第十一章32位微處理器

第11章32位微處理器李響課時(shí)安排及課程目標(biāo)課時(shí)安排：1學(xué)時(shí)課程目標(biāo)了解80286-Pentium微處理器的結(jié)構(gòu)了解80286-Pentium微處理器的寄存器發(fā)展了解80286-Pentium微處理器的工作模式80286-Pentinum微處理器

概述一、80286微處理器80286的特點(diǎn)：AB=24條，DB=16條芯片引腳增至68根，地址和數(shù)據(jù)信息傳輸不采用分時(shí)復(fù)用引腳時(shí)鐘頻率提高，總線周期縮短為2個(gè)時(shí)鐘周期具有兩種工作模式（實(shí)地址模式/保護(hù)虛地址模式）支持虛擬存儲(chǔ)器管理二、80386微處理器80386的特點(diǎn)：AB=32條，DB=32條，寄存器擴(kuò)展到32位。存儲(chǔ)器管理功能增強(qiáng)，除保留存儲(chǔ)器分段管理，還增加了內(nèi)存分頁(yè)管理。運(yùn)算速度提高，采用六級(jí)并行流水線技術(shù)。有三種工作模式（實(shí)地址模式/保護(hù)虛地址模式/虛擬8086模式）三、80486微處理器80486的特點(diǎn)：AB=32條，DB=32條80486有三個(gè)部件組成：采用80386體系結(jié)構(gòu)的主處理器，數(shù)學(xué)協(xié)處理器80387，8K的Cache(高速緩沖存儲(chǔ)器)四、Pentium微處理器Pentium的特點(diǎn)：AB=36條，DB=64條采用分支預(yù)測(cè)技術(shù)提高流水線效能內(nèi)部采用2個(gè)彼此獨(dú)立的8KB的代碼/數(shù)據(jù)高速緩存采用超標(biāo)量雙流水線結(jié)構(gòu)補(bǔ)充：超標(biāo)量技術(shù)所謂超標(biāo)量就是微處理器內(nèi)含有多個(gè)指令執(zhí)行部件和多條指令流水線，從而使微處理器的運(yùn)行速度成倍提高。采用超標(biāo)量技術(shù)的CPU集成了多個(gè)ALU、多個(gè)FPU、多個(gè)譯碼器，以并行方式處理指令來(lái)提高CPU的性能80286-Pentium微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一、80286的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成：總線部件(BU)：負(fù)責(zé)CPU與總線的一切信息交換工作。指令部件(IU)：接收BU送來(lái)的指令，對(duì)其譯碼，送入譯碼緩沖器。執(zhí)行部件(EU)：從IU獲得已譯碼的指令加以執(zhí)行。地址單元(AU)：負(fù)責(zé)對(duì)地址進(jìn)行計(jì)算。80286內(nèi)部并行操作二、80386的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成：總線接口部件(BIU)：負(fù)責(zé)80386與其外部器件的高速接口指令預(yù)取部件：預(yù)取指令填入指令隊(duì)列指令譯碼部件：從預(yù)取隊(duì)列取出指令將其譯為微碼執(zhí)行部件：執(zhí)行指令（桶型移位器）分段部件：把邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址分頁(yè)部件：將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址MMU(存儲(chǔ)器管理部件)線性地址（LinearAddress）是邏輯地址到物理地址變換之間的中間層。在分段部件中邏輯地址是段中的偏移地址，然后加上基地址就是線性地址。線性地址是一個(gè)32位無(wú)符號(hào)整數(shù)，可以用來(lái)表示高達(dá)4GB的地址，也就是，高達(dá)4294967296個(gè)內(nèi)存單元。線性地址通常用十六進(jìn)制數(shù)字表示，值的范圍從0x00000000到0xffffffff）。程序代碼會(huì)產(chǎn)生邏輯地址，通過(guò)邏輯地址變換就可以生成一個(gè)線性地址。如果啟用了分頁(yè)機(jī)制，那么線性地址可以再經(jīng)過(guò)變換以產(chǎn)生一個(gè)物理地址。當(dāng)采用4KB分頁(yè)大小的時(shí)候，線性地址的高10位為頁(yè)目錄項(xiàng)在頁(yè)目錄表中的編號(hào)，中間十位為頁(yè)表中的頁(yè)號(hào)，其低12位則為偏移地址。如果是使用4MB分頁(yè)機(jī)制，則高10位頁(yè)號(hào)，低22位為偏移地址。如果沒(méi)有啟用分頁(yè)機(jī)制，那么線性地址直接就是物理地址。三、80486的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成：總線接口部件、指令預(yù)取部件、指令譯碼部件、執(zhí)行部件、分段部件、分頁(yè)部件高速緩存（Cache）浮點(diǎn)運(yùn)算部件（FPU）四、Pentium的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成：兩條指令流水線，“U”流水線和“V”流水線?！癠”、“V”流水線都可以執(zhí)行整數(shù)指令，但只有“U”流水線才能執(zhí)行浮點(diǎn)指令。每條流水線都有自己的獨(dú)立的地址生成邏輯部件、算術(shù)邏輯部件和數(shù)據(jù)超高速緩存接口。兩個(gè)獨(dú)立的超高速緩存，即一個(gè)指令超高速緩存和一個(gè)數(shù)據(jù)超高速緩存。80286-Petinum微處理器的寄存器一、綜述80286的寄存器具有8086CPU中全部寄存器16位的機(jī)器狀態(tài)字寄存器MSW16位任務(wù)寄存器TR3個(gè)描述符表寄存器(LDTR-局部描述符表寄存器、GDTR-全局描述符表寄存器和IDTR-中斷描述符表寄存器)段描述符高速緩沖器80386、80486和Pentium包括80286所有寄存器通用寄存器擴(kuò)展為32位（EAX）指令指針寄存器和標(biāo)志寄存器也都擴(kuò)展為32位的EIP和EFLAG段寄存器仍然是16位，但增加了兩個(gè)數(shù)據(jù)段寄存器FS和GS機(jī)器狀態(tài)字(MSW)擴(kuò)展為32位的控制寄存器6個(gè)排錯(cuò)寄存器DR0、DR1、DR2、DR3、DR6和DR7測(cè)試寄存器二、標(biāo)志寄存器8086（9個(gè)標(biāo)志位）80286IOPL：I/O特權(quán)標(biāo)志位(兩位)

