32位微處理器(2)綜述

§11.332位微處理器的工作方式一、實(shí)地址方式：

自動(dòng)特點(diǎn)：

①主要為386進(jìn)行初始化用在實(shí)地址環(huán)境下，為386保護(hù)模式所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做好各種配置和準(zhǔn)備

實(shí)地址方式加電或復(fù)位②386類似于8086的體系結(jié)構(gòu)a.操作數(shù)：16位，但允許使用32位尋址，但在指令前加上前綴－－表示越權(quán)存取b.M：≤1MB，分段管理。段≤64KB此時(shí)，線性地址即為物理地址－－CS×16＋EA,無虛擬Mc.386中，M中保留兩個(gè)固定存儲(chǔ)區(qū)域初始化程序區(qū)：FFFFFFF0H～FFFFFFFFH中斷向量區(qū)：00000～003FFH（1KB）最底層（16字節(jié)）

d.386具有特權(quán)級(jí)，在實(shí)模式下，程序在最高級(jí)（0級(jí)）上執(zhí)行386的指令在實(shí)模式下均有效（少數(shù)除外）設(shè)置實(shí)模式：一為使80386和8086兼容二為可方便的從實(shí)模式轉(zhuǎn)換到保護(hù)模式1、32位cpu的地址空間：

邏輯空間、線性空間、物理空間3種

①邏輯空間：程序員編程時(shí)所用的地址空間（虛擬、邏輯、編程地址）②線性空間：線性地址：由分段部件產(chǎn)生的地址線性地址或指令譯碼部件③物理空間：物理地址：在內(nèi)存中可直接尋址的實(shí)際地址邏輯空間、線性地址、物理地址的轉(zhuǎn)換邏輯地址線性地址物理地址段部件su頁部件pu（不使用pu時(shí)，物理地址＝線性地址）圖示：32位有效地址P選擇字RL

su

pu物理寄存器＋463232邏輯地址線性地址物理地址321415210段寄存器（偏移地址）3).選擇字選擇一個(gè)對(duì)應(yīng)的描述符（內(nèi)含段基址），指向一個(gè)邏輯地址空間2).無論哪一種類型的程序在系統(tǒng)中運(yùn)行，都由存儲(chǔ)管理機(jī)制把虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址1).程序員編程時(shí)只關(guān)注有效地址4).偏移地址（由之算出最終的有效地址）指向一個(gè)邏輯地址空間5).su根據(jù)段描述符表算出32的線性地址（尋址機(jī)構(gòu)算出有效地址)…………段描述符段描述符…………特權(quán)級(jí)界限值線性基址段描述符表一項(xiàng)64位，8字節(jié)段描述符（對(duì)應(yīng)一個(gè)段）

⑥各機(jī)構(gòu)操作為流水線操作：即：當(dāng)前一個(gè)操作還在總線上進(jìn)行時(shí)，下一個(gè)物理地址已經(jīng)算出，并開始調(diào)入新的地址信息（可以認(rèn)為轉(zhuǎn)換時(shí)間幾乎為0）2、描述符表1）描述符表保存在虛擬存儲(chǔ)器中.4）由選擇器（段寄存器）選中一描述符進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換3）描述符由8各字節(jié)組成（段的信息）2）描述符表的每項(xiàng)為描述符選擇字………描述符……………段……選擇器M。描述符表描述符

8個(gè)字節(jié)∴先應(yīng)知描述符的物理地址（選擇字高13位×8＋描述符表的起始地址）即：從描述符表中找到段的起始地址（段基址）

3、段寄存器

實(shí)模式下:與8086中的CS的使用相同.物理地址＝CS×16＋偏移地址16位64位CS段描述符寄存器段寄存器

保護(hù)模式下：CS為選擇字，作為進(jìn)入M中描述符表的變地址，由此值找到表中的一項(xiàng)（64位）對(duì)應(yīng)一個(gè)段，該項(xiàng)由系統(tǒng)自動(dòng)裝入段描述符寄存器中4、描述符描述符用以描述段的信息（8個(gè)字節(jié)）其中：20位（1～19）：段的大小32位（1～32）段的起始地址（物理地址）8位：段的有關(guān)特性4位：G.D.U.O

