第2章80X86微處理器.

1、微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章80X86微處理器微處理器 第二章第二章微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 8086/8088微處理器微處理器 80386微處理器微處理器 80486微處理器微處理器 從從Pentium到到Pentium 4 微處理器微處理器微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.1 8086/8088微處理器微處理器2.1.1 8086/8088的內部結構的內部結構 圖2.1 8086/8088CPU內部結構示意圖微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章從功能結構看，8086/8088CPU分兩部分： 執(zhí)行部件執(zhí)行部件EU (Execution Un

2、it) 總線接口部件總線接口部件BIU (Bus Interface Unit)微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章1. 執(zhí)行部件執(zhí)行部件EU負責指令的執(zhí)行：譯碼指令并利用內部寄存器和ALU來處理數據。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章組成及功能組成及功能 四個數據寄存器：AX，BX，CX，DX 四個地址寄存器：BP，SP，SI，DI 標志寄存器FR（PSW） 算術邏輯單元ALU 存放數據或地址 存放不同尋址方式下的地址偏移量，也可作16位 通用寄存器 存放ALU運算結果特征 內部控制邏輯電路（EU） 從指令隊列取指令、譯碼、產生控制信號 算術邏輯運算微機原理與應用微機原理與應用

3、 第二章第二章2. 總線接口部件總線接口部件BIU負責微處理器內部與外部（存儲器和I/O接口）的信息傳輸：取指令、指令排隊、傳送數據（讀/寫操作數）、形成物理地址和總線控制。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章組成及功能組成及功能 四個段寄存器：CS，DS，SS，ES 地址加法器 指令隊列 總線控制邏輯 存放段地址，與偏移地址配合，尋址1MB空間 將16位邏輯地址變換成20位物理地址 預放指令代碼：6字節(jié)/8086；4字節(jié)/8088 發(fā)出總線控制信號，控制CPU與外部數據的交換 指令指針寄存器IP 存放下一條要取出指令的地址微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章流水線操作流水線操作B

4、IU 取指1取指2取指3 取指4 取數據 取指5EU等待執(zhí)行1執(zhí)行2執(zhí)行3執(zhí)行4指令隊列緩沖器存放預取指令，使CPU取指令與執(zhí)行指令能并行工作，即在一條指令的執(zhí)行過程中，可以取出下一條或多條指令，在指令隊列中排隊，減少微處理器的等待時間，提高運行效率。這種結構稱為流水線結構。圖2.2 BIU與EU并行操作示意微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.1.2 8086/8088的寄存器結構的寄存器結構 158 70AHBHCHDHALBLCLDLSPBPSIDIIPFRCSDSSSESAXBXCXDX代碼段寄存器數據段寄存器堆棧段寄存器附加段寄存器段寄存器指令指針狀態(tài)標志控制寄存器累加器基數

5、寄存器計數寄存器數據寄存器堆棧指針基數指針源變址目的變址數據寄存器地址寄存器通用寄存器微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 數據寄存器：AX，BX，CX，DX。四個數據寄存器AX，BX，CX，DX可以作為16位寄存器使用，也可以分別作為 兩個8位寄存器使用。內部設置較多通用數據寄存器的好處： 提高數據的處理速度； 減小指令存放的內存空間。BHAHCHDHALBLCLDLAXBXCXDX 隱含用途：AX 累加器； BX 基址/變址； CX 計數器；DX 字乘/除和 I/O的間址。1. 通用寄存器組通用寄存器組微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 地址寄存器：BP，SP，SI，DI。

6、BP、SP、SI 和DI 專門用于存放特定段的偏移地址，除此以外，還可作為通用數據寄存器用。 SP 堆棧指針寄存器：棧頂地址。 BP 基數指針寄存器：間接尋址中的基址，也可用作 堆棧的一個附加指針，訪問堆 棧中任意單元的數據。 SI 源變址寄存器 ：間接尋址/變址；串操作中源地址。 DI 目的變址寄存器：間接尋址/變址；串操作中目的 地址。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 標志寄存器FR（PSW）FR共有16位，其中7位未用，各位的定義如下：15014 13 12 11 10 987654321DF IF TF SF ZFAFPFCFOF兩類標志狀態(tài)標志：CF/PF/AF/ZF/SF

