微機(jī)原理電子教案第2章

1、第第2章章 16位和位和32位微處理器位微處理器 本章重點(diǎn)本章重點(diǎn) : CPU的編程結(jié)構(gòu) 標(biāo)志寄存器的含義 CPU的操作時(shí)序 CPU的中斷分類和中斷向量 硬件中斷和軟件中斷的區(qū)別，軟件中斷的特點(diǎn) 80386 的功能部件 32位微型機(jī)的三種工作方式 本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)： 32位微型機(jī)中指令流水線和地址流水線和實(shí)現(xiàn) 32微型機(jī)中的兩級(jí)存儲(chǔ)管理 邏輯地址到線性地址的轉(zhuǎn)換 邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換 線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換 Pentium采用的CISC和RISC技術(shù) 分支預(yù)測(cè)技術(shù)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法 本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)： Pentium的技術(shù)特點(diǎn) Pentium的主要部件 Pentium的主要信號(hào) P

2、entium的總線狀態(tài)和總線周期 Itanium的主要新技術(shù) 教學(xué)建議：教學(xué)建議： 以8086為基礎(chǔ)，以80386 作過(guò)渡，以Pentium中的技術(shù)為重點(diǎn)。 本章用6學(xué)時(shí)，其中： 8086用 3學(xué)時(shí) 80386用 1學(xué)時(shí) Pentium用 2學(xué)時(shí) 微處理器的性能指標(biāo)：微處理器的性能指標(biāo)： 字長(zhǎng) 主頻 2.1 16位微處理器位微處理器80862.1.1 8086的編程結(jié)構(gòu)的編程結(jié)構(gòu) 從功能上，8086分為兩部分，即1.總線接口部件(bus interface unit，BIU)2.執(zhí)行部件(execution unit，EU) 1. 總線接口部件總線接口部件總線接口部件負(fù)責(zé)與存儲(chǔ)器、I/O端口傳

3、送數(shù)據(jù) ，由下列4部分組成： 4個(gè)段地址寄存器（CS、DS、ES、SS） 16位的指令指針寄存器 IP(Instruction Pointer) 20位的地址加法器 6字節(jié)的指令隊(duì)列緩沖器2. 執(zhí)行部件執(zhí)行部件 執(zhí)行部件負(fù)責(zé)指令的執(zhí)行 ，由下列4部分組成： 4個(gè)通用寄存器，即AX、BX、CX、DX； 4個(gè)專用寄存器，即基數(shù)指針寄存器BP（base pointer）堆棧指針寄存器SP(stack pointer)源變址寄存器SI(source index)目的變址寄存器DI(destination index)； 標(biāo)志寄存器； 算術(shù)邏輯部件(arithmetic logic unit)。 標(biāo)志寄

4、存器共有16位，其中7位未用，所用的各位含義如下： 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0OFDFIFTFSFZFAFPFCF根據(jù)功能，8086的標(biāo)志可以分為兩類：1.狀態(tài)標(biāo)志2.控制標(biāo)志 狀態(tài)標(biāo)志有6個(gè)，即SF、ZF、PF、CF、AF和OF 符號(hào)標(biāo)志SF(sign flag ) 零標(biāo)志ZF(zero flag) 奇偶標(biāo)志PF(parity flag) 進(jìn)位標(biāo)志CF(carry flag) 輔助進(jìn)位標(biāo)志(auxiliary carry flag) 溢出標(biāo)志(overflow flag) 控制標(biāo)志有3個(gè)，即 方向標(biāo)志DF(direction flag) 中斷允

5、許標(biāo)志IF(interrupt enable flag) 跟蹤標(biāo)志TF(trap flag)又稱為單步標(biāo)志 3. 8086的總線周期的概念的總線周期的概念 典型的8086總線周期序列： T1狀態(tài)，發(fā)地址信息 T2狀態(tài)，總線的高4位輸出狀態(tài)信息 T3狀態(tài)，高4位 狀態(tài)信息，低16位 數(shù)據(jù) T3之后，可能插入TW 在T4狀態(tài)，結(jié)束。2.1.2 8086的引腳信號(hào)和工作模式的引腳信號(hào)和工作模式 1. 最小模式和最大模式的概念最小模式和最大模式的概念 (1)最小模式: 在系統(tǒng)中只有一個(gè)微處理器。 (2)最大模式： 兩個(gè)或多個(gè)微處理器（主處理器、協(xié)處理器）2. 8086/8088的引腳信號(hào)和功能的引腳信

