80386微處理器資料課件

80386微處理器

（參考郁慧娣書第9章9.2、9.3、9.4和第3版教材第8章8.2）80386微處理器

（參考郁慧娣書第9章9.2、9.3、1

8.280386微處理器80386是一種與16位的80286相兼容的第一個高性能全32位微處理器，它代表了體系結(jié)構(gòu)的重要進(jìn)步——從16位體系結(jié)構(gòu)過渡到32位體系結(jié)構(gòu)。80386采用高速ＣＨＭＯＳⅢ1.5μm技術(shù)，132條引出線用網(wǎng)格陣列式封裝在陶瓷片內(nèi)，其耗散功率在1.5w到3.0w之間。

8.280386微處理器802一、80386的特點

1.80386芯片在硬件結(jié)構(gòu)上由６個邏輯單元組成。它們按流水線方式工作，運(yùn)行速度可達(dá)到４MIPS。

2.80386有三種方式：實方式、保護(hù)方式、V86方式

。3.硬件支持段式管理和頁式管理，易于實現(xiàn)虛擬存儲系統(tǒng)。

4.硬件支持多任務(wù)，一條指令可以完成任務(wù)切換。

5.特權(quán)保護(hù)機(jī)制

4級特權(quán)級：０級最優(yōu)先，其次為１，２和３級。一、80386的特點1.80386芯片在硬件結(jié)構(gòu)上3二、80386的內(nèi)部結(jié)構(gòu)二、80386的內(nèi)部結(jié)構(gòu)41.

總線接口部件（BIU：BusInterfaceUnit）。2.

指令預(yù)取部件（CPU：CodePrefetchUnit）。3.

指令譯碼部件（IDU：InstructionDecodeUnit）。4.

執(zhí)行部件（EU：ExecutionUnit）。它可進(jìn)一步分為控制部件（ControlUnit）,保護(hù)測試部件（ProtectionTestUnit）和數(shù)據(jù)處理部件（DataUnit）３部分。5.

段管理部件（SU：SegmentUnit）。6.頁管理部件（PU：PagingUnit）。1.總線接口部件（BIU：BusInterfaceU5三、80386的寄存器結(jié)構(gòu)

80386有７類寄存器： 通用寄存器、段寄存器、指令指針和標(biāo)志寄存器、控制寄存器、系統(tǒng)地址寄存器、調(diào)試寄存器以及測試寄存器。 三、80386的寄存器結(jié)構(gòu) 80386有７類寄存器：6(一)通用寄存器

80386有８個32位的通用寄存器，分別命名為EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP以及ESP。(一)通用寄存器80386有８個32位7(二)段寄存器和段描述符高速緩存器

80386增加了FS和GS兩個新的數(shù)據(jù)段寄存器。

段寄存器里存放的不再是段基址的高16位，而是選擇器(P288圖9.7)。b15b14…………b4b3b2b1b0索引（13位）TI(0:GDT；1:LDT)RPL(二)段寄存器和段描述符高速緩存器 80386增加了FS8 80386中有一個32位的指令指針（EIP）和一個32位的標(biāo)志寄存器（EFLAGS）。 80386工作在實模式時采用16位的指令指針I(yè)P。

EFLAGS的低12位與8086標(biāo)志寄存器FLAGS完全相同。高20位中設(shè)置了4個新的標(biāo)志。(三)指令指針和標(biāo)志寄存器圖9.8保護(hù)方式標(biāo)志寄存器(P288) 80386中有一個32位的指令指針（EIP）和一個329(四)系統(tǒng)地址寄存器和系統(tǒng)段寄存器

GDTR——

全局描述符表寄存器

IDTR——

中斷描述符表寄存器

LDTR——

局部描述符表寄存器

TR——任務(wù)寄存器(四)系統(tǒng)地址寄存器和系統(tǒng)段寄存器 GDTR——全局描10全局描述符表寄存器(GDTR)(圖9.2)全局描述符表寄存器(GDTR)(圖9.2)11例1.

如果GDTR的內(nèi)容為200000001FFFh，請給出GDT的起始地址、結(jié)束地址、表的長度。表中放了多少個描述符？最后一個描述符的地址范圍？解：GDT的起始地址

=20000000h

GDT的結(jié)束地址

=20000000h+1FFFh=20001FFFh

GDT表長

=1FFFh+1=2000h

表中描述符個數(shù)

=2000h÷8=400h=1024 最后一個描述符的地址范圍:20001FFFh－7=20001FF8h~20001FFFh

例1.如果GDTR的內(nèi)容為200000001FFFh，請給12中斷描述符表寄存器(IDTR)(圖9.3)中斷描述符表寄存器(IDTR)(圖9.3)13局部描述符表寄存器(LDTR)(圖9.4)局部描述符表寄存器(LDTR)(圖9.4)14例2.假設(shè)GDT的基地址為01002000h，LDTR=2108h，問LDT描述符的地址范圍？解：LDTR=0010000100001000

TI=0,LDT描述符在GDT中

索引

=0010000100001

LDT描述符的起始地址：GDT的基地址＋索引×8=01002000h＋0010000100001×8

=01004108h

LDT描述符的地址范圍（占8字節(jié)）： 01004108h~0100410Fh例2.假設(shè)GDT的基地址為01002000h，LDTR=15任務(wù)寄存器(TR)(圖9.6)任務(wù)寄存器(TR)(圖9.6)16例3.假設(shè)GDT的基地址為00011000h，TR=3208h，問TSS描述符的地址范圍？解：TR=0011001000001000

TI=0,TSS描述符在GDT中

索引

=0011001000001

TSS描述符的起始地址：GDT的基地址＋索引×8=00011000h＋0011001000001×8

=00014208h

TSS描述符的地址范圍（占8字節(jié)）： 00014208h~0001420Fh例3.假設(shè)GDT的基地址為00011000h，TR=3217(五)控制寄存器

