Pentium系列微型计算机原理与接口技术

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第1章 微型计算机系统基础知识
　　1.1 概述
　　自20世纪70年代初期以来，随着微电子技术的飞速发展，大规模集成电路和超大规模集成电路芯片不断涌现，以微处理器为核心的微型计算机在计算机的发展洪流中取得了重大突破。它对计算机的发展、应用和普及带来极其深刻的影响。因此，有人说微处理器及微型计算机的出现和崛起是计算机的第二次革命。
　　微型计算机系统(μCS)由硬件和软件组成。硬件包括微型计算机(μC)、外围设备和电源。微型计算机包括微处理器(μP)、内存储器、输入/输出(I/O)接口电路和系统总线。微型计算机系统、微型计算机和微处理器的相互关系如图1-1所示。下面，首先说明几个基本概念，然后进一步介绍微型计算机系统的基础知识。
　　图1-1 微型计算机系统、微型计算机和微处理器的相互关系
　　微处理器(Microprocessor，MP或μP)通常是指在一块大规模集成电路或超大规模集成电路芯片上，把冯 诺依曼计算机体系结构中的运算器和控制器集成进去。这样，它虽然不是通常所指的微型计算机，但却是微型计算机的核心部件。近几年来，随着微电子和超大规模集成技术的迅速发展，在它的内部不仅集成了运算器和控制器等基本部件，而且集成了数学协处理器(Mathematical Coprocessors)、高速缓冲存储器以及多种接口和控制部件，甚至多媒体部件也集成到一块芯片内。因此，其功能的强大，是完全可以想象的。
　　微型计算机(Microcomputer，MC或μC)是以微处理器为核心的，配上用大规模集成电路制作的存储器、输入/输出(I/O)接口电路以及系统总线等部件的裸机，它包含冯 诺依曼计算机体系结构中的五个组成部分。特别要指出的是，为了进一步微型化，在微型计算机的发展过程中，还出现了单片计算机和单板计算机。其中，前者将微型计算机的所有部件全部集成在一块芯片上；而后者则将微型计算机的各个部件安装在一块印制电路板上，从而使微型计算机更适合小型化的应用场合。
　　微型计算机系统(Microcomputer System，MCS或μCS)是以微型计算机为核心的，配置相应的外部设备(简称外设)和系统软件及应用软件，从而使其具有独立的数据(Data)处理和运算能力。也就是说，微型计算机系统是微型计算机硬件、软件以及外部设备的集合，使裸机变成一台完整的、可供用户直接使用的计算设备或控制设备。
　　下面将介绍微型计算机的硬件结构、计算机中信息的表示、软件系统以及微型计算机系统的性能指标，从而为学习后续章节打下基础。
　　1.2 微型计算机的硬件结构和基本工作原理
　　1.2.1 微型计算机的基本结构
　　20世纪70年代初，美国 Intel公司成功地将运算器与控制器集成在一个芯片上，该芯片称为微处理器。这一技术的产生为微型计算机的崛起奠定了基础。微型计算机本质上与其他计算机并无太多的区别，它的基本结构同样属于冯 诺依曼型，就基本工作原理而言，都是存储程序控制的原理，所不同的是由于广泛采用了集成度相当高的器件和部件，因此，微型计算机系统具备以下一系列特点。
　　(1)体积小，重量轻。
　　(2)价格低。
　　(3)可靠性高，结构灵活。
　　(4)应用面广。
　　(5)功能强，性能优越。
　　微型计算机通常由微处理器、存储器、输出/输入接口、总线以及其他支持逻辑电路组成，如图1-2所示。
　　图1-2 微型计算机组成原理框图
　　微处理器通常是一块大规模集成电路芯片，它的内部主要包含运算器和控制器两大核心部件，其功能是负责计算机的运算和控制。因此，通常又把它称为中央处理器或者中央处理部件(Central Processing Unit，CPU)。
