微型计算机原理 第14章 32位高档微型计算机

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1、14.1 Intel 80x86微处理器 14.2 Intel Pentium微处理器 14.3 IA-64体系架构14.4 高档微机存储器的扩展技术 第14章 高档微型计算机 14.1 Intel 80x86微处理器 Intel 8086802868038680486PentiumItan .叠 加 功 能第14章 高档微型计算机 14.1.1 从8086到Pentium处理器第14章 高档微型计算机 14.1.2 80186微处理器 Intel公司1982年推出； 16位微处理器； 68条引脚 ；将8086所组成的微机系统中最通用的1520个器件集成在一个芯片上。除了EU、BIU外，还集成

2、了时钟发生器、地址锁存器、数据总线收发器、等待电路、刷新电路等。1. 总线时序： 与8086一样，标准的80186总线周期也是由4个时钟周期 组成。典型总线操作有存储器（I/O）读，存储器(I/O)写，中断应答周期等。2. 指令系统: 在8086基础上增加的指令有： PUSHA 把所有的寄存器内容按一定顺序压入堆栈 POPA 把所有的寄存器内容按一定顺序弹出堆栈 INTS 从I/O端口输入字或字节性数据（可以是字符串） OUTS 向I/O端口输出字或字节性数据（可以是字符串） ENTER 过程入口格式化堆栈 LEAVE 过程出口恢复堆栈 BOUND 检测数组下标是否越界 第14章 高档微型计算

3、机 3. 中断系统： 80186的中断可以分为四种类型：外部非屏蔽中断 外部可屏蔽中断 软件指令中断 指令异常及内部中断。 与8086一样，80186的中断系统也可管理256个中断源。 第14章 高档微型计算机 4. 80188微处理器： 80188是Intel公司推出的与8088兼容的高性能准16 位微处理器，它与80186的主要差别同8086与 8088的差别基本相同。 80186和80188都支持8087协处理器。 14.1.3 80286微处理器 1982年推出；高性能或增强型16位微处理器；68引脚 。内部结构： 四大部件构成 总线接口部件BIU 指令部件IU 执行部件EU 地址部件

4、AU第14章 高档微型计算机 80286具有支持多任务操作系统的任务切换、存储器管理、特权保护等功能。 80286采用独立的地址、数据总线。存储器直接寻址空间达16MB；虚拟寻址空间可达每个任务1GB。实地址方式80286有两种工作方式：保护虚拟地址方式 第14章 高档微型计算机 1. 特 点：80286增加了系统控制和访问权操作的指令功能 80286在80186基础上增加的16条指令为： CLTS 清除80286机器状态字寄存器的任务转换位。 LGDT 把全局描述符表的基地址和边界装入全局描述符表寄存器。SGDT 把全局描述符表寄存器的内容存到寄存器中。 LIDT 把中断描述符表的基地址和边

5、界装入中断描述符表寄存器SIDT 把中断描述符表寄存器的内容存到寄存器中。 LLDT 把局部描述符表的基地址和边界以及它在全局描述符的索引号装入局部描述符表寄存器。 第14章 高档微型计算机 2. 指令系统的功能扩展SLDT 把局部描述符表寄存器中选择器的内容存回16位寄存器或字 存储单元中。 LTR 把全局描述符表中任务状态段描述符装入任务寄存器。 STR 把任务状态寄存器选择器字段的内容存回16位寄存器或字存储器操作数中。 LMSW 把16位寄存器或2字节的存储器内容装入机器状态字寄存器。 SMSW 把机器状态字寄存器内容存回16位寄存器或存储器中。 LAR 加载访问权指令 LSL 加载段

6、边界指令 ARPL 调整要求的特权级 VERR 读检验指令 VERW 写检验指令第14章 高档微型计算机 80286有实地址和保护虚地址两种工作方式，二者可以通过将机器状态字寄存器中的PE位清零和置“1”来互相切换。 实地址方式(PE=0) ：模拟一个高速的8086微处理器的运行。但二者的内部结构不同，故在中断处理、运行状态等方面存在差别。在实地址下把机器状态字寄存器中的PE位置“1”就切换到保护方式。 保护虚地址方式(PE=1) ：它是充分发挥80286效能的工作方式。其寻址空间物理地址的形成方式和中断资源的使用等与实地址方式有所不同。在保护方式下，把机器状态字寄存器中的PE位清零就切换到实