80386中有3個32位的控制寄存器CR0、CR2和CR3，用于保存機(jī)器的各種全局性狀態(tài)，這些狀態(tài)影響系統(tǒng)所有任務(wù)的運(yùn)行。

CR1未定義，留作備用。１.CR0——控制寄存器0 定義了6個控制和狀態(tài)標(biāo)志。(五)控制寄存器 80386中有3個32位的控制寄存器18PE（位0）和PG（位31）——保護(hù)控制位。TS——任務(wù)切換位每當(dāng)任務(wù)切換時,處理器將把TS置為1。MP——監(jiān)控協(xié)處理器位MP為1時,表示有協(xié)處理器在工作。EM——模擬協(xié)處理器控制位EM為1時,表示用軟件仿真協(xié)處理器。ET——協(xié)處理器擴(kuò)展類型

0：80287協(xié)處理器；1：80387協(xié)處理器；PE（位0）和PG（位31）——保護(hù)控制位。19２.CR2——控制寄存器２CR2稱為頁面故障線性地址寄存器，用于發(fā)生頁面訪問異常時報告出錯信息。３.CR3——控制寄存器３CR3稱為頁組目錄基址寄存器，用于存放頁目錄表的物理基地址。如下圖所示。（分頁時用到）２.CR2——控制寄存器２20四、80386的三種工作模式

80386有3種工作模式：

實地址模式（RealAddressMode）,簡稱為實模式；

保護(hù)虛擬地址模式（ProtectedVirtualAddressMode），也叫保護(hù)模式；

虛擬8086模式（VirtualAddress8086Mode），簡稱為V86模式。四、80386的三種工作模式 80386有3種工作模式21實地址模式

當(dāng)80386在剛加電啟動或復(fù)位時，便由操作系統(tǒng)自動控制進(jìn)入實模式。

實模式主要是為80386進(jìn)行初始化用的，為80386保護(hù)模式所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做好各種配置和準(zhǔn)備。 在實模式下，80386類似于8086的體系結(jié)構(gòu)，與8086兼容。實地址模式 當(dāng)80386在剛加電啟動或復(fù)位時，便由操作系統(tǒng)22保護(hù)虛擬地址模式

保護(hù)模式是80386最常用的、也是最具特色的工作模式。通常在開機(jī)或復(fù)位后，機(jī)器先進(jìn)入實模式完成初始化，然后就立即切換到保護(hù)模式。 保護(hù)模式提供了多任務(wù)環(huán)境中的各種復(fù)雜功能以及對復(fù)雜存儲器組織的管理機(jī)制：

1）多用戶、多任務(wù)；

2）虛擬存儲管理；

物理存儲空間：4GB；虛擬存儲空間：64TB

保護(hù)虛擬地址模式 保護(hù)模式是80386最23

所謂虛擬存儲空間是指程序所占有的存儲空間。80386系統(tǒng)中，由于內(nèi)存容量的限制，并不可能將所有的段都放在內(nèi)存中的，而必須將大部分段放在海量的外部磁盤上，待執(zhí)行到相關(guān)程序段時再調(diào)入內(nèi)存，將暫時不執(zhí)行的程序段調(diào)出內(nèi)存。 程序員編寫程序時，其程序存入磁盤。這樣，從程序員的角度來看，系統(tǒng)中似乎有一個容量很大、速度也相當(dāng)快的虛擬存儲器；當(dāng)然，它并不是真正的物理上的內(nèi)存。 3）保護(hù)機(jī)制； 特權(quán)保護(hù)機(jī)制、不同任務(wù)之間的隔離(不同的虛擬存儲空間) 所謂虛擬存儲空間是指程序所占有的存儲空間。8038624虛擬8086模式（1）使80386可以快速地執(zhí)行多個8086的應(yīng)用程序。（2）段寄存器的用法和實模式時相同。（3）存儲器尋址空間為1MB，可以使用分頁機(jī)制，支持多任務(wù)。在多任務(wù)系統(tǒng)中，80386可以使其中的一個或幾個任務(wù)使用虛擬8086模式。此時，可以使一個任務(wù)所用的全部頁面定位于某個物理地址空間，而另一個任務(wù)所用的頁面定位于其他物理地址空間，這樣，就把存儲器虛擬化了，虛擬8086模式的名稱即由此而來。（4）在虛擬8086模式中，程序是在最低特權(quán)級（3級）上運(yùn)行的，因此，80386指令系統(tǒng)中的一些特權(quán)指令是不能使用的。虛擬8086模式（1）使80386可以快速地執(zhí)行多個808625五、80386的存儲器管理

80386利用片內(nèi)的存儲管理單元（MemoryManagementUnit,簡稱MMU

）來實現(xiàn)對存儲器系統(tǒng)的兩級管理：分段管理（邏輯地址→線性地址）和分頁管理（線性地址→物理地址）

。 在兩級存儲管理中，段的大小可以選擇（可以字節(jié)或頁為單位），根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和代碼模塊的大小而確定。 另外，對每個段還可以賦予屬性和保護(hù)信息，以有效防止在多任務(wù)環(huán)境下各個模塊對存儲器的越權(quán)訪問。五、80386的存儲器管理 80386利用片內(nèi)的存儲管26(一)實模式

80386的所有指令在實模式下都有效。其物理地址的形成與8086相同,可尋址的實地址空間只有1MB，所有的段最大容量為64KB。

中斷向量表仍設(shè)置在00000H～003FFH共計1K字節(jié)的存儲區(qū)內(nèi)。 系統(tǒng)初始化區(qū)在FFFFFFF0H～FFFFFFFFH存儲區(qū)內(nèi)。 (一)實模式 80386的所有指令在實模式下都有效。其物27(二)保護(hù)模式

保護(hù)模式下采用段頁式管理機(jī)構(gòu)。(二)保護(hù)模式 保護(hù)模式下采用段頁式管理機(jī)構(gòu)。28

保護(hù)模式下采用段頁式管理機(jī)構(gòu)。 注意區(qū)分邏輯地址、線性地址和物理地址這3者之間的關(guān)系。(二)保護(hù)模式 保護(hù)模式下采用段頁式管理機(jī)構(gòu)。(二)保護(hù)模式29邏輯地址：16位段選擇子+32位有效地址 有效地址=基址+變址×比例因子+位移量

