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1、第第2 2章章 中央处理器中央处理器 CPU CPU121 计算机硬件组成计算机硬件组成 211 计算机硬件系统计算机硬件系统 任何一种计算机不论它是早期的大型计算机还是近期的微处理机，从宏观上、站在另一个角度上来说，其硬件的基本构成都是由微处理器、存储器系统和输入/输出系统三大块构成，如图2.1所示。它们又是通过总线相互连接在一起，构成一个功能强大设备齐全的计算机硬件系统。微处理器存储器系统输入/输出系统总线图2.1 基于微处理器的计算机系统框图 2计算机系统的核心部件是微处理器，充当计算机系统核心作用的微处理器，因时代的变迁和与时俱进的微处理机技术的飞速发展而变化着，它们曾经是16位的80
2、86、8088、80186、80286微处理器，32位的80386、80486、经典奔腾Pentium、高能奔腾Pentium Pro、二代奔腾Pentium II、Pentium III，直至目前的Pentium 4以及将来的64位的微处理器。计算机存储器系统的构成；既有只读存储器（ROM），也有随机存取存储器RAM。而随机存取存储器RAM，既可以是动态的RAM（RAM），也可以是静态的RAM（SRAM）。为了解决微处理器高速的操作处理速度与存取速度较低的存储器之间的矛盾，在微处理机系统中通常还配备有高速缓冲存储器Cache，用以加速微处理机与存储器之间的信息传输速度。计算机系统内的输入/输
3、出系统是人-机进行信息交互的一种非常重要的手段。输入/输出系统通常是由诸如打印机、显示器、键盘、光驱、鼠标、绘图仪、扫描仪、软盘驱动器、硬盘驱动器、磁带机等设备组成。一个计算机系统配备的输入/输出设备的多少因需要而异。3212 微处理器芯片微处理器芯片 微处理机系统的核心部件是微处理器芯片，通常称之为CPU（Central Processing Unit）。微处理器芯片是通过总线对存储器和输入/输出操作进行控制的。在微处理器与I/O设备或与存储设备之间进行数据传送操作时，是用总线来选择I/O设备或存储设备的，并且对I/O设备和存储器设备实施控制。当微处理器执行存储在存储器中的指令时，同时也实现
4、了对存储器和I/O 的控制。4 其实，微处理机系统主要完成以下三项任务：（1）在微处理器与存储器或者I/O设备之间传送数据；（2）进行简单的算术运算和逻辑运算操作；（3）通过简单的判断来实现对程序流向的控制。5实际上，微处理器就是这样通过这些简单的算术运算和逻辑运算操作而实现积小事而大成之目的。通过执行一条条简单的指令而完成任何一种复杂的操作或任何一项任务。微处理器的强大功能和威力主要表现在它能够每秒执行几千万条乃至几亿条指令，由这些指令组成的程序或软件（指令的集合）被存放在微处理机系统的存储器中。这种存储程序的概念使微处理机系统成为功能强大的IT设备。表2.1列出了在Intel系列微处理器上
5、执行的算术运算和逻辑运算操作。看起来，这些运算都是一些非常基本、非常简单的运算，然而就是通过这些简单的操作的组合，解决了人脑和体力所几乎不能解决的那些大的复杂课题的计算问题。6 操 作说 明 加 减 乘 除 AND逻辑乘 OR逻辑加 NOT 逻辑反 NEG算术取反 移位 循环表2.1 简单的算术和逻辑操作7用于运算的数据或者是来自存储器系统，或者是取自内部寄存器。进行运算的数据宽度也是可以变化的，它们可以是字节（8位）数据、字（16位）数据或双字（32位）数据。当然，也只有80386PentiumII可以直接处理8位、16位和32位的数据。由于早期的808680286是16位的微处理器，它们仅
6、能直接加工处理8位和16位的数据，而不能直接加工处理32位的数据。从80486 微处理器开始，在微处理器芯片内又新配备了一个数字协同处理器（又称浮点部件），允许用80位的浮点数进行复杂的计算。而在以808680386微处理器为平台的PC机系统中，数字协同处理器是一种独立于808680386的、附加的、可选用的芯片部件。8 微处理器功能表现得非常强大的另一个的特征是，它拥有简单实用的、以实际数值为基础进行判断的能力。例如，微处理器可以判断一个数是否为零、是否为正、以及其他一些表怔值等。微处理器可根据这些简单判断操作来决定程序的流向。表2.2列出了Intel系列微处理器可以做出的判断操作。表2.2