7、/OF控制標志：DF/IF/TF狀態(tài)標志反映EU執(zhí)行算術/邏輯運算后結果的狀態(tài)；控制標志控制CPU操作。2. 控制寄存器控制寄存器微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章存放下一條要取出的指令的偏移地址。 16位指令指針寄存器IP 中斷或調用子程序時，IP內容（斷點地址） 自動入棧保護；返回時，斷點地址彈出到IP， 繼續(xù)主程序運行。 跳轉指令時，新的跳轉目標地址送入IP，原 指令隊列內容作廢。 微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章CS：代碼段寄存器 DS：數據段寄存器SS ：堆棧段寄存器 ES：附加段寄存器 8086最大尋址空間達1MB（20位地址） 8086內部寄存器均為16位，16

8、位地址只可尋址64KB 8086采用分段技術解決16位地址寄存器尋址1MB存儲 空間的問題： 一個邏輯地址由兩部分組成：段地址、段內偏移量 段地址存放在段寄存器中 實際地址（20位物理地址）= 段地址16 + 偏移量3. 段寄存器段寄存器微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章20位物理地址的形成位物理地址的形成1200 H (CS) 2450H ( IP)+14450H20位物理地址 = 段地址(CS)16 + 偏移量(IP)微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.1.4 8086/8088的工作模式及引腳功能的工作模式及引腳功能 根據不同的應用環(huán)境，8086可以工作在兩種模式：1.

9、 工作模式工作模式系統(tǒng)中只有8086一個微處理器，所有的總線控制信號均由8086產生，系統(tǒng)的總線控制信號被減至最少。 最小模式最小模式 最大模式最大模式系統(tǒng)中除8086作為主微處理器以外，還有其它的微處理器協(xié)助工作：數值運算的協(xié)處理器8087，輸入/輸出 (I/O) 協(xié)處理器8089。最大模式用于中規(guī)?；虼笮偷?086系統(tǒng)中。8086工作在何種模式，完全由硬件決定：MN / MX。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章圖2.4 8086最小模式系統(tǒng)典型配置最小模式系統(tǒng)最小模式系統(tǒng)微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章最大模式系統(tǒng)最大模式系統(tǒng)圖2.5 8086最大模式系統(tǒng)典型配置微機原理

10、與應用微機原理與應用 第二章第二章圖2.6 總線控制器8288與8086的連接微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章圖2.7 多處理器系統(tǒng)微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2. 引腳功能引腳功能 地址/數據總線 地址/狀態(tài)總線 控制總線 電源/地線 其它控制線五類引腳線五類引腳線圖2.5 8086引腳微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章圖2.6 8088引腳微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章（1）地址）地址/數據總線數據總線AD15 AD0(雙向雙向/三態(tài)三態(tài))分時復用：在一個總線周期的第一個時鐘周期，AD15 AD0 傳送地址信號，在其它的時鐘周期，作數據總線使用。

11、地 址鎖存器STBABDBAD15 AD0ALE微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章（2）地址）地址/狀態(tài)線狀態(tài)線A19 / S6 A16 / S3(輸出輸出/三態(tài)三態(tài))在一個總線周期的T1，輸出地址信號的最高4位A19 A16，在其他的時鐘周期，輸出狀態(tài)信號S6 S3。同樣，這4個引腳信號也要用外電路將地址信號鎖存。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 S4、S3 的組合指出當前使用的段碼寄存器情況1S4S3意義100當前正在使用ES附加段01當前正在使用SS堆棧段10當前正在使用CS或者未使用任何寄存器當前正在使用DS數據段 S6為低，表示8086當前與總線相連 S5 IF系統(tǒng)

12、處于DMA，CPU讓出總線， A19 / S6 A16 / S3進入浮空狀態(tài)。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章（3）控制總線）控制總線 BHE/S7 高高8位數據總線允許位數據總線允許/ 狀態(tài)線狀態(tài)線(輸出輸出/三態(tài)三態(tài))在其他的總線周期，為S7狀態(tài)信號，8086 中 S7未作定義。 CLK系統(tǒng)時鐘輸入信號系統(tǒng)時鐘輸入信號最大時鐘頻率為8MHZ，占空比1/3。在總線周期的T1，為BHE信號，表示高8位數據線D15 D8 上的數據有效。 微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章BHEA0數據傳送格式00110101同時傳送高、低字節(jié) (AD0 AD15)奇數地址的高位字節(jié) (AD8

