微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu).ppt

1、在學(xué)習(xí)階段，你不可以只生活在一個(gè)人的世界中，而應(yīng)當(dāng)盡量學(xué)會(huì)與各階層的人交往和溝通，主動(dòng)表達(dá)自己對(duì)各種事物的看法和意見(jiàn)，甚至在公眾集會(huì)時(shí)發(fā)表演講，鍛煉自己的表達(dá)能力李開(kāi)復(fù),8086/8088微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu),教學(xué)重點(diǎn),微處理器基本結(jié)構(gòu) 8088/8086的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)； 8088/8086中的寄存器,1 8086CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu),算術(shù)邏輯單元（運(yùn)算器） 寄存器組 指令處理單元（控制器）,8088的內(nèi)部結(jié)構(gòu),1 2 3 4,內(nèi)部暫存器,IP,ES,SS,DS,CS,輸入/輸出控制電路,外部總線,執(zhí)行部分控制電路,ALU,標(biāo)志寄存器,AH AL,BH BL,CH CL,DH DL,SP,BP,SI,D

2、I,通用 寄存器,地址加法器,指令隊(duì)列,執(zhí)行部件 （EU),總線接口部件 （BIU),16位,20位,8位,8位,返回,1 8086CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu),8086的內(nèi)部結(jié)構(gòu)從功能分成兩個(gè)單元 總線接口單元BIU管理8086與系統(tǒng)總線的接口，負(fù)責(zé)CPU對(duì)存儲(chǔ)器和外設(shè)進(jìn)行訪問(wèn) 執(zhí)行單元EU負(fù)責(zé)指令的譯碼、執(zhí)行和數(shù)據(jù)的運(yùn)算 兩個(gè)單元相互獨(dú)立，分別完成各自操作 兩個(gè)單元可以并行執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)指令取指和執(zhí)行的流水線操作,1.1 BIU （Bus Interface Unit）,功能 完成所有外部總線的操作，提供總線控制信號(hào)。 具體地說(shuō)，完成：取指、指令排隊(duì)、讀寫(xiě)操作數(shù)、地址轉(zhuǎn)換（將兩個(gè)16位地址相加 20位物理地

3、址），總線控制。 BIU使用指令隊(duì)列實(shí)現(xiàn)流水線操作：當(dāng)指令隊(duì)列中有2個(gè)或2個(gè)(8088為1個(gè)）以上的字節(jié)空間，且EU未申請(qǐng)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器，則BIU順序預(yù)取后續(xù)指令代碼 Queue。,1.1 BIU （Bus Interface Unit）,組成,1.2 EU(Execution Unit）,功能 負(fù)責(zé)全部指令的執(zhí)行； 向BIU輸出（地址及結(jié)果）數(shù)據(jù)； 對(duì)Reg及PSW進(jìn)行管理。,1.2 EU(Execution Unit）,1.2 EU(Execution Unit）,EU的工作過(guò)程 從BIU指令隊(duì)列中取指譯碼電路分析相應(yīng)控制命令 控制數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)“ALU數(shù)據(jù)總線”的流向： (1)若是運(yùn)算操作：操作數(shù)

4、 暫存器 ALU； 運(yùn)算結(jié)果 經(jīng)“ALU總線”相應(yīng)Reg、并置PSW 。 (2)若從外設(shè)取數(shù)：EU BIU訪問(wèn)MEM 或 I/O 內(nèi)部通信寄存器 向“ALU數(shù)據(jù)總線”傳送數(shù)據(jù)。,“流水線”結(jié)構(gòu),總線接口部件BIU和執(zhí)行部件EU并不是同步工作的， 兩者的動(dòng)作管理遵循如下原則： 每當(dāng)8086的指令隊(duì)列中有2個(gè)空字節(jié)，BIU就會(huì)自動(dòng)把指令取到指令隊(duì)列中。 而同時(shí)EU從指令隊(duì)列取出一條指令，并用幾個(gè)時(shí)鐘周期去分析、執(zhí)行指令。 當(dāng)指令隊(duì)列已滿(mǎn)，而且EU對(duì)BIU又無(wú)總線訪問(wèn)請(qǐng)求時(shí)，BIU便進(jìn)入空閑狀態(tài)。 在執(zhí)行轉(zhuǎn)移、調(diào)用和返回指令時(shí)，指令隊(duì)列中的原有內(nèi)容被自動(dòng)清除。,“流水線”結(jié)構(gòu),在8086/8088中