規(guī)定了能使用I/O敏感指令的特權(quán)級(jí)NT：嵌套任務(wù)標(biāo)志位

NT=1時(shí)，表示當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)正嵌套在另一任務(wù)中，否則，NT=0。80386VM:虛擬8086方式標(biāo)志位

VM=1，表示80386工作在虛擬8086方式下RF:恢復(fù)標(biāo)志位在處理斷點(diǎn)之前，若在斷點(diǎn)和前一條指令之間檢查到RF為1時(shí)，則下一條指令執(zhí)行的調(diào)試故障被忽略。80486AC:地址對(duì)齊檢測(cè)標(biāo)志位

AC=1時(shí)，若發(fā)現(xiàn)地址不對(duì)齊就會(huì)發(fā)生異常。地址不對(duì)齊是指：若訪問(wèn)一個(gè)字時(shí)，地址為奇地址；若訪問(wèn)雙字時(shí)，地址不處在雙字邊界上；若訪問(wèn)8個(gè)字節(jié)操作數(shù)時(shí)，地址不對(duì)齊在64位的邊界上PentiumVIF:虛擬中斷標(biāo)志VIP:虛擬中斷掛起標(biāo)志ID:鑒別標(biāo)志該標(biāo)志用以指示Pentium處理器是否支持CPU的ID指令三、控制寄存器80286PE：實(shí)地址方式與保護(hù)方式轉(zhuǎn)換位MP：監(jiān)控處理器位EM：協(xié)處理器仿真狀態(tài)位TS：任務(wù)轉(zhuǎn)換位80386/80486/Pentium例：80386的寄存器80X86的工作方式80x86主要有兩種工作方式：

