B14第2章CPU-2.ppt

1、1,2.2 32位微處理器Pentium,1Pentium采用的先進技術 2Pentium的工作方式 3Pentium的原理結(jié)構 4Pentium的寄存器 5Pentium的存儲管理 6Pentium的中斷 7Pentium的保護技術,2,1.Pentium采用的先進技術,Pentium外部采用64位數(shù)據(jù)總線，內(nèi)部總線32位；支持數(shù)據(jù)成組傳輸。 設置相互獨立的代碼cache和數(shù)據(jù)cache。 采用超標量流水線技術使得在1個時鐘周期內(nèi)發(fā)射兩條簡單的整數(shù)指令或發(fā)射一條浮點指令。 片內(nèi)設置增強型浮點處理部件 采用RISC 、CISC相結(jié)合的技術，部分常用指令用硬件實現(xiàn)；微程序?qū)崿F(xiàn)的指令，其微代碼的算

2、法也作了改進，以減少所需時鐘周期。,3,采用分段和分頁兩級存儲管理機制 具有BTB方式的轉(zhuǎn)移預測能力 增強了校驗能力和機器異常事件的處理能力 具有很好的檢測能力和調(diào)試能力,4,2.Pentium 的工作方式,實地址方式 保護虛擬地址方式（保護方式） 虛擬8086方式 系統(tǒng)管理方式,5,1）實地址方式的特點,尋址機構、存儲器管理、中斷處理機構均同8086。 操作數(shù)默認長度16位。 使用A19A0尋址1MB物理地址物理地址=線性地址=段寄存器*16+16位偏移量 兩個內(nèi)存保留區(qū)： 系統(tǒng)初始化區(qū)：FFFF0HFFFFFH 中斷向量表區(qū)：00000H003FFH,6,2）保護方式的特點,使用A31A0

3、尋址4GB物理地址空間。用戶編程采用虛擬地址（邏輯地址），虛擬地址空間為64TB。存儲器采用分段、分頁管理。段寄存器的內(nèi)容作為選擇子，通過描述符表實現(xiàn)虛擬地址向線性地址的轉(zhuǎn)換；通過頁表實現(xiàn)線性地址向物理地址的轉(zhuǎn)換。 能進行16位運算，也能進行32位運算。,7,支持多任務，支持兩種主要保護類型。 不同任務之間的保護采用任務隔離LDT指定了獨立的虛擬地址空間，隔離了任務間的相互影響達到保護目的。 同一任務內(nèi)的保護采用特權級保護任務的4種特權級I/O的兩個特權級,8,3）虛擬8086方式的特點,V86方式的尋址(與保護方式的區(qū)別） 尋址的地址空間是1MB；段寄存器的內(nèi)容作為段值解釋；20位存儲單元地

4、址由段值乘以16加偏移量構成。 V86方式下的保護（與實地址方式的區(qū)別） V86方式下的代碼規(guī)定在特權級3下運行。 V86可進行多任務操作 V86方式下的分頁功能（實地址方式不支持） 只能訪問第一個頁目錄項 頁表項最多為256+16=272個,9,3.Pentium 的原理結(jié)構,Pentium 的內(nèi)部主要包括12個主要部件： 總線接口部件 U流水線和V流水線 數(shù)據(jù)Cache 代碼Cache 指令預取部件 指令譯碼器 控制ROM 分支目標緩沖器BTB 控制部件 浮點處理部件FPU 分段部件和分頁部件 寄存器組,10,11,1）U流水線和V流水線,Pentium整數(shù)指令采用5段式流水線。 U流水線

5、和V流水線都有： ALU、地址生成電路和與數(shù)據(jù)cache的接口 兩條流水線共用部件 兩個預取緩沖器、指令譯碼器、控制ROM 指令譯碼器除完成譯碼指令外，還要完成指令配對檢查。,12,U和V流水線都由5段組成 指令預?。≒F） 指令譯碼（D1） 地址生成（D2） 指令執(zhí)行（EX） 結(jié)果寫回（WB）,U和V共享,13,14,U、V兩條流水線不是等價的 V流水線總是接受U流水線的下一條指令 U流水線能執(zhí)行指令集的任何指令，包括指令前綴； V流水線只能執(zhí)行簡單指令。 若連續(xù)的兩條指令不能配對，需要U流水線先后執(zhí)行這兩條指令。,15,發(fā)射一對指令必須滿足的條件： 兩條指令是簡單指令 沒有RAW和WAR相