6、號(hào)和功能注意點(diǎn)： 8086/8088的數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用 8086有16根數(shù)據(jù)線 第21腳(RESET)為輸入復(fù)位信號(hào) 第22引腳為“準(zhǔn)備好”(READY)信號(hào) 高4位地址和狀態(tài)線復(fù)用 各引腳信號(hào)： GND、V地和電源 AD15AD0地址/數(shù)據(jù)復(fù)用 A19/S6A16/S3 地址/狀態(tài)復(fù)用 BHE/S7 高8位數(shù)據(jù)總線允許/狀態(tài)復(fù)用 NMI非屏蔽中斷輸入 INTR可屏蔽中斷請(qǐng)求信號(hào)輸入 RD讀信號(hào)輸出 CLK時(shí)鐘輸入 RESET復(fù)位信號(hào)輸入 READY “準(zhǔn)備好”信號(hào)輸入 TEST測(cè)試信號(hào)輸入 MN/MX最小和最大模式控制輸入 3. 最小模式最小模式 引腳信號(hào)： INTA中斷響應(yīng)信號(hào)輸出 AL

7、E地址鎖存允許信號(hào)輸出 DEN數(shù)據(jù)允許信號(hào) DT/R數(shù)據(jù)收發(fā)信號(hào)輸出 M/IO存儲(chǔ)器/輸入輸出控制信號(hào)輸出 WR寫信號(hào)輸出 HOLD總線保持請(qǐng)求信號(hào)輸入 HLDA總線保持響應(yīng)信號(hào)輸出 8086在最小模式下的典型配置在最小模式下的典型配置 ：4. 最大模式最大模式 引腳信號(hào)： QS1、QS0指令隊(duì)列狀態(tài)信號(hào)輸出 S2#、S1#、S0#總線周期狀態(tài)信號(hào)輸出 LOCK#(lock)總線封鎖信號(hào)輸出 RQ#/GT1#、RQ#/GT0#總線請(qǐng)求信號(hào)輸入、總線授權(quán)信號(hào)輸出 8086在最大模式下的典型配置在最大模式下的典型配置 ：2.1.3 8086的操作和時(shí)序的操作和時(shí)序 8086的主要操作的主要操作:

8、系統(tǒng)的復(fù)位和啟動(dòng)操作； 暫停操作； 總線操作； 中斷操作； 最小模式下的總線保持； 最大模式下的總線請(qǐng)求/允許。 1. 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 2. 總線操作總線操作(1) 最小方式下的總線讀操作(2) 最小方式下的總線寫操作 (3) 最大模式下的總線讀操作(4) 最大模式下的總線寫操作 (1) 最小方式下的總線讀操作最小方式下的總線讀操作(2) 最小方式下的總線寫操作最小方式下的總線寫操作(3) 最大模式下的總線讀操作最大模式下的總線讀操作(4) 最大模式下的總線寫操作最大模式下的總線寫操作3.中斷操作和中斷系統(tǒng)中斷操作和中斷系統(tǒng)（1）8086的中斷分類的中斷分類 硬件中斷

9、 （非屏蔽中斷和可屏蔽中斷）軟件中斷8086/8088的中斷分類的中斷分類 ：(2) 中斷向量和中斷向量表中斷向量和中斷向量表 (3) 硬件中斷硬件中斷 NMI INTR(4) 硬件中斷的響應(yīng)和時(shí)序硬件中斷的響應(yīng)和時(shí)序 可屏蔽中斷的響應(yīng)過(guò)程 ： 讀取中斷類型碼 將標(biāo)志寄存器的值推入堆棧 把標(biāo)志寄存器的IF和TF清零 將斷點(diǎn)保護(hù)到堆棧中。 尋找中斷向量，轉(zhuǎn)入中斷處理程序 中斷響應(yīng)中斷響應(yīng) 8086的中斷響應(yīng)總線周期的中斷響應(yīng)總線周期 ：非屏蔽中斷和可屏蔽中斷有兩點(diǎn)差別； TF是單步中斷標(biāo)志 ； 在中斷響應(yīng)后，又遇NMI； 結(jié)束時(shí)，返回?cái)帱c(diǎn)； 等待或串操作時(shí)，允許過(guò)程中進(jìn)入中斷。 中斷響應(yīng)用中斷響