5、，EU和BIU這種并行的工作方式不僅有力地提高了工作效率，而且這也是它們的一大特點(diǎn)。EU和BIU之間是通過(guò)指令隊(duì)列相互聯(lián)系的。指令隊(duì)列可以被看成一個(gè)RAM區(qū)，EU對(duì)其執(zhí)行讀操作，BIU對(duì)其執(zhí)行寫(xiě)操作。,28086/8088 CPU 主要性能,字長(zhǎng)：16位 / 準(zhǔn)16位。 時(shí)鐘頻率：8086/8088標(biāo)準(zhǔn)主頻為5MHz,8086/8088-2主頻為8MHz。 數(shù)據(jù)、地址總線復(fù)用。 最大內(nèi)存容量：1MB。 基本尋址方式：8種。 指令系統(tǒng)：99條基本匯編指令。 可以對(duì)位、字節(jié)、字、字節(jié)串、字串、壓縮和非壓縮BCD 碼等多種數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行處理。 端口地址：16位I/O端口地址可尋址64K端口地址。 每一

6、個(gè)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)寬的I/O端口。 中斷功能：可處理內(nèi)部軟件中斷和外部硬件中斷源達(dá)256個(gè)。 支持單片CPU或多片CPU系統(tǒng)工作。,（ i ）存儲(chǔ)器空間 20根地址線 220 = 1M Byte,8086/8088率先打破微處理器只能訪問(wèn)64KB存儲(chǔ)空間的限制，可尋址1MB。,將存儲(chǔ)器分成4種段，存放三類(lèi)信息： 代碼、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和斷點(diǎn)地址。,分段原因: 8086有20根地址線，但其內(nèi)部可以表示的地址最多只能是16位。 為了能尋址1MB空間，8086對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行邏輯分段，每個(gè)段最大為64KB，最小為16B（此時(shí)最多64K個(gè)段）。,3存儲(chǔ)器分段與段寄存器,段址 段寄存器 CS、DS、ES、SS

7、 16 偏址 16,指令地址 (CS)10H +(IP) 數(shù)據(jù)地址 (DS)10H + EA（偏移地址也稱(chēng)為有效地址EA，出現(xiàn)在指令中） 堆棧地址(SS)10H +(SP) 附加段地址(ES)10H + EA,（ ii ）4個(gè)段寄存器CS、 DS 、SS 、ES 分別指示存儲(chǔ)區(qū)的段地址（段起始地址的高16位，段起始地址又稱(chēng)為段基地址），用來(lái)識(shí)別當(dāng)前可尋址的四個(gè)段，不可互換使用。,物理地址的形成,物理地址與邏輯地址的關(guān)系如下圖：,段缺省和段替換規(guī)則(CPU對(duì)段訪問(wèn)時(shí)應(yīng)遵循這個(gè)原則） ： 段缺?。憾渭拇嫫髅怀霈F(xiàn)在指令和機(jī)器碼中時(shí)，CPU對(duì)存儲(chǔ)器的操作性質(zhì)隱含指定； 搭配規(guī)則：段寄存器和寄存器（指