7、 808680486和Pentium/Pentium Pro微处理器的判断判 断说 明零测试数是零或者不是零符号测试数是正还是负进位测试加法的进位或者减法后的借位奇偶测试数中1的个数是奇数还是偶数溢出 测试溢出，指示加法或减法后有符号数的结果无效9213 CPU 的构成的构成为对微处理器CPU结构有一个全面的了解，先从微处理器的最基本的操作说起。1微处理器操作微处理器操作首先，作为微处理器系统的核心部件CPU，它必须能进行如下一些最基本的操作：（1）取指令）取指令（fetch instructions）：CPU必须有办法、有能力从存储器内读取指令。（2）解释指令）解释指令（interpret
8、instructions）：CPU必须对指令进行译码，也就是对指令进行分析解释，以确定指令所要进行的操作。（3）取数据）取数据（fetch data）：执行一条指令所需的数据，即可以是取自存储器、也可以从I/O模块上读取数据。（4）处理数据）处理数据（process data）：CPU处理数据的过程，也就是CPU执行指令的过程，一条指令的执行，就是对数据进行某些算术运算或逻辑运算的操作过程。（5）写数据）写数据（write data）：是CPU对数据进行算术运算或逻辑运算操作的结果进行保存处理的过程。或者将指令执行的结果写到存储器内，或者将指令执行的结果送到I/O模块。102微处理器（微处理器
9、（CPU）构成）构成 为能实现如上所说的这些最基本的操作，CPU需要配备有能暂时存放某些数据的设施；CPU还必须记住最近执行指令的位置，以便知道要执行的下一条指令位于从何处；CPU还需要配备有在指令执行期间用来暂时保存指令和数据的设施。也就是说，在CPU内部也需要一小批量的内部存储装置。图2.2中所展示的是一个经简化了的CPU逻辑框图，从图中可以看出，CPU芯片是经由系统总线与微机系统其他部分的相连接的。其实，CPU是由一个算术运算和逻辑运算部件ALU以及一个控制部件CU组成。11图 2.2 CPU与系统总线 算术和逻辑运算部件寄存器控制器控制总线数据总线地址总线CPU12ALU的功能是：的功
10、能是：进入ALU的数据进行实际计算或处理。控制部件的功能是：对进入CPU的数据和指令进行控制处理，对移出CPU的数据和指令也设施控制处理，同时对ALU的操作也进行着控制。另外，CPU逻辑框图内还由一组用来暂时保存指令和数据的设施，它们就是品种和数量都有限的被称为寄存器的暂时存储设备。13若欲对CPU的的体系结构进行进一步的了解，需对CPU的体系结构再进一步进行剖析，图2.3所展示的就是一个较详细的CPU逻辑框图。算术和逻辑运算部件状态标志移位部件加法器算术和布尔逻辑CPU 内 部 总 线寄存器控制器控制路径14图中展示出了在图中展示出了在CPUCPU内部数据传送和逻辑控制的内部数据传送和逻辑控
11、制的途径；图中的那个被称之为途径；图中的那个被称之为CPUCPU内部总线的部件，内部总线的部件，是构成是构成CPUCPU的一个非常重要的部件，的一个非常重要的部件，CPUCPU各寄存器各寄存器和和ALUALU之间的数据传送操作就是由这个部件具体之间的数据传送操作就是由这个部件具体实施和完成的。实施和完成的。ALUALU其实是由状态和标志寄存器、其实是由状态和标志寄存器、移位器、加法器以及算术和布尔操作控制逻辑等移位器、加法器以及算术和布尔操作控制逻辑等基本组件构成。事实上，基本组件构成。事实上，ALUALU只是对只是对CPUCPU内部用于内部用于暂时存放数据的寄存器数据进行操作。暂时存放数据的
12、寄存器数据进行操作。其实，任何一个计算机硬件系统都是由其实，任何一个计算机硬件系统都是由CPUCPU、存、存储器以及储器以及I/OI/O设备构成；而设备构成；而CPUCPU又是由控制器、又是由控制器、ALUALU、寄存器等部件构成，各部件之间的数据传、寄存器等部件构成，各部件之间的数据传输操作又是通过把各部件连接在一起的数据总线输操作又是通过把各部件连接在一起的数据总线完成的。完成的。15（1 1）寄存器）寄存器 可见寄存器可见寄存器 在微处理器芯片内设置有用户可见的寄存器，所谓用户可见寄存器是指那些用户可以用机器指令显式的或隐式的方式进行访问的寄存器。它们可以是通用寄存器，也可以是专用寄存器
