微機(jī)原理及接口技術(shù)

微機(jī)原理及接口技術(shù)2023/6/111第一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二2023/6/112第二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二①

地址總線傳輸?shù)刂沸畔?，用來尋址存儲器單元和I/O接口。地址總線”寬度”決定系統(tǒng)內(nèi)存的最大容量。

8086有20根地址線，可尋址1M內(nèi)存。80486有32根地址線，可尋址4G內(nèi)存。奔騰有64根地址線，可尋址內(nèi)存。存儲容量單位

1TB=1024GB1GB=1024MB1MB=1024KB1KB=1024字節(jié)1字節(jié)=二進(jìn)制8位微處理器的三總線2023/6/113第三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二②

數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)，用來與存儲器單元和I/O接口交換數(shù)據(jù)。

8086/80286CPU內(nèi)/外數(shù)據(jù)線都是16位。80386/80486CPU數(shù)據(jù)線是32位。

奔騰CPU數(shù)據(jù)線是64位。

③

控制總線對于不同的CPU來講，其條數(shù)是不一樣控制線向系統(tǒng)各部件發(fā)出(或接收)控制信號。的?？刂凭€向系統(tǒng)各部件發(fā)出(或接收)控制信號。2023/6/114第四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

⒈

通

用寄存器

有8個16位通用寄存器AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP。這些寄存器可以存放數(shù)據(jù)和地址，并能進(jìn)行16位運(yùn)算。其中AX、BX、CX、DX的低位字節(jié)或高位字節(jié)也可作為獨(dú)立的8位寄存器使用，低位字節(jié)的寄存器分別稱作AL、BL、CL和DL，高位字節(jié)的寄存器分別稱作AH、BH、CH和DH。2023/6/115第五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二⒉

段寄存器有4個16位段寄存器CS、DS、ES、SS。段寄存器主要解決20位地址形成和程序中指令代碼與數(shù)據(jù)分開存放。此4個段寄存器名稱為代碼段、數(shù)據(jù)段、附加數(shù)據(jù)段、堆棧段。除CS是用于指示指令代碼的地址空間之外，其它段寄存器都用于指示數(shù)據(jù)的地址空間。⒊

指令指針I(yè)P16位的IP總是保存著下一次將要從主存中取出指令的偏移地址，其值為該指令到所在段首址的字節(jié)距離2023/6/116第六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二⒋

標(biāo)志寄存器FLAG16位標(biāo)志寄存器用來保存在一條指令執(zhí)行之后，CPU所處狀態(tài)的信息及運(yùn)算結(jié)果的特征。如有進(jìn)位/借位CF=1、運(yùn)算溢出OF=1、運(yùn)算結(jié)果為零ZF=1等9個標(biāo)志。2023/6/117第七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二二。8086的物理地址的形成（段寄存器）（CS）（DS）（SS）（ES）16偏移地址20位物理地址偏移地址由IP，SP或?qū)ぶ贩绞教峁?023/6/118第八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二三。80486微處理器結(jié)構(gòu)框圖

浮點(diǎn)運(yùn)算及寄存器定點(diǎn)運(yùn)算及寄存器存儲器段頁管理指令譯碼與控制指令隊列高速緩存管理8KCACHE系統(tǒng)總線管理2023/6/119第九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二⒈

基本部件運(yùn)算部分：進(jìn)行定點(diǎn)運(yùn)算時需要算術(shù)邏輯運(yùn)算單元、移位器和寄存器組；進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算時需要浮點(diǎn)運(yùn)算單元和浮點(diǎn)寄存器組。高速緩存：用來存放最近運(yùn)行程序所需要的指令代碼和數(shù)據(jù)。減少訪問內(nèi)存次數(shù)從而提高CPU運(yùn)行速度。存儲器段頁管理：為實現(xiàn)虛以存儲器而設(shè)置。指令譯碼與控制：根據(jù)指令的信息產(chǎn)生微指令對CPU內(nèi)部進(jìn)行控制。80486外部地址線有32根，主存空間為4GB。數(shù)據(jù)線有32根，同時可訪問4個字節(jié)的內(nèi)存數(shù)據(jù)。2023/6/1110第十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二⒉