13、AD15)偶數地址的低位字節(jié) (AD0 AD7)無效BHE 和 A0 結合控制CPU與存儲器之間數據傳送的格式（因為存儲器是按字節(jié)組織的）。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 MN / MX 最大最大/最小模式控制信號最小模式控制信號 RD 讀信號讀信號(輸出輸出/三態(tài)，低電平有效三態(tài)，低電平有效)RD = 0，讀存儲器或I/O，DMA時浮空。 INTR可屏蔽的中斷請求信號可屏蔽的中斷請求信號(輸入輸入/高電平有效高電平有效)外設向CPU提出的中斷請求信號，若FR中IF=1，CPU在當前指令后即響應。不受FR中IF的影響，CPU在當前指令后響應。 NMI非屏蔽中斷請求信號非屏蔽中斷請求

14、信號(輸入輸入/上升沿上升沿 有效有效)微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 READY 準備就緒信號準備就緒信號(輸入，高電平有效輸入，高電平有效)CPU訪問存儲器或外設時，READY有效，表示存儲器或外設已準備好傳送數據。 TEST 測試信號測試信號 (輸入，低電平有效輸入，低電平有效)WAIT指令 TEST 有效？執(zhí)行后續(xù)指令YesNo與等待指令WAIT配合使用。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章4T復位重新啟動后，第一條指令地址FFFF0H。 RESET系統(tǒng)復位信號系統(tǒng)復位信號(輸入，高電平有效輸入，高電平有效)RESET使CPU復位結束現行操作，初始化內部寄存器。復位信

15、號必須保持4個時鐘周期高電平。CPU中的部分內容標志位清除指令指針(IP)0000HCS寄存器FFFFHDS寄存器0000HSS寄存器0000HES寄存器0000H指令隊列空微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章（4）電源和地線）電源和地線VCC電源電源(5V10%) GND地線地線(兩條兩條)微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 M/IO 存儲器存儲器/輸入輸出控制信號輸入輸出控制信號(輸出輸出/三態(tài)三態(tài))RD與M/IO組合對應的操作M/IORD操 作1000讀存儲器讀I/O端口（5）其它控制總線）其它控制總線24 31#引腳信號的定義依8086的工作模式而定，以下是在最小模式配置

16、時這些引腳的定義。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 WR 寫信號寫信號(輸出輸出/三態(tài)，低電平有效三態(tài)，低電平有效)WR與M/IO組合對應的操作M/IOWR操 作1000寫存儲器寫I/O端口 INTA中斷響應信號中斷響應信號(輸出輸出/三態(tài)，低電平有效三態(tài)，低電平有效)CPU響應INTR后，用INTA讀取外設提供的中斷類型號，以取得中斷服務程序的入口地址。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章在每一總線周期的T1狀態(tài)，ALE都輸出有效電平，表示當前地址/數據復用總線上輸出的是地址信息，供地址鎖存器對地址進行鎖存。 ALE地址鎖存允許信號地址鎖存允許信號(輸出輸出/三態(tài)，高電平有效

17、三態(tài)，高電平有效) DEN 數據允許信號數據允許信號(輸出輸出/三態(tài)，低電平有效三態(tài)，低電平有效)控制CPU外接的數據收發(fā)器。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 DT/R 數據收發(fā)方向控制信號數據收發(fā)方向控制信號(輸出輸出/三態(tài)三態(tài))DT/R = 1, 即T = 1，A B (CPU 內存或外設)DT/R = 0, 即T = 0，B A (內存或外設 CPU) 82862AOETAD0 AD15D0 D15DENDT/RB控制數據總線驅動器的數據傳送方向。DMA方式下，DT/R 浮空微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 HOLD總線保持請求信號總線保持請求信號(輸入，高電平有效輸