線性地址

由存儲器段式管理機(jī)構(gòu)按下式來計算：

線性地址

=

段基地址+有效地址物理地址 頁式管理機(jī)構(gòu)不工作時，物理地址=線性地址;頁式管理機(jī)構(gòu)工作時，物理地址=F(線性地址)邏輯地址：16位段選擇子+32位有效地址30分段管理

為了實現(xiàn)分段管理，80386把有關(guān)段的信息存放在一個稱為段描述符（簡稱描述符）的8個字節(jié)長的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，并把系統(tǒng)中所有的描述符編成一張表，以便硬件查找和識別。 80386共設(shè)置了3種描述符表，即全局描述符表GDT、局部描述符表LDT和中斷描述符表IDT。

分段管理 為了實現(xiàn)分段管理，80386把有關(guān)段的信息存放在31

段描述符包括：

段基地址（BaseAddress），規(guī)定了線性地址空間中段的起始地址。也可以把基地址看成是段內(nèi)偏移量為０的線性地址。

段的界限（Limit），表示在虛擬地址中，段內(nèi)可使用的最大偏移量。

段的屬性（Attributes），包括該段是否可讀出、寫入以及段的特權(quán)級等。 有兩種類型的段：非系統(tǒng)段、系統(tǒng)段；兩種段描述符：非系統(tǒng)段描述符、

系統(tǒng)段描述符。 段描述符包括：32非系統(tǒng)段描述符(P296圖9.20)

非系統(tǒng)段指一般的代碼段、數(shù)據(jù)段和堆棧段。（s=1）基地址（B0~B15）界限（L0~L15）屬性字節(jié)（訪問權(quán)字節(jié)）(8位)：B5基地址（32位）：B7B4B3B2界限（20位）：B6(低4位)B1B0非系統(tǒng)段描述符(P296圖9.20) 非系統(tǒng)段指一般3380386微處理器資料課件34例請分析下面的描述符：

6420

80

00

B2

0A

000003FF解：屬性字節(jié)：B2h=10110010

可寫的數(shù)據(jù)段，DPL=1，在內(nèi)存，未訪問過。

數(shù)據(jù)段基址：800A0000h

界限：003FFh例請分析下面的描述符：8000B35

系統(tǒng)段描述符(P299圖9.23)

系統(tǒng)段描述符也稱為特殊段描述符（S位為0）。 系統(tǒng)段包括任務(wù)狀態(tài)段TSS和門，另外，局部描述符表LDT也作為一種系統(tǒng)段?；刂罚˙0~B15）界限（L0~L15）系統(tǒng)段描述符(P299圖9.23) 系統(tǒng)段描述符也稱3680386微處理器資料課件37例請分析下面的描述符：1、

642000

00

A2

10

000000FF解：屬性字節(jié)：A2h=10100010386LDT描述符，有效，DPL=1。

LDT基址：00100000h

界限：000FFh例請分析下面的描述符：0000A238分段管理總結(jié)分段管理總結(jié)39例(P297圖9.21)：訪問代碼段例(P297圖9.21)：訪問代碼段4080386微處理器資料課件41分頁管理

在80386中，在設(shè)計分段管理的基礎(chǔ)上又增加了分頁管理。在多任務(wù)系統(tǒng)中，有了分頁管理功能，就只需把每個活動任務(wù)當(dāng)前所需要的少量頁面放在存儲器中。 當(dāng)CR0中的PG=1時,系統(tǒng)就啟動分頁機(jī)制； 當(dāng)PG=0時，則禁止使用分頁機(jī)制，而且把分段機(jī)制產(chǎn)生的線性地址直接當(dāng)作物理地址使用。 80386分頁管理的對象是固定大小為4KB的存儲塊，稱之為頁。分頁管理 在80386中，在設(shè)計分段管理的基礎(chǔ)上又增加了分42段頁式結(jié)構(gòu)的尋址過程下×4×4CR3段頁式結(jié)構(gòu)的尋址過程下×4×4CR343頁表結(jié)構(gòu)、頁目錄描述符以及頁描述符 80386采用了兩級表結(jié)構(gòu)：頁目錄表和頁表。 當(dāng)允許分頁時，分頁機(jī)制將實現(xiàn)兩級地址轉(zhuǎn)換:在較高一級，由頁目錄表中的一個頁目錄項映射頁表；在低一級，由頁表映射頁。圖9.24頁目錄項和頁表項的格式（P299）頁表結(jié)構(gòu)、頁目錄描述符以及頁描述符 80386采用了44P—存在位，表示該頁/頁表是否在內(nèi)存W—寫允許位，表示該頁/頁表是可寫U—用戶位，表示該頁/頁表用戶是否可用A—訪問位，表示該頁/頁表是否訪問過D—出錯位AVL—

程序員可使用的位

當(dāng)頁目錄項和頁表項的U、W位不一致時，選取最小的值。例假設(shè)頁目錄項的UW位=11（用戶可寫），頁表項的UW位=10（用戶可用，但只可讀，不可寫）則，最終UW位=min(11,10)=10

（用戶可用，但只可讀，不可寫）P—存在位，表示該頁/頁表是否在內(nèi)存45分頁管理尋址過程舉例假設(shè)線性地址=12345678H，CR3=10000000H,頁目錄描述符=20000005H，頁描述符=30000007H

求:1）頁目錄描述符的地址2）頁描述符的地址3）操作數(shù)（32位）的地址4)操作數(shù)用戶是否可寫？答:

1）頁目錄描述符的地址10000120H~10000123H2）頁描述符的地址20000D14H~20000D17H3）操作數(shù)（32位）的地址30000678H~3000067BH操作數(shù)用戶是否可寫？頁目錄描述符:U=1,W=0,不可寫頁描述符:U=1,W=1，可寫∴操作數(shù)用戶不可寫CR3×4×4分頁管理尋址過程舉例求:1）頁目錄描述符的地址答:1）頁46分段分頁綜合例題