基本結(jié)構(gòu)寄存器8個32位的通用寄存器，6個16位的段寄存器，1個32位的指令指針，1個32位的標(biāo)志寄存器⒈

80486的工作模式 80486有兩種工作模式，一種是實地址模式，一種是保護(hù)虛擬模式。80486實地址模式與它的前輩16位的8086完全兼容，在8086和80286編寫的程序不需作任何修改，就可以在80486的實地址模式下運(yùn)行。保護(hù)虛擬模式為多用戶操作系統(tǒng)的設(shè)計提供必要條件，在保護(hù)虛擬模式下，80486可為每一個任務(wù)提供4GB的物理空間，并允許程序在64TB的虛擬空間內(nèi)運(yùn)行。 80486虛地址、線性地址和物理地址的關(guān)系圖：2023/6/1111第十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第二節(jié)Intel80X86微處理器體系結(jié)構(gòu)繼78年8086之后,Intel公司與81年推出了80286CPU,它也是16位微機(jī)，與8086向上兼容。而在85年和89年，Intel又分別推出了80386和80486CPU，這兩者均為32位微處理器。80286CPU是在8086的基礎(chǔ)上改進(jìn)和發(fā)展而來，其主要特色是：

1.片內(nèi)具有存貯器管理和保護(hù)機(jī)構(gòu)2.正式的在存貯器中引入虛擬地址的概念3.CPU內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)支持了CPU采用了快速的并行流水線操作方式。80286的這些特點(diǎn)在80386/80486中體現(xiàn)的更加完善和進(jìn)一優(yōu)化，而奔騰CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)又是在80486的基礎(chǔ)上有更進(jìn)一步的發(fā)展。2023/6/1112第十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二80X86的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

一。有關(guān)大型機(jī)的優(yōu)化的體系結(jié)構(gòu)1。片內(nèi)集成有存貯器管理部件（MMU）可支持對存貯器進(jìn)行分頁管理：將指令指定的邏輯地址變換為線性地址。（段長度可變，但不好管理。所以引入了分頁管理）

存貯器管理的具體含義：

80X86支持多任務(wù)、多道程序運(yùn)行，每個任務(wù)、每道程序均需占用一定字節(jié)的存貯空間，如何將有限的物理空間有效地分配給多個任務(wù)——即實現(xiàn)虛、實空間的轉(zhuǎn)換，這就是存貯器管理要解決的問題。可支持對存貯器進(jìn)行分頁管理：將線性地址變換為物理地址。由OS進(jìn)行具體管理，但CPU內(nèi)部有硬件支持這種管理。2023/6/1113第十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二可用于進(jìn)行快速的實、虛地址轉(zhuǎn)換——一個段R（選擇器）

2.片上設(shè)有高速緩沖寄存器/存儲器（CACHE）對應(yīng)于一個64位（8個字節(jié)）的段描述符緩沖寄存器。可用于暫時存放數(shù)據(jù)和指令于高速緩存中,以加快CPU執(zhí)行指令的速度。2023/6/1114第十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二3。采用高速流水線結(jié)構(gòu)CPU由多個部件組成，各部件在CPU內(nèi)部分別同步的，相互獨(dú)立的并行操作。

（實現(xiàn)了高效的流水作業(yè)，避免了順序處理，最大限度地發(fā)揮了CPU的性能，是總線利用率達(dá)到最佳狀態(tài)。

·指令流水線技術(shù)：總線接口、指令予取、指令予譯碼。·地址流水線技術(shù)：采用流水線地址尋址——兩個連續(xù)的總線周期部分重疊。超標(biāo)量流水線技術(shù):多條指令并行執(zhí)行。BIU總線接口部件EU執(zhí)行部件SU段管理部件CPU代碼予取部件PU頁管理部件IDU指令譯碼部件2023/6/1115第十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二二、80X86是靈活的全32位微處理器（MPVP）數(shù)據(jù)總線DB32位——可處理8位、16位和32位數(shù)據(jù)類型，通用寄存器及操作數(shù)為32位。支持動態(tài)總線寬度控制（動態(tài)切換16/32位數(shù)據(jù)總線）通過引腳BS16，由外部送來信號通知80X86總線改變情況：0——以16位數(shù)據(jù)總線操作1——以32位數(shù)據(jù)總線操作2023/6/1116第十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二三、具有對存貯器及特權(quán)層的保護(hù)功能

CPU內(nèi)部具有保護(hù)機(jī)構(gòu)：1。對特權(quán)層的保護(hù)功能：禁止程序的非法操作如：向代碼段進(jìn)行寫入操作，訪問段限以外的存貯區(qū)域等。2。對特權(quán)層的保護(hù)功能：特權(quán)層分為4級：0級1級2級3級OS核系統(tǒng)服務(wù)程序應(yīng)用服務(wù)程序應(yīng)用程序應(yīng)用程序2023/6/1117第十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二四、80X86有大的存貯器空間：

實地址空間——可直接尋址的地址空間為2=4千兆（4GB）虛擬存貯空間——可直接尋址的地址空間為2=64MM字節(jié)（14+32=2=64MM）46

3280286——68條AB：24條DB：16條

80486——168條AB：32條DB：32條Pentium——273條AB：32條DB：32條462023/6/1118第十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二§280X86的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