　　存储器是用来存储数据和程序的部件。为了满足存储容量和存取速度的需要，存储器一般采用分级存储方式，即用存取速度较高的半导体存储器件作为内存储器，而用容量较大、存取速度相对较低的磁表面存储器、光盘存储器或 Flash类的存储器作为外存储器。
　　输入/输出接口是微型计算机与外部设备之间交换信息的通路。不同的外部设备与微型计算机相连都需要配备不同的 I/O接口，常见的输入/输出接口有显示器接口、打印机接口、串行通信接口等。
　　总线是连接上述各部件的公共线路。按照传送信号的性质，总线可分为数据总线(Data Bus，DB)、地址总线(Address Bus，AB)和控制总线(Control Bus，CB)，它们分别用于传送数据、地址和控制信号；而按照总线连接的对象不同，总线又可分为系统总线、局部总线和外部总线。其中，系统总线用于微型计算机内的各部件之间的连接；局部总线用于微型计算机内的CPU与外围芯片之间的连接；而外部总线则是用于微型计算机与外部设备之间的连接。
　　总之，上述微处理器、存储器、输入/输出接口以及总线构成了计算机的硬件基础。通常把这一部分称为微型计算机，有时简称主机。下面介绍这几个组成部分的特点和功能。
　　1.2.2 中央处理器
　　中央处理器是整个微型计算机硬件的控制指挥中心。不同型号的微型计算机性能的差别首先在于微处理器型号的不同。Intel公司的 Pentium、Pentium Pro(高能Pentium)、Pentium MMX(多能Pentium)、PentiumⅡ和PentiumⅢ等微处理器都是市场广泛使用的微处理器。微处理器的性能又与它的内部结构、硬件配置有关。但无论哪种微处理器，其基本部件总是相同的。
　　如上所述，中央处理器主要包括运算器和控制器两大部件，如图1-3所示的典型CPU的基本结构，下面分别介绍这两个部件的基本组成和工作原理。
　　图1-3 典型CPU的基本结构
　　1．运算器
　　计算机中的运算器需要具有完成多种运算操作的功能，因而必须将各种算法综合起来，设计一个完整的运算部件。运算器的组成决定于整机的设计思想和设计要求，采用不同的运算方法将导致不同的运算器组成。但由于运算器的基本功能是一样的，其算法也大致相同，因而不同微处理器的运算器是大同小异的。运算器主要由算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit，ALU)、累加器(Accumulator，ACC)、标志寄存器(Flags Register，FR)和寄存器组(Register Set，RS)组成。运算器的设计主要是围绕ALU和寄存器同数据总线之间如何传送操作数和运算结果而进行的。
　　运算器的基本功能是完成对各种数据的加工处理，例如，算术四则运算，与、或、求反等逻辑运算，算术和逻辑移位操作，比较数值，变更符号，计算主存地址等。运算器中的寄存器用于临时保存参加运算的数据和运算的中间结果等。运算器中还要设置相应的部件，用来记录一次运算结果的特征情况，如是否溢出、结果的符号位、结果是否为零等。
　　1)算术逻辑单元
　　ALU主要完成对二进制信息的算术运算、逻辑运算和各种移位操作。算术运算主要包括定点加、减、乘和除运算。逻辑运算主要有逻辑与、逻辑或、逻辑异或和逻辑非运算。移位操作主要完成逻辑左移和逻辑右移、算术左移和算数右移及其他一些移位操作。在某些机器中，ALU还要完成数值比较、变更数值符号、计算操作数在存储器中的地址等操作。可见，ALU是一种功能较强的组合逻辑电路，有时被称为多功能发生器，它是运算器组成中的核心部件。ALU能处理的数据位数(字长)与机器有关。例如，Z80单板计算机中，ALU是8位的；IBM PC/XT和AT机中，ALU是16位的；386和486微机中，ALU是32位的。ALU有两个数据输入端和一个数据输出端，输入/输出的数据宽度(位数)与ALU处理的数据宽度相同。
　　2)累加器
