線(即多條指令流水線)結(jié)構(gòu)，在一個(gè)CPU時(shí)鐘周期內(nèi)能完成兩條指令;具有分支指令預(yù)測(cè)功能;將常用指令固化;具有系統(tǒng)管理模式(SMM)功能(例如當(dāng)系統(tǒng)暫時(shí)不工作時(shí)，令其處于休眠狀態(tài)，以降低能耗，按任一鍵，可喚醒之)等。
PentiumⅡ具有化復(fù)雜指令為精簡(jiǎn)指令的功能，也就是具有CISC和RISC二者的優(yōu)點(diǎn);它含有3路超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，14級(jí)指令流水線;在芯片中包含了16KB高速緩存和256KB二級(jí)高速緩存。}
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