80X86CPU由多個部件構(gòu)成——多個部件在CPU內(nèi)部分別同步獨(dú)立并行地進(jìn)行操作，避免了順序處理，實現(xiàn)了高效的流水化作業(yè)，最大限度地發(fā)揮了CPU的性能，使總線的利用率達(dá)到最佳狀態(tài)。一、80X86的內(nèi)部各部件及其功能2023/6/1119第十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二二、80X86的內(nèi)部寄存器1。通用RD31D0EAXEBXECXEDXESPEBPESIEDI“E”——Expand8086的16位通用R擴(kuò)展為32位，他們可以按8位、16位和32位使用。2023/6/1120第二十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二CSDSSSESFSGS80386新增加了兩個數(shù)據(jù)段，以滿足程序和任務(wù)對多數(shù)據(jù)段的需要。程序不可訪問（64位）注意：在進(jìn)行8位或16位R運(yùn)算操作時，只影響FR中的相應(yīng)位，如8位加法進(jìn)行，起進(jìn)位不是送到第19位，而是送到FR中的CF位。1。段位置：由16位的段R和64位的描述符在高速緩沖寄存器中構(gòu)成。

高速緩沖寄器（16位）2023/6/1121第二十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二FRIPEFREIPCPU可以使用它的低16位/32位。3.標(biāo)志寄存器（EFR）4。指令指示器（EIP）31150311502023/6/1122第二十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二關(guān)于標(biāo)志R（32位）8086比8位微機(jī)，增加了3個控制標(biāo)志和1個算術(shù)運(yùn)算標(biāo)志：分別為DF、IF和OF。80286比8086又增加了2個控制標(biāo)志：NT——嵌套（14位）NE1—表示當(dāng)前任務(wù)嵌套于另一任務(wù)中，執(zhí)行完當(dāng)前任務(wù)后需返回原任務(wù)。0—表示無效。

有IOPL——特權(quán)標(biāo)志（位12、13）用以指定I/O操作處于0～3特權(quán)層中的那一層。80386、80486公使用了15個標(biāo)志，占用16位（IOPL占2位）

2023/6/1123第二十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

31191817161514131211109876543210ACVMRF×NTIPPLOFDFIFTFSFIFAFDFCSAFD4SCFD0SPFD2SSFD7SIFD6CDFD10CIFD9SOFD11XTFD8XNTD14XIOPLD12XRFD16XVMD17XACD188080所用標(biāo)志8086所用標(biāo)志80286所用標(biāo)志80386所用標(biāo)志80486所用標(biāo)志所有標(biāo)志位分為三類：S—狀態(tài)標(biāo)志C—控制標(biāo)志X—系統(tǒng)標(biāo)志2023/6/1124第二十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二4。系統(tǒng)表R：用于進(jìn)行從虛擬地址向?qū)嶋H物理地址的轉(zhuǎn)換。1。功能：主要用于在保護(hù)模式下，管理4個系統(tǒng)表，這4個系統(tǒng)表為：※GDT（GlobalDescriptorTable)全局描述符表※LDT（LocalDescriptorTable)局部描述符表※IDT（InterruptDescriptorTable)中斷描述符表※TSS（TaskStateSegment)任務(wù)狀態(tài)段

2023/6/1125第二十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二系統(tǒng)地址R：表R為GDTRGDTLDTR分別用來指定LDT的大小在M中的位IDIRIDT置。TR——用以指定TSS任務(wù)狀態(tài)段，只用來存放任務(wù)環(huán)境的，其在M中的位置和大小由TR指定。其中：GDTR和IDTR共48位：32位的表基地址字段+16位的表邊界字段。310150表基址表限2023/6/1126第二十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二可在實模式方式下，通過編程對GDTR和IDTR加載，以實現(xiàn)對GDT和IDT在保護(hù)方式下的初始化操作。150150310150選擇器字段屬性字段表基址字段邊界字段LDTR和TSR共80位：32位的表基址字段+20位的邊界字段+12位的訪問權(quán)字段+16位的選擇器字段。

對LDTR和TR的說明：※這兩個寄存器只能在保護(hù)方式下使用?！诒Ｗo(hù)模式下程序可訪問字段僅限于段選擇器字段，即只能用指令加載段選擇器。2023/6/1127第二十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二用LLDT和LT指令可設(shè)置成改變相應(yīng)的選擇器字段，依選擇器字段可從全局描述符表中找到指定的基地址描述符和任務(wù)狀態(tài)段描述符，在將描述符中的32位段基址和16位的段限及16位的屬性字段加載到LDTR和TR的64位高速緩沖寄存器中。

