清華大學微機原理第2章

1、第第2章章 16位和位和32位微處理器位微處理器教學建議，本章重點為教學建議，本章重點為8086的編程結構，尤其是寄存器組；的編程結構，尤其是寄存器組；8086標志寄存器各個標志的含義；標志寄存器各個標志的含義；8086的讀寫時序、總線操作和中斷機制；的讀寫時序、總線操作和中斷機制；Pentium的先進技術；的先進技術；Pentium的工作方式；的工作方式；Pentium的原理結構、寄存器組和描述符；的原理結構、寄存器組和描述符；Pentium的主要信號；的主要信號；Pentium的總線狀態(tài)；的總線狀態(tài)；Pentium的中斷機制和中斷描述符表；的中斷機制和中斷描述符表；Pentium的段頁兩級

2、保護機制。的段頁兩級保護機制。微處理器的性能指標 字長字長 主頻主頻 圖2.1 8086的編程結構1 1總線接口部件總線接口部件 4 4個段地址寄存器，個段地址寄存器， CS 16CS 16位的代碼段寄存器位的代碼段寄存器 DS 16DS 16位的數(shù)據(jù)段寄存器位的數(shù)據(jù)段寄存器 ES 16ES 16位的附加段寄存器位的附加段寄存器 SS 16SS 16位的堆棧段寄存器位的堆棧段寄存器 16 16位的指令指針寄存器位的指令指針寄存器IPIP 20 20位的地址加法器位的地址加法器 6 6字節(jié)的指令隊列緩沖器字節(jié)的指令隊列緩沖器2. 2. 執(zhí)行部件執(zhí)行部件 4 4個通用寄存器，即個通用寄存器，即AX

3、AX、BXBX、CXCX、DXDX 4 4個專用寄存器，即個專用寄存器，即BPBP、SPSP、SISI、DIDI 標志寄存器標志寄存器 算術邏輯部件算術邏輯部件 標志寄存器；根據(jù)功能，分為兩類 狀態(tài)標志狀態(tài)標志 控制標志控制標志狀態(tài)標志 SFSF ZFZF PFPF CFCF AFAF OFOF控制標志 DFDF IFIF TFTF3. 80863. 8086的總線周期的概念的總線周期的概念4 4個時鐘周期，個時鐘周期， T1T1狀態(tài)狀態(tài) T2T2狀態(tài)狀態(tài) T3T3狀態(tài)狀態(tài) T T狀態(tài)狀態(tài) T4T4狀態(tài)狀態(tài)圖2.2典型的8086總線周期序列 最小模式和最大模式的概念最小模式和最大模式的概念 最

4、小模式最小模式 最大模式最大模式兩個協(xié)處理器兩個協(xié)處理器 數(shù)值運算協(xié)處理器數(shù)值運算協(xié)處理器8087 輸入輸入/輸出協(xié)處理器輸出協(xié)處理器8089 8086 8086的引腳信號和功能的引腳信號和功能注意下列幾點：注意下列幾點： 8086的數(shù)據(jù)線和地址線是復用的，的數(shù)據(jù)線和地址線是復用的， 8086可用高可用高8位傳送位傳送1字節(jié)，也可用低字節(jié)，也可用低8位傳送位傳送1個字節(jié)，還可一次傳送個字節(jié)，還可一次傳送1個字個字 RESET是系統(tǒng)復位信號是系統(tǒng)復位信號8086的引腳引腳信號 GND、VCC 地和電源地和電源 AD15AD0 地址地址/數(shù)據(jù)復用引腳，雙向工作數(shù)據(jù)復用引腳，雙向工作 A19/S6A