80386工作在保護(hù)方式下，GDTR=002000001FFFH，LDTR=3009H，CS=1007H，EIP=00000800H。1）GDT的起始地址為

，結(jié)束地址為

。GDT的表長為

。2）LDT描述符的地址范圍是

到

。分段分頁綜合例題473）若代碼段描述符為：

6

4

2

0則代碼段的屬性為：特權(quán)級

，是否可讀

，是否在內(nèi)存

，是否訪問過

。代碼段的長度為

。00

00

FB

50

00000FFF3）若代碼段描述符為：0000F484）若80386僅分段，不分頁，則當(dāng)前執(zhí)行指令的物理地址是

；若分段，又分頁，則訪問代碼段時轉(zhuǎn)換的線性地址為

；根據(jù)此線性地址進(jìn)行分頁轉(zhuǎn)換，頁目錄描述符的偏移地址為

，頁表描述符的偏移地址為

，被訪問指令在頁幀中的偏移地址為

。4）若80386僅分段，不分頁，則當(dāng)前執(zhí)行指令的物理地址是49保護(hù)

386支持兩個主要的保護(hù)類型：

一類是不同任務(wù)之間的保護(hù)。它是通過給每一任務(wù)分配不同的虛擬地址空間，而每一任務(wù)有各自不同的虛擬地址—物理地址的轉(zhuǎn)換映射，因而可實現(xiàn)任務(wù)之間的完全隔離。

另一類是同一任務(wù)內(nèi)的保護(hù)。定義4種特權(quán)級（特權(quán)級0、1、2、3），特權(quán)級0最高，特權(quán)級3最低。每個段都有對應(yīng)的特權(quán)級，訪問段時需遵循相應(yīng)的特權(quán)保護(hù)規(guī)則。保護(hù)50系統(tǒng)中特權(quán)級的安排系統(tǒng)中特權(quán)級的安排51特權(quán)級種類：1、請求特權(quán)級——RPL RPL為選擇子的最低2位2、描述符特權(quán)級——DPL DPL為描述符中屬性字節(jié)的b6、b5位3、當(dāng)前特權(quán)級——CPL CPL=當(dāng)前正在執(zhí)行的代碼段的DPL4、輸入輸出特權(quán)級——IOPL特權(quán)級種類：52各種段的特權(quán)保護(hù)：1、數(shù)據(jù)段、附加數(shù)據(jù)段的特權(quán)保護(hù)

max{CPL,RPL}≤DPL

程序只能訪問特權(quán)級相同或較低的數(shù)據(jù)段例：MOV AX,01001101B MOV DS,AX

RPL=01CPL為這段程序所在代碼段的DPL(假設(shè)=10)

則該程序所能訪問的數(shù)據(jù)段的

DPL≥max{CPL,RPL}

即DPL≥max{10,01}

=10即只能訪問特權(quán)級為2，3的數(shù)據(jù)段。各種段的特權(quán)保護(hù)：532、堆棧段的特權(quán)保護(hù)

DPL=RPL=CPL

任務(wù)在不同特權(quán)級操作時必須有獨立的堆棧，否則低特權(quán)級的任務(wù)會通過堆棧影響高特權(quán)級的任務(wù)。2、堆棧段的特權(quán)保護(hù)543、代碼段的特權(quán)保護(hù)1）程序段在同特權(quán)級之間可以進(jìn)行控制轉(zhuǎn)移；2）低特權(quán)級的段到高特權(quán)級的段通過某些合法的入口點（如“調(diào)用門”）也可以進(jìn)行控制轉(zhuǎn)移；

CPL≤DPL（調(diào)用門）3）高特權(quán)級到低特權(quán)級之間的轉(zhuǎn)移是禁止的。如，操作系統(tǒng)的程序不能調(diào)用、跳轉(zhuǎn)到用戶的程序。3、代碼段的特權(quán)保護(hù)55

門描述符格式（P305圖9.30）和系統(tǒng)段描述符有差別。它包含一個32位的偏移地址，一個字計數(shù)和一個選擇子。

調(diào)用門描述符由選擇子、偏移地址和字計數(shù)構(gòu)成。

選擇子和偏移地址指出一個子程序的起始地址，字計數(shù)指出有多少參數(shù)必須從主程序的堆棧傳送到被調(diào)用的子程序的堆棧上。對其他門而言，字計數(shù)值字段無意義。 門描述符格式（P305圖9.30）和系統(tǒng)段描述符有差別。56例請分析下面的描述符：1、

642000

00

CC

10

00258000解：屬性字節(jié)：CCh=11001100386調(diào)用門描述符，有效，DPL=2。

目標(biāo)代碼段選擇子：0025h目標(biāo)代碼段偏移地址：00008000h

雙字計數(shù)：10h×4B=64B即要從調(diào)用程序的堆?？截?4B的參數(shù)到被調(diào)用程序的堆棧。例請分析下面的描述符：0000CC574、協(xié)調(diào)（一致）代碼段

(屬性字節(jié)中C=1) 任何低特權(quán)級的過程可直接調(diào)用或轉(zhuǎn)移到協(xié)調(diào)代碼段，不必使用調(diào)用門，也不必切換堆棧。但轉(zhuǎn)移、調(diào)用后CPL不變，仍為調(diào)用前的低特權(quán)級。 因此，除協(xié)調(diào)代碼段外，調(diào)用過程仍不能訪問其他高特權(quán)級的代碼段，只能把協(xié)調(diào)代碼段協(xié)調(diào)到調(diào)用者的特權(quán)級。4、協(xié)調(diào)（一致）代碼段(屬性字節(jié)中C=1)58例請分析下面的描述符：1、

