微機原理 第二章 Intel 32位CPU

1、第二章 Intel 32位CPU第第 2 2 章章 Intel 32Intel 32位微處理器位微處理器2.1 2.1 微處理器的基本結(jié)構(gòu)微處理器的基本結(jié)構(gòu)2.2 2.2 寄存器寄存器2.3 2.3 指令流水線操作指令流水線操作第二章 Intel 32位CPU2.1 微處理器的基本結(jié)構(gòu)微處理器的基本結(jié)構(gòu)2.1.1 2.1.1 幾種典型微處理器簡介幾種典型微處理器簡介1 1、1616位微處理器位微處理器Intel 8086Intel 80861616位內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)位內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)1616位外部數(shù)據(jù)總線，位外部數(shù)據(jù)總線，2020位地址總線位地址總線 （尋址范圍（尋址范圍2 22020B = 1MBB

2、 = 1MB）2 2、3232位微處理器位微處理器Intel 80386Intel 803863232位內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)位內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)3232位外部數(shù)據(jù)總線，位外部數(shù)據(jù)總線，3232位地址總線位地址總線（實內(nèi)存（實內(nèi)存2 23232B = 4GBB = 4GB，虛擬空間，虛擬空間2 24646B = 64TBB = 64TB）三種工作方式：實方式、保護方式、虛擬三種工作方式：實方式、保護方式、虛擬80868086方式方式采用流水線技術(shù)和指令預取技術(shù)采用流水線技術(shù)和指令預取技術(shù)第二章 Intel 32位CPUIntel 80486Intel 804863232位內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)位內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)3232位外

3、部數(shù)據(jù)總線，位外部數(shù)據(jù)總線，3232位地址總線位地址總線三種工作方式：實方式、保護方式、虛擬三種工作方式：實方式、保護方式、虛擬80868086方式方式采用流水線技術(shù)和指令預取技術(shù)采用流水線技術(shù)和指令預取技術(shù)片內(nèi)含片內(nèi)含8KB8KB高速緩存（高速緩存（CacheCache）片內(nèi)含浮點運算單元（片內(nèi)含浮點運算單元（FPUFPU）第二章 Intel 32位CPUIntelIntel PentiumPentium系列系列經(jīng)典奔騰經(jīng)典奔騰 高能奔騰高能奔騰 多能奔騰多能奔騰 奔騰二代奔騰二代 奔奔騰三代騰三代 奔騰四代奔騰四代AMD K5AMD K5、K6K6、K7K73 3、6464位微處理器位微處

4、理器IntelIntel Pentium4 Pentium4 雙核雙核Core Core 酷睿系列酷睿系列AMD K8AMD K8、K10K10 趨勢：趨勢：1、多核、多核 2、更快的主頻、更快的主頻 3、更大的緩存、更大的緩存 4、更、更小的制作工藝小的制作工藝第二章 Intel 32位CPU執(zhí)行部件執(zhí)行部件EU8位位指令隊列指令隊列段段寄寄存存器器ALU數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線16位位數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線16位位地址總線地址總線20位位系系統(tǒng)統(tǒng)總總線線 暫存寄存器暫存寄存器 FLAGSEU控制控制單元單元AHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISIAXBXCXDX通通用用寄寄存存器器組組 CS D

5、S SS ES IP內(nèi)部通信寄存器內(nèi)部通信寄存器總線總線控制控制邏輯邏輯1234地址加法器地址加法器總線接口部件總線接口部件BIUALU2.1.2 微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1. 8086微處理器由執(zhí)行部件微處理器由執(zhí)行部件EU和總線接口部件和總線接口部件BIU構(gòu)成構(gòu)成數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段代碼段代碼段堆棧段堆棧段附加段附加段存儲器存儲器第二章 Intel 32位CPU2.804862.80486微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8048680486微處理器內(nèi)部由八大部件組成：總線接口部件、微處理器內(nèi)部由八大部件組成：總線接口部件、高速緩存部件、代碼預取部件、指令譯碼部件、浮點數(shù)部高速緩存