18、入，高電平有效) HLDA總線保持響應信號總線保持響應信號(輸出，高電平有效輸出，高電平有效)系統(tǒng)中其它總線主設備（如DMA）通過該總線向CPU申請對總線的控制權。CPU響應HOLD 信號，讓出總線控制權。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.1.5 8086/8088的操作和時序的操作和時序 CPU為完成預定功能的操作是在時鐘節(jié)拍的同步下，按時序一步一步執(zhí)行的，這就構成了CPU的操作時序。了解CPU的操作時序，是設計微機系統(tǒng)的重要基礎，也有助于進一步了解系統(tǒng)總線的功能。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章8086CPU的主要操作有：的主要操作有： 系統(tǒng)的復位和啟動 總線讀/寫操

19、作 中斷操作 總線保持或總線請求/允許/釋放操作 暫停操作微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章1. 系統(tǒng)的復位和啟動系統(tǒng)的復位和啟動圖2.7 8086復位操作時序7 T復位操作CPU開始執(zhí)行程序微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章CPU經總線接口部件BIU，讀/寫存儲器或訪問I/O接口，稱為總線操作；執(zhí)行一次總線操作所花的時間，稱為一個總線周期。圖2.3 典型的BIU總線周期波形圖2. 總線讀總線讀/寫操作寫操作微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 最小模式下的總線讀操作最小模式下的總線讀操作 最小模式下的總線寫操作最小模式下的總線寫操作 最大模式下的總線讀操作最大模式下的總

20、線讀操作 最大模式下的總線寫操作最大模式下的總線寫操作 8086的總線讀的總線讀/寫操作有以下四種寫操作有以下四種:微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章圖2.8 最小模式下總線讀操作時序微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章圖2.9 最小模式下總線寫操作時序微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章圖2.10 最大模式下總線讀操作時序微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章圖2.11 最大模式下總線寫操作時序微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章3. 暫停操作暫停操作當CPU執(zhí)行一條暫停命令HLT時，就停止一切操作，進入暫停狀態(tài)。暫停狀態(tài)一直保持到發(fā)生中斷或對系統(tǒng)進行復位為止。

21、在暫停狀態(tài)下，CPU可接收HOLD線上（最小模式）或RQ/GT線上（最大模式）的保持請求。當保持請求消失后，CPU仍回到暫停狀態(tài)。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章4. 中斷響應操作中斷響應操作圖2.12 中斷響應周期時序微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章5. 最小模式下的總線保持操作最小模式下的總線保持操作圖2.13 最小模式下總線保持請求/保持響應時序微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章6. 最大模式下的總線請求最大模式下的總線請求/允許允許/釋放操作釋放操作圖2.14 最大模式下總線請求/允許/釋放時序微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.1.6 8086/

22、8088的存儲器及的存儲器及I/O組織組織 1. 8086的存儲器組織的存儲器組織（1）存儲器地址）存儲器地址8086/8088CPU由20條地址線，存儲器地址的編址范圍：00000H FFFFFH（1MB）微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章（2）存儲器結構）存儲器結構8086系統(tǒng)將1MB存儲空間分成兩個512KB存儲體（庫），一個只包含偶數地址偶數地址，與數據總線D7 D0相連，所以又稱低位庫低位庫；另一個只包含奇數地址奇數地址，與數據總線D15 D8相連，所以又稱高位庫高位庫。地址A0和控制線BHE用于庫選擇，其余19位地址碼（A19 A1）用于訪問任何一個庫（219 = 512K

23、）。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章圖2.7 存儲體地址 空間分配圖2.8 存儲體與總線的連接微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章（3）對存儲器中數據的操作）對存儲器中數據的操作 字節(jié)數據按序存放 字數據：高位字節(jié)放高地址 低位字節(jié)放低地址規(guī)則字：字數據的低位字 節(jié)從偶地址開始非規(guī)則字：字數據的低位 字節(jié)從奇地址 開始微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章圖2.9 CPU往存儲器寫一個字或一個字節(jié)過程示意圖微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 對規(guī)則字的存取可在一個總線周期內完成， 對非規(guī)則字的存取則需兩個總線周期才能 完成。 8088因外部數據總線為8位，其1MB存