642001

00

BF

0B

00007FFF解：屬性字節(jié)：BFh=10111111協(xié)調(diào)代碼段，DPL=1，在內(nèi)存，可讀，被訪問過。

代碼段基址：010B0000h

界限：07FFFh注：特權(quán)級為1、2、3的代碼段都可調(diào)用或跳轉(zhuǎn)到該協(xié)調(diào)代碼段，但轉(zhuǎn)移到該協(xié)調(diào)代碼段后，當(dāng)前特權(quán)級CPL不變。如，原CPL=3，則調(diào)用后，CPL還是3，不會變成1。例請分析下面的描述符：0100BF59（三）虛擬8086方式（V86方式） 為了解決80286中不能在保護(hù)模式下運(yùn)行8086／8088應(yīng)用程序的問題，從80386開始，在保護(hù)模式中引入了虛擬8086工作模式（簡稱V86模式）。

V86模式下，多個8086實模式的應(yīng)用軟件可以同時運(yùn)行。操作系統(tǒng)可以并行執(zhí)行8086、80286和80386的程序。

V86模式是讓80386模擬1MB空間的尋址環(huán)境，但它并不僅限于1MB的存儲空間，因為它可以同時支持幾個V86環(huán)境。

（三）虛擬8086方式（V86方式） 為了解決8028660V86模式的主要特點

１.V86模式的尋址 在V86模式下，80386對段寄存器的解釋與處理方式和實模式一樣。２.V86模式下的保護(hù)功能

V86模式具有80386的一些保護(hù)功能，但只是簡單地把V86模式下的任務(wù)的特權(quán)級一律降到最低級3。

在V86模式下，只能執(zhí)行SGDT、SIDT和SMSW這3條指令，如果要執(zhí)行其他保護(hù)模式指令，均會產(chǎn)生異常。V86模式的主要特點

１.V86模式的尋址２.V86模式613.V86模式下的分頁功能

為了使80386運(yùn)行多個虛擬任務(wù)的地址空間大于１MB的物理地址空間，則需要存儲器管理部件進(jìn)行分頁操作。若要啟動分頁機(jī)制，必須預(yù)先在保護(hù)模式下對CR0的PG位（位31）置1。

V86模式下的分頁時線性地址的算法與實模式下完全相同。3.V86模式下的分頁功能62六、80386/80486三種工作模式的相互轉(zhuǎn)變

CPU復(fù)位后進(jìn)入實地址模式;通過修改CR0的PE位，可以使CPU從實地址模式轉(zhuǎn)變到保護(hù)模式，或者從保護(hù)模式轉(zhuǎn)變到實地址模式;通過執(zhí)行IRETD指令，或者進(jìn)行任務(wù)轉(zhuǎn)換，可從保護(hù)模式轉(zhuǎn)變到V86模式。采用中斷操作，可以從V86模式轉(zhuǎn)變到保護(hù)模式。六、80386/80486三種工作模式的相互轉(zhuǎn)變

CPU63ENDEND6480386微處理器

（參考郁慧娣書第9章9.2、9.3、9.4和第3版教材第8章8.2）80386微處理器

（參考郁慧娣書第9章9.2、9.3、65

8.280386微處理器80386是一種與16位的80286相兼容的第一個高性能全32位微處理器，它代表了體系結(jié)構(gòu)的重要進(jìn)步——從16位體系結(jié)構(gòu)過渡到32位體系結(jié)構(gòu)。80386采用高速ＣＨＭＯＳⅢ1.5μm技術(shù)，132條引出線用網(wǎng)格陣列式封裝在陶瓷片內(nèi)，其耗散功率在1.5w到3.0w之間。

8.280386微處理器8066一、80386的特點

1.80386芯片在硬件結(jié)構(gòu)上由６個邏輯單元組成。它們按流水線方式工作，運(yùn)行速度可達(dá)到４MIPS。

2.80386有三種方式：實方式、保護(hù)方式、V86方式

。3.硬件支持段式管理和頁式管理，易于實現(xiàn)虛擬存儲系統(tǒng)。

4.硬件支持多任務(wù)，一條指令可以完成任務(wù)切換。

5.特權(quán)保護(hù)機(jī)制

4級特權(quán)級：０級最優(yōu)先，其次為１，２和３級。一、80386的特點1.80386芯片在硬件結(jié)構(gòu)上67二、80386的內(nèi)部結(jié)構(gòu)二、80386的內(nèi)部結(jié)構(gòu)681.

總線接口部件（BIU：BusInterfaceUnit）。2.

指令預(yù)取部件（CPU：CodePrefetchUnit）。3.

指令譯碼部件（IDU：InstructionDecodeUnit）。4.

執(zhí)行部件（EU：ExecutionUnit）。它可進(jìn)一步分為控制部件（ControlUnit）,保護(hù)測試部件（ProtectionTestUnit）和數(shù)據(jù)處理部件（DataUnit）３部分。5.

段管理部件（SU：SegmentUnit）。6.頁管理部件（PU：PagingUnit）。1.總線接口部件（BIU：BusInterfaceU69三、80386的寄存器結(jié)構(gòu)

80386有７類寄存器： 通用寄存器、段寄存器、指令指針和標(biāo)志寄存器、控制寄存器、系統(tǒng)地址寄存器、調(diào)試寄存器以及測試寄存器。 三、80386的寄存器結(jié)構(gòu) 80386有７類寄存器：70(一)通用寄存器

80386有８個32位的通用寄存器，分別命名為EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP以及ESP。(一)通用寄存器80386有８個32位71(二)段寄存器和段描述符高速緩存器

80386增加了FS和GS兩個新的數(shù)據(jù)段寄存器。

段寄存器里存放的不再是段基址的高16位，而是選擇器(P288圖9.7)。b15b14…………b4b3b2b1b0索引（13位）TI(0:GDT；1:LDT)RPL(二)段寄存器和段描述符高速緩存器 80386增加了FS72 80386中有一個32位的指令指針（EIP）和一個32位的標(biāo)志寄存器（EFLAGS）。 80386工作在實模式時采用16位的指令指針I(yè)P。

EFLAGS的低12位與8086標(biāo)志寄存器FLAGS完全相同。高20位中設(shè)置了4個新的標(biāo)志。(三)指令指針和標(biāo)志寄存器圖9.8保護(hù)方式標(biāo)志寄存器(P288) 80386中有一個32位的指令指針（EIP）和一個3273(四)系統(tǒng)地址寄存器和系統(tǒng)段寄存器

GDTR——

全局描述符表寄存器

IDTR——

中斷描述符表寄存器

LDTR——

局部描述符表寄存器

TR——任務(wù)寄存器(四)系統(tǒng)地址寄存器和系統(tǒng)段寄存器 GDTR——全局描74全局描述符表寄存器(GDTR)(圖9.2)全局描述符表寄存器(GDTR)(圖9.2)75例1.

