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    04微型计算机中的先进计算机技术134211

    ranfand
    2019-03-07 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

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    第*页电气工程学院第三节微型计算机中的先进计算机技术一、中断技术中断的主要内容将在第六章介绍。这里先简略介绍与中断有关的几个概念:中断?中断源?中断优先级?中断嵌套?计算机暂停(或称为挂起)正在执行的程序转去处理随机事件随机事件处理完毕后再恢复执行原来的程序的过程称为中断。掌握:每一项先进技术解决什么问题第*页电气工程学院什么是中断?目的:提高实时性、实现多任务并发操作在计算机系统中一个CPU要处理若干事务:这就要求采用中断技术才能作到面面俱到而又不误突发事件的处理时机。计算机用于测控领域必然涉及中断。从程序执行的角度看:CPU正在执行的当前程序被打断转而执行为中断源服务的所谓ldquo中断服务程序rdquo(ISR:InterruptServiceRoutine)。这一过程称为中断。通过中断引脚产生的中断称为外中断或硬中断。中断源?产生中断请求的源称为中断源。中断优先级?按中断源的轻重缓急来确定CPU响应中断的先后次序中断嵌套?CPU在执行中断服务程序的过程中被高优先级的中断源中断又转入另一个中断服务程序的操作叫中断嵌套。数据采集运算显示处理突发事件通信打印helliphellip重点下面通过一个实例解释这几个概念第*页电气工程学院同时请求中断()中断请求()中断请求()主程序加在MNI引脚上的中断的优先级别高于加在INTR引脚上的中断对于INTR引脚而言IR最高IR最低*外设发出中断请求的顺序()()()。*CPU响应某一中断源的中断请求则转入该中断源对应的中断服务程序第*页电气工程学院外中断与调用子程序的区别INTR中断源当前程序*外设随机诱发中断转入中断服务程序*硬、软件配合寻找入口地址*寻找入口地址是中断技术的关键中断服务程序当前程序:CALLSUBR::子程序SUBR*由CALL指令引起转入子程序*预知何时转入子程序*入口地址直接从CALL指令中取得第*页电气工程学院二、流水线技术目的:提高指令执行速度分先看一个例子:设小轿车由三个步骤组装完成:装发动机装外壳装轮子每个步骤需要一分钟??梢杂辛街肿樽胺绞剑鹤胺⒍鷐dash装外壳mdash装轮子mdash出车这种情况每三分钟出一辆轿车.设立三个独立的小组分别完成装发动机、装外壳、装轮子采用如下流程:三分钟出第一辆之后一分钟出一辆装发动机(空闲)(空闲)甲乙丙第*页电气工程学院**超流水线:一条流水线的深度在~级以上称为超流水线。采用级流水线**超标量:两条以上的流水线如:取指令mdashmdash译码、形成地址mdashmdash取数mdashmdash执行由专用部件分别完成这四个步骤各步骤并行操作。每条指令所需时间不变而总体上加快了指令流的速度流水线(Pipeline)技术是一种将一条指令的执行过程分解为多个步骤并让几条指令的不同步骤操作在时间上重叠从而实现几条指令并行处理提高程序运行速度的技术。每一个步骤均由一个独立的电路来完成若干个完成不同操作步骤的电路组成了指令流水线。第*页电气工程学院三、乱序执行技术目的:进一步提高程序执行速度所谓乱序执行(OutofOrderExecution)技术就是允许指令按照不同于程序中指定的顺序发送给执行部件从而加速程序执行过程的一种最新技术。它本质上是按数据流驱动原理工作的(传统的计算机都是按指令流驱动原理工作的)根据操作数是否准备好来决定一条指令是否立即执行。不能立即执行的指令先搁置一边而把能立即执行的后续指令提前执行。四、推测执行技术目的:提高整个计算机的执行速度推测执行技术(或称为预测执行技术)是为了充分发挥流水线与并行执行技术和分支超顺序执行技术而采取的一种先进计算机技术。第*页电气工程学院五、高速缓冲存储器技术目的:加快内存的访问速度在位微机中为了加快处理速度在CPU与主存储器之间增设了一级或两级高速小容量存储器称之为高速缓冲存储器(Cache)。高速缓冲存储器的存取速度比主存要快一个数量级大体与CPU的速度相当。CPU在取指令或取操作数时首先看其是否在高速缓冲存储器中不在时才访问主存储器。指令或操作数在高速缓冲存储器中时称为ldquo命中rdquo反之称为ldquo未命中rdquo。六、虚拟存储器技术目的:扩大用户可用内存储器空间虚拟存储器技术是一种通过硬件和软件结合扩大用户可用存储空间的技术。它在内存储器和外存储器(软盘、硬盘或光盘)之间增加一些的硬件和软件使两者形成一个有机整体。第*页电气工程学院第*页电气工程学院第四节 微型计算机的主要性能指标及典型微型计算机一、主要性能指标字长存储容量通常以字节为单位表示存储容量如:内存MB外存GB运算速度外设扩展能力软件配置指计算机内部一次可以处理的二进制数码的位数。