24、儲空 間不分高低位庫。每個總線周期均只能完 成一個字節(jié)的存取操作。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章（4）存儲器分段）存儲器分段 1MB存儲空間分成存儲空間分成 若干個邏輯段，每若干個邏輯段，每 一段一段 64K(216)。邏輯段164KB邏輯段264KB邏輯段364KB邏輯段4, 564KB00000邏輯段1起點邏輯段2起點邏輯段3起點邏輯段4, 5起點FFFFF 每個每個段的起始地址段的起始地址 稱為段基址稱為段基址(首址首址)， 由軟件設定。由軟件設定。 段與段之間可以連段與段之間可以連 續(xù)排列，部分重疊，續(xù)排列，部分重疊， 斷續(xù)排列。斷續(xù)排列。圖2.10 存儲器段結構微機原理與

25、應用微機原理與應用 第二章第二章 邏輯段首地址由段碼寄存器確定邏輯段首地址由段碼寄存器確定64KB64KB64KB64KB堆棧段0000010550250A08FFB0EFF00FFFFF代碼段數據段附加段EFF08FFB250A1055CSDSESSS微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章（5）堆棧）堆棧 可以有多個堆棧同時存在，由各自的段名 區(qū)分，但只有一個堆棧段為當前堆棧段。 堆棧深度最大64KB。 堆棧操作均為字操作，SP始終指向實棧頂。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 操作數地址：操作數地址：DS(ES)16+偏移地址 （其中的偏移地址取決于指令的尋址方式） 堆棧操作地

26、址：堆棧操作地址：SS16+SP（6）存儲器（內存）地址的一般情況）存儲器（內存）地址的一般情況 指令地址：指令地址：CS16+IP微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2. 8086的的I/O組織組織 I/O端口地址 兩種I/O端口編址方式 8086采用獨立編址方式 專用的輸入/輸出指令：IN/OUT 獨立編址 統(tǒng)一編址 端口地址空間：64KB（0000 FFFFH） 兩個相鄰的8位端口和組成一個16位端口一個端口對應I/O芯片內部的一個或一組寄存器，端口號即端口地址。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.1.7 8086和和8088CPU的比較的比較 8088CPU內部數據總線

27、16位，外部數據總線8位，為準16位微處理器。在內部結構及外部引腳功能上，與8086相比，有以下不同： 指令隊列長度4個字節(jié)，且只要出現一個空閑字節(jié)， 即取指令補充。 16位存儲器讀/寫操作均需兩個連續(xù)的總線周期。 A15 A8不再與D15 D8復用。 BHE（34#）信號不需要，改為SS0。 用IO/M（28#）代替IO/M。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.2 80386微處理器微處理器2.2.1 80386概況概況 1. 80386的主要特點的主要特點 時鐘頻率最高達50MHz。 數據總線32位 三種工作方式：實地址方式、保護的虛地 址方式、虛擬8086方式。 地址總線32位

28、，可直接尋址4GB(232)內存 支持內存分段管理和分頁管理。 支持虛擬內存，虛擬內存空間64TB。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2. 80386的幾種型號的幾種型號 80386SX（準32位） 80386DX（標準32位） 80386SL 80386DL 80386EX數據總線32/16位，地址總線24位SX芯片的低功耗、節(jié)能型，主要用于便攜機DX芯片的低功耗、節(jié)能型。數據總線32/16位，地址總線26位。一般不作為微機的CPU，主要用于操作環(huán)境較惡劣的場合。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.2.2 80386的內部結構的內部結構 圖2.11 80386內部結構框圖微

29、機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章預取部件IPU執(zhí)行部件EU分頁部件PU總線部件BU譯碼部件IDU分段部件SU線性地址物理地址數據（操作和結果）譯碼指令指令指令字節(jié)系統(tǒng)總線圖2.12 80386的流水線結構微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.2.3 80386的工作方式的工作方式 實地址方式 系統(tǒng)啟動后，80386自動進入實地址方式 保護方式 系統(tǒng)執(zhí)行多任務操作時，對不同任務使用的虛擬 存儲空間完全隔離，保證每個任務順利執(zhí)行。 虛擬8086方式 80386被模擬成多個8086微處理器工作。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章圖2.13 80386三種工作方式的切換微機原理