13、。像用来进行定点数操作或浮点数操作的寄存器、用来存放地址的寄存器、存放段指针等的专用寄存器。通用寄存器，顾名思义就是用户可以用来存放任一操作数，即可以用来进行操作数的计算也可以用来进行地址的计算。通用寄存器的个数越多，微处理器执行指令的速度也就越快。16以80486为例，它共配置了8个32位的通用寄存器、如图2.4所示。这八个32位的寄存器不仅可以保存32位数据，以便支持32位的数据操作，还可以进行16位的操作，以便与Intel系列16位机兼容。所以可以把这八个32位通用寄存器的低半段看成是八个16位的通用寄存器。在进行地址计算和进行绝大多数算术运算及逻辑运算时，这8个寄存器都可以使用，只有少
14、数几条指令要使用专用寄存器保存其操作数。EAX 累加寄存器EBX 基址寄存器ECX 计数寄存器EDX 数据寄存器ESI 源变址寄存器EDI 目标变址寄存器EBP 基址指针寄存器ESP 堆栈指针寄存器151631017 控制和状态寄存器控制和状态寄存器在微处理器CPU芯片内，还配备有一类起控制操作的寄存器，它们中的大多数，是用户不可见的。而有些对于在控制或操作系统模式下执行的机器指令来说则是可见的。控制和状态寄存器用来对CPU的操作实施控制的寄存器。像程序计数器就是一个控制CPU操作的寄存器中的一个。18另一类就是标志寄存器，其内保存着微处理器的各种状态信息和条件信息。例如，反映最近一次算术运算
15、结果的状态、允许中断状态、以及指示CPU当前是运行在特权模式下、还是运行在用户模式下的状态信息。通常设置的是以下一些状态信息或标志信息：符号（符号（Sign）：指示的是算术运算最后结果的符号位。零（零（Zero）：当计算结果为零时就将这一位置成1。进位（进位（Carry）：在进行算术运算的加法操作时，若出现了最高位有向上的进位，或在进行减法操作时出现了借位，则将这一位置成1，否则，则将该位清成0。等于（等于（Equal）：若在进行逻辑比较时，其结果是相等的，则将该位置成1。溢出（溢出（Overflow）：在进行算术运算时，若计算结果超出了微处理器所能表示的数值范围，则表示出现了算术溢出，则将该
16、位置成1。否则，则将该位清成0。允许中断允许中断/禁止中断禁止中断：用于允许或禁止中断。19 当然，在不同的微处理器内，配备的寄存器不同，其名称和功能也不会相同，使用的术语也会不同。下面列出微处理器上常用的必需的各寄存器类型，并予以简短描述。在进行指令操作时，有4种寄存器是至关重要的，它们分别是：程序计数器（程序计数器（PC）：在程序计数器PC内保存着下一条欲被取指令的地址。通常，在每次取指令操作之后，程序计数器的内容即被CPU更改，其内所保存的信息总是将被执行的下一条指令的地址。即使是转移或跳步指令亦要修改程序计数器PC的内容。指令寄存器（指令寄存器（IR）：）：其内存放着最近取出来将要被执
17、行的指令。从存储器取出来的指令被装入到指令寄存器，然后由译码部件对指令寄存器中的内容进行译码分析，指明是什么类型的指令，并根据操作码指示出操作数的位置。存储器地址寄存器（存储器地址寄存器（MAR）：其内存放着存储器的存储单元的地址信息。存储器缓冲寄存器（存储器缓冲寄存器（MBR）：）：其内存放着将要被写入到存储器内的信息或最近刚从存储器内读出待用的信息。20其内存放着将要被写入到存储器内的信息或最近刚从存储器内读出待用的信息。当CPU与存储器进行数据交换时，就要用到MAR和MBR寄存器。在总线组织的系统内，MAR直接与地址总线相连，MBR直接与数据总线相连。用户可见的寄存器只能与MBR进行数据
18、交换操作。以上所述的4个寄存器的作用是：在CPU和存储器之间进行数据信息传送操作。在CPU对信息进行加工处理时，实际上是把数据信息（不管是数值信息还是逻辑信息）提交给ALU，由ALU对数据信息进行加工处理。ALU可对MBR和用户可见寄存器直接进行访问操作。21（2 2）算术运算和逻辑运算部件算术运算和逻辑运算部件ALUALU ALU 的主要功能是：进行二进制的定点算术运算、逻辑运算和各种移位操作运算。其中的算术运算是指定点的加、减、乘、除运算。逻辑运算主要是逻辑与、逻辑或、逻辑异或、逻辑非操作。通常所说的CPU对信息的加工处理，大多是在ALU上进行的。ALU内的移位器的作用是：用来进行逻辑左移