5、16/S3地址地址/狀態(tài)復用引腳，輸狀態(tài)復用引腳，輸出出 BHE/S7 高高8位數(shù)據(jù)總線允許位數(shù)據(jù)總線允許/狀態(tài)復用狀態(tài)復用引腳，輸出引腳，輸出 NMI 非屏蔽中斷引腳非屏蔽中斷引腳, 輸入輸入 INTR 可屏蔽中斷請求信號可屏蔽中斷請求信號, 輸入輸入 RD讀信號，輸出讀信號，輸出 CLK)時鐘，輸入時鐘，輸入 RESET(reset) 復位信號，輸入復位信號，輸入 READY(ready) “準備好準備好”信號，輸入信號，輸入 TEST(test) 測試信號，輸入測試信號，輸入 MN/MX 最小和最大模式控制信號，輸最小和最大模式控制信號，輸入入 最小模式最小模式最小模式信號最小模式信號

6、INTA 中斷響應信號，輸出中斷響應信號，輸出 ALE 地址鎖存允許信號，輸出地址鎖存允許信號，輸出 DEN 數(shù)據(jù)允許信號，輸出數(shù)據(jù)允許信號，輸出 DT/R 數(shù)據(jù)收發(fā)信號，輸出數(shù)據(jù)收發(fā)信號，輸出 M/IO 存儲器存儲器/輸入輸入/輸出控制信號，輸出輸出控制信號，輸出 WR(write) 寫信號，輸出寫信號，輸出 HOLD和和HLDA 總線保持請求信號和總總線保持請求信號和總線保持響應信號線保持響應信號最小模式配置圖最小模式連接特點： MN/MX端接端接+5V 時鐘發(fā)生器時鐘發(fā)生器 地址鎖存器地址鎖存器 存儲器和外設較多時，需要總線收發(fā)器存儲器和外設較多時，需要總線收發(fā)器M/IO、RD、WR信號

7、的關系圖2.5 8284A和8086的連接 最大模式（最大模式（ QS1、QS0指令隊列狀態(tài)信號）S2#、S1#、S0#總線周期狀態(tài)信號最大模式下的典型配置總線控制器8288的連接微型機系統(tǒng)主要操作 系統(tǒng)的復位和啟動操作；系統(tǒng)的復位和啟動操作； 暫停操作；暫停操作； 總線操作；總線操作； 中斷操作；中斷操作； 最小模式下的總線保持；最小模式下的總線保持； 最大模式下的總線請求最大模式下的總線請求/允許。允許。 系統(tǒng)的復位和啟動操作系統(tǒng)的復位和啟動操作 CS=FFFFHCS=FFFFH IPIP0000H0000H復位操作的時序?？偩€讀操作寫操作時序中斷操作和中斷系統(tǒng)中斷操作和中斷系統(tǒng)兩大類：兩

8、大類： 硬件中斷；硬件中斷； 軟件中斷。軟件中斷。8086的中斷分類 中斷向量和中斷向量表 硬件中斷 NMINMI INTRINTR硬件中斷的響應和時序 從數(shù)據(jù)總線上讀取中斷類型碼，將其存入內(nèi)部從數(shù)據(jù)總線上讀取中斷類型碼，將其存入內(nèi)部暫存器。暫存器。 將標志寄存器的值推入堆棧。將標志寄存器的值推入堆棧。 把標志寄存器的中斷允許標志把標志寄存器的中斷允許標志IFIF和跟蹤標志和跟蹤標志TFTF清零。清零。 將斷點保護到堆棧中。將斷點保護到堆棧中。 找到中斷向量，轉入相應的中斷處理子程序找到中斷向量，轉入相應的中斷處理子程序8086對中斷的響應中斷響應要用兩個總線周期?？善帘沃袛鄷r，CPU執(zhí)行的總