30、與應用微機原理與應用 第二章第二章 實地址方式的特點實地址方式的特點 尋址方式、存儲器管理、中斷處理與8086一樣 操作數默認長度16位，指令前加前綴，可訪問 32位寄存器 操作數默認長度16位，指令前加前綴，可訪問 32位寄存器 存儲器中保留初始化程序區(qū)：FFFFFHFFFF0H 和中斷向量表：003FFH00000H。 程序在最高特權級0級上執(zhí)行，指令集中大多數 指令均有效。 微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 保護地址方式的特點保護地址方式的特點 存儲器采用虛擬地址空間、線性地址空間和物理 地址空間三種方式來描述。 尋址空間：4GB內存空間/64TB虛擬地址空間。 使用4級保護功

31、能，實現程序與程序、用戶與用戶、 用戶與操作系統(tǒng)之間的隔離和保護，為多任務操 作系統(tǒng)提供優(yōu)化支持。 可進行16/32位運算。 支持存儲器分段和分頁管理。 微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 虛擬虛擬8086方式的特點方式的特點 可執(zhí)行8086源程序。 段寄存器用法與實地址方式相同。 可使用分頁方式，應用程序能在80386現有 實際內存的任何地方執(zhí)行。 微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 實地址方式與虛擬實地址方式與虛擬8086方式的主要區(qū)別方式的主要區(qū)別 實地址方式下的存儲器管理：分段管理； 虛擬8086方式下的存儲器管理：分段/分頁。 實地址方式下的最大尋址空間為1MB； 虛

32、擬8086方式下每個任務可在整個內存空間尋址。 實地址方式不支持多任務操作； 虛擬8086方式既可以運行8086程序，又支持多任 務操作。 微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.2.4 80386的的寄存器結構寄存器結構 1. 通用寄存器通用寄存器 數據寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX可作為32/16/8位寄存器用。 地址寄存器：ESP、EBP、ESI、EDI共有34個寄存器：通用寄存器、段寄存器、狀態(tài)和控制寄存器、系統(tǒng)地址寄存器（描述符表寄存器）、調試寄存器、測試寄存器。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2. 狀態(tài)和控制寄存器狀態(tài)和控制寄存器 標志寄存器EFLAGS9位

33、與8086相同，增加4個標志位，其余無定義。 IOPL I/O特權標志（D13-12）：表示指定的I/O 操作處于特權層的哪一層。0層最高，一般為 操作系統(tǒng)的核心程序使用。 NT 嵌套標志（D14）：表示當前執(zhí)行的任務是 否嵌套于另一任務中。 VM 虛擬方式位（D17）：保護方式下，VM=1， 80386工作在虛擬8086方式。 RF 恢復標志（D16）：當斷點/單步調試失敗， 利用RF（RF=1）強迫使程序恢復執(zhí)行。同8086含義相同IOPLNTRFVM0111213141516171831與8086相同微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 控制寄存器CR0 CR3 頁目錄表基址寄存器

34、CR3 機器控制寄存器CR0主要用于控制選擇80386的操作環(huán)境（實方式、保護方式、分頁保護環(huán)境）、協(xié)處理器的使用控制以及作為線性地址的故障頁保護和頁目錄表的基址保護。其中，CR1無定義。 頁故障線性地址寄存器CR2 指令指針寄存器：EIP微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章3. 段寄存器段寄存器 代碼段寄存器CS 堆棧段寄存器SS 數據段寄存器DS 擴展數據段寄存器ES、GS、FS段寄存器的內容在保護方式下稱為段選擇子段選擇子。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章4. 描述符表寄存器與描述符緩沖寄存器描述符表寄存器與描述符緩沖寄存器 描述符與描述符表寄存器80386段基址是由一個

35、8個字節(jié)的段描述符確定。相關的描述符存放在內存的某個區(qū)域，稱為描述符表：全局描述符表（GDT）、局部描述符表（LDT）和中斷描述符表（IDT）。用來尋址這三個描述符表的寄存器稱為描述符表寄存器： GDTR：存放GDT 32位基地址和16位界限值。 LDTR：存放LDT 16位選擇子。 IDTR：存放IDT 32位基地址和16位界限值。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章每個段寄存器都有與之對應的段描述符緩沖寄存器。當選擇子裝入段寄存器后，段描述符自動裝入描述符緩沖寄存器，以提高再次訪問該段存儲器的速度。段寄存器是可見的，而段描述符緩沖寄存器是不可見的，其中內容自動裝入。 描述符緩沖寄存器