19、、逻辑右移、算术左移、算术右移以及其他的一些移位操作。由于移位器比用ALU进行移位操作要快的多，通常与ALU一起进行并行操作，可以加速乘、除运算和移位的速度。ALU内的移位器的作用是进行移位操作，像Intel 的32位系列微处理器芯片上，都配备有一个64位的桶形移位器，用来进行位移、环移以及位操作，协助进行乘法以及其他一些操作。它可以在一个时钟周期内实现64位同时移位操作，也可对任意一种数据类型移任意数量的位。ALU内配置的加法器的功能是进行定点的加、减、乘、除等算术运算，和用来进行操作数地址的计算等操作。ALU能够处理数据的位数和微处理器有关，如Z80单板机，其ALU是8位的；8086微处理
20、机的ALU是16位的；80386、80486和Pentium的ALU则是32位的。22（3）控制器控制器 微处理机是按程序中每一条指令的要求，在控制器的统一指挥下工作的。控制器是微处理机工作的指挥和控制中心，了解控制器的工作原理有助于了解微机的全部工作过程。控制器除包括有程序计数器PC和指令寄存器IR外，其内还配备有：指令译码器指令译码器 指令译码器主要是对指令寄存器中的操作码进行分析解释，产生相应的控制信号，有的机器也需要对寻址方式字段进行译码，用以产生有效地址所需的信号。译码器的输出反映了指令功能的一串控制电位序列，而哪些电位信号起作用，应该由指令的操作码和寻址模式决定，至于控制电位什么时
21、候起控制作用，则由时序系统来完时。时序部件时序部件 是产生各种时序信号的部件。微处理器完成一条指令的过程是通过执行若干个微操作来实现的，而且各个微操作的执行顺序又有严格的要求。时序部件用来产生一系列的时序信号，可以保证各个微操作的执行顺序。23 微操作控制信号形成部件微操作控制信号形成部件 微操作控制信号形成部件是用来产生各种微操作控制信号的。所谓微操作，即微处理器中最简单的且不能再分解的操作，如打开某个控制门、清除寄存器等。复杂操作是通过执行一系列微操作实现的。微操作控制信号形成部件可以根据指令译码器产生的操作控制信号、时序部件产生的时序信号以及其他控制条件产生整个机器指令系统中所有指令所需
22、的全部微操作控制信号。这些控制信号引向微处理器的各个部件，以控制指令的执行。此部件可由组合逻辑控制电路或微程序控制电路组成。中断机构中断机构 中断机构是专门用于处理微处理器运行过程中所出现的异常情况和某些请求的部件。中断机构由硬件和软件组成。请求中断的事件称为中断源。中断源的种类很多，如外设引起的中断、运算器产生的中断、存储器产生的中断等。通常将性质相同的中断源归成一类，根据每类中断源的重要性和紧迫性赋予一定的优先权编码，如果有几类中断同时请求，则CPU按照它们的优先权进行处理，优先权最高的中断首先被处理。当一个中断源有中断请求时，如果条件满足，CPU响应中断，中止现行的指令序列。响应中断的动
23、作是由硬件完成的，“响应”所占用的时间称为中断周期。中断周期中主要做程序切换工作，将原程序的断点（当前的程序计数器PC中的内容）保存起来，转向中断服务程序的入口。中断周期结束后，仍按常规方式执行新的程序（中断服务程序）。因此，处理指令和中断是中央处理机的两个最基本的功能。24图2.5是控制器组成示意图。它包括控制器的最基本的组成部分。实际机器的控制器要比该框图所示复杂得多。当代微机为了提高指令的执行速度在CPU内有一个指令预取队列，可以预取出若干条指令，存放在由寄存器组成的队列中。这样，当执行程序需要取指令时，可以从速度比存储器快得多的寄存器中得到，从而缩短了执行程序的时间。提高指令执行速度的
24、另一种技术就是当代微处理器采用的流水线技术。25 OP OP 地址码地址码PCPCMARMAR IDID 微操作控制微操作控制 信号形成部件信号形成部件状态标志状态标志条件码条件码节节拍拍发发生生器器启启停停线线路路脉脉冲冲源源微操作控制信号注：ID=指令译码 OP=操作码 PC=指令计数器 MAR=存储器地址寄存器 图2.5 控制器组成示意图26214 存储器存储器 存储器就是用来存储信息的部件。正是有了存储器，计算机才有了对信息的记忆功能。按照这种定义，计算机的存储器可以分为两大类：一类叫内部存储器，简称为内存或主存；另一类叫外部存储器，简称为外存。内存是计算机主机的一个组成部分，它用来存
