第 8 章 现代微型计算机

1. 第8章 现代微型计算机 8.1 80x86系列微处理器 8.2 微型计算机体系结构 8.3 存储管理技术 8.4多任务管理与I/O管理 8.5现代微型计算机中断系统

2. 8.1 80x86系列微处理器 8.1.1 16位80X86微处理器 1． 8088微处理器 • Intel公司在推出8086之后， 推出了介于16位与8位之间的准16位微处理器8088。 • 8088与8086之间的区别主要在于8088对外只有8根数据线引脚，访问16位的操作数需要二个总线周期。 • 8088的这一特点使它能够十分方便地与8位接口芯片相连接。 • 1980年，IBM公司使用8088成功地开发了16位微型计算机—— IBM-PC。

3. 2．80186和80286微处理器 • Intel公司把大型计算机的技术融合到微处理器中,首先研制的80186在技术上并不十分成熟，没有获得广泛的应用。 • 1982年Intel推出了增强型16微处理器 80286，集成度达13万管／片，时钟频率提高到5MHz~25MHz，它的16条数据线和24条地址线相互独立，不再分时使用，可以寻址16M的地址空间。 • 80286CPU增加了运行多任务所需要的任务切换、存储管理和多种保护功能。

4. 80286CPU基本工作方式： • 实地址方式：和8086一样，使用20根地址线寻址1M的内存空间，DOS应用程序占用全部系统资源。 • 保护方式：80286CPU具有虚拟内存管理和多任务处理功能，通过硬件控制可以在多任务之间进行快速切换。 • 80286CPU的内部组成： • 总线接口部件BIU：地址单元AU、指令单元IU、总线单元BU。 • 执行部件EU: • IBM公司以80286为CPU生产了著名的IBM-PC/AT微型计算机，它的许多技术被沿用至今。

5. Intel80286CPU结构 图8-1

6. 8.1.2 32位80X86微处理器 1．80386微处理器 • 1985年，Intel公司推出了第四代微处理器，32位的微处理器80386。 • 片内集成27.5万个晶体管，时钟频率为16MHz～33 MHz。具有32位数据线和32位地址线，32位通用寄存器。 • 80386内部由中央处理器CPU、存储器管理部件MMU、总线接口部件BIU组成。 • 80386有3种工作模式：实地址模式、虚地址保护模式和虚拟8086模式。

7. Intel80386CPU结构 图8-2

8. 2．80486微处理器 • 1989年， Intel公司推出了集成120万个晶体管的32位微处理器80486。 • 80486中集成了： • 一个80386体系结构的主处理器； • 一个与80387兼容的数字协处理器； • 一个8KB的高速缓冲存储器（Cache）。 • 80486首次采用了时钟倍频技术（在80486DX中使用），使内部部件可以以输入时钟的倍频运行。 • 80486还支持外部的二级Cache，支持多处理器系统。

9. 8.1.3 Pentium系列微处理器 1．Pentium微处理器 • 1993年，Intel公司推出了新一代的32位微处理器Pentium（奔腾，以P5代称），内部集成了320万个晶体管，具有64条数据线和32条地址线。 • Pentium共有3个执行部件：两个整数执行部件U、V和一个浮点执行部件。 • 每个整数部件由五级流水线组成： • 浮点流水线由8级组成： • 通过上述流水线，微处理器可以在一个时钟周期内同时执行两条整数指令，或者一条浮点指令，这种结构被称为“超标量结构”。

10. Pentium处理器内部16KB的一级Cache分为独立的8KB指令Cache和8KB数据Cache，使取指令和取数据可以同时进行。Pentium处理器内部16KB的一级Cache分为独立的8KB指令Cache和8KB数据Cache，使取指令和取数据可以同时进行。 • Pentium采用了分支预测技术（也称为转移预测技术），处理器效率得到提高。 • 除了实地址模式、虚地址保护模式和虚拟8086模式以外，又增加了一个系统管理模式。 • 1996年，Intel公司推出了改进型32位微处理器Pentium MMX（多能奔腾），它增加了57条MMX（多媒体扩展指令集）指令，采用了SIMD（单指令流多数据流）技术，提高了对多媒体数据的处理能力。 • 同一时期推出的第五代微处理器还有IBM，Apple和Motorola三家联盟的PowerPC（这是一款RISC微处理器）以及AMD公司的K5和Cyrix公司的M1。

