第380X86微處理器2學習教案

1、會計學1第第380X86微處理器微處理器2第一頁，共25頁。第1頁/共25頁第二頁，共25頁。地址鎖存和驅動器預取器處理器擴展接口總線控制數(shù)據(jù)收發(fā)6-字節(jié)預取隊列3-已譯碼指令序列指令譯碼器寄存器控制段基址段大小段界限校驗器地址部件AU執(zhí)行部件EU指令部件IU總線接口部件BIU 偏移量加法器ALU物理地址加法器第2頁/共25頁第三頁，共25頁。wu)是否嵌套于另一個任務(rn wu)中。IOPL：I/O特權標志，此標志作為控制標志用于指示指定的I/O操作處于特權級的哪一級。IOPL占兩位，可表示03四個特權級，其中0級最高，3級最低。0級一般為操作系統(tǒng)的核心程序使用。只有當現(xiàn)行任務(rn wu

2、)的特權級高于或等于此時IOPL級別時，CPU對此設備的I/O操作才可以執(zhí)行。第3頁/共25頁第四頁，共25頁。第4頁/共25頁第五頁，共25頁。第5頁/共25頁第六頁，共25頁。一、一、80386的內(nèi)部結構的內(nèi)部結構1.總線接口部件總線接口部件BIU 總線接口部件總線接口部件BIU負責負責CPU與外部總線的數(shù)據(jù)交換。并增與外部總線的數(shù)據(jù)交換。并增加了總線請求判優(yōu)器。加了總線請求判優(yōu)器。 2.指令預取部件指令預取部件IPU（Instruction Prefetch Unit） 指令預取部件指令預取部件IPU使得指令代碼的預取得以獨立，由一個使得指令代碼的預取得以獨立，由一個16字節(jié)長的指令預取

3、隊列和預取器組成。字節(jié)長的指令預取隊列和預取器組成。 3.指令譯碼部件指令譯碼部件IDU (Instruction Decode Unit) 指令譯碼部件指令譯碼部件IDU包括指令譯碼器和能容納三條已譯碼指包括指令譯碼器和能容納三條已譯碼指令的指令隊列兩部分令的指令隊列兩部分(b fen)。 4.執(zhí)行部件執(zhí)行部件EU 執(zhí)行部件執(zhí)行部件EU是負責從已譯碼指令隊列中取出指令編碼，執(zhí)是負責從已譯碼指令隊列中取出指令編碼，執(zhí)行各種數(shù)據(jù)處理和運算。行各種數(shù)據(jù)處理和運算。 第6頁/共25頁第七頁，共25頁。5.分段部件分段部件SU (Segment Unit) 分段部件分段部件SU管理面向程序員的邏輯地址

4、空間，并且將管理面向程序員的邏輯地址空間，并且將48位的位的邏輯地址（邏輯地址（16位的段選擇子和位的段選擇子和32位的偏移地址）轉換為位的偏移地址）轉換為32位的線性位的線性地址。線性地址是在虛擬存儲空間內(nèi)的可定位的地址。地址。線性地址是在虛擬存儲空間內(nèi)的可定位的地址。 6.分頁部件分頁部件PU (Paging Unit) 分頁部件分頁部件PU管理物理地址空間，將分段部件產(chǎn)生的管理物理地址空間，將分段部件產(chǎn)生的32位的線位的線性地址轉換為性地址轉換為32位的物理地址。位的物理地址。 分段部件、分頁部件和保護分段部件、分頁部件和保護(boh)測試部件共同構成了存儲器測試部件共同構成了存儲器管理

5、部件管理部件MMU（Memory Management Unit）。）。MMU管理控制所管理控制所有虛擬地址到物理地址的轉換、分段及分頁檢驗等。有虛擬地址到物理地址的轉換、分段及分頁檢驗等。 第7頁/共25頁第八頁，共25頁。二、二、80386的寄存器的寄存器1.通用寄存器通用寄存器 80386有有8個個32位的通用寄存器，它們都是位的通用寄存器，它們都是8086中中16位通用位通用寄存器的擴展，故命名為寄存器的擴展，故命名為EAX、EBX、ECX、EDX、EBP、ESP、ESI和和EDI，用于存放數(shù)據(jù)或地址。，用于存放數(shù)據(jù)或地址。2.指令指針寄存器和標志指令指針寄存器和標志(biozh)寄存