36、微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.2.5 80386的存儲器尋址方式的存儲器尋址方式 實地址方式下，80386尋址與16位處理器相同。但80386可以處理32位數據，新增加的兩個段寄存器 FS和GS在實地址方式下也能使用。1. 實地址方式實地址方式微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章圖2.14 80386實方式的地址變換微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2. 保護地址方式保護地址方式（1）物理存儲空間）物理存儲空間 80386可直接尋址物理存儲空間232 B = 4GB 段長度 帶有選頁功能： 232 B = 4GB 不帶選頁功能： 220 B = 1MB 微機原理與

37、應用微機原理與應用 第二章第二章（2）虛擬存儲器）虛擬存儲器物理存儲器（內存）是CPU可以訪問的存儲器，其大小有CPU 的地址總線位數確定。虛擬存儲器是程序可以占有的空間，由磁盤等外部存儲器的支持來實現，其大小由CPU的體系結構決定。存放在外部存儲器上的程序，執(zhí)行時必須加載到物理存儲器上。這時，要將虛擬地址變換成物理地址，存儲器管理就是要解決這個問題。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章（3）描述符與描述符表）描述符與描述符表 16位的段寄存器不能獲得32位的段基址。80386段基址由一個8個字節(jié)的段描述符確定，其中包括32位段基地址、20位段界限、8位訪問權和4位80386特有的屬性。

38、相關的描述符存放在內存的某個區(qū)域，稱為描述符表：全局描述符表（GDT）、局部描述符表（LDT）、中斷描述符表（IDT）和任務狀態(tài)段TSS。 由段描述符確定段基址微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 80386可尋址虛擬地址空間 2132232 = 246 = 64TB 段選擇子RPLTI描述符偏移地址 INDEX012315INDEX（13位）：尋址213（8K）個描述符。RPL（2位）：請求特權級。TI（1位，描述符表指示器）0局部描述符表1全局描述符表微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章（4）地址轉換）地址轉換保護方式下，存儲器管理采用分段管理與分頁管理，分別由分段部件SU和分

39、頁部件PS完成。 SU：邏輯地址轉換為線性地址 PU：線性地址轉換為物理地址僅采用分段管理，線性地址就是物理地址。采用段/頁管理，線性地址需經過分頁部件轉換，獲得實際的物理地址。只有在保護方式和V86方式下，分頁部件才發(fā)揮作用。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章圖2.15 邏輯地址到線性地址的轉換微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章圖2.16 邏輯地址到線性地址的轉換微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.2.6 80386引腳與總線周期引腳與總線周期 1. 引腳引腳132根引出線，包括32條數據線、32條地址線、17條控制線和其它信號線。封裝形式為PGA和PQFP(四邊引

40、出扁平封裝)。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2. 總線周期總線周期 80386共有七種總線操作：存儲器讀/寫、 I/O讀/寫、取指、中斷響應、停止/關閉。 采用雙頻時鐘，兩個時鐘周期稱為一個 總線狀態(tài)，最快的總線周期需要兩個總 線狀態(tài)。 讀/寫總線周期有兩種定時方式 流水線方式地址定時：總線周期一個接一個 執(zhí)行。 非流水線方式地址定時：一個總線周期和另 一個總線周期完全分開。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.3 80486微處理器微處理器80486內部集成120萬個晶體管，168引腳，PGA封裝，5級流水線，采用1m工藝。起跳頻率25MHz，最高100MHz。80486

41、 高性能高性能8038680387 8KBCache微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.3.1 80486的主要特點的主要特點 首次在80X86系列中采用RISC技術，縮短 了每條指令的執(zhí)行時間，達到1條指令/ T。 可以模擬多個80286處理器 總線采用突發(fā)傳輸方式與內存交換數據。 內部數據寬度64位 內部包含一個8KB Cache。 內部包含一個浮點運算器（FPU）80387。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.3.2 80486微處理器的結構微處理器的結構 圖2.17 80486功能結構簡圖9個功能單元并行工作：總線接口單元、高速緩存(Cache)、指令預取單元、指令