10、應(yīng)用2個(gè)總線周期個(gè)總線周期第1個(gè)總線周期，通知外設(shè)，CPU準(zhǔn)備響應(yīng)中斷；第2個(gè)總線周期，外設(shè)發(fā)送中斷類型碼(5) 中斷處理子程序中斷處理子程序 進(jìn)一步保護(hù)中斷現(xiàn)場(chǎng) 開(kāi)放中斷 中斷處理的具體內(nèi)容 彈出堆棧指令 中斷返回指令(6) 軟件中斷軟件中斷 特點(diǎn)： 用一條指令進(jìn)入中斷處理子程序，并且，中斷類型碼由指令提供。 不執(zhí)行中斷響應(yīng)總線周期，也不從數(shù)據(jù)總線讀取中斷類型碼。 不受中斷允許標(biāo)志IF的影響 執(zhí)行過(guò)程中可響應(yīng)外部硬件中斷 軟件中斷沒(méi)有隨機(jī)性4. 最小模式下的總線保持最小模式下的總線保持利用HOLD和HLDA信號(hào)實(shí)現(xiàn)總線保持5. 最大模式下的總線請(qǐng)求最大模式下的總線請(qǐng)求/授權(quán)授權(quán)利用RQ#/G

11、T實(shí)現(xiàn)總線請(qǐng)求/授權(quán)2.1.4 8086的存儲(chǔ)器編址和的存儲(chǔ)器編址和I/O編址編址 1. 8086的存儲(chǔ)器編址的存儲(chǔ)器編址 CS、DS、SS和其他寄存器組合指向存儲(chǔ)單元的示意圖 ：2.2 32位微處理器位微處理器80386 2.2.1 80386的體系結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu) 6個(gè)功能部件個(gè)功能部件 指令預(yù)取部件 指令譯碼部件 執(zhí)行部件 分段部件分頁(yè)部件總線接口部件2.2.2 80386的三種工作方式的三種工作方式 80386有三種工作方式：實(shí)地址方式(real address mode)保護(hù)虛擬地址方式(protected virtual address mode)即保護(hù)方式虛擬8086方式(virt

12、ual 8086 mode) 實(shí)地址方式和虛擬實(shí)地址方式和虛擬8086方式區(qū)別方式區(qū)別 單任務(wù)和多任務(wù)問(wèn)題尋址空間問(wèn)題內(nèi)存劃分問(wèn)題2.2.3 寄存器寄存器 1. 通用寄存器通用寄存器 8個(gè)32位通用寄存器， EAX EBX ECX EDX ESI EDI EBP ESP2. 指令指針寄存器（指令指針寄存器（EIP）和標(biāo)志寄存器和標(biāo)志寄存器 （EFLAGS）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 4. 控制寄存器控制寄存器 CR0 CR2 CR3CR0的含義：的含義：5.系統(tǒng)地址寄存器系統(tǒng)地址寄存器 系統(tǒng)地址寄存器有4個(gè): GDTR全局描述符表寄存器 IDTR 中斷描述符表寄存器

13、 TR任務(wù)狀態(tài)寄存器 .LDTR局部描述符表寄存器4個(gè)系統(tǒng)地址寄存器的結(jié)構(gòu)個(gè)系統(tǒng)地址寄存器的結(jié)構(gòu) ：6.調(diào)試寄存器和測(cè)試寄存器調(diào)試寄存器和測(cè)試寄存器 調(diào)試寄存器： DR0DR7測(cè)試寄存器： 測(cè)試命令寄存器：TR6 數(shù)據(jù)寄存器：TR732位位CPU的調(diào)試寄存器的調(diào)試寄存器 ：2.2.4 指令流水線和地址流水線指令流水線和地址流水線 1. 指令流水線構(gòu)成：指令流水線構(gòu)成： 總線接口部件 指令預(yù)取部件 指令譯碼部件 執(zhí)行部件2. 地址流水線組成地址流水線組成 分段部件 分頁(yè)部件 總線接口部件3種地址：種地址：邏輯地址線性地址物理地址2.2.5 80386的虛擬存儲(chǔ)機(jī)制和片內(nèi)兩級(jí)存儲(chǔ)管理的虛擬存儲(chǔ)機(jī)制