8、針、變址）有較固定的配用關(guān)系； 替換（超越）規(guī)則：在指令之前可加上“CS”，”DS”，”SS”等前綴，以指定的段寄存器替代隱含的段寄存器。,段寄存器和其他寄存器組合指向存儲(chǔ)單元示意圖,（iv）存儲(chǔ)器分段的一般規(guī)律： a. 可獨(dú)立分開(kāi)（最大不重疊16個(gè)段） b. 連續(xù) c. 重疊（部分重疊或完全重疊） 如：數(shù)據(jù)段和附加段完全重疊，堆棧段和附加段部分重疊。因此對(duì)一個(gè)具體的存儲(chǔ)單元，可以屬于一個(gè)邏輯段，也可以同時(shí)屬于幾個(gè)邏輯段。,控制寄存器,8位寄存器,IP FLAG,CS DS SS ES,代碼段寄存器 數(shù)據(jù)段寄存器 堆棧段寄存器 附加段寄存器,AH AL BH BL CH CL DH DL,AX

9、 BX CX DX,SP BP SI DI,累加器 基地址寄存器 計(jì)數(shù)器 數(shù)據(jù)寄存器,堆棧指針寄存器 基地址寄存器 源變址寄存器 目的變址寄存器,(PC) 指令指針寄存器 (PSW) 狀態(tài)標(biāo)志寄存器,段寄存器,16位寄存器,通用寄存器,寄存器組（Register Set）,4.寄存器的配置,1. 數(shù)據(jù)Reg.（AX，BX，CX，DX）,（2）特殊用法： i ）BX 計(jì)算地址用作基址Reg. ii）CX 計(jì)數(shù)器，循環(huán)或移位時(shí)用。 ）DX 在某些 I/O 操作時(shí)，用來(lái)保存I/O端口地址， 或字的乘除法運(yùn)算。,4.1通用Reg,2. 指示器和變址Reg.（SP，BP，SI，DI，僅能用于字）,用途：

10、 a. 縮短指令代碼的長(zhǎng)度； b.建立可變的地址； c.寄存偏移量，與段寄存器的內(nèi)容相加以獲得物理地址。,例：SP中通常存放的偏移量被認(rèn)為是在堆棧段中（堆棧訪問(wèn)時(shí)）。 DI、SI中的偏移量，通常被認(rèn)為是在數(shù)據(jù)段中。 BP通常用于存放當(dāng)前堆棧段的一個(gè)偏移量。 （通過(guò)堆棧傳送數(shù)據(jù)或地址時(shí)，BP為偏移地址，SS中為段地址。） BP也可用于通用Reg.。,通用寄存器的特殊用法(默認(rèn)用法),CS內(nèi)容+IP內(nèi)容，為下一條指令的地址。 DS內(nèi)容+指令中的偏移量，為數(shù)據(jù)段內(nèi)的某單元地址。 SS內(nèi)容+SP 為堆棧段內(nèi)的某單元地址。 ES 附加段的段地址。,4.2段Reg.（CS，DS，SS，ES）,4.3指令指

11、針I(yè)P,其中總是包含下一條要取的指令在當(dāng)前代碼段中的偏移量，即程序運(yùn)行過(guò)程中，IP始終指向下一次要取出的指令偏移地址?；蚍Q(chēng)IP和CS一起指向下一條指令的物理地址。,IP的內(nèi)容由8086/8088的總線接口部件BIU修改（編程序時(shí)不能直接訪問(wèn)IP，但指令可引起它的改變、或?qū)⑺膬?nèi)容壓入堆棧、或從堆?；謴?fù)）。 物理地址=CS 16IP,作用：存放ALU的操作結(jié)果的特征標(biāo)志，這種標(biāo)志可作為條件，用于判斷是否控制程序轉(zhuǎn)移; 或?qū)δ骋惶囟ǖ墓δ芷鹂刂谱饔谩?4.4標(biāo)志寄存器FR,4.4標(biāo)志寄存器FR,反映指令對(duì)數(shù)據(jù)作用之后，結(jié)果的狀態(tài)（不是結(jié)果本身）。這些狀態(tài)將控制后續(xù)指令的執(zhí)行 有些運(yùn)算操作將影響全部