42、譯碼單元、控制單元、整數和數據通路單元、浮點單元、分段單元、分頁單元。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章圖2.17 80486內部結構微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.3. 80486的指令流水線與總線周期的指令流水線與總線周期 圖2.18 80486的5級流水線微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.4 從從Pentium到到Pentium 4微處理器微處理器 1993：Pentium（P5） 1995：Pentium Pro（P6 高能奔騰） 1997.1：MMX Pentium（多能奔騰） 1997.5：Pentium II（PII） 1999.2：Pentiu

43、m III（PIII） 2000：Pentium 4（P4） 微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.4.1 Pentium微處理器微處理器 1. 主要特點主要特點 與80X86系列微處理器兼容 RISC型超標量結構 高性能浮點運算器 雙重分離式高速緩存 增強了錯誤檢測與報告功能 64位內部數據總線 分支指令預測 常用指令固化及微代碼改進 系統(tǒng)管理方法微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2. 內部結構及工作原理內部結構及工作原理圖2.19 Pentium微處理器內部結構微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 超標量結構 超標量是指微處理器內部含多個指令執(zhí)行部件和 多條指令流水線

44、，從而使連續(xù)的多條指令分別釋 放在這些獨立的流水線上并行執(zhí)行。 Pentium有2條流水線U流水線和V流水線。其 中U流水線可以執(zhí)行X86指令集中的所有指令，V 流水線只能執(zhí)行簡單指令。這種結構使Pentium能 在一個時鐘周期內執(zhí)行兩條指令。 超標量整數處理 超標量浮點處理微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 分離Cache 分支預測8KB指令Cache + 8KB數據Cache，可擴展至12KB。 轉移指令由于產生分支，可能使預取和預譯碼的指令作廢，從而造成流水線一時失去應有的效能。Pentium內部有2個預取指令緩沖隊列，一個以順序方式預取指令，另一個則以轉移方式預取指令，后者也稱

45、為分支目標緩沖器。通過這種動態(tài)預測程序分支技術，所需要的指令都在執(zhí)行前預先已取好，有效避免了條件轉移指令引起流水線效能的損失。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章 存儲器地址方式 實地址方式 保護方式 虛擬86方式 系統(tǒng)管理方式（SMM）與8086相同。與80386/80486基本相同，但分頁管理時有兩種頁面可選：4KB/4MB。主要包括電源管理以及為操作系統(tǒng)和正在運行的程序提供安全性。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.4.2 Pentium Pro微處理器微處理器 3路發(fā)布超級標量微結構，14級超流水線，使 一個時鐘周期內可同時執(zhí)行三條簡單指令 5個并行處理單元：兩個整數運

46、算部件，一個 裝入，一個存儲，一個浮點運算部件（FPU） 8KB兩路組相關指令高速緩存 8KB四路組相關數據高速緩存 256KB SRAM二級高速緩存通過專用全速總線 與CPU相連 事務處理I/O總線和非封鎖高速緩存分級結構 錯序執(zhí)行，動態(tài)分支預測和推理執(zhí)行 集成550萬只晶體管，0.6m結構，2.9V電壓微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.4.3 MMX Pentium微處理器微處理器 MMX Multi-Media eXtended（多媒體擴展技術）（多媒體擴展技術）增加支持多媒體的指令集（57條指令）： SIMD型指令 積和運算 飽和運算一條指令可并行處理8個8位數據或4個16位數據或2個32位數據。用于向量計算和矩陣計算運算發(fā)生溢出時使用的處理方法：溢出值作最大值處理。微機原理與應用微機原理與應用 第二章第二章2.4.4 Pentium II微處理器微處理器 與Pentium Pro相同的內核，增加了對多媒體的支持和對16位代碼優(yōu)化，能同時處理兩條 MMX指令。 雙重獨立總線（DIB）體系結構 多重跳轉分支預測 數據流分析 指令推測執(zhí)行 采用MMX技術 0.25m工藝，32KB L1/512KB L2 Cache Slot 1封裝（單邊連接盒獨立接插件標準）。微機原理與應用微