25、放当前正在使用的、或者经常使用的程序和数据。对于内存、CPU可以直接对它进行访问。外存也是用来存储各种信息的，但是CPU要使用这些信息时，必须通过专门的设备将信息先传送到内存中，因此外存存放相对来说不经常使用的程序和数据。另外，外存总是和外部设备相关的。27 在计算机系统中，存储器是信息更新速度极快的设备。它的外型体积越来越小，容量却越来越大，速度也越来越高，价格越来越低，寿命越来越长，并且一个系统所采用的存储器类型也逐渐增多，形成了如图2.6所示的存储体系。CPUCPU高高速速缓缓冲冲存存储储器器主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器海量存储器海量存储器存取速度更快内存储器外存储器存储容量更小
26、单位价格更高281.1.存储器性能指标存储器性能指标 存储器的性能是衡量一台计算机性能的主要指标之一。各种存储器的性能指标可以用三个量来描述：存储容量、存取速度和数据传输率。除这三个技术指标外，通常还要考虑存储价格这个经济指标。(1)存储容量存储容量 存储容量是指存储器有多少个存储单元。最基本的存储器单元是位（Bit），但是在计算容量时常用字节（Byte）或机器字长（Word）作单位。最常用的单位是千字节KB（1024 Bytes），其余的依次为兆字节MB（1024 KB）、吉字节GB（1024 MB）和太字节TB（1024 GB）。例如半导体存储器DRAM目前的水平是每片64MB 256MB
27、。29（2 2）存取速度）存取速度 把数据存入存储器称为写入，把数据取出称为读出。存取速度是指从请求写入（或读出）到完成写入（或读出）1个存储单元的时间。它包括找到存储地址与传送数据时间。也可以用单位时间内传送数据文件的多少来衡量存取的快慢。302.2.半导体存储器半导体存储器半导体存储器分为三大类:随机存储器、只读存储器和特殊存储器、这里着重介绍RAM和ROM。(1)随机存储器RAM RAM的全名是随机存取存储器(Random Access Memory)，缩写成RAM以便于发音。RAM有3个特点 可以读出，也可以写入读出时并不损坏所存储的内容只有在写入时才修改原来所存储的内容 所谓随机存取
28、，意味着存取任一单元所需的时间相同因为存储单元排成二维阵列就象通过X、Y两个坐标就能确定一个点那样。当断电后，存储内内容立即消失，称为NOVRAM(Nonvolatile RAM)或NVRAM RAM又可分为动态(Dynamic RAM)和静态(Static RAM)两大类 31 动态随机存储器DRAM，是用MOS电路和电容作为存储元件的，由于电容会放电，所以需要定时充电以维持存储内容的正确，这称为刷新，例如每隔2ms刷新一次，因此称之为动态存储器。所谓静态随机存储器SRAM是用双极型电路或MOS电路的触发器来作存储元件的，没有电容造成的刷新问题，只要有电源正常供电，触发器就能稳定地存储数据，
29、因此称为静态存储器。DRAM的特点是高密度，SRAM的特点是高速度。32(2)(2)只读存储器只读存储器 ROM只读存储器(Read Only Memory)只能读出原有的内容,而不能写入新内容原有内容由厂家一次性写入并永久保存下去,当然是非易失的 1985年推出1M位ROM芯片,此后ROM的集成度不断提高显然大容量的ROM对计算机系统的设计有重要意义,也许只要一块芯片就能把某个操作系统全部存下 ROM的用途很广,像在早期的微型计算机中，将BASIC语言固化在ROM中,使得一开机就可以直接进入BASIC状态 PROM是可编程只读存储器的缩写,它与ROM的性能一样存储的程序在处理过程不会丢失,也
30、不会被替换区别仅是厂家能针对用户对软件的专门需求来烧制其中内容因此PROM大都固化某些在使用中不需变更的程序或数据从结构上说它是根本无法擦除的 EPROM，它的内容通过紫外线光照射可以擦除，这种灵活性使EPROM得到广泛的应用332 22 2 微处理器的总线微处理器的总线总线是微处理机系统中两个或多个设备互连的一组公共信号线，连接计算机系统各部分的总线，负责在微处理器与它的存储器和I/O设备之间进行地址、数据和控制传送信号的传送操作。在微处理机系统中，有三种传送信息的总线：它们分别是：地址总线；数据总线；控制总线。34在图2.7中展示出了这些总线是如何与诸如微处理器、读/写存储器（RAM）、只