12、狀態(tài)標(biāo)志，如加法、減法運(yùn)算 有些操作影響部分狀態(tài)標(biāo)志，如移位操作 有些指令的操作不影響任何狀態(tài)標(biāo)志，如數(shù)據(jù)傳送指令,4.4標(biāo)志寄存器FR,例：執(zhí)行2345H3219H，分析對(duì)PSW的影響。,標(biāo)志: 運(yùn)算結(jié)果最高位為0 SF=0； 運(yùn)算結(jié)果本身0 ZF=0 低8位中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)個(gè) PF=0； 最高位沒(méi)有進(jìn)位 CF=0； 第3位向第4位無(wú)進(jìn)位 AF=0； 次高位向最高位沒(méi)有進(jìn)位 ，最高位向前沒(méi)有進(jìn)位 OF=0。,溢出標(biāo)志OF,什么是溢出？ 溢出和進(jìn)位有什么區(qū)別？ 如何判斷是否溢出？ 處理器怎么處理，程序員如何運(yùn)用？,什么是溢出,處理器內(nèi)部以補(bǔ)碼表示有符號(hào)數(shù) 8位表達(dá)的整數(shù)范圍是：127128 1

13、6位表達(dá)的范圍是：3276732768 如果運(yùn)算結(jié)果超出這個(gè)范圍，就產(chǎn)生了溢出 有溢出，說(shuō)明有符號(hào)數(shù)的運(yùn)算結(jié)果不正確,3AH7CHB6H，就是58124182， 已經(jīng)超出128127范圍，產(chǎn)生溢出，故OF1； 另一方面，補(bǔ)碼B6H表達(dá)真值是-74， 顯然運(yùn)算結(jié)果也不正確,溢出和進(jìn)位,溢出標(biāo)志OF和進(jìn)位標(biāo)志CF是兩個(gè)意義不同的標(biāo)志 進(jìn)位標(biāo)志表示無(wú)符號(hào)數(shù)運(yùn)算結(jié)果是否超出范圍，有進(jìn)位時(shí)運(yùn)算結(jié)果仍然正確； 溢出標(biāo)志表示有符號(hào)數(shù)運(yùn)算結(jié)果是否超出范圍，有溢出時(shí)運(yùn)算結(jié)果已經(jīng)不正確。,溢出和進(jìn)位的對(duì)比,例1：3AH + 7CHB6H 無(wú)符號(hào)數(shù)運(yùn)算：58124182 范圍內(nèi)，無(wú)進(jìn)位 有符號(hào)數(shù)運(yùn)算： 581241

14、82 范圍外，有溢出,例2：AAH + 7CH（1）26H 無(wú)符號(hào)數(shù)運(yùn)算：170124294 范圍外，有進(jìn)位 有符號(hào)數(shù)運(yùn)算：8612428 范圍內(nèi)，無(wú)溢出,80H+80H?,溢出的判斷,判斷運(yùn)算結(jié)果是否溢出有一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)則： 只有當(dāng)兩個(gè)相同符號(hào)數(shù)相加（包括不同符號(hào)數(shù)相減），而運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)與原數(shù)據(jù)符號(hào)相反時(shí)，產(chǎn)生溢出；因?yàn)?，此時(shí)的運(yùn)算結(jié)果顯然不正確 其他情況下，則不會(huì)產(chǎn)生溢出,如何運(yùn)用溢出和進(jìn)位,處理器對(duì)兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，按照無(wú)符號(hào)數(shù)求得結(jié)果，并相應(yīng)設(shè)置進(jìn)位標(biāo)志CF；同時(shí)，根據(jù)次高位和最高位的進(jìn)位來(lái)設(shè)置溢出標(biāo)志OF。 應(yīng)該利用哪個(gè)標(biāo)志，則由程序員來(lái)決定。也就是說(shuō)，如果將參加運(yùn)算的操作數(shù)認(rèn)為

