微機原理第2章-3學分

1、第二章Intel系列微處理器 教學目標介紹80 x86微處理器的體系結構、工作方式、引腳功能及Pentium微處理器的體系結構 學習要求Intel80 x86系列微處理器內部 結構的特點，工作方式及方式轉換，常用引腳功能的特點。 講授內容第二章Intel系列微處理器第一節(jié)Intel系列微處理器概述 第二節(jié)理器的體系結構第三節(jié)Pentium微處理器的體系結構第一節(jié)Intel系列微處理器概述一、80868088微處理器8086 是標準16位微處理器，內外數據總線都為16位；8088 是準16 位微處理器，內數據總線為16位，外部數據總線為8位。80868088 除了外部數據位數及與此相關的部分邏輯

2、稍有不同外，內部結構和基本性 能相同，指令系統(tǒng)完全兼容。在80868088的設計中，引人了兩個重要的概念： 指令流水線存儲器分段這兩個概念在以后升級的INTEL系列微處理器中一直被沿用和發(fā)展。正 是這兩個概念的引入，使80868088 與原來的8位微處理器相比，在運行速度、處理能力和對存儲空間訪問等性能方面有很大提高。 8086/8088內部結構示意圖執(zhí)行單元EU 由通用寄存器、運算數據暫存器、算術邏輯單元（ALU）及EU 控制電路組成。它的主要作用是分析和執(zhí)行指令，即EU控制電路從指令隊 列取出指令代碼，經譯碼，發(fā)出相應的控制信號；數據在ALU中進行運 算；運算過程及結果的某些特征保留在標志

3、寄存器（EFLAGS）中?？偩€接口單元IU由段寄存器（CS、DS、SS、ES）、指令指針寄存器（IP）、內部暫存器、指令隊列、地址加法器及總線控制電路組成。它的主要作用是負責執(zhí)行所有的“外部總線”操作，即當EU從指令隊列中取走指令時，BIU即從內存中取出后續(xù)的指令代碼放入隊列中；當EU需要數據時，BIU根據EU輸出的地址，從指定的內存單元或外設中取出數據供EU使用；當運算結束時，BIU將運算結果送給指定的內存單元或外設。段寄存器CS、DS、ES、SS1MB0000H段寄存器中存放的是16位的段基址；偏移量存放于有關寄存器中。段寄存器中存放的是16位的段基址；偏移量存放于有關寄存器中。FFFFH

4、 0000H1一 個 實際地址也稱物理 一 個 實際地址也稱物理 的物理地址由段基 址和偏移量構成。2FFFFH0000HFFFFFH指令的物理地址段基址16偏移量CSIP例如：CS=2530H，IP=4200H，則目標指令的存放地址為：2530H164200H=25300H4200H=29500H例如：DS=2000H，SI=0250H，則目標數據的存放地址為： 2000H160250H=20000H20位地址加法器指令隊列主要使8086/8088的EU和BIU并行工作，取指令操作、分析指令操作重疊進行，從而形成了兩級指令流水線結構，減少了CPU為取指令而必須 等待的時間，提高了CPU的利用

5、率，加快了整機運行速度，也降低了對存儲 器存取速度的要求。二、80286微處理器80286是一種增強型標準16位微處理器。與8086/8088相比，結構上的 改進與性能上的提高主要體現在以下幾個方面： 內部有執(zhí)行單元（EU）、總線單元（BU）、指令單元（IU）和地址單元（AU）4個獨立的部分并行操作，可實現4級流水線作業(yè)，使數據吞吐 率大大提高。地址總線與數據總線完全分開使用。存儲空間有兩種工作方式：實地址方式和保護虛擬地址方式（保 護方式）。實地址方式有1MB的空間；保護方式有16MB的空間。在保護方式下，4個段寄存器裝入的不再是段基址，而是指向段 描述符表中某個段描述符的索引值，稱為段選擇

6、符。（1）實地址方式（又稱8086方式）存儲器的物理地址由段基址和段內偏移量組成。（2）保護虛擬地址方式（保護方式）段寄存器80286的主要優(yōu)點體現在該方式下，它增強了多用戶、多任務系統(tǒng)所必須的任務轉換功能、虛擬存儲器管理功能和多種保護功能，不僅運算速度大為提高，而且支持多用戶、多任務操作。存儲器的物理地址由段基址和段內偏移量組成。段描述符三、80386/80486微處理器80386/80486是針對多用戶和多任務的應用而推出的32位微處理器， 與80286相比，它在結構和性能上的主要特點如下： 內部寄存器數量明顯增加，它具有全32位數據處理能力，還可以進行64位的數據運算。片內存儲管理部件可