9、線時序： 第第1 1步，執(zhí)行步，執(zhí)行2 2個中斷響應總線周期個中斷響應總線周期 第第2 2步，執(zhí)行步，執(zhí)行1 1個總線寫周期個總線寫周期 第第3 3步，將標志寄存器的中斷允許標志步，將標志寄存器的中斷允許標志IFIF和單和單步標志步標志TFTF置成置成0 0 第第4 4步，執(zhí)行步，執(zhí)行1 1個總線寫周期個總線寫周期 第第5 5步，執(zhí)行步，執(zhí)行1 1個總線寫周期個總線寫周期 第第6 6步，執(zhí)行步，執(zhí)行1 1個總線讀周期個總線讀周期 第第7 7步，執(zhí)行步，執(zhí)行1 1個總線讀周期個總線讀周期 中斷處理子程序 保護中斷現(xiàn)場。保護中斷現(xiàn)場。 設置中斷允許標志設置中斷允許標志IFIF來開放中斷來開放中斷

10、中斷處理的具體內(nèi)容中斷處理的具體內(nèi)容 恢復寄存器恢復寄存器 中斷返回指令中斷返回指令軟件中斷的特點 中斷類型碼由指令提供。中斷類型碼由指令提供。 不執(zhí)行中斷響應總線周期。不執(zhí)行中斷響應總線周期。 不受中斷允許標志不受中斷允許標志IFIF的影響的影響 執(zhí)行軟件中斷時，對外部硬件中斷請求執(zhí)行軟件中斷時，對外部硬件中斷請求的反映不同于硬件中斷的反映不同于硬件中斷 軟件中斷沒有隨機性軟件中斷沒有隨機性最小模式下的總線保持最小模式下的總線保持總線保持請求總線保持請求/ /保持響應時序保持響應時序最大模式下的總線請求最大模式下的總線請求/ /授權授權最大模式下的總線請求最大模式下的總線請求/允許允許/釋放

11、時序釋放時序 8086 8086的存儲器編址的存儲器編址8086系統(tǒng)中存儲器物理地址的計算方法系統(tǒng)中存儲器物理地址的計算方法 復位后F F F FF F F F+ 0 0 0 0+ 0 0 0 0F F F F 0F F F F 0圖2.18 CS、DS、SS和其他寄存器組合指向存儲單元的示意圖存儲器中，有幾個部分的用處是固定的： 0000000000003FFH003FFH B0000H B0000HB0F9FH B0F9FH B8000H B8000HBBF3FHBBF3FH FFFF0HFFFFFH 8086 8086的的I/OI/O編址編址 80868086允許有允許有65535(64

12、K)65535(64K)個個8 8位的位的I/OI/O端口端口對對I/OI/O端口，可用兩種方式進行編址：端口，可用兩種方式進行編址： 和存儲器統(tǒng)一編址和存儲器統(tǒng)一編址 I/OI/O獨立編址獨立編址 32 位微處理器位微處理器Pentium的先的先進技術進技術1.1. 先進的體系結構先進的體系結構2 2CISCCISC和和RISCRISC相結合的技術相結合的技術3. 3. 超標量流水線技術超標量流水線技術4. 先進的分支預測技術先進的分支預測技術 指令流水線的組成指令流水線的組成 總線接口部件、總線接口部件、 指令預取部件、指令預取部件、 指令譯碼部件指令譯碼部件 執(zhí)行部件執(zhí)行部件 Penti

13、um的的三種工作方式， 實地址方式實地址方式 保護方式保護方式 虛擬虛擬8086方式方式 實地址方式的特點實地址方式的特點 尋址機構、存儲器管理、中斷處理機構均和尋址機構、存儲器管理、中斷處理機構均和80868086一樣。一樣。 操作數(shù)默認長度為操作數(shù)默認長度為1616位。位。 存儲器容量最大為存儲器容量最大為1MB1MB，采用分段方式，每段，采用分段方式，每段大小固定為大小固定為64KB64KB。 存儲器中保留兩個固定區(qū)域存儲器中保留兩個固定區(qū)域 FFFF0HFFFF0HFFFFFHFFFFFH， 0000000000003FFH003FFH。保護方式的特點保護方式的特點 存儲器用邏輯地址空