6、關性 每條指令不同時含有立即數(shù)和相對尋址偏移量 帶有指令前輟的指令發(fā)射到U流水線。,16,2）分立的代碼cache和數(shù)據(jù)cache,8KB代碼cache和8KB數(shù)據(jù)cache 代碼cache是只讀的指令代碼，單端口，256位 數(shù)據(jù)cache是可讀寫的，雙端口，每端口32位，與U，V兩條流水線交換整數(shù)數(shù)據(jù)，或組合成一個64位端口與浮點運算部件交換浮點數(shù)據(jù)。 兩個cache與64位數(shù)據(jù)、32位地址的CPU內(nèi)部總線相接。,17,3）浮點運算指令流水線,浮點運算指令采用8段式流水線 指令預取（PF） 指令譯碼（D1） 地址生成（D2） 取操作數(shù)（EX） 執(zhí)行1（X1） 執(zhí)行2（X2） 結(jié)果寫回寄存器堆

7、（WF） 錯誤報告（ER）,前4段在U流水線完成,18,一般情況下，只能由U流水線完成一條浮點操作指令；少數(shù)情況下，V流水線也能同時完成一條簡單浮點數(shù)指令。 浮點部件內(nèi)： 有浮點專用的加法器、乘法器和除法器 有8個80位寄存器組成的寄存器堆，內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線為80位寬。 支持IEEE 754標準的單、雙精度格式及80位臨時浮點數(shù)。,19,4）以BTB實現(xiàn)的動態(tài)轉(zhuǎn)移預測,Pentium采用動態(tài)轉(zhuǎn)移預測技術，來減少由于轉(zhuǎn)移相關引起的流水線性能損失。 提供的轉(zhuǎn)移目標緩沖器BTB是個小容量的cache。,20,BTB是一個4路組相聯(lián)的cache，有64組。轉(zhuǎn)移指令地址（高26位）字段即為該項的標記（ta

8、g），以轉(zhuǎn)移指令地址的低6位為行索引，每項有兩位歷史位，作為預測依據(jù)。 每次轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行完，依據(jù)預測是否正確相應地修改歷史位。,26位標記 32位轉(zhuǎn)移目標地址 2位歷史位,21,BTB預測向轉(zhuǎn)移取傾斜（P40） 統(tǒng)計表明轉(zhuǎn)移指令發(fā)生轉(zhuǎn)移取的概率為60%。 指令預取緩沖區(qū)（B）提前存放預測為轉(zhuǎn)移取的目標地址指令，為轉(zhuǎn)移取實為順序取的損失比預測為順序取實為轉(zhuǎn)移取的損失小。,22,23,4.Pentium的寄存器,Pentium 的寄存器組可以分成如下三類： （1）基本寄存器組（2）系統(tǒng)寄存器組（3）浮點寄存器組,24,1）基本寄存器組,通用寄存器 8個32位通用寄存器，用于保存數(shù)據(jù)和地址EAX、E

9、BX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP、ESP 段寄存器 6個16位長段寄存器CS、SS、DS、 ES、 FS、GS 指令指針和標志寄存器 EIP、EFLAGS,25,26,32位標志寄存器（EFLAGS）,IOPL：I/O特權級。當前特權級高于等于IOPL，I/O指令能順利執(zhí)行。若當前特權級低于IOPL，則產(chǎn)生中斷，使任務掛起。 NT：嵌套任務標志位。NT=1，表示當前執(zhí)行的任務嵌套在另一個任務中執(zhí)行。 RF：恢復標志位。配合斷點或單步操作一起使用。 VM：虛擬8086方式標志位。,27,AC （b18）：對準檢查標志。AC=1，進行未對準地址訪問時將產(chǎn)生異常中斷17。只有在特權級3時