如果GDTR的內(nèi)容為200000001FFFh，請給出GDT的起始地址、結(jié)束地址、表的長度。表中放了多少個描述符？最后一個描述符的地址范圍？解：GDT的起始地址

=20000000h

GDT的結(jié)束地址

=20000000h+1FFFh=20001FFFh

GDT表長

=1FFFh+1=2000h

表中描述符個數(shù)

=2000h÷8=400h=1024 最后一個描述符的地址范圍:20001FFFh－7=20001FF8h~20001FFFh

例1.如果GDTR的內(nèi)容為200000001FFFh，請給76中斷描述符表寄存器(IDTR)(圖9.3)中斷描述符表寄存器(IDTR)(圖9.3)77局部描述符表寄存器(LDTR)(圖9.4)局部描述符表寄存器(LDTR)(圖9.4)78例2.假設(shè)GDT的基地址為01002000h，LDTR=2108h，問LDT描述符的地址范圍？解：LDTR=0010000100001000

TI=0,LDT描述符在GDT中

索引

=0010000100001

LDT描述符的起始地址：GDT的基地址＋索引×8=01002000h＋0010000100001×8

=01004108h

LDT描述符的地址范圍（占8字節(jié)）： 01004108h~0100410Fh例2.假設(shè)GDT的基地址為01002000h，LDTR=79任務(wù)寄存器(TR)(圖9.6)任務(wù)寄存器(TR)(圖9.6)80例3.假設(shè)GDT的基地址為00011000h，TR=3208h，問TSS描述符的地址范圍？解：TR=0011001000001000

TI=0,TSS描述符在GDT中

索引

=0011001000001

TSS描述符的起始地址：GDT的基地址＋索引×8=00011000h＋0011001000001×8

=00014208h

TSS描述符的地址范圍（占8字節(jié)）： 00014208h~0001420Fh例3.假設(shè)GDT的基地址為00011000h，TR=3281(五)控制寄存器

80386中有3個32位的控制寄存器CR0、CR2和CR3，用于保存機(jī)器的各種全局性狀態(tài)，這些狀態(tài)影響系統(tǒng)所有任務(wù)的運(yùn)行。

CR1未定義，留作備用。１.CR0——控制寄存器0 定義了6個控制和狀態(tài)標(biāo)志。(五)控制寄存器 80386中有3個32位的控制寄存器82PE（位0）和PG（位31）——保護(hù)控制位。TS——任務(wù)切換位每當(dāng)任務(wù)切換時,處理器將把TS置為1。MP——監(jiān)控協(xié)處理器位MP為1時,表示有協(xié)處理器在工作。EM——模擬協(xié)處理器控制位EM為1時,表示用軟件仿真協(xié)處理器。ET——協(xié)處理器擴(kuò)展類型

0：80287協(xié)處理器；1：80387協(xié)處理器；PE（位0）和PG（位31）——保護(hù)控制位。83２.CR2——控制寄存器２CR2稱為頁面故障線性地址寄存器，用于發(fā)生頁面訪問異常時報告出錯信息。３.CR3——控制寄存器３CR3稱為頁組目錄基址寄存器，用于存放頁目錄表的物理基地址。如下圖所示。（分頁時用到）２.CR2——控制寄存器２84四、80386的三種工作模式

80386有3種工作模式：

實地址模式（RealAddressMode）,簡稱為實模式；

保護(hù)虛擬地址模式（ProtectedVirtualAddressMode），也叫保護(hù)模式；

虛擬8086模式（VirtualAddress8086Mode），簡稱為V86模式。四、80386的三種工作模式 80386有3種工作模式85實地址模式

當(dāng)80386在剛加電啟動或復(fù)位時，便由操作系統(tǒng)自動控制進(jìn)入實模式。

實模式主要是為80386進(jìn)行初始化用的，為80386保護(hù)模式所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做好各種配置和準(zhǔn)備。 在實模式下，80386類似于8086的體系結(jié)構(gòu)，與8086兼容。實地址模式 當(dāng)80386在剛加電啟動或復(fù)位時，便由操作系統(tǒng)86保護(hù)虛擬地址模式

保護(hù)模式是80386最常用的、也是最具特色的工作模式。通常在開機(jī)或復(fù)位后，機(jī)器先進(jìn)入實模式完成初始化，然后就立即切換到保護(hù)模式。 保護(hù)模式提供了多任務(wù)環(huán)境中的各種復(fù)雜功能以及對復(fù)雜存儲器組織的管理機(jī)制：