14、間、線性地址空間存儲器用邏輯地址空間、線性地址空間和物理地址空間三種方式來描述。和物理地址空間三種方式來描述。 映像機制使邏輯地址空間大大超過實際映像機制使邏輯地址空間大大超過實際的內(nèi)存空間的內(nèi)存空間 既能進行既能進行16位運算，也能進行位運算，也能進行32位運算。位運算。 虛擬虛擬80868086方式方式特點 可以執(zhí)行8086的應用程序。 段寄存器的用法和實地址方式時一樣，即段寄存器內(nèi)容左移4位加上偏移量為線性地址。 存儲器尋址空間為1MB，在分段基礎上又分頁，每頁4KB。實地址方式和虛擬8086方式區(qū)別： 多任務問題多任務問題 尋址空間問題。尋址空間問題。 內(nèi)存管理問題內(nèi)存管理問題 Pen

15、tium的原理結構的原理結構 總線接口部件總線接口部件 U U流水線和流水線和V V流水線流水線 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)CacheCache 指令指令CacheCache 指令預取部件指令預取部件 指令譯碼器指令譯碼器 控制控制ROMROM 分支目標緩沖器分支目標緩沖器BTBBTB 控制部件控制部件 浮點處理部件浮點處理部件FPUFPU 分段部件和分頁部件分段部件和分頁部件 寄存器組寄存器組 總線接口部件完成如下總線功總線接口部件完成如下總線功能能 地址驅動和傳輸。地址驅動和傳輸。 數(shù)據(jù)驅動。數(shù)據(jù)驅動。 數(shù)據(jù)總線寬度控制。數(shù)據(jù)總線寬度控制。 數(shù)據(jù)緩沖。數(shù)據(jù)緩沖。 總線操作的控制功能總線操作的控制功能 奇奇/

16、 /偶校驗告示功能偶校驗告示功能 Cache Cache操作控制操作控制PentiumPentium的主要部件和原理結構的主要部件和原理結構 2.6 Pentium的寄存器和相關機制的寄存器和相關機制Pentium的寄存器組Pentium的寄存器組包括 基本寄存器組?；炯拇嫫鹘M。 系統(tǒng)寄存器組；系統(tǒng)寄存器組； 浮點寄存器組浮點寄存器組 基本寄存器組基本寄存器組 通用寄存器通用寄存器 指令指針寄存器和標志寄存器指令指針寄存器和標志寄存器標志寄存器標志寄存器段寄存器和描述符以及保護方段寄存器和描述符以及保護方式的尋址機制式的尋址機制三種描述符表三種描述符表 全局描述符表全局描述符表GDTGDT

17、局部描述符表局部描述符表LDTLDT 中斷描述符表中斷描述符表IDTIDT圖2.26 保護方式下段地址的產(chǎn)生段選擇子包含段選擇子包含3 3個部分的內(nèi)容個部分的內(nèi)容l l描述符表指示標志描述符表指示標志TIl描述符索引描述符索引DIl請求特權級請求特權級RPL保 護 方 式 下 段 地 址 的 產(chǎn) 生保 護 方 式 下 段 地 址 的 產(chǎn) 生系統(tǒng)地址寄存器系統(tǒng)地址寄存器包括 GDTRGDTR IDTRIDTR TRTR LDTRLDTR圖2.27 4個系統(tǒng)地址寄存器的結構控制寄存器控制寄存器調(diào)試寄存器調(diào)試寄存器狀態(tài)寄存器控制字寄存器 Pentium的主要信號的主要信號Pentium的主要信號的主

