Intel结构32位计算机技术课件.ppt

1、Intel结构结构32位计算机技术位计算机技术深圳职业技术学院高等教育出版社课程任务课程任务 以IA-32 计算机为对象，介绍当今流行的32位计算机硬件技术，以达到具备IA-32 计算机硬件分析能力的目的。同时，介绍MASM 6.1xMASM 6.1x汇编语汇编语言言的知识以及以MASM 6.1x汇编语言为工具来辅助观察硬件动作行为的方法，以达到具备初步IA-32计算机硬件功能测试能力的目的。IA-32 计算机计算机Intel Architecture 32位计算机位计算机学习方法学习方法:1.课程内容前后交叉，常规的循序渐进式的课程内容前后交叉，常规的循序渐进式的学习方法不管用了。学习方法不

2、管用了。2.书、手册、资料是学习硬件的主要手段。书、手册、资料是学习硬件的主要手段。3.硬件的规律性较差，要求在理解的基础上硬件的规律性较差，要求在理解的基础上记忆。记忆。4.英文是学习好硬件的工具之一。英文是学习好硬件的工具之一。1.1 冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机的基本概念和结构的基本概念和结构冯诺依曼计算机：(Von Neumann machine)按程序存储（按程序存储（Stored-ProgramStored-Program）概概念建造的计算机称之为冯念建造的计算机称之为冯诺依曼计算诺依曼计算机。机。冯冯诺依曼计算机的要点：诺依曼计算机的要点：1 1、使用二进制（、使用二进制（Bin

3、aryBinary）表示指令和数据；表示指令和数据；2 2、使用程序存储工作原理；、使用程序存储工作原理；3 3、计算机的硬件由、计算机的硬件由 运算器（ALU）、控制器（CU）、存储器（M Memory,emory,也称内存或主存）也称内存或主存）、输入设备（I Input device)、输出设备(Output device)五部件组五部件组成。成。几个术语：指令（instructioninstruction）：也称机器指令（也称机器指令（Machine instructionMachine instruction）。它是控制计算机硬件进行工作的命令（它是控制计算机硬件进行工作的命令（Co

4、mmandCommand）。）。数据（数据（DataData）：）：指的是能够由计算机处理的数字、指的是能够由计算机处理的数字、字母和符号等。字母和符号等。机器语言（机器语言（Machine LanguageMachine Language）：）：由于计算机的硬件仅能识别二进制代码表示由于计算机的硬件仅能识别二进制代码表示的指令和数据，所以这种二进制代码也称之为机的指令和数据，所以这种二进制代码也称之为机器语言。器语言。注：计算机硬件如何识别内存中的指令和数据：注：计算机硬件如何识别内存中的指令和数据：指令和数据分区存放（程序存储区和数据存指令和数据分区存放（程序存储区和数据存储区），分区访问

5、。储区），分区访问。程序（程序（Program)Program)：指的是为求解某一问题而设计的一系列指的是为求解某一问题而设计的一系列指令的集合指令的集合。CISCCISC(Complex Instruction Set Computer)(Complex Instruction Set Computer)：复杂指令系统计算机。复杂指令系统计算机。RISCRISC(Reduced Instruction Set Computer)(Reduced Instruction Set Computer)：精简指令系统计算机。精简指令系统计算机。1、使用二进制表示指令和数据、使用二进制表示指令和数据计

6、算机为什么要使用二进制而不使用十计算机为什么要使用二进制而不使用十进制：进制：主要因为二进制的一个数位使用仅有两主要因为二进制的一个数位使用仅有两种稳定状态的电路即可表示，而十进制则需要种稳定状态的电路即可表示，而十进制则需要具有十种稳定状态的电路才可表示。显然，使具有十种稳定状态的电路才可表示。显然，使用二进制比使用十进制，电路实现简单多了。用二进制比使用十进制，电路实现简单多了。另外二进制进行算术和逻辑运算都很方便。另外二进制进行算术和逻辑运算都很方便。以使用以使用5 5V V直流电源的逻辑电路为例，在直流电源的逻辑电路为例，在正逻辑的情况下：正逻辑的情况下：3 3V V以上的电平称之为高

7、电平以上的电平称之为高电平，代表数字，代表数字1 1。0.80.8V V以下的电平称之为低电平以下的电平称之为低电平,代表数字代表数字0 0。数字信号的波形示意图：数字信号的波形示意图：1234ABCD4321DCBA图1.1 数字信号的波形10100101A(t)0t2 2、使用存储程序工作原理、使用存储程序工作原理程序存储工作原理的要点：程序存储工作原理的要点：程序设计，程序设计，把程序置入内存，把程序置入内存，从内存中取指令并执行。从内存中取指令并执行。注意：注意：汇编语言中的可执行语句（汇编语言中的可执行语句（Executable Executable StatementStateme

