微機(jī)原理第2章-3學(xué)分

1、第二章Intel系列微處理器 教學(xué)目標(biāo)介紹80 x86微處理器的體系結(jié)構(gòu)、工作方式、引腳功能及Pentium微處理器的體系結(jié)構(gòu) 學(xué)習(xí)要求Intel80 x86系列微處理器內(nèi)部 結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，工作方式及方式轉(zhuǎn)換，常用引腳功能的特點(diǎn)。 講授內(nèi)容第二章Intel系列微處理器第一節(jié)Intel系列微處理器概述 第二節(jié)理器的體系結(jié)構(gòu)第三節(jié)Pentium微處理器的體系結(jié)構(gòu)第一節(jié)Intel系列微處理器概述一、80868088微處理器8086 是標(biāo)準(zhǔn)16位微處理器，內(nèi)外數(shù)據(jù)總線都為16位；8088 是準(zhǔn)16 位微處理器，內(nèi)數(shù)據(jù)總線為16位，外部數(shù)據(jù)總線為8位。80868088 除了外部數(shù)據(jù)位數(shù)及與此相關(guān)的部分邏輯

2、稍有不同外，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本性 能相同，指令系統(tǒng)完全兼容。在80868088的設(shè)計(jì)中，引人了兩個(gè)重要的概念： 指令流水線存儲(chǔ)器分段這兩個(gè)概念在以后升級(jí)的INTEL系列微處理器中一直被沿用和發(fā)展。正 是這兩個(gè)概念的引入，使80868088 與原來(lái)的8位微處理器相比，在運(yùn)行速度、處理能力和對(duì)存儲(chǔ)空間訪問(wèn)等性能方面有很大提高。 8086/8088內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖執(zhí)行單元EU 由通用寄存器、運(yùn)算數(shù)據(jù)暫存器、算術(shù)邏輯單元（ALU）及EU 控制電路組成。它的主要作用是分析和執(zhí)行指令，即EU控制電路從指令隊(duì) 列取出指令代碼，經(jīng)譯碼，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)；數(shù)據(jù)在ALU中進(jìn)行運(yùn) 算；運(yùn)算過(guò)程及結(jié)果的某些特征保留在標(biāo)志

3、寄存器（EFLAGS）中?？偩€接口單元IU由段寄存器（CS、DS、SS、ES）、指令指針寄存器（IP）、內(nèi)部暫存器、指令隊(duì)列、地址加法器及總線控制電路組成。它的主要作用是負(fù)責(zé)執(zhí)行所有的“外部總線”操作，即當(dāng)EU從指令隊(duì)列中取走指令時(shí)，BIU即從內(nèi)存中取出后續(xù)的指令代碼放入隊(duì)列中；當(dāng)EU需要數(shù)據(jù)時(shí)，BIU根據(jù)EU輸出的地址，從指定的內(nèi)存單元或外設(shè)中取出數(shù)據(jù)供EU使用；當(dāng)運(yùn)算結(jié)束時(shí)，BIU將運(yùn)算結(jié)果送給指定的內(nèi)存單元或外設(shè)。段寄存器CS、DS、ES、SS1MB0000H段寄存器中存放的是16位的段基址；偏移量存放于有關(guān)寄存器中。段寄存器中存放的是16位的段基址；偏移量存放于有關(guān)寄存器中。FFFFH

4、 0000H1一 個(gè) 實(shí)際地址也稱物理 一 個(gè) 實(shí)際地址也稱物理 的物理地址由段基 址和偏移量構(gòu)成。2FFFFH0000HFFFFFH指令的物理地址段基址16偏移量CSIP例如：CS=2530H，IP=4200H，則目標(biāo)指令的存放地址為：2530H164200H=25300H4200H=29500H例如：DS=2000H，SI=0250H，則目標(biāo)數(shù)據(jù)的存放地址為： 2000H160250H=20000H20位地址加法器指令隊(duì)列主要使8086/8088的EU和BIU并行工作，取指令操作、分析指令操作重疊進(jìn)行，從而形成了兩級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)，減少了CPU為取指令而必須 等待的時(shí)間，提高了CPU的利用