10、此位有效。（同80486） VIF（b19）：虛擬中斷允許標志 VIP（b20）：虛擬中斷禁止標志 虛擬中斷（virtual interrupt）用于多任務環(huán)境。 ID（b21）：識別標志，ID=1指明這個處理器能支持CPUID指令。,28,段寄存器,6個16位的段寄存器CS、SS、DS、ES、FS、GS 保護地址方式下作為段選擇子寄存器，段選擇子用來選擇進入GDT/LDT。 每個段選擇子寄存器對應有一個64位的內(nèi)部段描述符寄存器。指令執(zhí)行時被透明地裝入描述符。,29,2）系統(tǒng)寄存器組,系統(tǒng)地址寄存器GDTR、IDTR、LDTR、TR 5個控制寄存器CR0、 CR1、CR2、CR3、CR4 8

11、個調(diào)試寄存器 18個測試寄存器,30,31,系統(tǒng)地址寄存器,全局描述符表寄存器-GDTR（48位） 定義了一個全局描述符表（GDT） 中斷描述符表寄存器-IDTR （48位） 定義了一個中斷描述符表（GDT） 中斷描述符類型稱為中斷門。,32,局部描述符表寄存器-LDTR （16位） 選擇子，用于選擇一個LDT描述符，裝入LDTR高速緩沖寄存器。 LDT描述符定義了一個局部描述符表（LDT） 任務寄存器-TR （16位） 選擇子，用于選擇一個任務狀態(tài)段（TSS）描述符，裝入到任務描述符高速緩沖寄存器。,33,Pentium 控制寄存器,CR0的PG、PE組成給定CPU的工作模式 CR3 保存頁

12、目錄表的基地址。 頁目錄表按頁對齊，CR3最低12位為0（每頁為4KB）。,34,Pentium的存儲管理部件MMU設有分段部件SU和分頁部件PU，允許SU、PU單獨工作或同時工作。 不分段不分頁模式 分段不分頁模式 分段分頁模式兩種分頁方式：4KB的頁、4MB的頁 不分段分頁模式也稱為平面存儲模式（平展模式）,5.Pentium的存儲管理,保護模式分段、分頁管理,35,虛擬地址：48位存儲器指針（16位選擇子，32位有效地址） 選擇子的格式,任務指示符：0=使用GDT，1=使用LDT,請求特權級,1）虛擬地址空間,36,2）虛實地址轉(zhuǎn)換,37,3）段式地址轉(zhuǎn)換,38,4）頁式地址轉(zhuǎn)換,Pen

13、tium有兩種分頁方式： 4KB的頁，使用頁目錄表、頁表兩級頁表進行地址轉(zhuǎn)換。 4MB的頁，使用單級頁表進行地址轉(zhuǎn)換。,(頁表項)PSE位(b7位)=1，頁大小為4MB (頁目錄表項)PSE位(b7位)=0 ，頁大小為4KB,39,（1）Pentium 4KB分頁方式地址轉(zhuǎn)換,線性地址由三部分組成：目錄（10位）、頁（10位）、偏移量（12位） 目錄域*4+CR3=目錄項的物理地址 頁域*4+頁表基地址=頁表項的物理地址 頁幀基地址+偏移量=操作數(shù)的物理地址,40,1000110101B,00005000H,00000010H,0000000100B,01235674H,00000000H,0

14、0005H,000058D4H,0003CH,0003C000H,674H,0003C674H,41,（2）Pentium 4MB分頁方式地址轉(zhuǎn)換 32位線性地址分為高10位的頁面（號）和低22位的頁內(nèi)偏移兩個字段。 32位地址模式下，全系統(tǒng)只一張頁表，由控制寄存器CR3指向。此頁表有1K個表項，每項4字節(jié)（32位）。,42,43,5）描述符和頁表項,（1）描述符 描述符是用以管理64TB虛擬存儲地址空間分段的基本元素。它負責將代碼、數(shù)據(jù)、堆棧和任務狀態(tài)段的虛擬地址映象到線性地址，并給段指定屬性。 采用描述符的特點 擴展存儲空間 實現(xiàn)虛擬存儲 實現(xiàn)多任務隔離 二種類型的描述符 非系統(tǒng)系統(tǒng)段描述