6、部件、代碼預取部件、指令譯碼部件、浮點數(shù)部件、執(zhí)行部件、段部件、分頁部件。件、執(zhí)行部件、段部件、分頁部件。 總總線線接接口口部部件件 分分頁頁 部部件件 段段 部部件件 執(zhí)執(zhí)行行 部部件件 浮浮點點數(shù)數(shù)部部件件 高高速速緩緩存存部部件件 代代碼碼預預取取部部件件 指指令令譯譯碼碼部部件件 外外部部數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線 32位位 外外部部地地址址總總線線 32位位 內(nèi)內(nèi)部部控控制制線線 內(nèi)內(nèi)部部數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線 64位位 物物理理地地址址 物物理理地地址址 線線性性地地址址 分分 邏邏輯輯地地址址 第二章 Intel 32位CPU2.1.3 2.1.3 微處理器的外部引腳微處理器的外部引腳 CLK

7、A2 A31 D0 D31 BE3 ADS BE2 ADY BE1 INTR BE0 RESET M/IO NMI D/C INTA W/R AHOLD LOCK EADS 80486 PLOCK KEN HOLD FLUSH HLDA PWT BOFF PCD BREQ FERR BRDY IGNNE BLAST A20M BS8 BS16 DP3 DP2 DP1 DP0 PCHK 地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線中斷信號中斷信號總線控制信號總線控制信號第二章 Intel 32位CPU第二章 Intel 32位CPU27262524232221201286432168421215214213

8、212211210292832,76816,3848,1924,096 2,048 1,024 5122562232222212202192182172168M4M2M1,048,576 524,288 262,144 131,072 65,5362312302292282272262252242G1G512M 256M128M64M32M16M32K 16K 8K 4K 2K 1K1M 512K 256K 128K 64K 第二章 Intel 32位CPU第二章 Intel 32位CPU第二章 Intel 32位CPU2.2 寄存器寄存器2.2.1 2.2.1 通用寄存器通用寄存器 31 1

9、5 7 031 15 7 0 31310 150 150 150 158 78 70 0 EAX AX AH AL EAX AX AH AL EBX BX BH BL EBX BX BH BL ECX CX CH CL ECX CX CH CL EDX DX DH DL EDX DX DH DL EBP BP EBP BP ESP SP ESP SP ESI SI ESI SI EDI DI EDI DI累加器累加器基址基址計數(shù)器計數(shù)器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)基址指針基址指針堆棧指針堆棧指針源變址源變址目標變址目標變址第二章 Intel 32位CPU2.2.2 2.2.2 指令指針寄存器指令指針寄存器 EIP

10、 EIP （3232位）位） IP IP （EIPEIP的低的低1616位）位） 內(nèi)容：下一條要取入微處理器的指令在內(nèi)存中的偏移地址。內(nèi)容：下一條要取入微處理器的指令在內(nèi)存中的偏移地址。2.2.3 2.2.3 標志寄存器標志寄存器 EFLAGS EFLAGS （3232位）位） FLAGS FLAGS （EFLAGSEFLAGS的低的低1616位）位） 31 18 17 16 15 14 1312 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 031 18 17 16 15 14 1312 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0ACVMRF0 NTIOPLOFDFIFTFSFZF

11、0 AF0 PF1 CF第二章 Intel 32位CPU部分基本標志位的含義：部分基本標志位的含義： 1 1、CFCF（進位標志）（進位標志） =1 =1 算術(shù)操作最高位產(chǎn)生了進位或借位算術(shù)操作最高位產(chǎn)生了進位或借位 =0 =0 最高位無進位或借位最高位無進位或借位 2 2、PFPF（奇偶標志（奇偶標志） =1 =1 數(shù)據(jù)最低數(shù)據(jù)最低8 8位中位中1 1的個數(shù)為偶數(shù)的個數(shù)為偶數(shù) =0 =0 數(shù)據(jù)最低數(shù)據(jù)最低8 8位中位中1 1的個數(shù)為奇數(shù)的個數(shù)為奇數(shù) 3 3、AFAF（輔助進位標志）（輔助進位標志） =1 D3D4=1 D3D4位產(chǎn)生了進位或借位位產(chǎn)生了進位或借位 =0 D3D4=0 D3D4