11. 2．第六代微处理器 • 1996年Intel公司推出第六代微处理器Pentium Pro（高能奔腾）。 • 片内集成了550万个晶体管 • 具有64位数据线和36位地址线，物理地址空间64GB（236），虚拟存储空间64TB。 • 1997年5月Intel公司发布了PentiumII（奔腾2代）,采用P6核心结构，属于32位微处理器。 • PentiumII集成750万个晶体管; • 加强了MMX技术，能同时处理两条MMX指令; • L1 Cache增加到32KB，并配备了512KB的L2 Cache，在CPU一半的频率下工作; • PentiumII采用了双独立总线结构，前端总线FSB负责主存储器的访问，后端总线与L2 Cache连接; • 采用动态执行和寄存器重命名等RISC技术来执行x86指令。

12. 动态执行技术主要包括： • 多路分支预测：对程序的流向进行分析，以便程序的几个分支可以同时在处理器内部执行。 • 数据流分析：对译码后的指令进行数据相关性和资源可用性分析，判断该指令能否与其他指令同时执行。 • 推测执行：将多个程序流向的指令序列优化后送往处理器的执行部件执行，充分发挥各部件的效能。多个分支的运行结果作为“预测结果”保留，将最终确定为“预测正确”的分支预测结果作为最终结果加以保存。 • 为了减少不同分支指令争用同一个寄存器的情况，PentiumII增设了40个可以“重新命名”的“内部寄存器”，在指令流运行结束后写回“通用寄存器”，从而解决了多分支运行时争用寄存器的问题。

13. 1999年2月，Intel公司推出Pentium III微处理器。 • 集成了950万到2800万个晶体管; • 它的前端总线频率（FSB）提高到133MHz; • 256KB的L2Cache集成到芯片内，和CPU以相同的频率工作; • 与运算部件的数据通路从64位扩展到256位; • 增加了新的70条SSE指令，使得多媒体信息的处理能力得到进一步提高; • PentiumIII微处理器内置了一个引起争议的产品序列号（PSN），能惟一标识一个微处理器; • 为了适应不同需求，Intel公司还推出了面向低档微机的Celeron（赛扬型）、面向服务器和工作站的Xeron（至强型）和面向可移动领域的移动型PentiumII、PentiumIII。 • 类似的微处理器有AMD公司的Athon（K7）。

14. Pentium III微处理器内部结构 图8-3

15. 3．现代微处理器 • 1999年，AMD公司首先提出了X86系列微处理器的64位扩展架构AMD64，并在随后应用到它的Opteron及Athlon 64微处理器之中。 • 此后Intel公司也提出了IA-32e（Intel Achicture-32 Extend，Intel 32位体系结构扩展），后来又改名为EM64T（Intel Extended Memory 64 Technology，Intel 64位内存扩展技术），出现在Prescott核心的Pentium 4处理器上。

16. 原32位x86处理器的32位寄存器被扩展为64位，命名为RAX，RBX，……，增加了8个64bit的通用寄存器R8~R15，一个64bit的指令指针RIP。整数部件扩展为64位，可以进行64位的整数运算。原32位x86处理器的32位寄存器被扩展为64位，命名为RAX，RBX，……，增加了8个64bit的通用寄存器R8~R15，一个64bit的指令指针RIP。整数部件扩展为64位，可以进行64位的整数运算。 • EM64T的运行模式分为“传统的IA-32模式”和“IA-32e扩展模式”两大类。在传统的IA-32模式下，64位架构的处理器仍然像以前那样，工作在“保护模式”，“实地址模式”，“虚拟8086模式”下。在IA-32e扩展模式下，它可以工作在“32位兼容模式”下，以“64位处理器”的“身份”兼容运行32位处理器的程序，或者工作在真正的“64位模式”下，运行64位程序。

17. 为了进一步提升处理器的性能，AMD公司、Intel公司先后推出了在一个微处理器芯片中集成两个64位处理器的新结构，两个处理器有各自的L1 Cache，共享L2。 • Intel公司在2006年推出了称为“Core”的新内核。新一代“Core”内核将流水线从Prescott核心的31级降低为14级，通过优化整体结构提高性能。