31、读存储器（ROM）和一些I/O设备等系统中的各个部件相连接的。通常，总线是由多条通信路径或进行传输操作的传输线组成，每条传输线传送的是代表二进制信息的1和0信号。在一段时间之内，一条传输线能传送一串二进制数字。那么，几条传输线组合在一起，就能同时并行地传送二进制数字信息。例如，总线用8条传输线就可以传送一个8位的数据信息。微处理机系统含有多种总线，它们在微处理机系统的各个层次上为各部件之间的信息传输提供服务。连接微处理机系统各主要部件的总线称为系统总线。最常见的微处理器互连结构要用一个或多个系统总线。35微处理器 MWTC#MRDC#IOWC#IORC#只读存储器 ROM可读/写存储器 RAM
32、 键盘 打印机数据总线地址总线36221 地址总线地址总线地址总线的作用是；用来指定数据在数据总线上的来源和去向。例如，如果CPU希望从存储器中读出一个字（8位、16位或32位数据），CPU就会将欲取字的地址放在地址总线上。如果是对存储器进行寻址操作，则在地址总线上存放的就是一个存储器地址。地址总线的宽度会因微处理器的不同而不同。显然，是地址总线的宽度决定了系统能够使用的最大的存储器容量。像8086和8088在对1MB存储器空间进行寻址时，使用的是20位的地址，其寻址范围只能在00000HFFFFFH之间。而80286和80386SX在对16MB存储器空间进行寻址时，使用的是24位地址，其寻址
33、范围只能在000000HFFFFFFH之间。而80386SL、80386SLC和80386EX在对32MB存储器空间进行寻址时，要用25位地址，其寻址范围是在0000000H1FFFFFFFH之间。37但80386DX、80486SX和80486DX等微处理器可以对4GB存储器空间进行寻址，但要使用32位地址，其寻址范围是在00000000HFFFFFFFFH之间。Pentium系列微处理机对存储器的寻址能力也是4GB，但它使用了64位的数据总线，在对存储器进行访问时，一次可访问的存储器空间就多达8个字节。Pentium Pro 和Pentium II采用的是64位数据总线和32位地址总线，其
34、寻址范围也是4GB，可寻址的存储器地址范围是在00000000HFFFFFFFFH之间的4GB存储器。表2.3列出了全部Intel系列微处理器的总线宽度和存储器容量。38表2.3 Intel系列微处理器的总线和存储器容量 微处理器数据总线宽度地址总线宽度存储器容量808616201MB80888201MB8018616201MB80286162416MB80386SX162416MB80386DX3232 4GB80386EX162664MB8048632324GBPentium64324GBPentium OverDrive32324GBPentium Pro64324GBPentium P
35、ro643664GBPentium II64324GBPentium II643664GB39 地址总线通常也用在对I/O端口进行的寻址上。在实际应用中，地址总线的高位用于选择总线上指定的模块（区域），低位用来选择模块内具体的存储器单元或I/O端口地址。当地址总线要求对I/O设备上的一个I/O单元进行存取操作时，如果是对一个I/O单元的寻址操作，则地址总线范围是0000HFFFFH，用16位数值来表示I/O地址范围，用16位I/O地址或者端口号从64K个不同I/O设备中选中其中的一个。40222 数据总线数据总线 数据总线的作用是：在微处理器与它的存储器和I/O地址空间之间提供传送数据的路径，
36、这些传输线组合在一起就组成人们所说的数据总线。数据总线可以是由8条、16条或32条不同数目的传输线所组成，这些传输线的数目被称之为数据总线的宽度。由于每条传输线每次只能传送二进制信息的1位，所以传输线的数目决定了每次能同时传送多少个二进制信息位。数据总线的宽度是决定系统总体性能的关键因素。例如，如果数据总线的宽度为8位二进制位，而每条指令的长度为二进制的16 位，那么执行一个指令周期就必须进行两次访问存储器的操作。41Intel微处理器系列各个成员传送数据的宽度各不相同，从8位到64位的宽度不等。8088有8位数据总线，一次传送8位数据；8086、80286、80386SL、80386SX和8