12、位無進位或借位位無進位或借位第二章 Intel 32位CPU 4 4、ZFZF（零標志）（零標志） =1 =1 操作結(jié)果為操作結(jié)果為0 0 =0 =0 結(jié)果不為結(jié)果不為0 0 5 5、SFSF（符號標志）（符號標志） =1 =1 結(jié)果最高位為結(jié)果最高位為1 1 =0 =0 結(jié)果最高位為結(jié)果最高位為0 0 6 6、OFOF（溢出標志）（溢出標志） =1 =1 此次運算發(fā)生了溢出此次運算發(fā)生了溢出 =0 =0 無溢出無溢出 7 7、DFDF（方向標志）（方向標志） =1 =1 地址自動按減量變化地址自動按減量變化 =0 =0 地址自動按增量變化地址自動按增量變化第二章 Intel 32位CPU8

13、8、TFTF（陷阱標志）（陷阱標志） =1 =1 調(diào)試按單步方式調(diào)試按單步方式 =0 =0 非單步非單步9 9、IFIF（中斷允許標志）（中斷允許標志） =1 =1 允許響應(yīng)外部可屏蔽中斷允許響應(yīng)外部可屏蔽中斷 =0 =0 禁止響應(yīng)禁止響應(yīng)1010、ACAC（對準檢查標志）（對準檢查標志） =1 =1 如果進行未對準的地址訪問，則產(chǎn)生異常中斷如果進行未對準的地址訪問，則產(chǎn)生異常中斷 =0 =0 否否第二章 Intel 32位CPU2.2.4 2.2.4 段寄存器段寄存器 1616位（編程可見）位（編程可見） 6464位（編程不可見）位（編程不可見） 選擇器寄存器選擇器寄存器 描述符寄存器描述符

14、寄存器CSDSSSESFSGSCSDSSSESFSGS第二章 Intel 32位CPU 1 1、實方式或虛擬、實方式或虛擬80868086方式下方式下 段寄存器為段寄存器為1616位，存放內(nèi)存段的段基址。位，存放內(nèi)存段的段基址。 CS-CS-代碼段的段基址代碼段的段基址 DS-DS-數(shù)據(jù)段的段基址數(shù)據(jù)段的段基址 SS-SS-堆棧段的段基址堆棧段的段基址 ES-ES-附加數(shù)據(jù)段的段基址附加數(shù)據(jù)段的段基址第二章 Intel 32位CPU（1）內(nèi)存分段的基本思想）內(nèi)存分段的基本思想l8086有有20條地址線，可直接尋址條地址線，可直接尋址220=1MB個地址個地址編碼。編碼。l80X86的的32位位

15、CPU有有32條地址線，可直接尋址空條地址線，可直接尋址空間為間為232 = 4GB個地址編碼。稱作物理空間，內(nèi)存?zhèn)€地址編碼。稱作物理空間，內(nèi)存或主存。或主存。l在內(nèi)存中占據(jù)相對獨立的內(nèi)存區(qū)間在內(nèi)存中占據(jù)相對獨立的內(nèi)存區(qū)間內(nèi)存分段。內(nèi)存分段。l一個程序擁有多個段、不同程序占據(jù)不完全相同一個程序擁有多個段、不同程序占據(jù)不完全相同的幾個段。的幾個段。l系統(tǒng)要管理內(nèi)存，必須知道每個段的信息，包括：系統(tǒng)要管理內(nèi)存，必須知道每個段的信息，包括：段在物理空間的開始地址、段大小、是數(shù)據(jù)型還段在物理空間的開始地址、段大小、是數(shù)據(jù)型還是程序型、或是系統(tǒng)管理信息等。是程序型、或是系統(tǒng)管理信息等。第二章 Intel