630屬性（12位）起始地址（32位）大?。?0位）描述符寄存器起始址（32）段大小（20位）屬性（12位）新版：描述符寄存器從表中可見：①段限值占最低2個(gè)字節(jié)以及第7字節(jié)的低4位~~20位(記載段的大小,段的大小=字節(jié)數(shù)-1)使邏輯段的最大容量由64KB增為1MB（220＝1MB）②段基址：共占4個(gè)字節(jié)（3、4、5、8）三處存放－－32位∴可尋址232＝4KM存儲(chǔ)空間

③第6字節(jié)為訪問權(quán)字節(jié)

④第7字節(jié)為高4位為語義控制段⑴G位：為界限域選擇1或4K倍的倍數(shù)G＝0則倍數(shù)為1，表示該段的段界限長度以字節(jié)為單位

∴段的大小220×倍數(shù)1＝1MB

eg：某段的大?。?FFFFH，則：段的字節(jié)數(shù)＝段的大小×倍數(shù)1＋1＝1FFFF×1B＋1＝20000H

最大值G＝1,則倍數(shù)為4，表示該段的段界限長度以頁面為單位

∴段的大小220×倍數(shù)4K＝4KMB＝4GB=1M頁

eg：某段的大小＝1FFFFH，則:段的字節(jié)數(shù)＝段的大小×倍數(shù)4K＋1＝1FFFF×FFFH＋1＝20000,000H最大值段的起始地址是段的最低物理地址段的末地址（界限）是段的最高物理地址（段界限）所以:⑵D位：選擇寄存器寬度，即操作數(shù)長度D＝0，寄存器為16位默認(rèn)值：16位地址or16位（8位）操作數(shù)D＝1，寄存器為32位默認(rèn)值：32位地址or32位（16，8位）操作數(shù)在實(shí)方式下：寄存器位16寬如果用32位，加前綴DOS的當(dāng)前版本設(shè)為D＝0⑶U位：表示描述符所描述的段可用，由操作系統(tǒng)使用⑷P位：存在位P＝1，對(duì)應(yīng)段存在，且已裝入內(nèi)存P＝0，對(duì)應(yīng)段目前不在內(nèi)存，需從磁盤上調(diào)入內(nèi)存⑸DPL：設(shè)置對(duì)應(yīng)段的特權(quán)級(jí)：由高至低分別為00，01，10，11用來防止一般用戶任意訪問操作系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)數(shù)b.如果用一個(gè)比DPL低的特權(quán)級(jí)訪問該段將發(fā)生越權(quán)中斷⑺TYPE:（P300）⑹S：段位，指示描述符的類型S＝0，為非代碼段或數(shù)據(jù)段（對(duì)應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)段）S＝1，為代碼段或數(shù)據(jù)段（對(duì)應(yīng)一般的存儲(chǔ)器代碼段和數(shù)據(jù)段）§11.5保護(hù)方式一、保護(hù)（對(duì)數(shù)據(jù)處理有保護(hù)的、可靠的運(yùn)行方式）

不同任務(wù)之間的保護(hù)：給每個(gè)任務(wù)分配虛擬空間，每個(gè)任務(wù)有各自不同的虛擬--物理地址轉(zhuǎn)換映射，因而可實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間的完全隔離。

同一任務(wù)的保護(hù)：在一個(gè)任務(wù)內(nèi)定義4種執(zhí)行特權(quán)的級(jí)別pl，每個(gè)段都與一個(gè)特權(quán)級(jí)別pl相聯(lián)系，由pl決定是否能訪問（有規(guī)則，通過cup內(nèi)硬件完成保護(hù)功能）

特點(diǎn)：M用三種地址空間描述，MMU將外存的虛擬空間有效地址映射到內(nèi)存空間；4級(jí)保護(hù)二、保護(hù)方式下的尋址（在su上增加pu）32位有效地址P選擇字RL

su

pu物理寄存器＋463232邏輯地址線性地址物理地址321415210段寄存器（偏移地址）指令中的通過段描述表通過頁目錄表,頁表1、有關(guān)地址計(jì)算

邏輯地址＝16位選擇字＋32位有效地址

＝48位（46位）

選擇一個(gè)對(duì)應(yīng)的描述符--描述符中含有段基址--段基址指向一個(gè)邏輯地址空間

由偏移地址算出--指向此邏輯空間中的一個(gè)待尋址的存儲(chǔ)單元地址(有效地址由程序員關(guān)注)組合含義線性地址：在虛擬存儲(chǔ)空間內(nèi)是可定位的地址線性地址＝段基地址＋有效地址(偏移址)（32位）（32位）（32位）物理地址：低12位＝線性地址低12位