18. Core内核使用了一种“指令融合”的新技术，通过“指令解码器”将功能相关的两条连续指令“融合”为一条“内部指令”。例如将比较指令和条件转移指令融合为一条“比较并转移”指令，用一条指令的执行时间完成这两条指令的功能。Core内核因此在一个时钟周期内可以完成4+1条指令，其中的+1即为被融合的指令。Core内核使用了一种“指令融合”的新技术，通过“指令解码器”将功能相关的两条连续指令“融合”为一条“内部指令”。例如将比较指令和条件转移指令融合为一条“比较并转移”指令，用一条指令的执行时间完成这两条指令的功能。Core内核因此在一个时钟周期内可以完成4+1条指令，其中的+1即为被融合的指令。 • 内核的许多单元在空闲时可以进入“深度睡眠”状态，以降低功耗。 • Core核心还包含了新的指令集SSE4。 • 目前使用Core内核的处理器产品称为“Core 2 Duo （酷睿2）”。

19. 64位微处理器 • 2001年5月29日，Intel公司推出了64位微处理器Itanium（安腾），数据通道宽度128位。 • Itanium处理器采用了全新的设计，采用称为IA-64的体系结构，不再兼容之前的80X86系列微处理器，是真正的64位处理器。 • 该处理器目前主要用于服务器。

20. 8.1.4 32位微处理器的寄存器 • 80X86微处理器由16位升级为32位后，它的寄存器也对应升级为32位。 • 为了新的工作方式和存储管理的需要，增加了一些用于控制的寄存器。 • 1. 数据寄存器 • 16位80X86处理器原有的4个通用数据寄存器扩展为32位，命名为EAX、EBX、ECX和EDX。仍然可以使用原有的16位和8位寄存器，如AX、BX、CX、DX、AH、AL、BH、BL......。

21. 2. 地址寄存器 • 原有的4个主要用于内存寻址的通用寄存器同样扩展为32位，命名为ESI、EDI、EBP、ESP。在实地址模式下仍然可以使用原有的16位寄存器SI、DI、BP和SP。 • 指令指针寄存器扩展为32位，更名为EIP，实地址下仍然可以使用它的低16位IP。

22. 在原有的4个段寄存器基础上，增加了2个新的段寄存器FS和GS。在原有的4个段寄存器基础上，增加了2个新的段寄存器FS和GS。 • 段寄存器长度仍为16位，但是，它存放的不再是16位二进制表示的“段基址”，而是13位代表这个段的一个编号，称为“段选择子”。 • 段的其他信息（起始地址、段的长度、段的属性．．．）组成64Bits的“段描述符”，存放在二张称为“段描述符表”的表格中。 • 一张表格存放的是当前任务所使用的段的信息，称为“局部段描述符表（Local Descriptor Table, LDT）”。 • 另一张表格存放了系统所使用的段的信息，称为“全局段描述符表（Global Descriptor Table, GDT）”。 • 13位二进制的“段选择子”就是这个段的“段描述符”在表中的顺序号。

23. 16位段寄存器的另一位称为“表指示器（Table Indicator, TI）”，用来在二张表中间进行选择。 • 16位段寄存器的最低二位表示申请使用段的“特权级(RPL)”，取值0~3。 • 每个段寄存器还有一个配套的64bits“段描述符寄存器”。向段寄存器装入一个新的“段选择子”的同时，处理器会同时把它的描述符装入对应的“段描述符寄存器”。这些寄存器不能由指令来存取，对程序员是不可见的。

24. 32位微处理器增加了4个系统地址寄存器： • 存放“全局段描述符表”首地址的GDTR； • 存放“中断描述符表”首地址的IDTR； • 存放“局部段描述符表” 选择子的LDTR； • 存放“任务段”选择子的“任务寄存器”TR。