實(shí)地址方式

保護(hù)虛地址方式。實(shí)地址方式：為與8086相兼容而設(shè)置的工作方式，此方式下限制了80X86的功能。保護(hù)虛地址方式：此方式下能充分發(fā)揮80X86的功能，支持虛擬存儲(chǔ)器功能。虛擬8086方式：此方式下CPU既具有8086的功能，又具有80X86的功能。80x86實(shí)地址方式是為了與8086兼容而設(shè)置的工作方式。在實(shí)地址方式下，具有32條地址線的80x86只有低20條地址線起作用，能尋址1MB的物理地址，高12根地址線系統(tǒng)強(qiáng)迫置1。在此工作方式下，80x86相當(dāng)于一個(gè)快速的8086。實(shí)地址方式1、實(shí)地址方式的進(jìn)入在處理器復(fù)位后，處理器內(nèi)部的CR0的PE位為0，表示此時(shí)處理器工作在實(shí)地址模式。復(fù)位后的啟動(dòng)地址應(yīng)為段基地址+EIP，即FFFF0000H+0000FFF0H=FFFFFF0H。FFFFFFF0H—FFFFFFFFH共16個(gè)字節(jié)，為專用存儲(chǔ)區(qū)，存放無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，指向初始化程序的入口。2、實(shí)地址方式下段的概念在此方式下，段的概念與8086相同。物理地址的計(jì)算：在實(shí)地址方式下，段寄存器的內(nèi)容會(huì)自動(dòng)乘16，并放在段描述符寄存器的基地址中，取出后加上偏移地址，即為物理地址。在此方式下，全部32條地址線都有效，故可尋址高達(dá)4GB的物理存儲(chǔ)器。在此方式下，80x86支持虛擬存儲(chǔ)器的功能，一個(gè)任務(wù)可運(yùn)行多達(dá)16KB個(gè)段，每個(gè)段最大可為4GB，故一個(gè)任務(wù)最大可達(dá)64TB的虛擬地址。在保護(hù)虛地址方式下運(yùn)行的程序分為4個(gè)特權(quán)等級(jí)。保護(hù)虛地址方式在保護(hù)虛地址方式下，一個(gè)存儲(chǔ)器單元的地址也是由段基地址（32位）和段內(nèi)偏移量（32位）兩部分組成。描述符：8個(gè)字節(jié)，記錄一個(gè)段的基本信息，包括段的段基址、大小、權(quán)限等。一個(gè)段對(duì)應(yīng)一個(gè)描述符，多個(gè)描述符組成一個(gè)描述符表。段寄存器的作用：用于存放某一個(gè)段的描述符在描述符表中的索引值，段寄存器又稱為段選擇符保護(hù)虛地址方式下的尋址機(jī)構(gòu)由描述符中所規(guī)定的段基地址再加上32位的段內(nèi)偏移量就可以尋址一個(gè)存儲(chǔ)單元由段基地址(32位)和段內(nèi)偏移量(32位)形成的地址稱為線性地址(32位)（1）描述符段描述符：8個(gè)字節(jié)，描述段的基本信息系統(tǒng)描述符：8個(gè)字節(jié)，定義了特殊的系統(tǒng)數(shù)據(jù)段和控制轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)控制轉(zhuǎn)移描述符：4個(gè)字節(jié)，定義了一個(gè)代碼段的保護(hù)入口，這類描述符通常稱為門描述符，簡(jiǎn)稱門，門描述符包括調(diào)用門、任務(wù)門、中斷門、自陷門。描述符與描述符表（2）描述符表局部描述符表LDT（多個(gè)）中斷描述符表IDT（唯一）全局描述符表GDT（唯一）在系統(tǒng)中，每個(gè)描述符表都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的寄存器全局描述符表寄存器GDTR局部描述符表寄存器LDTR中斷描述符表寄存器IDTR分類全局描述符表GDTGlobalDescriptorTable

含有系統(tǒng)中每一個(gè)任務(wù)都可以訪問(wèn)的段描述符，一般包括操作系統(tǒng)使用的代碼段、數(shù)據(jù)段和堆棧段、各任務(wù)狀態(tài)段、系統(tǒng)中所有的局部描述符表的描述符等。局部描述符表（LDT）

LocalDescriptorTable