了解微型計(jì)算機(jī)須先了解微處理器

要想了解微型計(jì)算機(jī)，必須先了解微處理器，了解微處理器中寄存器的功能、存儲(chǔ)管理方式、微處理器芯片引腳功能和總線時(shí)序等。8086～Pentium 微處理器的寄存器組按功能可分為四類：基本寄存器、系統(tǒng)級(jí)寄存器、調(diào)試和測(cè)試寄存器、浮點(diǎn)寄存器。微處理器在尋址和存儲(chǔ)管理中，采用了實(shí)模式和保護(hù)模式下 訪問存儲(chǔ)器的技術(shù)，內(nèi)存分段和分頁機(jī)制的操作。8086/8088只能工作于實(shí)模式，而80286及其以上的微處理器可工作于實(shí)模式、保護(hù)模式和虛擬 8086模式。

　　微型計(jì)算機(jī)是通過總線來傳送指令和數(shù)據(jù)的，32位微機(jī)支持多種數(shù)據(jù)傳送總線周期。80486和Pentium的總線周期可以是非突發(fā)方式的，也可以是突發(fā)方式的；可以是高速緩存方式的，也可以是非高速緩存方式的。

　　本節(jié)以8086/8088、80486和Pentium微處理器為例，敘述80x86微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　2.1.18086/8088的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　 　8086/8088是Intel公司于1978年6月推出的16位微處理器，它們的主要特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)線為16位（8088內(nèi)部數(shù)據(jù)線是16位，外部數(shù)據(jù) 線是8位），可進(jìn)行8位（字節(jié)）和16位（字）運(yùn)算；地址線為20位，可尋址1MB存儲(chǔ)空間；時(shí)鐘頻率為5～8MHz。內(nèi)部結(jié)構(gòu)由執(zhí)行單元 EU（Execution　Unit）和總線接口單元BIU（Bus　Interface　Unit）兩部分構(gòu)成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

　　1.執(zhí)行單元（EU）

　 　EU由算術(shù)邏輯單元（ALU）、16位標(biāo)志寄存器（FR）、通用寄存器組（4個(gè)16位通用寄存器、2個(gè)16位指針寄存器、2個(gè)16位間址寄存器）、指令 譯碼器和控制電路組成。EU是指令執(zhí)行部件，它從BIU的指令隊(duì)列中取指令，進(jìn)行指令譯碼，并發(fā)出相應(yīng)的控制命令序列執(zhí)行指令。

　　2.總線接口單元（BIU）

　 　BIU包括4個(gè)16位段寄存器（CS、DS、ES、SS）、1個(gè)16位指令指針（IP）、1個(gè)地址加法器、1個(gè)6字節(jié)（8088　為4字節(jié)）的指令隊(duì)列 和總線控制電路，它負(fù)責(zé)從存儲(chǔ)器中取指令并存放在指令隊(duì)列中供CPU執(zhí)行。在執(zhí)行指令過程中，使用的操作數(shù)地址由段基址和偏移量組成，其中16位偏移量先 由EU計(jì)算得出，再由BIU將其與段基址（段寄存器的內(nèi)容）合在一起形成20位物理地址。BIU的功能是實(shí)現(xiàn)CPU與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換，并可根據(jù)EU的請(qǐng)求 與I/O接口電路交換數(shù)據(jù)。

　　2.1.280486的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　80486是Intel公司于1989年4月推出的 32位微處理器，它的主要特點(diǎn)是：內(nèi)部數(shù)據(jù)總線有32位、64位和128位3種，外部數(shù)據(jù)總線為32位；提供了8位（字節(jié)）、16位（字）、32位（雙 字）運(yùn)算指令；地址總線為32位，可尋址4096MB存儲(chǔ)空間；支持虛擬存儲(chǔ)管理技術(shù)，虛存空間為64T；片內(nèi)集成有浮點(diǎn)運(yùn)算部件和8KB的Cache， 同時(shí)也支持外部Cache；整數(shù)處理部件采用RISC結(jié)構(gòu)，提高了指令的執(zhí)行速度。此外，80486還引進(jìn)了時(shí)鐘倍頻技術(shù)，從而使主頻可以超過100　 MHz。

　　80486內(nèi)部包括總線接口部件、指令預(yù)取部件、指令譯碼部件、控制部件、整數(shù)執(zhí)行部件、分段部件、分頁部件，以及浮點(diǎn)運(yùn)算部件（FPU）和高速緩存（Cache）部件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

　　1.總線接口部件

　 　總線接口部件（BIU）與片外總線連接，用于管理訪問外部存儲(chǔ)器和I/O端口的地址、數(shù)據(jù)和控制總線，完成指令預(yù)取、讀/寫操作等總線操作。BIU主要 與指令預(yù)取部件和高速緩存部件交換信息。BIU將預(yù)取指令存入指令預(yù)取部件；填充Cache行時(shí)，BIU一次從片外總線讀16個(gè)字節(jié)到Cache。若 Cache內(nèi)容被CPU內(nèi)部操作修改，則修改內(nèi)容也由BIU寫到存儲(chǔ)器中去。當(dāng)讀操作的內(nèi)容不在Cache中時(shí)，將由BIU控制直接到存儲(chǔ)器中去取。

　　2.指令預(yù)取部件

　 　80486含有一個(gè)32字節(jié)的指令預(yù)取隊(duì)列，在總線空閑周期，指令預(yù)取部件形成存儲(chǔ)器地址，并向BIU發(fā)出預(yù)取指令請(qǐng)求。預(yù)取周期一次讀16個(gè)字節(jié)的指 令代碼存入預(yù)取隊(duì)列中。如果Cache在指令預(yù)取時(shí)命中，則不產(chǎn)生總線周期。當(dāng)遇到跳轉(zhuǎn)、中斷、子程序調(diào)用等操作時(shí)，則預(yù)取隊(duì)列被清空。

　　3.指令譯碼部件

　 　指令譯碼部件是從指令預(yù)取隊(duì)列中讀取指令并譯碼，將其轉(zhuǎn)換成對(duì)其他部件進(jìn)行控制的信號(hào)。譯碼過程分兩步：首先確定指令執(zhí)行時(shí)是否需要訪問存儲(chǔ)器，若需要 則立即產(chǎn)生總線訪問周期，使存儲(chǔ)器操作數(shù)在指令譯碼后能準(zhǔn)備好；然后產(chǎn)生對(duì)其他處理部件的控制信號(hào)。大多數(shù)指令能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)譯碼完畢。

　　4.控制部件

　　80486單獨(dú)設(shè)置控制部件以對(duì)整數(shù)執(zhí)行部件、浮點(diǎn)運(yùn)算部件和分段部件等進(jìn)行控制，使它們完成已譯碼指令的執(zhí)行。