精品教案-微机原理讲义(第2章)剖析.ppt

微机原理与接口技 术 湖南中医药大学 王志辉 Email：onlywangzh@ 1 微型机原理与技术 第二章 指令系统 回顾 系统组成与结构——三个层次 微处理器 内存储器 I/O接口电路 系统总线 硬件系统 软件系统 微 型 计算机 系 统 微 型 计算机 外 设 运算器 寄存器 控制器 键盘、鼠标 显示器 外存储器：软盘、硬盘、光盘 打印机、扫描仪 系统软件 应用软件 地址总线 数据总线 控制总线 2 微型机原理与技术 第二章 指令系统 算术运算——原码、反码和 补码 原码 正数的符号位为0，负数的符号位为1，其它位按照一 般的方法来表示数的绝对值用这样的表示方法得到的就 是数的原码 反码 对于一个带符号的数来说，正数的反码与其原码相同 ，负数的反码为其原码除符号位以外的各位按位取反 补码 正数的补码与其原码相同，负数的补码为其反 码在最低位加1 3 微型机原理与技术 第二章 指令系统 计算机中三种总线？各自功能？ 双通道技术? 超线程技术? 多核CPU? 观点分享 4 微型机原理与技术 第二章 指令系统 3种总线 1.数据总线：数据总线是CPU与存储器、CPU与I/O接口 设备之间传送 各种指令数据信息的总线，这些信号通 过数据总线往返，因此，数据总线上的信息是双向传 输的。

2.地址总线：地址总线上传送的是CPU向存储器、I/O 接口设备发出的地址信息，寻址能力是CPU特有的功能 ，地址信息仅由CPU发出，因此，地址总线上的信息是 单向传输的 3.控制总线：控制总线传送的是各种控制信号，有CPU 至存储器、I/O接口设备的控制信号，有I/O接口送向 CPU的应答信号、请求信号，因此，控制总线是上的信 息是双向传输的5 微型机原理与技术 第二章 指令系统 双通道技术? 双通道内存技术是解决CPU总线带宽与内存带宽的矛盾的低 价、高性能的方案 双通道是内存控制和管理技术，其实就是两个内存控制器 它依赖于主板北桥芯片组的内存控制器发生作用，与内 存本身无关 在理论上能够使两条同等规格内存所提供的带宽增长一倍 双通道技术的缺点：首先，双通道内存都需要成对地使用 ，这样就降低了配置灵活性,并且使预算成倍地增加其次 由于各种因素，其实际应用的性能并不能比单通道DDR内存 高1倍 6 微型机原理与技术 第二章 指令系统 超线程技术? 超线程技术（Hyper-Threading，简称“HT”）就是利用特殊的硬 件指令，能够将一个处理器“视为”两个处理器。

软件应用可被写 成具有多个代码段，提高处理性能 超线程技术能同时执行两个线程，但它并不象两个真正的CPU那样 具有独立的资源：当两个线程都同时需要某一个资源时，其中一个 要暂时停止，并让出资源，直到这些资源闲置后才能继续因此超 线程的性能并不等于两颗CPU的性能（性能提升30%） 需要注意的是，含有超线程技术的CPU需要芯片组、软件支持，才 能比较理想的发挥该项技术的优势 超线程技术会降低系统性能 ，对于不支持多处理器工作的软件在 双处理器上运行时出错的概率要比单处理器上高很多 7 微型机原理与技术 第二章 指令系统 多核CPU？ 多核心cpu主要分原生多核和封装多核 原生多核指的是真正意义上的多核，早由AMD提出，每个核心之间 都是完全独立的，都拥有自己的前端总线，不会造成冲突，即使在 高负载状况下，每个核心都能保证自己的性能不受太大的影响原 生多核抗压能力强，但是需要先进的工艺 封装多核是把多个核心直接封装在一起，核心只能共同拥有一条前 端总线，在核心满载时，每个核心会争抢前端总线，导致性能大幅 度下降。

比如Intel早期的PD双核系列，就是把两个单核直接封装 在一起，“高频低能” 而且后者成本比较高，优点在于多核心的发展要比原生快的多 8 微型机原理与技术 第二章 指令系统 第二章 指令系统 计算机的编程结构 寄存器 存储器 输入/输出端口 操作数的寻址方式 立即寻址和寄存器寻址 输入/输出端口寻址 关于地址的寻址 Pentium的指令系统 传送指令 算术运算指令 逻辑运算和位操作指令 串操作指令及其重复前缀 控制类指令 9 微型机原理与技术 第二章 指令系统 2.1 计算机的编程结构示意图 核心地位 总线部件 对寄存器和存储中 的数据进行逻辑和 算术运算等处理 形成存储单元或 者I/O端口地址 三种总线，其中 数据可以是数值 或地址，命令或 者状态 10 微型机原理与技术 第二章 指令系统 通用寄存器 段寄存器 指令指针和标志寄存器 16/32位微处理器的基本寄 存器 11 微型机原理与技术 第二章 指令系统 AX BX CX DX BP SI DI SP EAX EBX ECX EDX EBP ESI EDI ESP 累加寄存器 基址寄存器 计数寄存器 数据寄存器 基地址指针寄存器 源变址寄存器 目标变址寄存器 堆栈指针寄存器 32位寄存器名 称 中间是16位寄存器 名称 AH BH CH DH AL BL CL DL 斜体表示8位寄存器名 称 163115078 通用寄存器 注：图中的深色部分表明，只有32位的80386、80486，Pentium微处 理器才配备有、且可以用这些32位的寄存器。