（32位）高20位＝f（線性的高20位）2、su的工作過程（變換地址）

根據(jù)16位段選擇字從描述符表中選擇一描述符從中得到一個(gè)32的段基址段基址＋有效地址=線性地址(32)選擇字32位有效地址………段描述符………32位段基址＋線性地址描述符表

32表基址計(jì)算邏輯地址`另：描述符在表中的物理地址：

（由選擇字的D3位決定）T1位T1＝0，在GDT中T1＝1，在LDT中（段的描述符的索引值確定位置）另：邏輯地址中實(shí)際上包含了段選擇字和有效地址，所以常說su將邏輯地址線性地址選擇字高13位×8＋表的起始地址3、pu的工作過程（變換地址）1）分頁機(jī)制的啟動(dòng)：當(dāng)CR0中的PG＝1，系統(tǒng)啟動(dòng)分頁機(jī)制（由cup內(nèi)部的CR和pu控制與實(shí)現(xiàn)）2）分頁管理的對(duì)象：大小固定的4KB的存儲(chǔ)塊（頁），在4KB的邊界上對(duì)齊即：每頁的開始地址都能被4K整除?！?32＝4KMB的線性空間220個(gè)頁面

（1M個(gè)頁面）劃分3）頁結(jié)構(gòu)：386采用兩級(jí)表結(jié)構(gòu)：頁目錄表、頁表

a、頁目錄（表）：Ⅰ、表中每項(xiàng)（條目）－－頁目錄描述符（頁目錄條目）Ⅱ、每項(xiàng)由4字節(jié)組成（32位）表共有1024個(gè)項(xiàng)∴表長度為1024×4＝4KB長（一頁）……………………頁目錄描述符……………………頁目錄（表）Ⅲ、頁目錄描述符(頁目錄條目)結(jié)構(gòu):頁表地址（20位）控制位3112110Ⅳ、頁目錄描述符(頁目錄條目)選取：由線性地址的高10位（變址）選取和CR3

目錄CR3………頁目錄條目………＋頁目錄基址寄存器線性地址3122高10位稱目錄×4b、頁表：Ⅰ、表中每項(xiàng)（條目）－－頁描述符（頁條目）Ⅱ、每項(xiàng)由4字節(jié)組成（32位）共有1024個(gè)項(xiàng)∴表長度為1024×4＝4KB長(一頁)……………………頁描述符……………………頁表Ⅲ、頁描述符(頁條目)結(jié)構(gòu)頁面地址（20位）控制位3112110Ⅳ、頁描述符(頁條目)選取：由線性地址的中10位選取和頁目錄條目的高20位

表（10位）………頁描述符………＋頁目錄條目線性地址2112×43112110頁表地址（20）頁表(頁目錄描述符)4）pu的工作過程：3個(gè)步驟

①、線性地址的高10位×4＋CR3＝值--選中頁目錄表中的一個(gè)條目（頁目錄描述符）

②、線性地址的中10位×4＋頁目錄條目中的20位頁表地址(擴(kuò)展成32位)＝值--選中頁表中的一項(xiàng)（頁描述符）③、線性地址低12位＋頁描述符中的

頁面地址＝頁物理地址擴(kuò)展成32位,后添設(shè)03112可見：

頁目錄（表）映射頁表，頁表映射頁。

偏移………………………＋頁描述符線性地址110

12位頁面地址（20）物理地址用戶內(nèi)存被訪問的頁

eg.把線性地址＝04834056H轉(zhuǎn)換成物理地址已知：CR3＝05000000H，（頁目錄基址寄存器）低12位為0

解：線性地址＝00000100100000110100000001010110

012H034H

056H(10位)(10位)(12位)1）頁目錄描述符物理地址＝線性地址高10位×4＋CR3＝012H×4＋CR3＝05000048H設(shè)對(duì)應(yīng)該地址的頁目錄描述符的32位為0000BXXXH則頁表地址＝0000BH（擴(kuò)展成32位為0000B000H，低12位為0）2）線性地址的中10位：034H頁描述符物理地址＝線性地址中10位×4＋頁表地址＝034×4＋0000B000＝0000B0D0H設(shè):對(duì)應(yīng)該物理地址的頁描述符的32位為03000XXXH則:頁面地址＝03000H（擴(kuò)展成32位為03000000H）3）頁物理地址＝線性地址低12位＋頁面地址＝056＋03000000＝03000056H4、幾點(diǎn)說明