6、器寄存器1) 指令指針寄存器指令指針寄存器EIP （32位）位） 是用來存放下一條要執(zhí)行的指令的地址偏移量，尋址范圍是用來存放下一條要執(zhí)行的指令的地址偏移量，尋址范圍為為4GB。 EIP的低的低16位可作為獨立指令指針，稱為位可作為獨立指令指針，稱為IP 。第8頁/共25頁第九頁，共25頁。2) 標志寄存器EFLAG 32位的標志寄存器EFLAG，是由80286的標志位擴展而成 ，在原有80286的基礎上新增2個系統(tǒng)方式標志，而且全為控制(kngzh)標志。 RF：恢復標志或重新啟動標志。用于調(diào)試失敗后，強迫程序恢復執(zhí)行，在成功執(zhí)行每條指令后，RF自動復位。當RF1時，下一條指令的任何調(diào)試故障

7、將被忽略，不產(chǎn)生異常中斷。 VM：虛擬8086方式標志。當80386工作在保護方式時，若VM1，則CPU轉換到V86方式。 第9頁/共25頁第十頁，共25頁。3.段寄存器和段描述符寄存器段寄存器和段描述符寄存器1) 段寄存器段寄存器 80386內(nèi)部有內(nèi)部有6個個16位的段寄存器位的段寄存器CS、DS、ES、SS、GS和和FS。 2) 段描述符寄存器段描述符寄存器 對應每個段寄存器設置的一個程序員不可對應每個段寄存器設置的一個程序員不可(bk)訪問的訪問的64位寄位寄存器。存器。 16位段選擇子16位段選擇子16位段選擇子16位段選擇子16位段選擇子16位段選擇子CSSSDSESFSGS32位段

8、基地址 20位段界限 12位屬性32位段基地址 20位段界限 12位屬性32位段基地址 20位段界限 12位屬性32位段基地址 20位段界限 12位屬性32位段基地址 20位段界限 12位屬性32位段基地址 20位段界限 12位屬性 段寄存器 段描述符寄存器第10頁/共25頁第十一頁，共25頁。4.控制寄存器控制寄存器1) 機器控制寄存器機器控制寄存器CR0（相當于（相當于MSW）PG：分頁允許控制位。：分頁允許控制位。PG=1，啟動，啟動80386片內(nèi)分頁部件工作；片內(nèi)分頁部件工作；PG0，禁止分頁部件工作，則線性地址就是物理地址。，禁止分頁部件工作，則線性地址就是物理地址。 ET：處理器擴

9、展類型控制位。如協(xié)處理器為：處理器擴展類型控制位。如協(xié)處理器為80387，則設置，則設置ET1 2) 頁面故障線性地址寄存器頁面故障線性地址寄存器CR2 用于提供頁故障用于提供頁故障32位線性地址，以便當產(chǎn)生頁故障時，用來位線性地址，以便當產(chǎn)生頁故障時，用來報告錯誤信息。報告錯誤信息。 3) 頁組目錄表基址頁組目錄表基址(j zh)寄存器寄存器CR3 用于提供當前任務的頁組目錄表在內(nèi)存的基地址。用于提供當前任務的頁組目錄表在內(nèi)存的基地址。 第11頁/共25頁第十二頁，共25頁。5.系統(tǒng)地址寄存器系統(tǒng)地址寄存器1) 全局描述符表寄存器全局描述符表寄存器GDTR GDTR是是48位寄存器，其中高位

10、寄存器，其中高32位存放位存放(cnfng)全局描述符表全局描述符表GDT的線性基地址，低的線性基地址，低16位是位是GDT的界限值。的界限值。2) 中斷描述符表寄存器中斷描述符表寄存器IDTR IDTR也是也是48位寄存器，其中高位寄存器，其中高32位存放位存放(cnfng)中斷描述符表中斷描述符表IDT的線性基地址，低的線性基地址，低16位是位是IDT的界限值。的界限值。3) 局部描述符表寄存器局部描述符表寄存器LDTR LDTR是由是由16位選擇子和位選擇子和64位不可見的段描述符寄存器組成。位不可見的段描述符寄存器組成。4) 任務狀態(tài)寄存器任務狀態(tài)寄存器TR TR也是由也是由16位用于