1）多用戶、多任務(wù)；

2）虛擬存儲管理；

物理存儲空間：4GB；虛擬存儲空間：64TB

保護(hù)虛擬地址模式 保護(hù)模式是80386最87

所謂虛擬存儲空間是指程序所占有的存儲空間。80386系統(tǒng)中，由于內(nèi)存容量的限制，并不可能將所有的段都放在內(nèi)存中的，而必須將大部分段放在海量的外部磁盤上，待執(zhí)行到相關(guān)程序段時再調(diào)入內(nèi)存，將暫時不執(zhí)行的程序段調(diào)出內(nèi)存。 程序員編寫程序時，其程序存入磁盤。這樣，從程序員的角度來看，系統(tǒng)中似乎有一個容量很大、速度也相當(dāng)快的虛擬存儲器；當(dāng)然，它并不是真正的物理上的內(nèi)存。 3）保護(hù)機(jī)制； 特權(quán)保護(hù)機(jī)制、不同任務(wù)之間的隔離(不同的虛擬存儲空間) 所謂虛擬存儲空間是指程序所占有的存儲空間。8038688虛擬8086模式（1）使80386可以快速地執(zhí)行多個8086的應(yīng)用程序。（2）段寄存器的用法和實模式時相同。（3）存儲器尋址空間為1MB，可以使用分頁機(jī)制，支持多任務(wù)。在多任務(wù)系統(tǒng)中，80386可以使其中的一個或幾個任務(wù)使用虛擬8086模式。此時，可以使一個任務(wù)所用的全部頁面定位于某個物理地址空間，而另一個任務(wù)所用的頁面定位于其他物理地址空間，這樣，就把存儲器虛擬化了，虛擬8086模式的名稱即由此而來。（4）在虛擬8086模式中，程序是在最低特權(quán)級（3級）上運(yùn)行的，因此，80386指令系統(tǒng)中的一些特權(quán)指令是不能使用的。虛擬8086模式（1）使80386可以快速地執(zhí)行多個808689五、80386的存儲器管理

80386利用片內(nèi)的存儲管理單元（MemoryManagementUnit,簡稱MMU

）來實現(xiàn)對存儲器系統(tǒng)的兩級管理：分段管理（邏輯地址→線性地址）和分頁管理（線性地址→物理地址）

。 在兩級存儲管理中，段的大小可以選擇（可以字節(jié)或頁為單位），根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和代碼模塊的大小而確定。 另外，對每個段還可以賦予屬性和保護(hù)信息，以有效防止在多任務(wù)環(huán)境下各個模塊對存儲器的越權(quán)訪問。五、80386的存儲器管理 80386利用片內(nèi)的存儲管90(一)實模式

80386的所有指令在實模式下都有效。其物理地址的形成與8086相同,可尋址的實地址空間只有1MB，所有的段最大容量為64KB。

中斷向量表仍設(shè)置在00000H～003FFH共計1K字節(jié)的存儲區(qū)內(nèi)。 系統(tǒng)初始化區(qū)在FFFFFFF0H～FFFFFFFFH存儲區(qū)內(nèi)。 (一)實模式 80386的所有指令在實模式下都有效。其物91(二)保護(hù)模式

保護(hù)模式下采用段頁式管理機(jī)構(gòu)。(二)保護(hù)模式 保護(hù)模式下采用段頁式管理機(jī)構(gòu)。92

保護(hù)模式下采用段頁式管理機(jī)構(gòu)。 注意區(qū)分邏輯地址、線性地址和物理地址這3者之間的關(guān)系。(二)保護(hù)模式 保護(hù)模式下采用段頁式管理機(jī)構(gòu)。(二)保護(hù)模式93邏輯地址：16位段選擇子+32位有效地址 有效地址=基址+變址×比例因子+位移量

線性地址

由存儲器段式管理機(jī)構(gòu)按下式來計算：

線性地址

=

段基地址+有效地址物理地址 頁式管理機(jī)構(gòu)不工作時，物理地址=線性地址;頁式管理機(jī)構(gòu)工作時，物理地址=F(線性地址)邏輯地址：16位段選擇子+32位有效地址94分段管理

為了實現(xiàn)分段管理，80386把有關(guān)段的信息存放在一個稱為段描述符（簡稱描述符）的8個字節(jié)長的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，并把系統(tǒng)中所有的描述符編成一張表，以便硬件查找和識別。 80386共設(shè)置了3種描述符表，即全局描述符表GDT、局部描述符表LDT和中斷描述符表IDT。

分段管理 為了實現(xiàn)分段管理，80386把有關(guān)段的信息存放在95

段描述符包括：

段基地址（BaseAddress），規(guī)定了線性地址空間中段的起始地址。也可以把基地址看成是段內(nèi)偏移量為０的線性地址。

段的界限（Limit），表示在虛擬地址中，段內(nèi)可使用的最大偏移量。

段的屬性（Attributes），包括該段是否可讀出、寫入以及段的特權(quán)級等。 有兩種類型的段：非系統(tǒng)段、系統(tǒng)段；兩種段描述符：非系統(tǒng)段描述符、

系統(tǒng)段描述符。 段描述符包括：96非系統(tǒng)段描述符(P296圖9.20)

非系統(tǒng)段指一般的代碼段、數(shù)據(jù)段和堆棧段。（s=1）基地址（B0~B15）界限（L0~L15）屬性字節(jié)（訪問權(quán)字節(jié)）(8位)：B5基地址（32位）：B7B4B3B2界限（20位）：B6(低4位)B1B0非系統(tǒng)段描述符(P296圖9.20) 非系統(tǒng)段指一般9780386微處理器資料課件98例請分析下面的描述符：

6420

80

00

B2

0A

000003FF解：屬性字節(jié)：B2h=10110010

可寫的數(shù)據(jù)段，DPL=1，在內(nèi)存，未訪問過。

數(shù)據(jù)段基址：800A0000h

界限：003FFh例請分析下面的描述符：8000B99

系統(tǒng)段描述符(P299圖9.23)

系統(tǒng)段描述符也稱為特殊段描述符（S位為0）。 系統(tǒng)段包括任務(wù)狀態(tài)段TSS和門，另外，局部描述符表LDT也作為一種系統(tǒng)段?；刂罚˙0~B15）界限（L0~L15）系統(tǒng)段描述符(P299圖9.23) 系統(tǒng)段描述符也稱10080386微處理器資料課件101例請分析下面的描述符：1、