25. 3 . 控制寄存器 • 标志寄存器也扩展为32位，更名为EFLAGS。除了原有的状态、控制标志，增加了2位表示IO操作特权级别的IOPL，表示进入虚拟8086方式的VM标志等。 • 32位微处理器增加了5个32位的控制寄存器，命名为CR0~CR4。CR0寄存器的PE=1表示目前系统运行在“保护模式”，PG=1表示允许进行分页操作。CR3寄存器存放“页目录表”的基地址。 • 此外，还有8个用于调试的 • 寄存器DR0~DR7，2个用于测试的寄存器TR6~TR7。

26. 8.1.5 32位微处理器的工作方式 • 实地址方式 • 32位微处理器刚加电或者复位时，就进入实地址方式。 • 实地址方式使用16位80X86的寻址方式、存储器管理和中断管理。实地址方式下使用20位地址寻址1MB空间，中断向量表安置在00000H开始的1KB内。 • 可以使用32位寄存器（需要在指令前加上寄存器扩展前缀），使用特权级0，可以执行大多数指令。 • 实地址方式用于在开机后为进入保护模式做准备，也可以把32位处理器用作一片高速16位处理器使用。

27. 保护方式 • 保护方式是32位微处理器的基本工作方式。 • 保护方式下微处理器支持多任务运行环境，对任务进行隔离和保护，进行虚拟存储管理。 • 保护方式能够充分发挥32位处理器的优良性能。 3. 虚拟8086方式 • 虚拟8086方式是保护模式下某个任务的工作方式，允许在保护模式下运行多个8086程序。 • 虚拟8086方式使用8086的寻址方式，每个任务使用1MB的内存空间。虚拟8086方式的任务以最低特权级运行，所以不能使用特权指令。

28. 系统管理方式 • 系统管理模式（System Management Mode , SMM）主要用于电源管理 • SMM可以使处理器和外围设备部件进入“休眠”状态，有键盘按下或鼠标移动时“唤醒”系统，使之继续工作。 • 利用SMM可以实现软件关机。

29. 8.2 微型计算机体系结构 8.2.1 80X86微型计算机结构 • IBM-PC，PC/XT微型计算机结构 • IBM公司以8088为CPU构建了的第一代的PC机——IBM-PC，该计算机以盒式录音机作为外存储设备,使用不够方便。 • 随后，IBM公司推出了它的增强型—IBM-PC/XT，它采用10~20MB的硬盘驱动器作为辅助存储设备，在一段时间内获得了广泛的认同。 • PC/XT机采用以CPU为中心的简单结构，通过若干缓冲和锁存电路把8088CPU的信号连接到它的“系统板”上，构成了62线的“XT总线”。

30. XT总线包括8位数据线，20根地址线，使用与CPU相同的4.77MHz的时钟信号。由于8088CPU传输一次数据需要4个以上的时钟周期，所以XT总线的数据传输率约为1.2MB/S。XT总线包括8位数据线，20根地址线，使用与CPU相同的4.77MHz的时钟信号。由于8088CPU传输一次数据需要4个以上的时钟周期，所以XT总线的数据传输率约为1.2MB/S。 • 它的“系统板”上除了8088CPU及其外围电路，还集成了ROM、RAM、定时/计数器、中断控制器、DMA控制器、键盘、扬声器接口以及8个62引脚的“XT总线”扩展插槽。 • 它的显示器接口，打印机接口，串行通信接口都是以“接口卡”的形式通过62脚插槽与系统相连接的。主板上最多提供256K的DRAM存储器，更多的存储器需要做成“接口卡”与系统相连。

31. IBM-PC/XT微型计算机结构 图8-5

32. PC/AT微型计算机结构 • 为了适应新的CPU的推出，IBM公司推出了新一代的微型计算机——IBM PC/AT； • PC/AT对8位的“XT总线”进行了扩充，构成16位的“AT总线”; • 随后，Intel和其他公司联合，推出了与AT总线兼容的，公开的总线标准——ISA（Industry Standard Architecture，工业标准体系结构）。 • ISA总线使用24位地址、16位数据、15级硬件中断和7个DMA通道，使用6~8MHz时钟信号，最高数据传输率为8MB/S。