37、0386EX通过其数据总线传送16位数据；80386DX、80386SX和80486DX进行的是32位的数据传送；而Pentium、Pentium Pro 和Pentium II能传送64位数据的传输操作。数据总线的宽度较宽，其优势是能够提高数据传送的速度。例如，若欲将一个存放在存储器中的32位数据读取出来，由于8088微处理器的数据总线的宽度只有8位宽，所以需要进行4次传送操作才可以完成。而80486微处理器完成同样的读取数据的操作则只须进行一次传送，这是因为80486微处理器的数据总线的宽度是32位宽。Pentium、Pentium Pro 和Pentium II配备的数据总线的宽度为64
38、位宽。42223 控制总线控制总线 控制总线的作用是：用来对数据总线、地址总线的访问操作和使用进行控制，完成对存储器或I/O设备的读/写操作。由于微处理机系统中所有连接到总线上的设备共享数据总线和地址总线，这样就必须采用一种完善的方法来控制对它们的使用。控制信号在系统内的多种设备之间发布命令和定时信息。定时信号规定数据和地址信息的时效性，而命令信号则是规定要执行的操作。微处理机系统起码也应该有MRDC#（存储器读控制）、MWTC#（存储器写控制）、IORC#（I/O读控制）和IOWC#（I/O写控制）这样4条控制线。注意，信号带有#表示信号是低电平有效，也就是说，当逻辑0出现在控制线上时，它才
39、起作用。例如，在信号IOWC#=0时，微处理器将通过数据总线向一个I/O设备进行写数据操作，这时，该设备的地址就会出现在地址总线上。43微处理器在读取一个存储单元的内容时，先通过地址总线发出一个存储器地址，然后再发出存储器读控制信号（MRDC#），以便从目的存储器中读取数据，最后将从存储器内读出的数据通过数据总线传送到微处理器。当进行存储器写、I/O写或I/O读操作时，也是按同样的顺序依次进行，它们之间在操作上的区别是；所发出的是写操作控制信号；数据是通过数据总线从微处理器内输出出去。44常用的控制信号有以下几种：1）存储器写（Memory Write）操作：将数据总线上的信息写入被寻址存储器
40、单元。2）存储器读（Memory Read）操作：将从寻址到的存储器单元内的数据读出、并放到数据总线上。3）I/O写（I/O Write）操作：是将数据总线上的数据输出、传送到被寻址到的I/O端口上。4）I/O读（I/O Read）操作：将被寻址到的I/O端口上的数据存放到数据总线上。5）传输响应（Transfer ACK）：表明数据已经成功接收，或已经把数据传送到了数据总线上。456）总线请求（Bus Request）：表示微处理机系统中的某个设备想要获得对总线的控制使用权。7）总线允许（Bus Grant）：表示发出总线请求的设备已经获得了对总线的控制使用权。8）中断请求（Interrup
41、t Request）：表示某个中断源已经发出了请求中断的信息。9）中断响应（Interrupt ACK）：表示保持的中断请求被响应。10）时钟（Clock）：进行同步操作时的同步信号。11）复位（Reset）：将总线上所有设备进行初始化处理。46224 总线操作总线操作简单说来，总线的操作是这样进行的：如果连到总线上的一个设备希望向另一个设备发送数据，它必须作两件事：1.获得对总线的控制使用权；2.通过总线对数据进行传送操作。如果连到总线上的一个设备希望接收来自另一个设备上的数据，它也必须作两件事：1.获得对总线的控制使用权2.这个设备通过适当的控制总线和地址总线向另一个设备发出一个接收数据请
42、求信号，然后必须等待另一个设备送回数据。4723 微处理器的操作过程微处理器的操作过程 2.3.1 指令周期指令周期 微处理器的基本功能是执行程序。要执行的程序由程序设计人员事先设计好的并被存放在存储器中的一串串指令组成。CPU通过执行程序中的一条条指令来完成交给他的实际工作。为了更好地理解微处理器的这一功能、知道组成微处理器的各主要部件在执行程序时各自的功能和职责，以及他们之间是怎样相互协同操作的，就需要更加细致地观察分析程序执行的过程。认识微处理器基本功能的最简单的方式是，可以把一条指令的执行过程简单的看成是由两个操作步骤组成：第一个操作步骤是：CPU每次先从内存储器中读取（Read或Fe