8、nt）与机器指令有与机器指令有一一对应一一对应的关系，的关系，即一条汇编语言可执行语句，能且仅能翻译成即一条汇编语言可执行语句，能且仅能翻译成一条相应的机器指令；一条相应的机器指令；而一条高级语言语句可翻译成相应的而一条高级语言语句可翻译成相应的数数条条机器指令。机器指令。3.3.计算机硬件的结构计算机硬件的结构冯冯诺依曼计算机的硬件结构如图诺依曼计算机的硬件结构如图1.21.2所示。所示。1234ABCD4321DCBA图1.2 计算机硬件的结构运算器输入设备存储器输出设备控制器程序最终结果原始数据请求命令地址指令请求命令数据结果状态命令:数据信息:控制信息冯冯诺依曼计算机五部件的功能诺依曼

9、计算机五部件的功能:运算器运算器的主要功能是从存储器中取出原始的主要功能是从存储器中取出原始数据，进行运算，并把结果送回存储器。数据，进行运算，并把结果送回存储器。存储器存储器的主要功能是存放程序和数据。的主要功能是存放程序和数据。输入设备输入设备的主要功能是把程序和原始数据的主要功能是把程序和原始数据输入到存储器。输入到存储器。输出设备输出设备的主要功能是把存放在存储器中的主要功能是把存放在存储器中的结果输出。的结果输出。控制器控制器是计算机全机的控制中心。是计算机全机的控制中心。微处理机微处理机（MicroprocessorMicroprocessor）:把运算器和控制器制造在一块硅片上，

10、把运算器和控制器制造在一块硅片上，称之为微处理机称之为微处理机。微型计算机微型计算机:以微处理机为核心，再加上内存和以微处理机为核心，再加上内存和I/OI/O设备组成。设备组成。1.2 IA-32 Intel计算机的概况计算机的概况1.2.1 1.2.1 计算机发展简史计算机发展简史 19461946年年诞生世界上第一台数字电子计算机。诞生世界上第一台数字电子计算机。通常以所采用的基本硬件技术来划分计算机通常以所采用的基本硬件技术来划分计算机发展的不同阶段：发展的不同阶段：第一代计算机第一代计算机 使用的电路器件是电子管或真空管。使用的电路器件是电子管或真空管。第二代计算机第二代计算机 使用的

11、电路器件是晶体管（使用的电路器件是晶体管（TransistorTransistor）。）。第三代计算机第三代计算机 使用的电路器件是小规模集成电路使用的电路器件是小规模集成电路SSISSI（Small Scale IntegratedSmall Scale Integrated）和中规模集成电路和中规模集成电路MSIMSI（Middle Scale IntegratedMiddle Scale Integrated）。）。第四代计算机第四代计算机 使用的电路器件是大规模集成电路使用的电路器件是大规模集成电路LSILSI（Large Scale IntegratedLarge Scale Int

12、egrated）和超大规模集成电和超大规模集成电路路VLSIVLSI（Very LSIVery LSI）。）。包括包括IA-32 IntelIA-32 Intel计算机在内的许多微型计算机在内的许多微型计算机都属于第四代计算机。计算机都属于第四代计算机。1.2.2 1.2.2 IA-32IntelIA-32Intel系列系列CPUCPU的概况的概况分为两个阶段：分为两个阶段：x86x86结构结构 时代时代 IA-32 IA-32 时代。时代。X86：16位：位：8086、8088、80186、80286（引入保护方式）（引入保护方式）32位：位：80386（引入虚存）、（引入虚存）、80486

13、（在（在CISC 上应用上应用 RISC）64位：位：Pentium CPUIA32：Pentium Pro CPU出现后，就不在使用出现后，就不在使用x86的名称了，而改称的名称了，而改称IA-32了（其实，从了（其实，从80386开始都属于开始都属于IA-32）。）。Pentium Pro CPU之后开始采用之后开始采用P6微结构微结构。P6微结构微结构：动态、双独立总线、超标量体系结构。动态、双独立总线、超标量体系结构。Net Burst结构结构：超流水线、减少预测转移失败、保持超流水线、减少预测转移失败、保持ALU处于忙状态、减少执行任务指令数。处于忙状态、减少执行任务指令数。P6P6