15、符 系統(tǒng)段描述符,44,非系統(tǒng)系統(tǒng)段描述符,用于描述代碼、數(shù)據(jù)、堆棧段。,粒度（界限長度屬性） 0=以字節(jié)為單位 11MB 1=以頁為單位 4KB 4GB,本次尋址的操作數(shù)位數(shù) 0= 16位 1= 32位,45,訪問權限字節(jié),46,系統(tǒng)段描述符（s=0）,系統(tǒng)段描述符對應一個系統(tǒng)段。 系統(tǒng)段包括： 任務狀態(tài)段TTS-特殊數(shù)據(jù)結(jié)構，對應一個任務的各種信息 各種門-一種轉(zhuǎn)換機制。門類型有：調(diào)用門、任務門、中斷門和陷阱門。 LDT LDT描述符中的訪問權限字節(jié)：,47,（2）頁表項（4字節(jié)）,頁目錄項或頁表項格式：,48,6）轉(zhuǎn)換檢測緩沖器TLB（轉(zhuǎn)換后備緩沖區(qū)）,TLB可以保存32個頁表項，它是一

16、個4路組相聯(lián)的高速緩存，每組8項，每項由兩部分組成： 線性地址的高18位 頁表項PTE,49,50,7）V86方式下的分頁功能 前提：在保護方式下，使CR0中的PG=1。 線性地址為20位，高12位為0，故只能訪問第一個頁目錄項。 頁表項最多為256+16=272個,考慮A20使能：FFFFH*16+FFFFH=10FFEFH 當A19A12=00/01/0FH，A20=1，共16頁。,51,6.Pentium 的中斷（256種）,1）引發(fā)中斷的三類情況 外設往CPU送一個中斷請求信號（外部硬件中斷、非屏蔽中斷） CPU或協(xié)處理器執(zhí)行指令時產(chǎn)生異常 （內(nèi)部異常） 程序執(zhí)行INT指令 （軟件中斷

17、）,52,異常按報告錯誤方式分為三類： 故障（Fault)保存在堆棧中的CS、EIP值指向?qū)е翭ault指令，從而異常處理后可以繼續(xù)執(zhí)行該指令。 陷阱（Trap)保存在堆棧中的CS、EIP值指向?qū)е耇rap指令的下一條指令，從而異常處理后從下一條指令處恢復。 異常中止（Abort)不保存任何信息，系統(tǒng)可能需要重新啟動。,53,2）中斷向量和中斷描述符表,中斷類型號通過一個地址指針表與中斷服務程序相聯(lián)。 在實方式下，地址指針表稱為中斷向量表。 在保護方式下，地址指針表稱為中斷描述符表（IDT）。 中斷向量表位置-IDTR：基址為0，限長：03ffh 中斷描述符表位置- IDTR的值確定。,54,

18、門描述符可定義：中斷門、陷阱門、任務門 IDTR的限長07FFH,55,中斷門、陷阱門描述符格式,T=0：中斷門 T=1：陷阱門 區(qū)別：當切換到陷阱門上下文時，不清除IF。,56,7Pentium的保護技術,保護是指對存儲器采取防護措施以拒絕任務存儲器資源未經(jīng)授權或不正確訪問。 任務是在操作系統(tǒng)中處理器調(diào)度的一個單位，它可以是一個程序、一個過程、一個操作系統(tǒng)的服務例程、一個中斷或異常句柄或一個執(zhí)行內(nèi)核在處理器中的一次動態(tài)執(zhí)行過程。 一個任務由兩部分組成：執(zhí)行空間和任務狀態(tài)段TSS。 執(zhí)行空間由代碼段、堆棧段和數(shù)據(jù)段組成。使用特權級保護機制，每個特權級提供一個獨立的堆棧。 TSS是一種特殊的系統(tǒng)

19、段，它載有任務運行的全部環(huán)境參數(shù)。,57,1）任務的4種特權級,特權級通過段描述符中的DPL指定給每個段。 當一個程序試圖訪問某段時，就把該程序所擁有的特權級與要訪問段的DPL進行比較以決定是否訪問。 0級：操作系統(tǒng)的核心 1級：操作系統(tǒng)的其他部分 2級：中間軟件 3級：用戶的應用程序,58,2）I/O的兩個特權級,第一個特權級已指定的特權級（I/O驅(qū)動程序指定1級/0級） 第二個特權級IOPL：程序的特權級IOPL時（指數(shù)值上的大小關系）， I/O指令才能執(zhí)行。,例如：程序的特權級為3IOPL=3時，可以使用I/O指令；IOPL=2、1、0時，用戶程序需要通過操作系統(tǒng)的I/O驅(qū)動程序完成I/O操作。,59,3）保護性檢查與限制,段保護檢查與限制 類型檢查 限長檢查