微機系統(tǒng)與接口：第八章 80386微處理器

80386微處理器

（第5版教材第8章8.2）

（參考郁慧娣書第9章9.2、9.3、9.4）

第八章80386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。

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，運行速度可達到４MIPS。

2.80386有三種方式：實方式、保護方式、V86方式

。3.硬件支持分段管理和分頁管理，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)保護機制

4級特權(quán)級：０級最優(yōu)先，其次為１，２和３級。二、80386的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（簡略）1.

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）。它可進一步分為控制部件（ControlUnit）,保護測試部件（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）。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。 (一)通用寄存器

80386有８個32位的通用寄存器，分別為EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP以及ESP。 80386中有一個32位的指令指針（EIP）和一個32位的標志寄存器（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標志寄存器FLAGS完全相同。高20位中設(shè)置了5位新的標志。(二)指令指針和標志寄存器圖8.10保護方式標志寄存器(P271)(三)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，而是選擇字（Selector）(P285圖8.19)，用于查找段對應(yīng)的描述符表，得到包含段基址、界限、屬性等的段描述符。(三)段寄存器和段描述符高速緩存器

在第一次訪問某段時，從描述符表中查找到段描述符，自動裝入Catch中的段描述符高速緩存器(P270圖8.9)。下次再訪問該段時，無需再查表、裝入。圖8.980386的段寄存器和段描述符高速緩存器(P270)(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)寄存器全局描述符表寄存器(GDTR)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

課堂練習1習題9.5：如果GDTR的內(nèi)容為0021000001FFh，請給出GDT表的起始地址、結(jié)束地址、表的長度。表中放了多少個描述符？中斷描述符表寄存器(IDTR)局部描述符表寄存器(LDTR)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

=01002000h＋2108H=01004108h

LDT描述符的地址范圍（占8字節(jié)）： 01004108h~0100410Fh任務(wù)寄存器(TR)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=？（2進制）

TI=？,TSS描述符在？中

索引

=？（2進制）

TSS描述符的起始地址：GDT的基地址＋索引×8=？＋？×8

=？

TSS描述符的地址范圍（占8字節(jié)）：

？（起始地址）~？（結(jié)束地址）課堂練習2(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)的運行。

CR1未定義，留作備用。１.CR0——控制寄存器0（P273圖8.12） 定義了6個控制和狀態(tài)標志。PE（位0）和PG（位31）——保護控制位。TS——任務(wù)切換位每當任務(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)處理器擴展類型

0：80287協(xié)處理器；1：80387協(xié)處理器；２.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稱為頁目錄基址寄存器，用于存放頁目錄表的基地址。如下圖所示(分頁時用到)。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；

保護虛擬地址模式（ProtectedVirtualAddressMode），簡稱為保護模式；

虛擬地址8086模式（VirtualAddress8086Mode），簡稱為V86模式。（一）實地址模式

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

實模式主要是為80386進行初始化用的，為80386保護模式所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做好各種配置和準備。 在實模式下，80386類似于8086的體系結(jié)構(gòu)，與8086兼容。（二）保護虛擬地址模式

保護模式是80386最常用的、也是最具特色的工作模式。通常在開機或復(fù)位后，先進入實模式完成初始化，然后就立即切換到保護模式。 保護模式提供了多任務(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制：

1）多用戶、多任務(wù)，保護機制；

2）虛擬存儲管理；

物理存儲空間：4GB；

虛擬存儲空間：64TB（？？？）

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、速度也相當快的虛擬存儲器；其實，它并不是真正物理上的內(nèi)存。 3）保護機制； 特權(quán)保護機制、不同任務(wù)之間的隔離(不同的虛擬存儲空間)（三）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。五、80386的存儲管理

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定。 另外，對每個段還可以賦予訪問權(quán)和保護信息，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。(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)。

保護模式下采用段頁式存儲管理機制。 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)保護模式圖8.1480386的地址轉(zhuǎn)換示意圖(P278)邏輯地址：編程時

16位段選擇字+32位偏移地址線性地址

由存儲器段式管理機構(gòu)按下式來計算：

線性地址

=

32位段基地址

+32位偏移地址物理地址 不分頁時，物理地址=線性地址;分頁時，由存儲器頁式管理機構(gòu)計算物理地址=F(線性地址)

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)中所有的描述符按類組成一張張描述符表，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。

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，也叫訪問權(quán)字節(jié)。 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)段描述符非系統(tǒng)段描述符(P281圖8.16)

非系統(tǒng)段指一般的代碼段、數(shù)據(jù)段和堆棧段。（s=1）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

數(shù)據(jù)段堆棧段ED=0，數(shù)據(jù)段ED=1，堆棧段例請分析下面的描述符：

6420

80

00

B2

0A

000003FF解：屬性字節(jié)：B2h=10110010數(shù)據(jù)段，可寫，DPL=1，在內(nèi)存，未訪問過。段基址：800A0000h

界限：003FFh課堂練習3：

請分析下面的描述符：

6420

30

00

D7

00

000007FF解：屬性字節(jié)：D7h=?（2進制）

？段，可否讀/寫？，DPL=？，是否在內(nèi)存？，是否訪問過？段基址：？

界限：？

系統(tǒng)段描述符(P283圖8.17)

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。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表8.180386系統(tǒng)段描述符類型(P283)例請分析下面的描述符：1、

642000

00

A2

10

000000FF解：屬性字節(jié)：A2h=10100010LDT描述符，有效，DPL=1。

LDT基址：00100000h

界限：000FFh分段管理總結(jié)圖8.19邏輯地址到線性地址的轉(zhuǎn)換(P285)課堂練習4：訪問代碼段

分頁管理

在80386中，存儲器分段管理的基礎(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)當前所需要的少量頁面放在存儲器中。 當CR0中的PG=1時,系統(tǒng)就啟動分頁機制； 當PG=0時，則禁止使用分頁機制，把分段機制產(chǎn)生的線性地址直接當作物理地址使用。 80386分頁管理的對象是固定大小為4KB的存儲塊，稱之為頁。段頁式結(jié)構(gòu)的尋址過程下×4×4CR3圖8.22段頁式結(jié)構(gòu)的尋址過程(P287)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。 當允許分頁時，分頁機制將實現(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描述符映射頁表；在低一級，由頁描述符映射頁幀。圖8.21頁目錄描述符和頁描述符的格式（P287）P—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）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)頁目錄表起始地址:10000000H頁目錄描述符地址:10000120H~10000123H2）頁表起始地址:20000000H頁描述符地址:20000D14H~20000D17H3）頁幀起始地址:30000000H操作數(shù)(32位)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CR3×4×4×4課堂練習5

已知在80386系統(tǒng)中，CR3=00100000H，頁目錄項和頁表項內(nèi)容如下圖中所示，假設(shè)分段轉(zhuǎn)換得到的線性地址為19990118H，請回答下面問題。

線性地址：00011001100110010000000100011000B

操作數(shù)

80000005H

00300007HCR31、頁目錄表起始地址＝

2、頁目錄項的地址范圍＝

3、頁表起始地址＝

4、頁表項的地址范圍＝

5、頁幀起始地址＝

6、被訪問操作數(shù)（32位）的地址范圍＝

7、根據(jù)頁目錄項和頁表項的內(nèi)容，該操作數(shù)用戶是否能訪問？

，是否可寫？

。

課堂練習6

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

，

GDT的結(jié)束地址為

。GDT的表長為

。2）LDT描述符的地址范圍是

到

。3）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

00000FFF4）若80386僅分段，不分頁，則當前執(zhí)行指令的物理地址是

；若既分段，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