微型计算机的体系结构
微型计算机的体系结构
微型计算机基本构成
五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。之间通过三个总线连接。
运算器+控制器=中央处理器（CPU，Center Process Unit）
1. 地址总线由若干地址线组成，传递CPU要访问数据的地址。
地址总线的根数(宽度)决定了CPU的寻址能力。若果有20根地址总线，则表
2. 数据总线CPU与存储器和输入/输出接口电路之间数据的传递是通过数据总线进行的。
数据总线的根数(宽度)决定了CPU和外界一次传递数据的位数。8根数据总线一次可传递
而数据总线宽度为16处理器一次可以传递一组16位二进制数据。
3. 控制总线控制总线是一个总称，是由不同的控制线组成的。
CPU通过控制总线对存储器和输入/输出接口电路进行控制，并且得到状态消息。控制总
机的控制能力就越强。
微处理器(CPU)
1971年，Intel设计第一片4位微处理器Intel 4004；随之又设计生产了8位微处理器8008；
1973年推出了8080；1974年基于8080个人计算机(PC)问世
1977年Intel推出了8085。自此之后又陆续推出了8086、80386、Pentium等80x86系列微处理器。
各种微处理器的主要区别在于 处理速度、寄存器位数、数据总线宽度和地址总线宽度。
1981年，IBM采用8088CPU推出了具有划时代意义的个人计算机，简称IBM PC。次年年底推出展型1984年，IBM采用80286推出增强型IBM PC/AT。
IBM PC/XT/AT 三款个人计算机通常称为PC系列机，他们都是16位的，后来各种32位P 80x86 CPU而形成的计算机，但其基本结构仍来源于PC/AT.
80x86系列微处理器
1）8088微处理器。具有14个16位寄存器、8位数据总线和20位地址总线，可以寻址1MB的内存。
虽然这些寄存器一次可以处理2个字节，但数据总线一次只能传送1个字节。该处理器只能以实2）8086微处理器。指令系统与8088完全相同，具有多个16位寄存器、16位数据总线、和20位地该处理器只能以实模式工作。
3）80286微处理器。比8086运行更快，多个16位寄存器、16位数据总线和24位地址总线，寻址1 4）80386微处理器。具有多个32位寄存器、32位数据总线和32位地址总线，可以寻址4GB内存。
增加了寄存器管理和相应的硬件电路，减少了软件开销，提高了效率。实模式、保护模式工作5）80486微处理器。具有多个32位寄存器、32位数据总线、32位地址总线。比80386增加了数字提高了处理速度。实模式、保护模式工作。
6) Pentium(奔腾)。具有多个32为寄存器、64位数据总线和36位地址总线。以为它采用了超标量
寻址能力是2的n次方，n即地址总线宽度
CPU主要性能指标
(1)机器字长。机器字长和CPU内部寄存器、运算器、内部数据总线的位宽相一致。
通常，机器字长越长，计算机的运算能力越强，其运算精度也越高。
(2)速度。CPU的速度是指单位时间内能够执行指令的条数。速度的计算单位不一，若以单字长定
用每秒百万条指令(MIPS)作为单位；若以单字长浮点指令的平均执行速度计算，则用每秒百万现在，采用计算机中各种指令的平均执行时间和相应的指令运行权重的加权平均法求出等效速
(3)主频。主频又称为主时钟频率，是指CPU在单位时间内产生的时钟脉冲数，以MHz/s为单位。由
在时钟控制下完成的，因此，对于机器结构相同或相近的计算机，CPU的时钟频率越高，运算
Intel 8086/8088微处理器功能结构
执行部件（EU）
EU负责全部指令的分析执行，并管理通用寄存器和标志寄存器。
一、EU的重要组成器件
执行部件是由算术逻辑运算单元、通用寄存器、标志寄存器、运算寄存器和执行部件控制电路
①算术逻辑运算单元（ALU）。是一个16位的运算器，可用于8位、16位二进制数的算术和逻辑运
方式计算访问存储器所需要的16位偏移量。
②通用寄存器组。包括4个数据寄存器（AX、BX、CX、DX）、2个指针寄存器（BP、SP）和2个变
③标志寄存器。是一个16位的寄存器，每一位记录了CPU的运算状态和某些控制标志。
④运算寄存器。主要作用是协助ALU完成运算，暂存运算结果。
⑤执行部件控制电路。负责从BIU指令缓冲队列中取指令，并对指令进行译码，根据指令的要求
二、EU的工作过程
①从BIU指令队列寄存器中读取指令；
②EU控制电路对指令进行分析译码，并指出本次操作的性质及操作对象；
③计算出指令操作数的16位有效地址送BIU，由BIU加法器形成20位的
物理地址；
④将操作数经系统总线和内部数据总线送至ALU进行运算；
⑤将运算结果经内部数据总线传送并保存在通用寄存器中或通过BIU送入
相应的存储单元；
⑥将反映本次操作的状态标志存放在标志寄存器中。
总线接口部件（BIU）