15、是無(wú)符號(hào)數(shù)，就應(yīng)該關(guān)心進(jìn)位；認(rèn)為是有符號(hào)數(shù)，則要注意是否溢出。,5.計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程,演示,8088的指令執(zhí)行過(guò)程,返回,Mov ax,64h Add ax,0100h Mov 2000,ax,B8 0064 05 0100 A3 2000,cs=1000h IP=100h Ds=1492h,6. 80286微處理器,Intel 80286是Intel 公司1982年推出的產(chǎn)品。80286內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是16位，地址總線為24位，可尋址224字節(jié)即16MB內(nèi)存。80286片內(nèi)具有存儲(chǔ)器管理和保護(hù)機(jī)構(gòu)，它有實(shí)模式和保護(hù)模式兩種工作方式。 與8086微處理器相比，主要特點(diǎn)如下： 80286與

16、8086在目標(biāo)代碼級(jí)完全保持了向上的兼容性。 80286由地址單元、總線單元、指令單元和執(zhí)行單元EU等4個(gè)單元組成。 80286片內(nèi)具有存儲(chǔ)器管理部件和保護(hù)機(jī)構(gòu)。 80286片內(nèi)的存儲(chǔ)器管理部件MMU首次實(shí)現(xiàn)了虛擬存儲(chǔ)器管理功能。,7.80386微處理器,Intel公司1985年推出的一種高性能32位微處理器，80386內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是32位的，地址總線為32位，可尋址4GB。其主要特點(diǎn)如下： 80386內(nèi)部結(jié)構(gòu)由總線接口單元、指令預(yù)取部件、指令譯碼部件、執(zhí)行部件、分段部件和分頁(yè)部件6個(gè)邏輯功能部件組成。 80386可以按實(shí)模式、保護(hù)模式以及虛擬8086三種模式對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)。實(shí)模式下

17、，80386的操作像一個(gè)極快的8086。保護(hù)模式與80286相類(lèi)似，但是80386的存儲(chǔ)器管理部件MMU有分段部件和分頁(yè)部件組成，實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)器的段頁(yè)式管理，這是80386的又一新特點(diǎn)。在80386中，虛擬存儲(chǔ)空間大小可達(dá)64TB。在虛擬8086模式下，每個(gè)任務(wù)都用8086的語(yǔ)義運(yùn)行，從而可以運(yùn)行8086的各種軟件 。,1.2.3,80486微處理器屬于第二代32位微處理器，在相同工作頻率下，其處理速度比80386提高了24倍。其主要特點(diǎn)如下： 沿襲80386體系結(jié)構(gòu)。 為了提高指令的譯碼速度，對(duì)于基本指令由以前80386采用的微代碼控制改變?yōu)橛布壿嬛苯涌刂啤?內(nèi)含8KB的高速緩沖存儲(chǔ)器，可高

18、速存取指令和數(shù)據(jù)。 內(nèi)含與片外80387功能完全兼容且功能又有擴(kuò)充的片內(nèi)80387協(xié)處理器。 增加了面向多處理機(jī)的機(jī)構(gòu)，支持多處理機(jī)系統(tǒng)。,8.80486微處理器,9 Pentium微處理器簡(jiǎn)介,Intel 公司對(duì)80 x86系列微處理器的性能不斷地創(chuàng)新與 改造，繼80486之后，1993年推出新一代名為Pentium的微處理器。1995年又推出名為Pentium Pro的微處理器。1997年、1999年和2000年又相繼推出Pentium、Pentium和Pentium微處理器。其主要特點(diǎn)如下： 超標(biāo)量設(shè)計(jì) 。 獨(dú)立的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。 重新設(shè)計(jì)浮點(diǎn)單元。 動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)。 Pe