14、和片內(nèi)兩級(jí)存儲(chǔ)管理 (1) 虛擬儲(chǔ)存技術(shù)虛擬儲(chǔ)存技術(shù) 虛擬存儲(chǔ)器機(jī)制的組成： 主存儲(chǔ)器 輔助存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)管理部件虛擬存儲(chǔ)器分類： 段式虛擬存儲(chǔ)器 頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器(2) 片內(nèi)兩級(jí)存儲(chǔ)管理片內(nèi)兩級(jí)存儲(chǔ)管理1分段管理分段管理 采用描述符表的優(yōu)點(diǎn) ： 可以大大擴(kuò)展存儲(chǔ)空間。 可以實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)。 可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)隔離。 80386有兩類段，即 非系統(tǒng)段 系統(tǒng)段 (1) 非系統(tǒng)段描述符非系統(tǒng)段描述符 非系統(tǒng)段：代碼段、數(shù)據(jù)段（堆棧段）非系統(tǒng)段描述符的格式和含義非系統(tǒng)段描述符的格式和含義 ：(2) 系統(tǒng)段描述符系統(tǒng)段描述符 系統(tǒng)段描述符的格式和含義系統(tǒng)段描述符的格式和含義 ：段選擇子的含義和功能段選擇子的含義

15、和功能 ：從邏輯地址到線性地址的轉(zhuǎn)換從邏輯地址到線性地址的轉(zhuǎn)換 ：從邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換從邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換 ：2.分頁(yè)管理分頁(yè)管理 分頁(yè)部件用兩個(gè)表實(shí)現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換： 頁(yè)組目錄項(xiàng)表 頁(yè)表 線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換 線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的例子線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的例子 3.轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器TLB 轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器TLB的功能 :轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器TLB的工作原理的工作原理 2.2.6 80386的中斷的中斷 80386下列情況下引起中斷： 外設(shè)送中斷請(qǐng)求信號(hào)。 CPU或協(xié)處理器產(chǎn)生異常。 執(zhí)行INT指令。 2.2.7 80386的信號(hào)和總線

16、狀態(tài)的信號(hào)和總線狀態(tài) 1. 80386的信號(hào)的信號(hào) 2. 80386的總線周期的總線周期 80386的總線周期： 寫總線周期 中斷響應(yīng)周期 暫停和停機(jī)周期(1) 讀寫總線周期讀寫總線周期 80386的完整的總線狀態(tài)圖的完整的總線狀態(tài)圖 :(2) 中斷響應(yīng)周期中斷響應(yīng)周期 (3) 暫停周期和停機(jī)周期暫停周期和停機(jī)周期 2.3 32位微處理器位微處理器Pentium2.3.1 Pentium采用的先進(jìn)技術(shù)采用的先進(jìn)技術(shù) 1 CISC技術(shù)和技術(shù)和RISC技術(shù)技術(shù)CISCCISC技術(shù)的特點(diǎn)技術(shù)的特點(diǎn)RISCRISC技術(shù)的特點(diǎn)技術(shù)的特點(diǎn)2 超標(biāo)量流水線技術(shù)超標(biāo)量流水線技術(shù)超標(biāo)量的含義超標(biāo)量的含義超標(biāo)量的

17、實(shí)現(xiàn)前提超標(biāo)量的實(shí)現(xiàn)前提3 分支預(yù)測(cè)技術(shù)分支預(yù)測(cè)技術(shù) 分支規(guī)律分支規(guī)律 MOV DX，100；取填色矩形右上角像素點(diǎn)的y坐標(biāo)AAA ：MOV CX，200；取填色矩形右上角像素點(diǎn)的x坐標(biāo)BBB： MOV AL，04 ；在AL中設(shè)置紅色對(duì)應(yīng)的值04H MOV AH，0CH；在AH中設(shè)置對(duì)應(yīng)寫像素的功能碼 INT 10H ；在指定的像素位置填上指寫顏色 DEC CX ；x坐標(biāo)左移一個(gè)像素點(diǎn) JNZ BBB ；繼續(xù)對(duì)下一個(gè)點(diǎn)操作 DEC DX ；橫向填完一行再對(duì)下一行操作 JNL AAA ；如未結(jié)束則繼續(xù) HLT ；如填好則結(jié)束分支預(yù)測(cè)的方法分支預(yù)測(cè)的方法采用Cache動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)2.3.2 Penti

