2章微处理器-new.pdf

第2 章 微处理器 2.1 概述 微型计算机的大脑或发动机是处理器（有时也称作微处理器），即中央处理单元（CPU ）。CPU 进行系 统的计算和处理。 Intel 公司拥有推出第一片微处理器的荣誉，即 1971 年Intel 公司推出的称为4004 的芯片是历史上第 一枚微处理器芯片。现在，Intel 和AMD 两家公司在处理器市场、至少是PC 系统市场上居主导地位。 2.2 处理器的性能 在谈论处理器性能的时候常常引用许多容易引起混乱的性能术语。这些术语主要有，速度、数据总线、 和地址总线。而这三个术语常常是与微处理器的性能密切相关，它们分别对应处理器主要的三个方面的性 能——处理速度、数据宽度和寻址能力，概括起来即是：速度和宽度。 处理器的速度是一个相对简单的概念，但常常有错误的理解。速度以MHz 来度量，1MHz 是指每秒1 百万个时钟周期——当然速度越快越好。处理器的宽度涉及到与处理器相关的三个总线。它们是： ·内部寄存器 （内部数据总线）――寄存器大小决定了处理器可以操作的数据大小。 ·外部数据总线――外部数据总线宽度决定了一个周期内传入或传出处理器的数据位数。 ·地址总线――地址总线的大小（或宽度）指明了芯片可寻址的最大的RAM 容量。 在进行处理器性能介绍之前，有必要简要说明一下处理器的模式。处理器模式是指各种影响处理器可 以执行的指令以及芯片功能的操作环境。处理器模式控制着处理器如何看到并管理内存以及使用内存的任 务方式。 所有从Intel 386 及后来的32 位处理器都有三种不同的操作模式： ·实模式（16 位软件）。 ·保护模式（32 位软件）。 ·虚拟实模式（在32 位环境下执行16 位程序）。 早期的处理器是工作在实模式之下的，Intel 286 以后引入了保护模式，而在Intel 386 以后保护模式又 进行了很大的改进。对PC 而言，启动的时候，CPU 都处在实模式状态，相当于只是一个Intel 8086 处理 器，只能运行16 位软件，最大只能访问1M 的内存空间。也就是说，即使你现在拥有一个Pentium 4 处理 器，它的功能也只能是Intel 8086 级别。通过使用一些软件把处理器转换到保护模式后，才可以充分利用 处理器的强大功能。 采用EM64T 技术及AMD64 技术的64 位处理器操作模式比较复杂，但大致也能分为三种： ·32 位模式（兼容32 位处理器）。 ·兼容模式（在64 位环境下执行32 位、64 位软件）。 ·64 位模式（64 位软件）。 有关详细的描述已超出本课程，在这里只是需要读者知道处理器的这些模式。 2.2.1 处理器速度 处理器的速度虽然一目了然，但关于处理器常常理解错误的是它的速度。本节需要澄清相关的概念。 处理器的速度，一般指处理器核心工作时的速度，采用时钟速度来表示，时钟速度以频率来衡量，因 此，处理器速度也就是我们通常所说的CPU 频率，表述为每秒钟的周期数。 晶体振荡器控制着时钟速度，较新的系统中在主板芯片组中包含了振荡电路。振荡电路的振动以正弦 调变化的电流表现出来。这一变化的电流就是时钟信号，这就构成了计算机操作的时间基础。一般的计算 机系统每秒有数以百万计的时钟周期，因此速度以MHz 为单位度量（1Hz 是每秒钟1 个周期）。变化的电 流信号就像一个正弦波，用相邻两个波峰间的时间定义了频率（见图2-1）。 图2-1 变化的电流信号显示了时钟周期 Hz 是hertz 的缩写，而hertz 是德国物理学家Heinrich Rudolf Hertz 的名字的一部分。1885 年，Hertz 证明了电磁感应定律，证明光是一种电磁射线，像波一样传播。 一个时钟周期是处理器中最小的时间元素。现代的处理器却可以在一个时钟周期中执行2 个甚至更多 个动作。各代处理器执行指令所需要的时间的变化是： ·最初的8086 和8088 执行一条指令平均需要12 个时钟周期。 ·286 和386 。286 和386 的速度提高，每条指令大约要4.5 个周期。 ·486 。486 和大部分其他第四代Intel 兼容处理器（如AMD 5x86）的速度进一步提高，每条指令大 约两个周期。 ·Pentium、K6 系列。Pentium 体系结