11、存放位用于存放(cnfng)任務狀態(tài)段任務狀態(tài)段TSS的選擇子和的選擇子和64位不可見的段描述符寄存器組成。位不可見的段描述符寄存器組成。 TSS保存了當前正在處理器上執(zhí)行的任務的各種信息。保存了當前正在處理器上執(zhí)行的任務的各種信息。 6.調(diào)試調(diào)試(dio sh)寄存器和測試寄存器寄存器和測試寄存器 80386有有6個個32位的調(diào)試位的調(diào)試(dio sh)寄存器和寄存器和2個個32位的測試寄存器。位的測試寄存器。 第12頁/共25頁第十三頁，共25頁。3.4.3 80486微處理器微處理器與80386相比，80486微處理器主要有以下改進：(1) 首次部分吸收精簡指令集計算機RISC（Redu

12、ced Instruction Set Computer）技術，以便盡可能縮短指令執(zhí)行時間。(2) 發(fā)展了80386的指令流水線技術，使最多有5條指令重疊執(zhí)行，從而使80486可以在一個(y )時鐘周期執(zhí)行完一條簡單指令。(3) 片內(nèi)集成了8KB的高速緩沖存儲器（80486 DX4中集成了16KB）和浮點運算部件FPU（Floating Processing Unit），從內(nèi)部結構上可以認為8048680386803878KBCache，并且支持二級高速緩存。(4) 采用多種總線連接方式，其內(nèi)部數(shù)據(jù)總線有32位、64位和128位，分別用于不同單元之間的數(shù)據(jù)通路，大大加快了數(shù)據(jù)處理速度，防止總線

13、“瓶頸”效應的產(chǎn)生。(5) 80386的6個獨立部件相比，80486增加到9個。 第13頁/共25頁第十四頁，共25頁。1.1.總線接口部件總線接口部件BIUBIU2.2.指令預取部件指令預取部件IPUIPU3.3.指令譯碼部件指令譯碼部件IDUIDU4.4.控制部件控制部件CU(Control Unit)CU(Control Unit)5.5.整數(shù)部件整數(shù)部件IUIU（Integer UnitInteger Unit） 在一個時鐘周期內(nèi)完成整數(shù)的傳輸、加減運算、邏輯在一個時鐘周期內(nèi)完成整數(shù)的傳輸、加減運算、邏輯運算和移位等指令的執(zhí)行。運算和移位等指令的執(zhí)行。 6.6.分段部件分段部件SUSU

14、7.7.分頁部件分頁部件PUPU8.8.高速緩沖存儲部件高速緩沖存儲部件CacheCache 用于存儲最新運行的程序所需要的指令代碼用于存儲最新運行的程序所需要的指令代碼(di m)(di m)和數(shù)據(jù)，作為外部主存的副本。和數(shù)據(jù)，作為外部主存的副本。 9.9.浮點運算部件浮點運算部件FPUFPU浮點運算部件浮點運算部件 FPU FPU和和8038780387完全兼容，負責進行單精度或多精度完全兼容，負責進行單精度或多精度的浮點運算。的浮點運算。 80486的內(nèi)部結構的內(nèi)部結構第14頁/共25頁第十五頁，共25頁。3.4.4 Pentium微處理器微處理器 與80486相比，Pentium微處理

15、器主要有以下改進： (1) Pentium具有36位地址線，外部數(shù)據(jù)線64位，使在一個總線周期內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸量增加了一倍。 (2) Pentium微處理器技術的核心(hxn)是采用超標量流水線設計，即它由U與V兩條指令流水線構成。允許Pentium在單個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行兩條整數(shù)指令，比相同頻率的486DX CPU性能提高了一倍。 (3) Pentium片內(nèi)采用雙重分離式高速緩存Cache，即獨立的8KB指令Cache和8KB數(shù)據(jù)Cache。指令和數(shù)據(jù)分別使用不同的Cache，提高了指令執(zhí)行速度，使Pentium的性能大大超過80486微處理器。 第15頁/共25頁第十六頁，共25頁。 (4) 浮點

16、運算單元功能的增強(zngqing)。Pentium的浮點單元在80486的基礎上進行了改進，使每個時鐘周期能完成一個浮點操作。在運行浮點密集型程序時，66MHz的Pentium運算速度為33MHz的80486DX的56倍。 (5) 增加了分支指令預測功能。Pentium提供了一個分支目標緩沖器BTB（Branch Target Buffer）來動態(tài)地預測程序的分支操作，當一條指令導致程序分支時，BTB記憶該條指令和分支目標的地址，并用這些信息預測這條指令再次產(chǎn)生分支時的路徑，預先從此處預取，保證指令預取隊列不會空置。 (6) 頁尺寸的增加。Pentium體系結構中，存儲器中每一頁的容量除了與