5、率，加快了整機(jī)運(yùn)行速度，也降低了對(duì)存儲(chǔ) 器存取速度的要求。二、80286微處理器80286是一種增強(qiáng)型標(biāo)準(zhǔn)16位微處理器。與8086/8088相比，結(jié)構(gòu)上的 改進(jìn)與性能上的提高主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 內(nèi)部有執(zhí)行單元（EU）、總線單元（BU）、指令單元（IU）和地址單元（AU）4個(gè)獨(dú)立的部分并行操作，可實(shí)現(xiàn)4級(jí)流水線作業(yè)，使數(shù)據(jù)吞吐 率大大提高。地址總線與數(shù)據(jù)總線完全分開(kāi)使用。存儲(chǔ)空間有兩種工作方式：實(shí)地址方式和保護(hù)虛擬地址方式（保 護(hù)方式）。實(shí)地址方式有1MB的空間；保護(hù)方式有16MB的空間。在保護(hù)方式下，4個(gè)段寄存器裝入的不再是段基址，而是指向段 描述符表中某個(gè)段描述符的索引值，稱為段選擇

6、符。（1）實(shí)地址方式（又稱8086方式）存儲(chǔ)器的物理地址由段基址和段內(nèi)偏移量組成。（2）保護(hù)虛擬地址方式（保護(hù)方式）段寄存器80286的主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在該方式下，它增強(qiáng)了多用戶、多任務(wù)系統(tǒng)所必須的任務(wù)轉(zhuǎn)換功能、虛擬存儲(chǔ)器管理功能和多種保護(hù)功能，不僅運(yùn)算速度大為提高，而且支持多用戶、多任務(wù)操作。存儲(chǔ)器的物理地址由段基址和段內(nèi)偏移量組成。段描述符三、80386/80486微處理器80386/80486是針對(duì)多用戶和多任務(wù)的應(yīng)用而推出的32位微處理器， 與80286相比，它在結(jié)構(gòu)和性能上的主要特點(diǎn)如下： 內(nèi)部寄存器數(shù)量明顯增加，它具有全32位數(shù)據(jù)處理能力，還可以進(jìn)行64位的數(shù)據(jù)運(yùn)算。片內(nèi)存儲(chǔ)管理部件可

7、實(shí)現(xiàn)段頁(yè)式存儲(chǔ)管理，比80286可提供更大的虛擬 存儲(chǔ)空間和物理存儲(chǔ)空間。 比80286新增了一種保護(hù)模式下的工作方式，即虛擬8086方式。80486增加到6級(jí)指令流水線。 提供了32位外部總線接口，最大數(shù)據(jù)傳輸速率顯著提高。 運(yùn)算速度大大加快。四、Pentium微處理器Pentium是一種高性能的64位微處理器，它對(duì)80486作了下列重大的改進(jìn)： 采用超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)含兩條指令流水線。內(nèi)置的浮點(diǎn)運(yùn)算部件采用超流水線技術(shù)。增加了分支指令預(yù)測(cè)。內(nèi)置了指令和數(shù)據(jù)兩個(gè)獨(dú)立的超流水線技術(shù)。采用64位外部數(shù)據(jù)總線。引入了大型計(jì)算機(jī)中采用的內(nèi)部錯(cuò)誤檢測(cè)、功能冗余校驗(yàn)和錯(cuò)誤報(bào)告等自診斷功能。進(jìn)行了更多的可