1）386在執(zhí)行每條指令時(shí)，硬件將自動(dòng)的進(jìn)行復(fù)雜的地址計(jì)算

3個(gè)操作的重疊，對(duì)程序員而言，轉(zhuǎn)換時(shí)間幾乎為02）各機(jī)構(gòu)按地址流水線的執(zhí)行過程:有效地址計(jì)算邏輯地址線性地址線性地址物理地址3）分段：把虛擬M組織成其容量大小可變的區(qū)間的集合，這些區(qū)間稱為段.段的信息段描述符編成表，以便硬件查找識(shí)別存入內(nèi)M中，其位置由3個(gè)寄存器來確定系統(tǒng)有3張：定義所有段中斷GDTLDT

1DT4）分頁：大小固定的存儲(chǔ)塊（4KB）線性空間、物理空間以頁為單位來組織即：pu只需把每個(gè)活動(dòng)任務(wù)當(dāng)前所需的少量頁面放在內(nèi)M中，可提高存取效率§11.6虛擬8086方式（V86模式）概述：虛擬8086方式是既能有效利用保護(hù)功能，又能執(zhí)行8086代碼的工作方式，它使386可快速地同時(shí)執(zhí)行多個(gè)8086的應(yīng)用程序.又述:V86是在保護(hù)模式中引入了虛擬8086工作模式，也可以理解為V86模式是運(yùn)行在保護(hù)環(huán)境中的8086模式.一、V86模式特點(diǎn)：1）V86模式是讓386模擬1MB空間的尋址環(huán)境，但不限于1MB的存儲(chǔ)空間（因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)支持幾個(gè)虛擬8086環(huán)境）2）在多用戶系統(tǒng)中，每一個(gè)虛擬8086環(huán)境都可有自己的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序eg.有3個(gè)任務(wù)：操作系統(tǒng)為每個(gè)任務(wù)分配時(shí)間片（1ms）一個(gè)任務(wù)另一個(gè)任務(wù)另一個(gè)任務(wù)每個(gè)任務(wù)都得到Cpu的運(yùn)行時(shí)間,系統(tǒng)好像同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)切換切換（時(shí)間片技術(shù):允許多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)執(zhí)行）則：每過1ms4）V86模式是面向任務(wù)的，它允許386生成多個(gè)模擬的8086微處理器eg.386的操作系統(tǒng)是UNIX，但用戶可以在V86窗口下執(zhí)行8086的操作系統(tǒng)和用戶程序,使得每個(gè)任務(wù)認(rèn)為它正在一臺(tái)獨(dú)立的8086計(jì)算機(jī)上運(yùn)行3）在保護(hù)模式下，386的EFR中的VM＝0，若使VM＝1，則進(jìn)入V86模式3、有pu，則pu將線性地址物理地址，且物理地址可定位于4GB內(nèi)存中的386可尋址的任何地方（但程序訪問的仍然是1MB以內(nèi)的存儲(chǔ)器）二、V86模式的尋址

1、段寄存器的意義同8086相同段寄存器左移4位＋偏移地址＝線性地址2、可尋址的最大空間為00000H～FFFFFH的1MB存儲(chǔ)器頁表三、V86模式下的分頁

分頁：當(dāng)虛擬任務(wù)的地址空間大于1MB的物理空間時(shí)，需要分頁1、在保護(hù)模式下，CR0中的PG位是1，啟動(dòng)分頁機(jī)制（V86下不能對(duì)CR0進(jìn)行修改）2、∵使用A的A19～A0又∵線性地址為：①∴線性地址高10位全為0即:系統(tǒng)只能訪問頁目錄表的第一個(gè)頁目錄描述符00031222120120高10位中間10位低12位②又∵A21，A20常為0（線性地址中10位只有8位有效地址）即：系統(tǒng)只能訪問28＝256個(gè)頁表項(xiàng)（頁描述符）即20位線性地址（高位