2023/6/1128第二十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二5。控制R（CR0～CR3）（32位）（8086CPU中無）其中：CR1——備用CR3——用于提供頁目錄的基地址CR2——用于提供頁故障線性地址。CR0——其低16位與80286CPU中一樣，是機(jī)器狀態(tài)字R。CR0功能：作為MSW用以表示比FLAG對CPU影響更大的標(biāo)志，這些標(biāo)志反映了系統(tǒng)的工作狀態(tài)。2023/6/1129第二十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二CR0的控制位分為如下五大類：1。與CPU工作模式有關(guān)的控制位PG（分頁）、PG（置CPU為虛擬地址保護(hù)方式）2。與CPU片內(nèi)的CACHE有關(guān)的控制位：CE、WT3。與協(xié)處理器或浮點(diǎn)運(yùn)算部件有關(guān)的控制位：TS、EM、MPNE。4。對唯控制位：AM5。頁的寫保護(hù)控制位：WP

2023/6/1130第三十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二實模式REALPROTECTED保護(hù)模式VIRTUAL虛擬8086※LMSW指令※修改CR0指令RRESET位好修改CR0的PE=0的PE位=1通過中斷執(zhí)行IRETD指令RESET信號RESET對CPU復(fù)位

三種模式之間的轉(zhuǎn)換見圖：Intel80X86微處器有三種工作模式：

實模式、保護(hù)模式和虛擬86模式2023/6/1131第三十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二§4.80X86的存貯器布局一、布局要點(diǎn)1、80X86的存貯器有三種工作方式：實地址方式虛地址保護(hù)方式虛擬86模式

所以其地址空間分為：物理存貯空間和虛擬存貯空間

實際物理地址空間是CPU可直接訪問存貯空間，其存貯空間范圍由CPU的地址總線位數(shù)決定。虛擬存貯空間即程序占有的存貯空間，其存貯量由CPU的體系結(jié)構(gòu)確定。2023/6/1132第三十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

任務(wù)N任務(wù)N-1任務(wù)X（虛擬空間）由磁盤等外存支撐

任務(wù)1任務(wù)2存貯器管理部件物理地址空間

ROR.RAM任務(wù)XD15D2D1D0

46：索引值TIRPL偏移2、二者存貯空間示意圖如下：每個任務(wù)使用64TB字節(jié)的存貯空間(2)索引值TIRPL32位偏移地址462023/6/1133第三十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二3、存貯空間的劃分：在實模式下：與8086相同，以64KB為一個邏輯地址段，段長度固定。在虛地址保護(hù)模式下：啟動頁功能時，一個邏輯段最大可分為2的32次方個字節(jié)。不啟動頁功能時，一個邏輯段最大可分為2的20次方字節(jié)。4、CPU在執(zhí)行指令時，對存貯器操作數(shù)所在實際物理地址的求法：

①段基址+偏移地址=PA（32位）

②段基址的提供：虛擬86模式：實地址方式—由段R提供虛地址保護(hù)模式—由段選擇器索引段2023/6/1134第三十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二二、虛地址保護(hù)方式1、從實地址向虛地址保護(hù)模式的轉(zhuǎn)換使用“LMSW”指令置位控制寄存器CR。的D。位以后（即PE位被置為“1”），由CPU內(nèi)部的MMU（存儲器管理部件）自動完成轉(zhuǎn)換。由實地址虛擬地址2023/6/1135第三十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

2、虛地址保護(hù)方式下CPU進(jìn)行存貯器尋址時所采取的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：——采用了段選擇器與描述符的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使尋址過程有了一個間接層，為80386內(nèi)部的MMU和保護(hù)機(jī)構(gòu)有了一個活動的空間，使多任務(wù)在80X86中運(yùn)行方便、靈活、可靠。（1）80X86的段選擇器即8086中的段寄存器，亦是16位，由三個字段組成：

D15D3D2D1

D0索引值TIRPL14位2023/6/1136第三十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二指令操作：AX：

段R：FS

XX選擇器字段描述符描述表描述符緩存器M①②（2）段選擇器的加載及加載的具體操作

——即段R的初始化操作例：指令：MOVFS，AX；2023/6/1137第三十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

（3）80X86的段R的構(gòu)成

150630段選擇器屬性段基址段邊界描述符變速緩沖存貯器2023/6/1138第三十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二二、80X86在虛擬方式下的尋址過程：示意圖見下頁2023/6/1139第三十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二段描述符GDT段描述符LDT基地址邊界描述符高速緩沖器描述符索引號段選擇器TITI=0TI=1M基地址邊界153210段選擇器和描述符緩沖器作用2023/6/1140第四十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

分頁物理地址