642000

00

A2

10

000000FF解：屬性字節(jié)：A2h=10100010386LDT描述符，有效，DPL=1。

LDT基址：00100000h

界限：000FFh例請分析下面的描述符：0000A2102分段管理總結(jié)分段管理總結(jié)103例(P297圖9.21)：訪問代碼段例(P297圖9.21)：訪問代碼段10480386微處理器資料課件105分頁管理

在80386中，在設(shè)計分段管理的基礎(chǔ)上又增加了分頁管理。在多任務(wù)系統(tǒng)中，有了分頁管理功能，就只需把每個活動任務(wù)當(dāng)前所需要的少量頁面放在存儲器中。 當(dāng)CR0中的PG=1時,系統(tǒng)就啟動分頁機(jī)制； 當(dāng)PG=0時，則禁止使用分頁機(jī)制，而且把分段機(jī)制產(chǎn)生的線性地址直接當(dāng)作物理地址使用。 80386分頁管理的對象是固定大小為4KB的存儲塊，稱之為頁。分頁管理 在80386中，在設(shè)計分段管理的基礎(chǔ)上又增加了分106段頁式結(jié)構(gòu)的尋址過程下×4×4CR3段頁式結(jié)構(gòu)的尋址過程下×4×4CR3107頁表結(jié)構(gòu)、頁目錄描述符以及頁描述符 80386采用了兩級表結(jié)構(gòu)：頁目錄表和頁表。 當(dāng)允許分頁時，分頁機(jī)制將實現(xiàn)兩級地址轉(zhuǎn)換:在較高一級，由頁目錄表中的一個頁目錄項映射頁表；在低一級，由頁表映射頁。圖9.24頁目錄項和頁表項的格式（P299）頁表結(jié)構(gòu)、頁目錄描述符以及頁描述符 80386采用了108P—存在位，表示該頁/頁表是否在內(nèi)存W—寫允許位，表示該頁/頁表是可寫U—用戶位，表示該頁/頁表用戶是否可用A—訪問位，表示該頁/頁表是否訪問過D—出錯位AVL—

程序員可使用的位

當(dāng)頁目錄項和頁表項的U、W位不一致時，選取最小的值。例假設(shè)頁目錄項的UW位=11（用戶可寫），頁表項的UW位=10（用戶可用，但只可讀，不可寫）則，最終UW位=min(11,10)=10

（用戶可用，但只可讀，不可寫）P—存在位，表示該頁/頁表是否在內(nèi)存109分頁管理尋址過程舉例假設(shè)線性地址=12345678H，CR3=10000000H,頁目錄描述符=20000005H，頁描述符=30000007H

求:1）頁目錄描述符的地址2）頁描述符的地址3）操作數(shù)（32位）的地址4)操作數(shù)用戶是否可寫？答:

1）頁目錄描述符的地址10000120H~10000123H2）頁描述符的地址20000D14H~20000D17H3）操作數(shù)（32位）的地址30000678H~3000067BH操作數(shù)用戶是否可寫？頁目錄描述符:U=1,W=0,不可寫頁描述符:U=1,W=1，可寫∴操作數(shù)用戶不可寫CR3×4×4分頁管理尋址過程舉例求:1）頁目錄描述符的地址答:1）頁110分段分頁綜合例題

80386工作在保護(hù)方式下，GDTR=002000001FFFH，LDTR=3009H，CS=1007H，EIP=00000800H。1）GDT的起始地址為

，結(jié)束地址為

。GDT的表長為

。2）LDT描述符的地址范圍是

到

。分段分頁綜合例題1113）若代碼段描述符為：

6

4

2

0則代碼段的屬性為：特權(quán)級

，是否可讀

，是否在內(nèi)存

，是否訪問過

。代碼段的長度為

。00

00

FB

50

00000FFF3）若代碼段描述符為：0000F1124）若80386僅分段，不分頁，則當(dāng)前執(zhí)行指令的物理地址是

；若分段，又分頁，則訪問代碼段時轉(zhuǎn)換的線性地址為

；根據(jù)此線性地址進(jìn)行分頁轉(zhuǎn)換，頁目錄描述符的偏移地址為

，頁表描述符的偏移地址為

，被訪問指令在頁幀中的偏移地址為

。4）若80386僅分段，不分頁，則當(dāng)前執(zhí)行指令的物理地址是113保護(hù)

386支持兩個主要的保護(hù)類型：

一類是不同任務(wù)之間的保護(hù)。它是通過給每一任務(wù)分配不同的虛擬地址空間，而每一任務(wù)有各自不同的虛擬地址—物理地址的轉(zhuǎn)換映射，因而可實現(xiàn)任務(wù)之間的完全隔離。

另一類是同一任務(wù)內(nèi)的保護(hù)。定義4種特權(quán)級（特權(quán)級0、1、2、3），特權(quán)級0最高，特權(quán)級3最低。每個段都有對應(yīng)的特權(quán)級，訪問段時需遵循相應(yīng)的特權(quán)保護(hù)規(guī)則。保護(hù)114系統(tǒng)中特權(quán)級的安排系統(tǒng)中特權(quán)級的安排115特權(quán)級種類：1、請求特權(quán)級——RPL RPL為選擇子的最低2位2、描述符特權(quán)級——DPL DPL為描述符中屬性字節(jié)的b6、b5位3、當(dāng)前特權(quán)級——CPL CPL=當(dāng)前正在執(zhí)行的代碼段的DPL4、輸入輸出特權(quán)級——IOPL特權(quán)級種類：116各種段的特權(quán)保護(hù)：1、數(shù)據(jù)段、附加數(shù)據(jù)段的特權(quán)保護(hù)

max{CPL,RPL}≤DPL

程序只能訪問特權(quán)級相同或較低的數(shù)據(jù)段例：MOV AX,01001101B MOV DS,AX

RPL=01CPL為這段程序所在代碼段的DPL(假設(shè)=10)

則該程序所能訪問的數(shù)據(jù)段的

DPL≥max{CPL,RPL}

即DPL≥max{10,01}

=10即只能訪問特權(quán)級為2，3的數(shù)據(jù)段。各種