16、 32位CPU（2 2）實模式下存儲器管理：）實模式下存儲器管理： 1 1）一個）一個段的長度段的長度為為1 164K64K字節(jié)內(nèi)；字節(jié)內(nèi)； 2 2）段寄存器（段寄存器（1616位）位）直接存放某一段的段基地址直接存放某一段的段基地址（2020位段起始地址的高位段起始地址的高1616位，低位，低4 4位默認為位默認為0000B0000B，即，即段的起始地址必須是段的起始地址必須是1616的倍數(shù)）；的倍數(shù)）； 3 3）編程時，程序給出指令或者數(shù)據(jù)的）編程時，程序給出指令或者數(shù)據(jù)的邏輯地址邏輯地址，包括包括段基地址段基地址（1616位）和位）和偏移地址偏移地址（1616位，相對于段位，相對于段基地

17、址的段內(nèi)偏移量）?；刂返亩蝺?nèi)偏移量）。第二章 Intel 32位CPU 在存儲器尋址時，將邏輯地址轉(zhuǎn)換為存儲器存儲在存儲器尋址時，將邏輯地址轉(zhuǎn)換為存儲器存儲單元的物理地址（實際地址或者絕對地址），單元的物理地址（實際地址或者絕對地址），1M1M存儲存儲空間物理地址為空間物理地址為2020位。位。 物理地址（物理地址（20位）位） =段首地址（段首地址（20位）位） + 偏移地址（偏移地址（16位）位） =段基址（段基址（16位）位）10H + 偏移地址（偏移地址（16位）位）段基址為段首地址的高段基址為段首地址的高16位。段首地址的低位。段首地址的低4位為位為0。邏輯地址的表示方法：邏輯地址

18、的表示方法： 段基地址：偏移地址段基地址：偏移地址例：例：CS： EA 1D24 : 0100 第二章 Intel 32位CPU 例：例：第二章 Intel 32位CPU2.2. 保護方式下保護方式下 段寄存器有段寄存器有CSCS、DSDS、SSSS、ESES、FSFS、GSGS， 1616位（編程可見）位（編程可見） 6464位（編程不可見）位（編程不可見） 選擇器寄存器選擇器寄存器 描述符寄存器描述符寄存器 CSDSSSESFSGSCSDSSSESFSGS第二章 Intel 32位CPU 選擇器寄存器的低選擇器寄存器的低2 2位為特權(quán)標志，位為特權(quán)標志，D2D2位為描述位為描述符表類型標志

19、，高符表類型標志，高1313位是選擇碼。位是選擇碼。 描述符寄存器的作用是為了加速運行。描述符寄存器的作用是為了加速運行。邏輯地址由邏輯地址由選擇器寄存器：偏移地址選擇器寄存器：偏移地址組成。組成。保護方式下：保護方式下： 段基址段基址3232位位 偏移地址偏移地址3232位位 線性地址線性地址3232位位 物理地址物理地址3232位位 INDEX TIRPL15 3 2 1 0選擇器寄存器格式選擇器寄存器格式第二章 Intel 32位CPU2.2.5 2.2.5 系統(tǒng)地址寄存器系統(tǒng)地址寄存器 1 1、GDTR GDTR （4848位）位） 全局描述符表寄存器全局描述符表寄存器 2 2、LDTR LDTR （1616位）位） 局部描述符表寄存器局部描述符表寄存器 3 3、IDTRIDTR（4848位）位） 中斷描述符表寄存器中斷描述符表寄存器 4 4、TRTR（1616位）位） 任務(wù)狀態(tài)寄存器任務(wù)狀態(tài)寄存器第二章 Intel 32位CPU2.3 2.3 微處理器的工作方式微處理器的工作方式 1 1、實地址方式、實地址方式 （Real Address ModeReal Address Mode）2 2、保護方式、保護方式 （Protected ModeProtected Mode）3 3、虛擬、虛擬80868086方式方式 （Virtual 8086 ModeVirtua