19、ntium微處理器除了實(shí)模式、保護(hù)模式和虛擬8086方式外，還增加了一種系統(tǒng)管理方式。,小結(jié),8088/8086的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)； 8088/8086中的各種寄存器及其功能 8086/8088CPU工作過(guò)程 8086/8088存儲(chǔ)器分段、物理地址的形成,練習(xí),2.1，2.5，2.7，2.8 了解新型計(jì)算機(jī)技術(shù)，于第7周（4月1號(hào)）討論。,虛擬存儲(chǔ)器,虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)是一種通過(guò)硬件和軟件的綜合來(lái)擴(kuò)大用戶(hù)可用存儲(chǔ)空間的技術(shù)。它是在內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器(軟盤(pán)、硬盤(pán)或光盤(pán))之間增加一定的硬件和軟件支持，使兩者形成一個(gè)有機(jī)整體，使編程人員在寫(xiě)程序時(shí)不用考慮計(jì)算機(jī)的實(shí)際內(nèi)存容量，可以寫(xiě)出比實(shí)際配置的物理存儲(chǔ)器容

20、量大很多的單用戶(hù)或多用戶(hù)程序。程序預(yù)先放在外存儲(chǔ)器中，在操作系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和調(diào)度下，按某種置換算法依次調(diào)入內(nèi)存儲(chǔ)器被CPU執(zhí)行。這樣，從CPU看到的是一個(gè)速度接近內(nèi)存卻具有外存容量的假想存儲(chǔ)器，這個(gè)假想存儲(chǔ)器就叫虛擬存儲(chǔ)器。在采用虛擬存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，存在著虛地址空間(或邏輯地址空間)和實(shí)地址空間（或物理地址空間)兩個(gè)地址不同的空間。虛地址空間是程序可用的空間，而實(shí)地址空間是CPU可訪問(wèn)的內(nèi)存空間。后者容量由CPU地址總線寬度決定，而前者則由CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。,返回,高速緩存,在32位微處理器和微型機(jī)中，為了加快運(yùn)算速度，普遍在CPU與常規(guī)主存儲(chǔ)器之間增設(shè)了一級(jí)或兩級(jí)高速小容量存儲(chǔ)器，稱(chēng)

21、之為高速緩沖存儲(chǔ)器。高速緩沖存儲(chǔ)器的存取速度比主存要快一個(gè)數(shù)量級(jí)，大體與CPU的處理速度相當(dāng)。有了它以后，CPU在對(duì)一條指令或一個(gè)操作數(shù)尋址時(shí)，首先要看其是否在高速緩存器中。若在，就立即存??；否則，就要作一常規(guī)的存儲(chǔ)器訪問(wèn)，同時(shí)根據(jù)“程序局部性或存取局部性”原理，將所訪問(wèn)相鄰指令及相鄰數(shù)據(jù)塊復(fù)制到高速緩存器中。當(dāng)指令或操作數(shù)在高速緩存器中時(shí)，稱(chēng)為“命中”，否則稱(chēng)為“未命中”。 由于程序中相關(guān)數(shù)據(jù)塊一般都按順序存放，并且大都存在相鄰的存儲(chǔ)單元中，因此，CPU對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)大都是在相鄰的單元中進(jìn)行。一般說(shuō)來(lái)，CPU對(duì)高速緩存器存取命中率可在90以上，甚至高達(dá)99。,返回,微程序,通常計(jì)算機(jī)操作步驟的控制是由硬件電路組成的操作控制器完成的。這種硬件控制邏輯一般很復(fù)雜，而且CPU一經(jīng)設(shè)計(jì)定型，要想改變和擴(kuò)充指令功能就很難。所謂微代碼控制技術(shù)，就是將原來(lái)由硬件電路控制的指令操作步驟改用微程序來(lái)控制。其基本特點(diǎn)是綜合運(yùn)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)和只讀存儲(chǔ)技術(shù)，將每條指令的微操作序列轉(zhuǎn)化為一個(gè)控制碼的微程序存于PROM、EPROM或E2PROIM等可編程只讀存儲(chǔ)器中。當(dāng)執(zhí)行指令時(shí)，就從ROM中讀出與該指令對(duì)應(yīng)的微程序，并轉(zhuǎn)化為微操作控制序列。顯然，微程序是許多條微指令的有序集合，每條微指令又由若干微操作命令組成。可見(jiàn)，執(zhí)行一條機(jī)器指令