18、um的技術(shù)特點(diǎn)的技術(shù)特點(diǎn) 64位數(shù)據(jù)總線 互相獨(dú)立的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache 常用指令用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 增加系統(tǒng)管理方式SMM。 2.3.3 Pentium的原理結(jié)構(gòu)的原理結(jié)構(gòu) 1. Pentium的主要部件的主要部件 總線接口部件 U流水線和V流水線 指令Cache 數(shù)據(jù)Cache 指令預(yù)取部件 指令譯碼器 浮點(diǎn)處理部件FPU 分支目標(biāo)緩沖器BTB 控制ROM 寄存器組 2. 原理結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu) 2.3.4 Pentium的寄存器的寄存器 Pentium的寄存器分為如下幾類： 基本寄存器組 通用寄存器， 指令寄存器， 標(biāo)志寄存器， 段寄存器； 系統(tǒng)寄存器組 地址寄存器， 調(diào)試寄存器， 控制

19、寄存器， 模式寄存器； 浮點(diǎn)寄存器組 數(shù)據(jù)寄存器 標(biāo)記字寄存器 狀態(tài)寄存器 控制字寄存器 指令指針寄存器和數(shù)據(jù)指針寄存器 1. 基本寄存器組基本寄存器組 標(biāo)志寄存器 :2. 系統(tǒng)寄存器組系統(tǒng)寄存器組 控制寄存器 :3. 浮點(diǎn)寄存器組浮點(diǎn)寄存器組 Pentium的的FPU狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器 Pentium的的FPU控制字寄存器控制字寄存器 2.3.5 Pentium的主要信號(hào)的主要信號(hào) 1. 地址線及控制信號(hào)地址線及控制信號(hào) A31A3地址線 AP地址的偶校驗(yàn)碼位 ADS#地址狀態(tài)輸出信號(hào) A20M# A20以上的地址線屏蔽信號(hào) APCHK#地址校驗(yàn)出錯(cuò)信號(hào)2. 數(shù)據(jù)線及控制信號(hào)數(shù)據(jù)線及控制信

20、號(hào) D63D0數(shù)據(jù)線 BE7#BE0#字節(jié)允許信號(hào) DP7DP0奇偶校驗(yàn)信號(hào) PCHK#讀校驗(yàn)出錯(cuò) PEN#奇偶校驗(yàn)允許信號(hào)3. 總線周期控制信號(hào)總線周期控制信號(hào) D/C#數(shù)據(jù)/控制信號(hào) M/IO#存儲(chǔ)器和I/O訪問(wèn)信號(hào) W/R#讀寫信號(hào) LOCK#總線封鎖信號(hào) BRDY#突發(fā)就緒信號(hào) NA#下一個(gè)地址有效信號(hào) SCYC分割周期信號(hào)4. Cache控制信號(hào)控制信號(hào) CACHE#Cache控制信號(hào) EADS#外部地址有效信號(hào) KEN#Cache允許信號(hào) FLUSH#Cache擦除信號(hào) AHOLD地址保持/請(qǐng)求信號(hào) PCDCache禁止信號(hào) PWT片外Cache的控制信號(hào) WB/WT#片內(nèi)Cache回寫/通寫選擇信號(hào) HIT#和HITM#Cache命中信號(hào)和命中Cache的狀態(tài)信號(hào) INV無(wú)效請(qǐng)求信號(hào) 5. 系統(tǒng)控制信號(hào)系統(tǒng)控制信號(hào) INTR可屏蔽中斷請(qǐng)求信號(hào) NMI非屏蔽中斷請(qǐng)求信號(hào) RESET系統(tǒng)復(fù)位信號(hào) INIT初始化信號(hào) CLK系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào) 6. 總線仲裁信號(hào)總線仲裁信號(hào) HO