　　累加器是CPU中工作最繁忙的寄存器，十分重要。诞生之初，ACC是8位寄存器，大部分的数据操作都会通过累加器ACC进行。在进行算术运算、逻辑运算时，ACC通常作为运算器的一个输入，而大多数运算结果也要送到ACC中。在后续章节中，8位累加器助记符为AL；16位累加器助记符为AX；32位累加器助记符为EAX。
　　3)通用寄存器组
　　目前设计的机器的运算器都有一组通用寄存器。它主要用来保存参加运算的操作数和运算的结果。早期的机器只设计一个寄存器，用来存放操作数、操作结果和执行移位操作。由于其可用于存放重复累加的数据，因此常称为累加器。通用寄存器的数据存取速度是非常快的，目前一般是十几纳秒(ns)。如果ALU的两个操作数都来自寄存器，则可以极大地提高运算速度。
　　通用寄存器可以兼作专用寄存器，例如，用于计算操作数地址的寄存器：源变址寄存器(Source Index，SI)、程序计数器(Program Counter，PC)、堆栈指针(Stack Pointer，SP)等。必须注意的是，不同的微处理器对这组寄存器使用的情况和设置的个数是不相同的。
　　4)标志寄存器
　　标志寄存器用来记录算术运算、逻辑运算或测试操作的结果状态。程序设计中，这些状态通常用作条件跳转指令的判断条件，所以又称为条件码寄存器，一般均设置如下几种状态位。
　　(1)零标志位(Z)：当运算结果为0时，Z位置1；非0时，Z位清0。
　　(2)负标志位(N)：当运算结果为负时，N位置1；为正时，N位清0。
　　(3)溢出标志位(V)：当运算结果发生溢出时，V位置1；无溢出时，V位清0。
　　(4进位或借位标志位(C)：在做加法时，如果运算结果最高有效位(对于有符号数来说，即符号位；对无符号数来说，即数值最高位)向前产生进位，C位置1；无进位时，C位清0。在做减法时，如果不够减，最高有效位向前产生借位时，C位置1；无借位时，C位清0。
　　除上述状态外，状态寄存器还常设有保存有关中断和机器工作状态(用户态或核心态)等信息的一些标志位，以便及时反映机器运行程序的工作状态，所以有的机器称它为程序状态字或处理机状态字(Processor Status Word，PSW)。应当说明，不同的机器规定的内容和标志符号不完全相同。
　　2．控制器
　　控制器是计算机工作的指挥和控制中心，计算机按程序中每一条指令的要求，在控制器的统一指挥下工作。了解控制器的工作原理有助于了解计算机的全部工作过程。控制器的基本功能如下。
　　1)执行指令
　　执行指令包括取指令、分析指令与执行指令。其中，取指令时，控制器首先发出指令地址及控制信号，然后从存储器中取出一条指令到控制器；分析指令也称为解释指令或指令译码，指出本指令要做什么操作，并产生相应的操作控制指令，分析参与这次操作的各操作数所在的地址，即操作数的有效地址；执行指令根据分析指令时产生的操作控制指令和操作数地址形成相应的操作控制信号序列，并通过存储器、运算器以及输入/输出设备的执行来实现每条指令的功能。一般情况下，还要形成下一条指令的地址，并取出下一条指令，经过分析、执行 如此循环，直到程序执行完毕或有外来干预为止。
　　2)控制程序和数据的输入及结果的输出
　　控制程序和数据预先存放在存储器中，运算结果的输出以及执行上述操作时，常采用的I/O指令都要由控制器统一指挥，以便完成主机和I/O设备之间的信息交换。
　　3)异常情况和某些请求的处理
　　计算机在运行时往往会遇到一些异常情况或某些请求，产生的这些异常情况或请求事先无法预测，但是一旦发生，CPU应该立即对它们做出响应，这就要求控制器具有处理这类问题的功能。通常当这些情况出现时，由相应部件或设备向CPU发出中断请求，待执行完当前指令后，CPU响应该请求，中止当前执行的程序，转去执行中断程序，以便处理这些请求。当处理完毕后，再返回原程序继续执行。
　　图1-4是控制器控制信号模块组成示意图，它包括控制器控制信号产生的最基本的组成