计算机的运算速度一般用每秒钟所能执行的指令条数来表示。由于不同类型的指令的执行时间不同因而运算速度的计算方法也不同指微型计算机配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。软件是计算机的重要组成部分它配置是否齐全直接关系到计算机性能的好坏和效率的高低。第*页电气工程学院二、PC系列微机简介(教材P~P自学)三、PC硬件特点(教材P~P自学)四、PCPentium的硬件特点(教材P~P自学)第*页电气工程学院第二章Intel系列微处理器第一节Intel系列微处理器概述第二节微处理器的体系结构第三节Pentium微处理器的体系结构第*页电气工程学院补充:假想计算机工作原理(原课件)假想计算机结构(原图)通过运行如下的一段程序介绍假想计算机的工作原理ORGHBHMOVACHCHHADDAEHEHHJOAHAHHAHMOV(H)AHHFHHLTMOV:表示传送ADD:表示加法操作JO:JumpifOverflow如果溢出发生则转移否则执行下一条指令。HLT:HALT暂停执行指令汇编语言机器语言二进制十六第*页电气工程学院这段文章(程序)叙述了这样一段ldquo故事rdquo:累加器A累加器A累加器ACHEH存储器如果结果没有发生溢出HA执行FCPU停发生溢出转向指令ldquordquo(FH)所在的地址并执行该指令该指令告诉CPU暂不执行指令于是CPU暂停。)CAH演示第*页电气工程学院取指令、分析指令执行指令两步:取、分执行三步:取分执行计算机执行程序的节奏开始停程序执行程序的过程(转:图动画)一条指令由两部分组成:操作码:告诉CPUldquo干什么rdquo?操作数:向CPU提供与ldquo干什么rdquo有关的地址信息第*页电气工程学院一、/微处理器是标准位微处理器内外数据总线都为位是准位微处理器内数据总线为位外数据总线为位。/除了外数据位数及与此相关的部分逻辑稍有不同外内部结构和基本性能相同指令系统完全兼容。第一节Intel系列微处理器概述在计算机的发展历程中尤其是在微型计算机的发展历程中Intel光彩夺目。P~表是一部浓缩的史诗。第*页电气工程学院*的地位:假想机mdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdash入门基础过渡重点对于请大家注意两个重要的结构概念:CPU中这两个概念的意义:*把CPU的性能提高到一个崭新的阶段*在升级后的CPU中一直沿用这两个概念使/与原来的位微处理器相比在运行速度、处理能力和对存储空间访问等性能方面有很大提高。这也是在奔问世的今天我们还要了解的原因之一。)非流水线结构假想机在执行指令时总是重复如下步骤:取指、分析、执行。特点:执行指令有间断要等提取指令这一动作完成。提取指令、分析、执行这三个动作是串行的。指令流水线存储器分段.流水线结构第*页电气工程学院)流水线结构采用了指令流水线概念增加了一个指令队列使指令提取和指令执行分别由总线接口单元BIU和执行单元EU独立完成。EU和BIU并行工作提取指令和执行指令重叠进行形成两级指令流水线结构EU可以不停地执行存放在指令队列中的指令。总线接口单元BIU(BusInterfaceUnit)完成:取指mdashmdash取指mdashmdash取指mdashmdash取指mdashmdashhelliphellip等待执行mdashmdash执行mdashmdash执行mdashmdash执行mdashmdashhellip执行单元EU(ExecutionUnit)完成在工作频率相同的情况下具有流水线结构的CPU的运行速度显然更快。高档的CPU是多级流水线第*页电气工程学院存储器分段()为什么要对存储器进行分段?从讲课的逻辑来看,有两个理由:)解决位寄存器提供位地址信号的问题*CPU有条地址引脚可以产生位地址信号形成M个编号从HFFFFFH。每一编号对应一个存储单元即:H:::FFFFFH)更有利于编程和运行程序可以对M存储单元寻址M*在CPU内部各寄存器只有位无法形成、存储位的地址信息。如果把M存储器划分为若干段(逻辑段)每段的大小规定为~K。这样按一定规则位的寄存器就可以提供位地址信号。第*页电气工程学院()如何分段?*把M存储器分为若干个段每段从BKB*段与段之间可以连续(首尾相连)可以有间隔可以重叠(部分重叠和完全重叠)*类型:代码段(存放程序的代码)数据段(存放数据)附加段(作为通用数据区)和堆栈段(作为堆栈区)。代码段数据段堆栈段附加段CSDSSSES用段寄存器指明某段的起始位置即:存放段基址重叠部分CPU每次可以同时对四个段进行寻址范围:K程序区K堆栈区K数据区第*页电气工程学院内部结构示意图(图)第*页电气工程学院的内部结构在两个重要的结构概念的基础上介绍的内部结构分为两大部分:执行单元EU(ExecutionUnit)总线接口单元BIU(BusInterfaceUnit)先介绍图的各个部分:()BIU(BusInterfaceUnit完成外部总线操作)由段寄存器、指令指针寄存器、内部暂存器、指令队列、地址加法器及总线控制电路组成。)