18、要信號1. 1. 地址線及控制信號地址線及控制信號 l l A31A31A3 A3 地址線。地址線。 l l APAP 地址的偶校驗碼位。地址的偶校驗碼位。 l l ADS#ADS# 地址狀態(tài)輸出信號。地址狀態(tài)輸出信號。 l l A20M#A20M# A20 A20以上的地址線屏蔽信號。以上的地址線屏蔽信號。 l l APCHK#APCHK# 地址校驗出錯信號。地址校驗出錯信號。 Pentium的主要信號的主要信號2. 2. 數(shù)據(jù)線及控制信號數(shù)據(jù)線及控制信號 l l D63D63D0 D0 數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)線。 l l BE7#BE7#BE0# BE0# 字節(jié)允許信號。字節(jié)允許信號。 l l DP

19、7DP7DP0 DP0 奇奇/ /偶校驗信號。偶校驗信號。 l l PCHK# PCHK# 讀校驗出錯。讀校驗出錯。 l l PEN# PEN# 奇奇/ /偶校驗允許信號。偶校驗允許信號。Pentium的主要信號的主要信號3. 3. 總線周期控制信號總線周期控制信號 l l D/C#D/C# 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)/ /控制信號?？刂菩盘?。 l l M/IO#M/IO# 存儲器和存儲器和I/OI/O訪問信號訪問信號 l l W/R#W/R# 讀讀/ /寫信號。寫信號。 l l LOCK# LOCK# 總線封鎖信號總線封鎖信號 l l BRDY# BRDY# 突發(fā)就緒信號突發(fā)就緒信號 l l NA#NA# 下

20、一個地址有效信號。下一個地址有效信號。 l l SCYC SCYC 分割周期信號。分割周期信號。 Pentium的主要信號的主要信號4. Cache4. Cache控制信號控制信號 l l CACHE# CacheCACHE# Cache控制信號?？刂菩盘?。 l l EADS# EADS# 外部地址有效信號。外部地址有效信號。 l l KEN#KEN# Cache Cache允許信號。允許信號。 l l FLUSH#FLUSH#CacheCache擦除信號。擦除信號。 l l AHOLD AHOLD 地址保持地址保持/ /請求信號。請求信號。 l l PCDPCD Cache Cache禁止信

21、號。禁止信號。 l l PWTPWT 片外片外CacheCache的控制信號。的控制信號。 l l WB/WT# WB/WT# 片內(nèi)片內(nèi)CacheCache回寫回寫/ /通寫選擇信號通寫選擇信號 l l HIT# HIT#和和HITM# CacheHITM# Cache命中信號和命中命中信號和命中CacheCache的狀態(tài)信號的狀態(tài)信號 l l INVINV 無效請求信號無效請求信號Pentium的主要信號的主要信號5. 5. 系統(tǒng)控制信號系統(tǒng)控制信號 INTRINTR NMINMI RESETRESET CLKCLK INITINITPentium的主要信號的主要信號 6 6總線仲裁信號總線

22、仲裁信號 HOLDHOLD HLDAHLDA BREQBREQ BOFFBOFFPentium的主要信號的主要信號 7. 7. 檢測與處理信號檢測與處理信號 l l BUSCHK#BUSCHK# l l FERR#FERR# l l IGNNE# IGNNE# l l FRCMC#FRCMC# l l IERR# IERR# Pentium的主要信號的主要信號8. 8. 系統(tǒng)管理模式信號系統(tǒng)管理模式信號 SMI#SMI# SMIACT#SMIACT#Pentium的主要信號的主要信號9 9 測試信號測試信號 l l TCK TCK l l TDITDI l l TDOTDO l l TMSTMS l l TRST#TRST#Pentium的主要信號的主要信號1010 跟蹤和檢查信號跟蹤和檢查信號l l BP3 BP3BP0BP0l l PM1 PM1PM0PM0l BT3 BT3BT0BT0 l IUIU和和IV IV l IBT IBT l R/S# R/S# l PRDY PRDY Pentium的幾種總線狀態(tài) T1 T1狀態(tài)狀態(tài) T2T2狀態(tài)狀態(tài) T12T12狀態(tài)狀態(tài) T2PT2P狀態(tài)狀態(tài) T