43、tch）指令；第二个操作步骤是：先对从内存储器中读取（Read或Fetch）的这条指令进行译码，然后执行被译好码的指令。48其实，程序的执行过程是周期性的、重复地执行取指令和执行指令的操作过程。当然，由于指令的类型不同，其功能也不相同等诸多因素，指令执行的操作步骤的个数也不尽相同。通常是把一条指令执行的完整操作过程称之为指令指令周期周期。借助与以上所描述的指令执行过程，可以把指指令周期令周期简单的看成是由两个操作步骤构成的这样一种认识，若用图示的办法来描绘组成指令周期的两个操作步骤，其效果如图2.8所示。再给这两个操作步骤冠以取指周期取指周期和执行周期执行周期的名称。那么，认为指令周期指令周期
44、是由取指周期取指周期和执行周期执行周期构成的结论也就水到渠成。事实上，执行一条最简单的指令至少也需要一个取取指周期指周期和一个执行周期。执行周期。49图2.8基本指令周期 取 下 一条指令 执行指令 暂停 开始取指周期执行周期502.3.2 取指周期和执行周期取指周期和执行周期 在每条指令周期开始时，CPU都会从存储器内取出指令。CPU用程序计数器（PC）来保存欲被取的下一条指令的地址。除非另有说明，否则CPU将在每次取指令之后，将PC寄存器的值加上一个增量，以便顺序地取下一条指令。举例来说，假设程序计数器的值现在是3000，在这种情况下，CPU将会在下一次从存储器地址为3000的存储单元内去
45、取指令；再下一个指令周期，CPU将会从存储器地址为3001的地方去取指令，接下去是到存储器地址为3002、3003的存储器地址去取指令。51 从存储器中读取的指令存放在CPU中的指令寄存器（IR）上。指令是以二进制代码的形式存在的，由指令的格式和指令功能规定了CPU将要执行什么操作。由CPU的译码部件对指令进行译码操作、解释指令的功能，由ALU来具体执行并完成指令规定的操作。总的来说，可以把以上所说的这些操作归纳成4类操作：1.CPU与存储器之间的操作与存储器之间的操作：既可以是将数据从CPU传送到存储器、也可以是从存储器将数据传送到CPU。2.CPU与与I/O部件之间的操作部件之间的操作：是
46、通过CPU与I/O模块之间的传输操作，即可以将数据送入CPU，也可以将数据从CPU送出给外围设备。3.数据处理操作数据处理操作：CPU对数据进行算术运算或逻辑运算操作。4.控制操作：控制操作：用指令来改变程序的执行顺序。例如，在用指令来改变程序的执行顺序。例如，在CPU顺次执行程序内各指令的过顺次执行程序内各指令的过程中，若这一次执行的是从程中，若这一次执行的是从100存储单元取出的一条指令，而这条指令是存储单元取出的一条指令，而这条指令是一条转移指令，其功能是指示出下一条指令须到一条转移指令，其功能是指示出下一条指令须到7882存储单元去取。在这存储单元去取。在这种情况下，种情况下，CPU将
47、通过把程序计数器的值置成将通过把程序计数器的值置成7882来记录下这一事实。这来记录下这一事实。这样，在下一个取指周期，将会从样，在下一个取指周期，将会从7882单元取出指令，而不再是到单元取出指令，而不再是到101单元单元去取下一条指令。去取下一条指令。523.3 中断指令周期中断指令周期当代的微处理器采用指令流水线操作方式来加速指令的执行。从本质上讲，指令流水线操作是将指令周期分解成几个连续的操作阶段（也称之为操作步骤），如：取指令操作步骤；指令译码操作步骤；操作数地址计算步骤；取操作数步骤；指令执行步骤；将计算结果写到存储器操作步骤。53每一条指令的操作都要经历这些操作步骤，就像生产车间
48、里的一条装配生产线那样；不同的指令能同时在指令流水线的各个操作步骤上进行各自的不同操作。由于转移和指令间相关性的出现，使指令流水线的操作变得非常复杂。前面介绍的是CPU的基本的、简单的指令周期，若在程序执行的过程中出现了中断，微处理器就进入了中断指令周期，如图2.9所示。这样指令周期在取指周期和执行周期的取指周期和执行周期的基础上基础上又增加了一种中断周期中断周期：541.取指周期（Fetch）：将下一条指令从存储器内读出来，然后存放到CPU的指令寄存器上。2.执行周期（Execute）：对操作码进行译码，并完成指定的操作。3.中断周期（Interrupt）：若出现的这一中断是允许，则将当前进程的现行状态保存起来，然后再为这次中断服务。中断周期取下 一条指令 执行指令 检查中断 处理中断 停机 开始取指周期执行周期中断周期禁止中断图 2.9 有中断的指令周期55