清華大學(xué)微機(jī)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(xué)建議，本章重點(diǎn)為教學(xué)建議，本章重點(diǎn)為8086的編程結(jié)構(gòu)，尤其是寄存器組；的編程結(jié)構(gòu)，尤其是寄存器組；8086標(biāo)志寄存器各個(gè)標(biāo)志的含義；標(biāo)志寄存器各個(gè)標(biāo)志的含義；8086的讀寫時(shí)序、總線操作和中斷機(jī)制；的讀寫時(shí)序、總線操作和中斷機(jī)制；Pentium的先進(jìn)技術(shù)；的先進(jìn)技術(shù)；Pentium的工作方式；的工作方式；Pentium的原理結(jié)構(gòu)、寄存器組和描述符；的原理結(jié)構(gòu)、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(jī)制和中斷描述符表；的中斷機(jī)制和中斷描述符表；Pentium的段頁兩級

2、保護(hù)機(jī)制。的段頁兩級保護(hù)機(jī)制。微處理器的性能指標(biāo) 字長字長 主頻主頻 圖2.1 8086的編程結(jié)構(gòu)1 1總線接口部件總線接口部件 4 4個(gè)段地址寄存器，個(gè)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(duì)列緩沖器字節(jié)的指令隊(duì)列緩沖器2. 2. 執(zhí)行部件執(zhí)行部件 4 4個(gè)通用寄存器，即個(gè)通用寄存器，即AX

3、AX、BXBX、CXCX、DXDX 4 4個(gè)專用寄存器，即個(gè)專用寄存器，即BPBP、SPSP、SISI、DIDI 標(biāo)志寄存器標(biāo)志寄存器 算術(shù)邏輯部件算術(shù)邏輯部件 標(biāo)志寄存器；根據(jù)功能，分為兩類 狀態(tài)標(biāo)志狀態(tài)標(biāo)志 控制標(biāo)志控制標(biāo)志狀態(tài)標(biāo)志 SFSF ZFZF PFPF CFCF AFAF OFOF控制標(biāo)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(gè)時(shí)鐘周期，個(gè)時(shí)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(gè)協(xié)處理器兩個(gè)協(xié)處理器 數(shù)值運(yùn)算協(xié)處理器數(shù)值運(yùn)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(diǎn)：注意下列幾點(diǎn)： 8086的數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的，的數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)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(gè)字節(jié)，還可一次傳送個(gè)字節(jié)，還可一次傳送1個(gè)字個(gè)字 RESET是系統(tǒng)復(fù)位信號是系統(tǒng)復(fù)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(fù)用引腳，雙向工作數(shù)據(jù)復(fù)用引腳，雙向工作 A19/S6A

5、16/S3地址地址/狀態(tài)復(fù)用引腳，輸狀態(tài)復(fù)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(fù)用狀態(tài)復(fù)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(shí)鐘，輸入時(shí)鐘，輸入 RESET(reset) 復(fù)位信號，輸入復(fù)位信號，輸入 READY(ready) “準(zhǔn)備好準(zhǔn)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(yīng)信號，輸出中斷響應(yīng)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(yīng)信號線保持響應(yīng)信號最小模式配置圖最小模式連接特點(diǎn)： MN/MX端接端接+5V 時(shí)鐘發(fā)生器時(shí)鐘發(fā)生器 地址鎖存器地址鎖存器 存儲器和外設(shè)較多時(shí)，需要總線收發(fā)器存儲器和外設(shè)較多時(shí)，需要總線收發(fā)器M/IO、RD、WR信號

7、的關(guān)系圖2.5 8284A和8086的連接 最大模式（最大模式（ QS1、QS0指令隊(duì)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(jī)系統(tǒng)主要操作 系統(tǒng)的復(fù)位和啟動(dòng)操作；系統(tǒng)的復(fù)位和啟動(dòng)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(fù)位和啟動(dòng)操作系統(tǒng)的復(fù)位和啟動(dòng)操作 CS=FFFFHCS=FFFFH IPIP0000H0000H復(fù)位操作的時(shí)序?？偩€讀操作寫操作時(shí)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(yīng)和時(shí)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(biāo)志寄存器的值推入堆棧。將標(biāo)志寄存器的值推入堆棧。 把標(biāo)志寄存器的中斷允許標(biāo)志把標(biāo)志寄存器的中斷允許標(biāo)志IFIF和跟蹤標(biāo)志和跟蹤標(biāo)志TFTF清零。清零。 將斷點(diǎn)保護(hù)到堆棧中。將斷點(diǎn)保護(hù)到堆棧中。 找到中斷向量，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理子程序找到中斷向量，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理子程序8086對中斷的響應(yīng)中斷響應(yīng)要用兩個(gè)總線周期。可屏蔽中斷時(shí)，CPU執(zhí)行的總

