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　　第三章

　　第一節 微型計算機硬件組成與工作原理

　　微處理器的原理與組成:微處理器結構，指令及其執行過程，程序中斷，支持芯片及其與CPU的互連

　　微機的基本配置包括主機箱(內含CPU、內存、外存、I/O接口、總線等部件)、顯示器、鍵盤和鼠標器。

　　在微機主板上的主要部件包括CPU、快存與主存、ROM與CMOS電路、支持系統工作的控制電路(磁盤控制、中斷控制、DMA控制、系統定時控制、DRAM刷新控制等)、總線和擴展插槽等。在主板上一般有4個或8個內存條插槽。每個內存條的容量可以是4MB、8MB、16MB或更大。內存條有30線、72線和168線，其數據位寬分別為16位、32位和64位。

　　主存儲器常采用EDO(Extended Data Out)DRAM和SDRAM(同步DRAM)兩種快速芯片。目前在主板上一般都有3個PCI總線插槽和4個ISA總線插槽，一共可插入7塊I/O卡。目前奔騰機主板上一般有1個并行口，2個串行口，一個軟盤插口(可接4個軟驅)，1個IDE插口(可接一個硬盤驅動器和一個光盤驅動器)。

　　微機常用的輸入設備有:鍵盤、鼠標器、掃描儀、數字化儀以及條形碼讀入器、磁卡讀入器、IC卡讀入器等。

　　微機常用的輸出設備有:顯示器、打印機、繪圖儀等。

　　1.微處理器的基本部件

　　微處理器的基本部件包括運算單元、控制單元和總線接口單元，在運算單元中有若干寄存存儲器組。

　　2.指令及其執行過程

　　指令主要由兩部分組成:操作碼和操作數(或操作數地址)。微處理器的指令長度為一字節或多字節構成。微處理器的指令系統曾經為了兼容性而越來越復雜，而事實上使用頻率很高的指令只有很少一部分，因此提出了精簡指令系統計算機(RISC)的概念。RISC結構指令長度固定，指令格式與種類簡單，在硬件和軟件上采取相應措施，可以提高指令的執行速度，獲得較高的性能/價格比。

　　指令的執行過程包括5個步驟:取指令、指令譯碼、取操作數、執行運算和回送結果。在現代微處理器中通常采用流水線結構，使指令的不同步驟對不同的指令同時執行，就象工廠的流水線一樣，這樣指令的執行時間主要與CPU的時鐘周期有關，而與指令執行需要多少步驟無關。

　　3.時鐘周期、總線周期與指令周期

　　時鐘周期是CPU時鐘頻率的倒數。

　　總線周期是CPU通過總線讀寫存儲器或I/O設備所需要的時間。

　　指令周期是從取指令開始到回送結果完成所需要的時間，不同的指令其指令周期也不相同。在8086CPU中，一條指令的指令周期包含一個到幾個總線周期;一個總線周期又包含4個或4個以上的時鐘周期。在80486及其以上的CPU中，由于采用指令的流水線結構，可以在一個時鐘周期內執行1條甚至多條指令。

　　4.CPU的支持芯片及其與CPU的互連

　　早期CPU(8086、80286)的支持芯片分為兩類:

　　①協處理器、總線控制器、時鐘電路、地址驅動電路、數據收發電路等，通過局部總線與CPU相連，支持CPU訪問內存和完成指令功能;

　　②中斷控制器(8259)、DMA控制器(8237)、定時/計數器(8253)、通過系統總線與CPU相連，支持CPU完成I/O操作。

　　在Pentium機中現在普遍采用基于PCI/ISA總線的系統結構，CPU的支持芯片也分為兩類:①主存與二級Cache控制器芯片，CPU局部總線至PCI總線的橋控制芯片，用來連接軟驅、硬驅、光驅、網卡等快速外設;

　　②PCI接口芯片(可選擇IDE、SCSI或LAN接口)，PCI至ISA的橋芯片(實現PCI總線到ISA總線的轉換，并將8238、8259、8253等芯片集成其中)，ISA總線用來連接打印機等慢速外設。

　　5.80X86CPU系列的發展

　　8086CPU，數據位寬16位，地址線20條，可訪問內存空間1MB，不支持虛存。其內部由2個部件組成:執行部件(EU)和總線接口部件(BIU)。

　　8086CPU，數據位寬16位，地址線24條，可訪問內存空間16MB，支持段式虛存，最大虛存容量為1GB(2 30 B)，工作方式分為2種:實地址方式和保護方式。其內部由4個部件組成:總線部件(BU)、指令部件(IU)、執行部件(EU)和地址部件(AU)。

　　80386CPU，數據位寬為32位，地址線32條，可訪問內存空間4GB，支持段頁式虛存，最大虛存容量為64TB(2 46 B)，工作方式分為3種:實地址方式、保護方式和虛擬8086方式。其內部由6個部件組成:總線接口部件、指令預取部件、指令譯碼部件、執行部件、分段部件、分頁部件。80486CPU，除80386的指標外，主要是將80386協處理器和8KB的高速緩存(Cache)集成在芯片中。

　　Pentium CPU，數據線位寬64位，地址線32條，其主要特點是采用了超標量流水線(即多條指令流水線)結構，在一個CPU時鐘周期內能完成兩條指令;具有分支指令預測功能;將常用指令固化;具有系統管理模式(SMM)功能(例如當系統暫時不工作時，令其處于休眠狀態，以降低能耗，按任一鍵，可喚醒之)等。

　　PentiumⅡ具有化復雜指令為精簡指令的功能，也就是具有CISC和RISC二者的優點;它含有3路超標量結構，14級指令流水線;在芯片中包含了16KB高速緩存和256KB二級高速緩存。}

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