7、實現段頁式存儲管理，比80286可提供更大的虛擬 存儲空間和物理存儲空間。 比80286新增了一種保護模式下的工作方式，即虛擬8086方式。80486增加到6級指令流水線。 提供了32位外部總線接口，最大數據傳輸速率顯著提高。 運算速度大大加快。四、Pentium微處理器Pentium是一種高性能的64位微處理器，它對80486作了下列重大的改進： 采用超標量體系結構，內含兩條指令流水線。內置的浮點運算部件采用超流水線技術。增加了分支指令預測。內置了指令和數據兩個獨立的超流水線技術。采用64位外部數據總線。引入了大型計算機中采用的內部錯誤檢測、功能冗余校驗和錯誤報告等自診斷功能。進行了更多的可

8、測性設計。提供了獨特的性能監(jiān)察功能，以利于軟、硬件產品的優(yōu)化和升級。提供了靈活的存儲器頁面管理功能。第二節(jié)80486微處理器的體系結構一、80486的體系結構特點80486是32位高性能處理器，它以提高性能和面向多處理器系統(tǒng)結構為主要目標，它具有如下的特點： 80486采用的是單倍的時鐘頻率，即在80486CPU的CLK端輸入的外部時鐘 頻率就是其內部處理器的工作時鐘頻率。內部包含有8K字節(jié)的指令/數據合用型高速緩存器。內部包含了相當于增強型80387功能的浮點協(xié)處理器。對使用頻率較高的基本指令，由原來的微代碼控制改為硬件邏輯直接控制，并在指令執(zhí)行單元采用了RISC技術和流水線技術。采用了突發(fā)

9、式總線傳輸方式。內部數據總線的寬度有32位、64位等多種，并分別用于不同單元之間的數據通路對某些內部寄存器中部分位的內容進行了變動和增加。面向多處理器結構，在總線接口部件上增加了總線監(jiān)視功能，增加了支持多機操作的指令。二、80486的內部結構與內部寄存器1.內部結構外部DB指令譯碼單元指令預取單元高速緩存單元總線接口單元（32位）指令譯碼單元指令預取單元高速緩存單元總線接口單元外部AB（32位） 內部控制線 內部DB（64位）物理地址頁管理單元執(zhí)行單元頁管理單元執(zhí)行單元段管理單元浮點運算單元浮點運算單元邏輯地址80486內部結構示意圖2.指令流水線80486的流水線工作示意圖3.內部寄存器1）

10、通用寄存器有8個32位的EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP、ESP；它們的低16位可以單獨訪問被命名為： AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP。其中AX、BX、CX、DX還可以分別分成兩個8位寄存器：AH、AL、BH、BL、CH、 CL、DH、DL。指令指針寄存器（EIP）EIP用于保存下一條待預取指令相對于代碼段基址的偏移量。它的低16位可以單獨訪問，稱之為IP標志寄存器（EFLAGS）：32位標志寄存器（EFLAGS）中包含三種標志：狀態(tài)標志（S）、控制標志（C）和系統(tǒng)標志（X）。狀態(tài)標志（S）：反映指令執(zhí)行過程及結果的狀態(tài)?？刂茦酥荆–）：它僅含一個標志DF

11、，用于控制串操作指令的地址改變方向。系統(tǒng)標志（X）：它用于控制I/O、屏蔽中斷、調試、任務轉換和控制保護 方式與虛擬8086方式間的轉換。段寄存器：80486有6個段寄存器（CS、SS、DS、ES、FS、GS），用于決定程序使用存儲器區(qū)域塊。其中CS指明當前的代碼段；SS指明當前的堆棧段；DS、ES、FS和GS指明當前的4個數據段。三、80486的三種工作方式及相互轉換112380486的三種工作方式轉換四、80486常用的外部引腳信號地址總線引腳、數據總線引腳、控制總線引腳由地址信號A31A2 和字節(jié)選通信號BE3BE0,組合成32條地址線80486尋址4GB的I/O地址空間D31D0完成32位的數據傳送、16位的數據傳送、 8位的數據傳送。BS8、