四个段寄存器功能:实施对存储器的分段管理。CS(CodeSegmentregister位代码段寄存器)用来标识当前代码段存放代码段的段基址(段的起始单元地址)的高位。DS(DataSegmentregister位数据段寄存器)用来标识当前数据段存放数据段的段基址的高位ES(ExtraSegmentregister位附加段寄存器)用来标识当前附加段存放附加段的段基址的高位附加段实际上是一个通用数据区也称辅助数据区SS(StackSegmentregister位堆栈段寄存器)用来标识当前堆栈段存放堆栈段的段基址的高位第*页电气工程学院代码段代码段代码段代码段CODECODECODECODECODE的高位CS如果把CS的内容更换为CODE高位,则当前代码段为代码段如果CS存放则当前代码段为代码段CODE高位CS第*页电气工程学院第*页电气工程学院设:存放的是条单字节指令转移指令(转向NNNNN处)将不会顺序执这部分指令装入NNNNN处的指令清空指令队列:主要使的EU和BIU并行工作取指令操作、分析指令操作重叠进行从而形成了两级指令流水线结构减少了CPU为取指令而必须等待的时间提高了CPU的利用率加快了整机运行速度也降低了对存储器存取速度的要求。)IP(InstructionPointerregister指令指针寄存器)存放代码段的段内地址(偏移地址、地址偏移量)。EU控制电路总线控制电路第*页电气工程学院在假想机中PC的功能:存放将要执行的指令的地址在假想机中存储器的地址是位PC也是位PC可以独立提供指令所在的存储单元的完整地址。而在系统中存储器的物理地址是位IP为位无法独立提供位地址。采用分段技术由段寄存器CS和IP配合共同形成位物理地址。指令的实际地址(物理地址)=基地址times偏移量CSIP例:设:CS=CHIP=FEFH下一条指令将在代码段的什么地方取得?timesCHFEFHCFFFFHCFEF代码段共同形成位物理地址相对于基地址的偏移量从以上示意图中可以看出:*当IP之值变化时只会在段内转移*只有当CS变化时才会在段间转移。IPCSCHCFFFFH段基址高位第*页电气工程学院()EUEU又可大致分为两个部分:寄存器部分和运控部分)寄存器(又分为通用寄存器和专用寄存器)。**个位通用寄存器:AXBXCXDX共性:在进行一般的算术逻辑运算时这四个寄存器相当于假想机中的累加器既可以存放操作数也可存放结果个性:在特定的指令中只能用特定的寄存器:AX(Accumulator)常规意义下的累加器BX(Baseregister)基址寄存器(在基地址寻址中存放基地址)CX(Countregister)计数寄存器(用来计数如控制循环次数等)DX(Dataregister)数据寄存器(在寄存器寻址的IO指令中存放端口地址)。这个位寄存器又可作为个位寄存器使用名称分别为:AH、ALBH、BLCH、CLDH、DL。(见图)第*页电气工程学院**个位专用寄存器SP(StackPointer)堆栈指针寄存器存放堆栈段内某一单元地址的偏移量,与SS配合形成位堆栈的当前顶部的物理地址。(在假想机中仅SP就可以指示出堆栈的当前顶部)例:设SS=HSP=HAX=H执行指令PUSHAXSPSSCHCHCHSPSSAHALCH在由SS指明的堆栈区内SP的内容先减指向当前栈顶H压入栈顶IntelConvention(因特尔惯例):高位字节存入高地址单元低位字节存入低地址单元AX第*页电气工程学院BP(BasePointer)基址指针寄存器存放堆栈段内某一单元地址偏移量,与SS配合形成位物理地址。SP和BP都是用在堆栈段内在把堆栈区的闲置部分用作数据区的情况下使用BP,可以在堆栈内任意访问存储单元。DI(DestinationIndex)目的变址寄存器存放目的操作数的地址偏移量。SI(SourceIndex)源变址寄存器存放源操作数的地址偏移量。IPCSDSSI、DI、BXSP、BPSS代码段数据区堆栈区注意各段内可以充当存放偏移地址的寄存器注意在编程过程中如何体现存储器分段。第*页电气工程学院()物理地址(实际地址)和逻辑地址CPU通过条地址引脚提供位进制物理地址逻辑地址:段基地址和偏移地址(两者都是位)即在指令中给出的代表某一存储单元的地址。在编程时使用的是逻辑地址。**标志寄存器:存放运算结果的特征在后续课程中我们才会真正理解这些寄存器的含义和熟悉它们的使用。各个寄存器的名称mdashmdash如数家珍各个寄存器的功能mdashmdash脱口而出第*页电气工程学院由位逻辑地址变换为位物理地址的关系如下:物理地址=段基址times段内偏移物理地址的生成是在BIU的地址加法器中完成的。物理地址生成示意图第*页电气工程学院段寄存器偏移地址实际地址位地址总线引脚译码电路逻辑地址逻辑地址:指令中给出的代表某一存储单元的地址。编程时使用逻辑地址!     位二进制物理地址位进制物理地址  H   H     ?。骸      FFFFHCPU    存储器物理地址M存储区

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