33. ISA总线与XT总线兼容，ISA插槽做成二段：第一段提供XT信号，可以继续使用XT总线的接口卡；第二段提供ISA所增加的信号，同时插入二个插槽就得到完整的ISA信号。ISA总线与XT总线兼容，ISA插槽做成二段：第一段提供XT信号，可以继续使用XT总线的接口卡；第二段提供ISA所增加的信号，同时插入二个插槽就得到完整的ISA信号。 • 随着CPU主频的不断提高，要求内存储器的速度也要相应提高。在这样的情况下，出现了“分级”总线的微型计算机结构：把CPU与内存储器直接相连，称为“CPU局部总线”；经过外围芯片（组）产生“系统总线”，与相对低速的其他I/O设备相连接。 • L2 Cache 和DRAM 及其控制器通过“CPU局部总线”与80486直接相连。在AT机型中还使用了独立的实时时钟/日历芯片，关机时用后备电池供电，可以连续计时。

34. IBM-PC/AT微型计算机结构 图8-6

35. 8.2.2 Pentium系列微型计算机结构 • 自从1987年Intel公司生产出8086 CPU之后，每隔3-4年，微处理器就要“升级换代”一次。 • 微处理器的快速更新带来了系统结构的“不稳定性”，给系统其他电路的研制、生产带来了巨大的压力。 • 为了获得一个稳定、高性能的系统结构，Intel于1991年底提出，1993年联合其他公司推出了PCI总线规范。它独立于CPU，完全兼容当时已有的ISA/EISA/微通道总线，具有高达133MB/S的数据传输速率，能够满足高性能图形接口和其他高速外设的需要。 • 随着同年高性能微处理器Pentium的推出，Pentium + PCI成为新一代微型机计算机的的代名词。

36. 1． “南北桥”结构 • “南北桥”结构支持多级总线的系统组成。系统由处理器总线（Host Bus），局部总线（PCI）和系统总线（ISA）三级组成（图8-7）。 • 处理器总线连接高速缓存（Cache）和主存储器； • PCI总线连接显示适配器、网络适配器、硬盘驱动器等高速设备； • ISA总线连接传统的并行口、串行口、软盘驱动器、键盘、鼠标等相对低速的外部设备。 • 各“级”之间信号的速度缓冲、电平转换、控制协议转换由称为“桥”的电路实现。 • 根据“桥”二端电路的不同，有“CPU / PCI桥”（Host Bridge），“PCI / ISA桥”，“PCI / PCI桥”等。

37. “CPU / PCI桥”处于上部，按照地图的习惯，被称为“北桥”。该芯片除了“CPU / PCI桥”电路之外，同时集成了AGP总线接口、主存储器控制器、PCI仲裁器。 • “PCI / ISA桥”位于图的下方，被称为“南桥”，它同时还集成了IDE辅助存储器接口，二个8259中断控制器，二个DMA控制器，8253/8254定时/计数器和实时时钟，还增添了通用串行总线（USB）接口，“I/O APIC”等。 • 传统的较低速的接口集成在称为“Super I/O”的电路中 • 许多公司研制和生产了组成“南-北桥”的芯片组，它们各自具有不同的性能和技术特征。 • Intel公司生产的典型的“南-北桥”的芯片组有440BX和440TX等。 • 从Pentium II开始的CPU还提供专用的引脚，通过南桥芯片的“I/O APIC”接口连接多于一个的CPU，构成多CPU的系统。

38. “南北桥”结构的PentiumII微型计算机 图8-7

39. 2． “两个中心”结构 • “南-北桥”结构存在一个明显的“数据传输瓶颈”：南桥芯片连接的高速外设都要通过PCI总线与处理器相连接。这增加了PCI总线数据交换的拥挤程度。Intel公司为此又推出了称为“中心结构”的新的结构体系。 • “存储控制中心”（Memory Control Hub, MCH）芯片的主要任务是建立处理器与系统其他设备的高速连接。 • 它与处理器连接，通过存储器总线连接主存储器， • 通过“中心高速接口”与称为“I/O控制中心（I/O Control Hub , ICH）” 的芯片连接， • 它还集成了高速AGP总线接口，电源管理部件和存储管理部件。 • 有的MCH芯片还同时集成了AGP图形接口，可以直接连接显示设备，称为“图形存储控制中心（GMCH）”。