14、微结构微结构CPU:CPU:Celeron Celeron、Pentium IIIPentium III、Pentium III Xeon Pentium III Xeon。Net BurstNet Burst微结构微结构CPUCPU：Pentium 4 Pentium 4、Xeon Xeon。（注：（注：CPUCPU结构结构：指的是指的是CPUCPU中程序员可见的部分，如指令中程序员可见的部分，如指令系统、寄存器和数据格式等。系统、寄存器和数据格式等。CPUCPU的微结构的微结构：指的是指的是CPUCPU结构在芯片上的实现，即通常结构在芯片上的实现，即通常所说的组织层次。）所说的组织层次。）

15、（部分技术介绍：（部分技术介绍：以以RISCRISC技术为基础，支持技术为基础，支持CISCCISC型指令型指令：其作法是通过把其作法是通过把CISCCISC指令分解为几个不指令分解为几个不同的同的RISCRISC指令，在并行执行的流水线上运行，指令，在并行执行的流水线上运行，巧妙地解决了巧妙地解决了CISCCISC型指令也能在型指令也能在RISCRISC型的流水型的流水线上执行的问题，从而极大地提高了线上执行的问题，从而极大地提高了CPUCPU的性的性能。能。Pentium CPUPentium CPU中引入的双路超标量技术：中引入的双路超标量技术：在在x86x86结构结构CPUCPU中首次

16、实现了双路超标量中首次实现了双路超标量技术。技术。做法是：在做法是：在PentiumPentium内部设置有内部设置有两条指令两条指令流水线流水线，所以，所以PentiumPentium就可以在一个机器周期就可以在一个机器周期内处理两条指令，进一步提高了指令处理的内处理两条指令，进一步提高了指令处理的并行度，从而进一步加速了指令的处理速度并行度，从而进一步加速了指令的处理速度。理论上说，。理论上说，PentiumPentium的指令处理速度可达的指令处理速度可达8048680486的的2 2倍。倍。P6P6微结构中的动态执行技术微结构中的动态执行技术：所谓动态执行技术，包含所谓动态执行技术，包

17、含转移预测转移预测、数据流分析数据流分析、指令池、指令池、推测执行等要点。推测执行等要点。P6P6微结构中的双独立总线微结构中的双独立总线：在在P6P6核心中，实际上有两条互相独立的核心中，实际上有两条互相独立的总线。总线。一条连接系统主存，称之为一条连接系统主存，称之为前端总线前端总线(Front Side Bus)Front Side Bus)。另一条连接系统另一条连接系统L2 Cache,L2 Cache,称之为称之为后端总线后端总线(Back Side Bus)Back Side Bus)。）。）系列化的系列化的IA-32 IntelIA-32 Intel计算机计算机系列计算机的特点：

18、软件向上兼容（软件向上兼容（Up-compatibleUp-compatible）。）。系列计算机的六个统一:指令系统统一、数据格式统一、指令系统统一、数据格式统一、字符编码统一、中断系统统一、字符编码统一、中断系统统一、控制方式统一、控制方式统一、I/OI/O操作方式统一。操作方式统一。计算机功能的层次结构计算机功能的层次结构1234ABCD4321DCBA图1.3 计算机功能层次结构硬 件 级机器语言级操作系统级汇编语言级高级语言级应用软件级系统软件：系统软件：是一组通用的软件，往往由计算机制造公司是一组通用的软件，往往由计算机制造公司随机带给用户或者由相关的软件公司提供给用户随机带给用户

19、或者由相关的软件公司提供给用户。包括包括:操作系统（操作系统（Operating SystemsOperating Systems）、）、语言处理程序语言处理程序;数据库管理系统数据库管理系统;实用程序（如：编辑、链接、调试、诊实用程序（如：编辑、链接、调试、诊断程序等）断程序等）。应用软件应用软件：是指计算机在各种各样的应用领域中，人是指计算机在各种各样的应用领域中，人们为了应用计算机来解决本领域内所独有的问题们为了应用计算机来解决本领域内所独有的问题而设计的软件。而设计的软件。分为：分为：科学计算；科学计算；事务处理；事务处理；自动控制；自动控制；计算机辅助工作；计算机辅助工作；人工智能等。人工智能等。操作系统操作系统基本功能：作业管理、作业管理、处理机管理、处理机管理、存储器管理、存储器管理、文件管理、文件管理、提供人机接口和程序设计接口等。提供人机接口和程序设计接口等。网络操作系统：网络操作系统：是一组通信协议（是一组通信协议（ProtocolProtocol）在某种具体机在某种具体机型上的实现。型上的实现。作业一作业一复习教材第一章，并通过习题一复习教材第一章，并通过习题一(1-35)自测。自测。重点：重点：8、10、11、12、14、16、21、23、24、25、29、31、32、33、35。