BIU的重要功能是负责CPU、存储器及输入/输出设备的信息传输。
BIU根据段寄存器（CS）和指令指针（IP）形成20位物理地址从存储器
中取出指令，并暂存在指令队列中，等待EU取走并执行。当EU发出访
问存储器或输入/输出设备端口的命令时，BIU根据EU提供的数据和地址
进入系统总线周期，存取数据。
一、BIU单元的组成
BIU单元由4个16位的段寄存器（CS、DS、ES、SS）、一个指令指针寄
存器（IP）、一个指令缓冲队列、一个形成20位物理地址的加法器，
以及总线控制逻辑电路等组成。
①段寄存器和加法器。 任务是负责存放指令和数据段的地址部分。
其中， DS存放数据段的段地址，ES存放附加数据段的段地址，SS存放堆栈段的段地址，C 在BIU中，由段寄存器和加法器形成存储单元的物理地址。 Intel 8086 CPU的物理地址有②16位指令指针寄存器IP。 是一个16位指针寄存器，用来存放下一条要执行的指令
在取指令的过程中，代码段寄存器和指令指针寄存器一起决定指令在存储器中
③指令队列缓冲寄存器。8086中的大小是6个字节，指令队列缓冲寄存器按照先进先出的方式进
④总线控制逻辑电路。 主要功能是将8086内部总线和外部总线相连，是8086 CPU与存储器或I/
总线逻辑电路包括16条数据总线、20条地址总线和若干条控制总线。CPU通过总线控制电路与二、BIU的工作过程
①当指令队列寄存器有两个以上指令字节空闲时，BIU自动地按CS值和IP值由地址加法器成的20
②当执行转移指令时，BIU首先清空指令缓冲队列寄存器，然后从转移后的当前地址取指令送EU
③BIU根据EU的请求，形成访问存储器或输入设备的地址，从而得到所需要的操作数。
④取来的操作数经总线控制逻辑传送到内部的ALU数据总线，然后再由EU完成相应的操作。
⑤若需存放操作结果，则由EU向BIU提出请求，并由BIU形成目标地址，将操作结果写入存储器或
EU和BU是两个既分工又合作的独立单元。BIU首先通过内部通信寄存器检测是否有EU的请求，然后BIU自动地从存储器中读取两个字节的指令，并存放于指令队列中供EU使用。在BI
减少了CPU为取指令而等待的时间，提高了CPU的利用率，加快了系统运行的速度，
总线连接。
地址总线，则表示CPU最多可以寻址1M个单元。
通过数据总线进行的。
数。8根数据总线一次可传递一组8位二进制数据，
并且得到状态消息。控制总线的宽度越宽，计算
8位微处理器8008；
m等80x86系列微处理器。
和地址总线宽度。
M PC。次年年底推出展型PC/XT。
32位PC都是采用32位Intel
以寻址1MB的内存。
个字节。该处理器只能以实模式工作。
、16位数据总线、和20位地址总线，可以寻址1MB，传送2字节/次，
线和24位地址总线，寻址16MB内存，既可以以实模式工作，也可以以保护模式工作。
总线，可以寻址4GB内存。提供了较高的时钟速度，
率。实模式、保护模式工作。
总线。比80386增加了数字协议处理器和8KB的高速缓存，
总线。以为它采用了超标量体系结构，所以每个时钟周期允许同时执行2条指令，处理速度得到了进一步提高，性能宽相一致。
单位不一，若以单字长定点指令的平均执行时间计算，
行速度计算，则用每秒百万条浮点运算指令(MFLOPS)作为单位。重的加权平均法求出等效速度作为计算机运算速度。
冲数，以MHz/s为单位。由于计算机中的一切操作都是
PU的时钟频率越高，运算速度也就越快。
寄存器和执行部件控制电路等组成的。
位二进制数的算术和逻辑运算，也可以按照指令的寻址
寄存器（BP、SP）和2个变址寄存器（SI、DI）。
某些控制标志。
行译码，根据指令的要求向EU内部各器件发出控制指令。
S存放堆栈段的段地址，CS存放代码段的段地址。
l 8086 CPU的物理地址有20位，地址加法器将16位的段地址内容左移4位，并与16位偏移地址相加，从而形成20位的的指令在代码段中的偏移地址。
储器中的物理地址，并且在每次取出一条指令后IP自动变成下一条指令的偏移地址。
器按照先进先出的方式进行工作，并按顺序取到EU中执行。
是8086 CPU与存储器或I/O端口进行数据交换的必经之路。
。CPU通过总线控制电路与外部取得联系，从而构成个中规模的8086计算机系统。
IP值由地址加法器成的20位物理地址到存储器中取指令，并把指令存放在指令队列中。
后的当前地址取指令送EU执行，最后从主存（主存储器）中取出后继指令送指令队列排队。
需要的操作数。
EU完成相应的操作。
，将操作结果写入存储器或输出设备中。
检测是否有EU的请求，然后实现CPU与存储器或I/O设备之间的数据存取操作，在无请求的情况下，。在BIU取指令的同时，EU也可以执行指令，这样就形成了BIU和EU并行工作的状态，从而
速度，因此Intel 8086/8088 CPU的指令流水线结构设计的优越性就得到了充分的体现。
进一步提高，性能比80486优越得多。实模式、保护模式。
，从而形成20位的物理地址。