40. “I/O控制中心”芯片（ICH）负责建立I/O设备与系统的连接。在它的内部集成了：“I/O控制中心”芯片（ICH）负责建立I/O设备与系统的连接。在它的内部集成了： • 2个IDE辅助存储器接口（Primary IDE , Secondary IDE）； • 2个或4个USB接口； • 内置了PCI总线仲裁器和PCI总线接口； • 内置了AC'97控制器，提供音频编码和调制解调器编码接口； • 通过LPC I/F和Super I/O芯片相连。该芯片内置相关接口，连接软盘驱动器、键盘、鼠标等相对低速的外部设备，同时提供传统的并行、串行接口； • 称为“固件中心”（FWH）的芯片主要用来存储系统和显示的BIOS，它也连接到ICH芯片上。

41. Intel公司生产的典型的“中心结构”的芯片组有810，815，820，850，860和845等系列。Intel公司生产的典型的“中心结构”的芯片组有810，815，820，850，860和845等系列。 • PC'99规范中取消了ISA总线，需要使用时可通过“PCI/ISA桥”芯片引出。 • “中心结构”进一步完善了多级总线结构，是目前普遍使用的微计算机系统结构.

42. “两个中心”结构的Pentium微型计算机 图8-8

43. 8.2.3 Intel 系列芯片组 系统芯片组的作用： • 连接构成系统的各个部件（处理器，主存储器，接口，外设） • 提供各种基本信号，连接局部/系统总线， • 集成了时钟、定时/计数器、中断控制器、DMA控制器以及并行接口、串行接口等电路。 • 系统芯片组在系统的构成上起着重要的作用，它使系统结构简洁而同时又保持了强大的功能。 • 广泛使用的Intel芯片组有865，915，925，965等系列

44. 1． Intel 845芯片组 由存储控制中心芯片（如：82845P）和第四代IO控制中心芯片（ICH4，如：82801DB）组成。 • 支持mPGA478封装的P4或Celron D处理器，处理器总线频率最高533MHz； • 支持SDR/DDR SDRAM等不同种类的存储器； • 提供1X/2X/4X AGP图形总线； • 支持USB2.0。

45. 2． Intel 865芯片组 由865系列的MCH芯片（如82865PE）与第五代IO控制芯片（ICH5/ICH5R，如82801EB）组成。 • 支持mPGA478封装的P4 或 Celeron D处理器，支持超线程（Hyper Threading，HT）技术，支持800MHz/533MHz/400MHz的处理器总线； • 支持双通道DDR400存储器，带宽达到到6.4GB/s（64/8*400MHz*2），与处理器总线带宽相均衡； • 提供8X/4X AGP图形总线； • 提供串行ATA硬盘驱动器接口和Gb级的以太网接口。

46. 用Intel 865芯片组构建PC系统

47. 3． Intel 965芯片组 Intel 965芯片组配用第八代IO控制芯片（ICH8，如82801HB）。以Intel G965 Express芯片组（MCH芯片为Intel 82Q965）为例： • 支持多内核CPU（如Pentium D, Core 2 Duo），支持超线程技术，处理器总线频率为1066MHz或800MHz，使用LGA775封装； • 提供PCI Express x16高速图形总线，带宽达到8GB/s，是AGP 8X接口带宽的3.5倍； • 提供6组PCI Express X1总线接口，供系统扩展； • 支持双通道DDR2-667存储器，最多8GB； • 提供6组独立的串行ATA辅助存储器接口和增强型SATA。

48. 用Intel G965芯片组构建系统

49. 8.3 存储管理技术 8.3.1 高速缓存技术 • 对于半导体存储器器件而言，低价格、大容量、高速度是一组永恒的矛盾； • 用单一工艺制造的半导体存储器难以同时满足上述三方面的要求。 • 解决这个问题的有效方法就是发挥不同存储器件各自的长处，采用多层次的存储系统。

50. 1． 多级存储体系 • 多级存储体系就是把几种不同容量、速度的存储器合理地组织在一起，使它们能较好地同时满足大容量、高速度、低价格的要求。 • 以增加技术复杂程度为代价。 存储系统层次结构如下图，该系统由高速缓存（Chache）、主存、辅存三类存储器组成。 三类存储器构成了二个层次的存储系统。