17、80486兼容的4KB外，還可以使用更大的存儲器頁面，這使得程序在傳送大塊數(shù)據(jù)時，避免了頻繁的換頁操作。 第16頁/共25頁第十七頁，共25頁。一、工作方式一、工作方式1. 實地址方式實地址方式 系統(tǒng)啟動或復位后，系統(tǒng)啟動或復位后，80386自動進入實地址方式（簡自動進入實地址方式（簡稱實方式），也可通過設置控制寄存器稱實方式），也可通過設置控制寄存器CR0中的中的PE=0來進入實方式。來進入實方式。特點：特點：(1) 在實方式下，在實方式下，80386只相當于一個快速的只相當于一個快速的8086 (2) 只有只有1MB的物理存儲空間尋址能力的物理存儲空間尋址能力(nngl) (3) 操作數(shù)默

18、認長度為操作數(shù)默認長度為16位，但借助長度前綴能處理位，但借助長度前綴能處理32位數(shù)位數(shù) 據(jù)，并且可使用據(jù)，并且可使用FS和和GS 。(4) 只支持單任務工作方式。只支持單任務工作方式。(5) 80386設置了設置了4個特權級，在實方式下只能在特權級個特權級，在實方式下只能在特權級0下工下工作。作。 3.4.5 80X86存儲器管理存儲器管理(gunl)第17頁/共25頁第十八頁，共25頁。2. 保護虛地址方式保護虛地址方式 80386的保護虛地址方式（簡稱保護方式）當通過指令設的保護虛地址方式（簡稱保護方式）當通過指令設置控制寄存器置控制寄存器CR0中的中的PE=1時進入保護方式，保護是指在

19、時進入保護方式，保護是指在執(zhí)行多任務操作時，對不同任務使用的虛擬存儲空間進行執(zhí)行多任務操作時，對不同任務使用的虛擬存儲空間進行完全的隔離，保護每個任務順利完全的隔離，保護每個任務順利(shnl)執(zhí)行。高檔微處理執(zhí)行。高檔微處理器只有工作在保護方式下，才能充分發(fā)揮其強大的存儲管器只有工作在保護方式下，才能充分發(fā)揮其強大的存儲管理功能以及硬件支撐的保護機制，因此也稱為本性方式。理功能以及硬件支撐的保護機制，因此也稱為本性方式。特點：特點： (1)存儲空間采用虛擬地址空間、線性地址空間（不包括存儲空間采用虛擬地址空間、線性地址空間（不包括80286）和物理地址空間三種方式來描述。）和物理地址空間三種

20、方式來描述。 (2)在保護方式下，尋址是通過描述符表的數(shù)據(jù)結構來實現(xiàn)對內(nèi)在保護方式下，尋址是通過描述符表的數(shù)據(jù)結構來實現(xiàn)對內(nèi)存單元的訪問。存單元的訪問。 (3)程序員可以使用的存儲空間稱為邏輯地址空間其容量最大可程序員可以使用的存儲空間稱為邏輯地址空間其容量最大可達達64TB，幾乎是無限大。，幾乎是無限大。 (4)可以使用可以使用4級保護功能，實現(xiàn)程序與程序、用戶與用戶、用級保護功能，實現(xiàn)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。優(yōu)化支持。 第18頁/共25頁第十九頁，共25頁。3. 虛擬虛擬8086

21、方式方式 在保護方式下，通過設置標志寄存器在保護方式下，通過設置標志寄存器EFLAGS中的中的VM=1，就可以進入，就可以進入V86方式。方式。V86方式是保護方式的一種方式是保護方式的一種子方式，即能有效地利用保護功能子方式，即能有效地利用保護功能(gngnng)，又能執(zhí)行，又能執(zhí)行8086代碼的工作方式。在保護方式下，支持多任務并發(fā)運代碼的工作方式。在保護方式下，支持多任務并發(fā)運行，這時可能某幾個任務是在行，這時可能某幾個任務是在V86方式，而另一些任務是方式，而另一些任務是保護方式下的任務。保護方式下的任務。第19頁/共25頁第二十頁，共25頁。1.分段管理2. 一個程序擁有多個大小不完全相同的段（4GB），這些段可以在內(nèi)存也可以在外存，這通過描述符中的一個屬性標志(biozh)來表示。此標志(biozh)不成立時，系統(tǒng)就知道該段目前