8、測(cè)性設(shè)計(jì)。提供了獨(dú)特的性能監(jiān)察功能，以利于軟、硬件產(chǎn)品的優(yōu)化和升級(jí)。提供了靈活的存儲(chǔ)器頁(yè)面管理功能。第二節(jié)80486微處理器的體系結(jié)構(gòu)一、80486的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)80486是32位高性能處理器，它以提高性能和面向多處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為主要目標(biāo)，它具有如下的特點(diǎn)： 80486采用的是單倍的時(shí)鐘頻率，即在80486CPU的CLK端輸入的外部時(shí)鐘 頻率就是其內(nèi)部處理器的工作時(shí)鐘頻率。內(nèi)部包含有8K字節(jié)的指令/數(shù)據(jù)合用型高速緩存器。內(nèi)部包含了相當(dāng)于增強(qiáng)型80387功能的浮點(diǎn)協(xié)處理器。對(duì)使用頻率較高的基本指令，由原來(lái)的微代碼控制改為硬件邏輯直接控制，并在指令執(zhí)行單元采用了RISC技術(shù)和流水線技術(shù)。采用了突發(fā)

9、式總線傳輸方式。內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的寬度有32位、64位等多種，并分別用于不同單元之間的數(shù)據(jù)通路對(duì)某些內(nèi)部寄存器中部分位的內(nèi)容進(jìn)行了變動(dòng)和增加。面向多處理器結(jié)構(gòu)，在總線接口部件上增加了總線監(jiān)視功能，增加了支持多機(jī)操作的指令。二、80486的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與內(nèi)部寄存器1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)外部DB指令譯碼單元指令預(yù)取單元高速緩存單元總線接口單元（32位）指令譯碼單元指令預(yù)取單元高速緩存單元總線接口單元外部AB（32位） 內(nèi)部控制線 內(nèi)部DB（64位）物理地址頁(yè)管理單元執(zhí)行單元頁(yè)管理單元執(zhí)行單元段管理單元浮點(diǎn)運(yùn)算單元浮點(diǎn)運(yùn)算單元邏輯地址80486內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖2.指令流水線80486的流水線工作示意圖3.內(nèi)部寄存器1）

10、通用寄存器有8個(gè)32位的EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP、ESP；它們的低16位可以單獨(dú)訪問(wèn)被命名為： AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP。其中AX、BX、CX、DX還可以分別分成兩個(gè)8位寄存器：AH、AL、BH、BL、CH、 CL、DH、DL。指令指針寄存器（EIP）EIP用于保存下一條待預(yù)取指令相對(duì)于代碼段基址的偏移量。它的低16位可以單獨(dú)訪問(wèn)，稱之為IP標(biāo)志寄存器（EFLAGS）：32位標(biāo)志寄存器（EFLAGS）中包含三種標(biāo)志：狀態(tài)標(biāo)志（S）、控制標(biāo)志（C）和系統(tǒng)標(biāo)志（X）。狀態(tài)標(biāo)志（S）：反映指令執(zhí)行過(guò)程及結(jié)果的狀態(tài)。控制標(biāo)志（C）：它僅含一個(gè)標(biāo)志DF

11、，用于控制串操作指令的地址改變方向。系統(tǒng)標(biāo)志（X）：它用于控制I/O、屏蔽中斷、調(diào)試、任務(wù)轉(zhuǎn)換和控制保護(hù) 方式與虛擬8086方式間的轉(zhuǎn)換。段寄存器：80486有6個(gè)段寄存器（CS、SS、DS、ES、FS、GS），用于決定程序使用存儲(chǔ)器區(qū)域塊。其中CS指明當(dāng)前的代碼段；SS指明當(dāng)前的堆棧段；DS、ES、FS和GS指明當(dāng)前的4個(gè)數(shù)據(jù)段。三、80486的三種工作方式及相互轉(zhuǎn)換112380486的三種工作方式轉(zhuǎn)換四、80486常用的外部引腳信號(hào)地址總線引腳、數(shù)據(jù)總線引腳、控制總線引腳由地址信號(hào)A31A2 和字節(jié)選通信號(hào)BE3BE0,組合成32條地址線80486尋址4GB的I/O地址空間D31D0完成32位的數(shù)據(jù)傳送、16位的數(shù)據(jù)傳送、 8位的數(shù)據(jù)傳送。BS8、