12 微型机原理与技术 第二章 指令系统 •代码段寄存器CS •堆栈段寄存器SS 数据段寄存器 DS 附加数据段寄存器 ES 附加数据段寄存器 FS 附加数据段寄存器 GS 段寄存器 代码段寄存器 CS 堆栈段寄存器 SS 015 310 标志寄存器 FLAGS 指令指针寄存器 IP 标志和指令指针寄存器 注：图中的深色部分表明，只有32位的80386、80486，Pentium微处理器 才配备有、且可以用这些32位的寄存器 13 微型机原理与技术 第二章 指令系统 n通用寄存器，顾名思义通用性很强，可以存放逻辑操作 和算术运算用的操作数和地址 n8个通用寄存器用户可以随意使用除堆栈指针寄存器 SP/ESP不能作为变址寄存器使用外，其余七个通用寄存 器在进行地址计算时都可用来存放参与运算的操作数 n通用寄存器：AX，BX，CX，DX为数据寄存器 一、 通用寄存器 14 微型机原理与技术 第二章 指令系统 ☺ AX称为累加器（Accumulator） 使用频度最高，用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等。

☺BX称为基址寄存器（Base address Register） 常用做存放地址的偏移地址，在间接寻址中用于存放基地址 ☺CX称为计数器（Counter） 作为循环和串操作等指令中的计数器，存放循环次数或重复次数 ☺DX称为数据寄存器（Data register） 常用来存放双字长数据的高16位，或在间接寻址的I/O指令中存放 I/O端口地址 15 微型机原理与技术 第二章 指令系统 当用作16位时，称为AX、BX、CX、DX当用作 8位时，AH、BH、CH、DH存放高字节，AL、BL、 CL、DL存放低字节，并且可独立寻址这样，4个16 位寄存器就可当作8个8位寄存器来使用 AX AH，AL BX BH，BL CX CH，CL DX DH，DL 常用来存放参与运算的操作数或运算结果 16 微型机原理与技术 第二章 指令系统 n 参与地址运算的主要是指针与变址寄存器组中的4个寄存器 SP/BP/SI/DI，一般用来存放地址的偏移量。

nSP/ESP堆栈指针寄存器：用以指出在堆栈段中当前栈顶的地址入 栈(PUSH)和出栈(POP)指令由SP给出栈顶的偏移地址因此要与堆栈 段寄存器SS配合使用，以指向栈顶的存储单元 nBP/ESP基址指针寄存器：指出要处理的数据在堆栈段中的基地址， 故称为基址指针寄存器也可以存放堆栈顶部地址的偏移量，此时的 默认段为堆栈段SS 二、 指针与变址寄存器 17 微型机原理与技术 第二章 指令系统 指针寄存器用于寻址内存堆栈内的数据 SP为堆栈指针寄存器（Stack Pointer）,指 示堆栈段栈顶的位置（偏移地址） BP为基址指针寄存器（Base Pointer），表 示数据在堆栈段中的基地址 SP和BP寄存器与SS段寄存器联合使用以确定堆 栈段中的存储单元地址 堆栈（Stack）是两种数据结构，是主存中一个 特殊的区域，采用“先进后出”或“后进先出”存取操作方 式、而不是随机存取方式 用8088/8086形成的微机系统中，堆栈区域被称 为堆栈段 指针寄存器 18 微型机原理与技术 第二章 指令系统 pBX与BP在应用上的异同 作为通用寄存器，二者均可用于存放数据； 作为基址寄存器，BX通常用于寻址数据段DS；BP则 通常用于寻址堆栈段SS。

BX基址寄存器一般与DS或ES搭配使用 19 微型机原理与技术 第二章 指令系统 p16位变址寄存器SI和DI p常用于为存储器间接寻址或变址寻址方式时提供地址 SI是源地址寄存器（Source Index）:指向源数据所在单 元； DI是目的地址寄存器（Destination Index）:可与SI/ESI 配合使用，指向目的数据所在单元； p在串操作类指令中，SI、DI还有较特殊的用法:用SI存放源 操作数的偏移地址，而用DI存放目标操作数的偏移地址 变址寄存器 20 微型机原理与技术 第二章 指令系统 段寄存器 由于内存单元数量庞大,大大超出16位 地址所能表达的范围，所以16位微处理 器用2个寄存器共同描述内存单元的地 址 存放高位地址的寄存器叫段寄存器（ Segement Register），低16位地址称 为偏移量，放在通用寄存器，如基址寄 存器BX 微处理器中有4个基本的段寄存器，用 于把内存空间分成不同的段 21 微型机原理与技术 第二章 指令系统 代码段CS(code segment)：用于存。