9、線時(shí)序： 第第1 1步，執(zhí)行步，執(zhí)行2 2個(gè)中斷響應(yīng)總線周期個(gè)中斷響應(yīng)總線周期 第第2 2步，執(zhí)行步，執(zhí)行1 1個(gè)總線寫周期個(gè)總線寫周期 第第3 3步，將標(biāo)志寄存器的中斷允許標(biāo)志步，將標(biāo)志寄存器的中斷允許標(biāo)志IFIF和單和單步標(biāo)志步標(biāo)志TFTF置成置成0 0 第第4 4步，執(zhí)行步，執(zhí)行1 1個(gè)總線寫周期個(gè)總線寫周期 第第5 5步，執(zhí)行步，執(zhí)行1 1個(gè)總線寫周期個(gè)總線寫周期 第第6 6步，執(zhí)行步，執(zhí)行1 1個(gè)總線讀周期個(gè)總線讀周期 第第7 7步，執(zhí)行步，執(zhí)行1 1個(gè)總線讀周期個(gè)總線讀周期 中斷處理子程序 保護(hù)中斷現(xiàn)場。保護(hù)中斷現(xiàn)場。 設(shè)置中斷允許標(biāo)志設(shè)置中斷允許標(biāo)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(fù)寄存器恢復(fù)寄存器 中斷返回指令中斷返回指令軟件中斷的特點(diǎn) 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(yīng)總線周期。不執(zhí)行中斷響應(yīng)總線周期。 不受中斷允許標(biāo)志不受中斷允許標(biāo)志IFIF的影響的影響 執(zhí)行軟件中斷時(shí)，對外部硬件中斷請求執(zhí)行軟件中斷時(shí)，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(jī)性軟件中斷沒有隨機(jī)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(yīng)時(shí)序保持響應(yīng)時(shí)序最大模式下的總線請求最大模式下的總線請求/ /授權(quán)授權(quán)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(shí)序釋放時(shí)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(jì)算方法系統(tǒng)中存儲器物理地址的計(jì)算方法 復(fù)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(gè)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(gè)個(gè)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(jìn)行編址：端口，可用兩種方式進(jìn)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(dú)立編址獨(dú)立編址 32 位微處理器位微處理器Pentium的先的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)技術(shù)1.1. 先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)2 2CISCCISC和和RISCRISC相結(jié)合的技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)3. 3. 超標(biāo)量流水線技術(shù)超標(biāo)量流水線技術(shù)4. 先進(jìn)的分支預(yù)測技術(shù)先進(jìn)的分支預(yù)測技術(shù) 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(yù)取部件、指令預(yù)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(shí)地址方式實(shí)地址方式 保護(hù)方式保護(hù)方式 虛擬虛擬8086方式方式 實(shí)地址方式的特點(diǎn)實(shí)地址方式的特點(diǎn) 尋址機(jī)構(gòu)、存儲器管理、中斷處理機(jī)構(gòu)均和尋址機(jī)構(gòu)、存儲器管理、中斷處理機(jī)構(gòu)均和80868086一樣。一樣。 操作數(shù)默認(rèn)長度為操作數(shù)默認(rèn)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(gè)固定區(qū)域存儲器中保留兩個(gè)固定區(qū)域 FFFF0HFFFF0HFFFFFHFFFFFH， 0000000000003FFH003FFH。保護(hù)方式的特點(diǎn)保護(hù)方式的特點(diǎn) 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(jī)制使邏輯地址空間大大超過實(shí)際映像機(jī)制使邏輯地址空間大大超過實(shí)際的內(nèi)存空間的內(nèi)存空間 既能進(jìn)行既能進(jìn)行16位運(yùn)算，也能進(jìn)行位運(yùn)算，也能進(jìn)行32位運(yùn)算。位運(yùn)算。 虛擬虛擬80868086方式方式特點(diǎn) 可以執(zhí)行8086的應(yīng)用程序。 段寄存器的用法和實(shí)地址方式時(shí)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(chǔ)上又分頁，每頁4KB。實(shí)地址方式和虛擬8086方式區(qū)別： 多任務(wù)問題多任務(wù)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(jié)構(gòu)的原理結(jié)構(gòu) 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(yù)取部件指令預(yù)取部件 指令譯碼器指令譯碼器 控制控制ROMROM 分支目標(biāo)緩沖器分支目標(biāo)緩沖器BTBBTB 控制部件控制部件 浮點(diǎn)處理部件浮點(diǎn)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(qū)動(dòng)和傳輸。地址驅(qū)動(dòng)和傳輸。 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。 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(yàn)告示功能偶校驗(yàn)告示功能 Cache Cache操作控制操作控制PentiumPentium的主要部件和原理結(jié)構(gòu)的主要部件和原理結(jié)構(gòu) 2.6 Pentium的寄存器和相關(guān)機(jī)制的寄存器和相關(guān)機(jī)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(diǎn)寄存器組浮點(diǎn)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(biāo)志寄存器指令指針寄存器和標(biāo)志寄存器標(biāo)志寄存器標(biāo)志寄存器段寄存器和描述符以及保護(hù)方段寄存器和描述符以及保護(hù)方式的尋址機(jī)制式的尋址機(jī)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(hù)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(gè)部分的內(nèi)容個(gè)部分的內(nèi)容l l描述符表指示標(biāo)志描述符表指示標(biāo)志TIl描述符索引描述符索引DIl請求特權(quán)級請求特權(quán)級RPL保 護(hù) 方 式 下 段 地 址 的 產(chǎn) 生保 護(hù) 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(gè)系統(tǒng)地址寄存器的結(jié)構(gòu)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(yàn)碼位。地址的偶校驗(yàn)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(yàn)出錯(cuò)信號。地址校驗(yàn)出錯(cuò)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(yàn)信號。偶校驗(yàn)信號。 l l PCHK# PCHK# 讀校驗(yàn)出錯(cuò)。讀校驗(yàn)出錯(cuò)。 l l PEN# PEN# 奇奇/ /偶校驗(yàn)允許信號。偶校驗(yàn)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(gè)地址有效信號。下一個(gè)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?？刂菩盘枴?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