7、地址方式。 第14章 高档微型计算机 3. 工作方式的转换4. 物理地址的形成 第14章 高档微型计算机 5. 中断系统80286在实方式下有5种中断源：外部非屏蔽中断外部可屏蔽中断协处理器异常中断内部中断指令中断80286在保护方式下的中断类型与实方式下相同，只是在中断 向量表、中断结构、中断处理方式上与实地址方式有较大差别。8086/8088中包含在NMI中断里第14章 高档微型计算机 支持多任务操作任务：就是一个程序所具有的完全独立的执行环境的基本功能块。它可以是一个程序，也可以是一个程序的一部分。 80286在保护方式下从处理开始到处理结束有多个任务多次进入和退出处理。实方式下的单任务

8、操作就是从处理开始到处理结束 只有一个任务独占处理器的全部资源。 第14章 高档微型计算机 6. 任务管理80286的总线操作有六种类型：存储器读I/O读存储器写I/O写中断应答暂停/停机数据传输的最大速率为2个时钟周期传送一个字。 第14章 高档微型计算机 7. 总线操作类型14.1.4 80386微处理器 1985年推出 32位微处理器 132条引脚 它由中央处理器部件，存贮管理部件和总线接口部件组成： 总线接口部件指令预取部件指令译码部件 中央处理器部件指令执行部件分段部件分页部件 存贮管理部件第14章 高档微型计算机 图14.2 Intel 80386的基本体系结构 各功能部件的逻辑关

9、系如下图所示: EU(寄存器、 运算器和控 制逻辑)BIUIPU(控制 逻辑和预 取队列)IDU指令译码、 6字节指令队列预取请求指令代码SU 段寄存器段转换器TLB页转换器PU第14章 高档微型计算机 1. 中央处理部件（CPU） CPU由指令部件和执行部件构成。 指令部件：包括指令预取器和指令译码器。指令预取器负责预取指令，在总线空闲周期，把下面4个字节 的指令读入16字节的指令预取队列，由指令译码器对操作码进行 译码，并将其存入译码指令队列供执行部件使用。执行部件：n执行部件包括8个用于地址计算和数据操作的32位通用寄存器和 一个以加速移位、循环移位、乘法和除法操作的64位桶形移位 器。

10、n乘/除法器能在每个时钟周期内完成一位的乘/除法操作，最快在 40个时钟周期内进行32位的乘法或除法。第14章 高档微型计算机 2. 存贮管理部件:包括分段部件、分页部件、保护测试部件。分段部件根据执行部件的请求，计算有效地址，完成逻辑地址到 线性地址的转换；保护测试部件完成总线周期分段的合法性检查，并 将转换的线性地址随同总线周期事务处理信息发送到分页部件；分页 部件负责请求总线接口部件的总线服务。80386的存储器由一个或多个可变长度 的段组成，最大的段可为4G字节。分段部件通过提供一个额外的寻址器件对逻辑地址空间进行管理， 既可以实现任务之间的隔离，也可以实现指令和数据的再定位。 分页部

11、件将分段部件或指令预取部件产生的线性地址转换成物理地 址。每一页为4K字节，每一段可以是一页，也可以是若干页。80386上的每一个任务最多可以有16384个段，每个段最大可达 4G字节，因此，可以为每个任务提供64T字节的虚拟存储器。第14章 高档微型计算机 3. 总线接口部件 功能是：在接收指令读取、数据传送、分段部件和分页部件的请求时优化编排这些请求级，以满足中央处理器进行外部总线传送的要求和最大限度的利用总线的带宽。产生和处理执行当前总线周期的各种信号。 第14章 高档微型计算机 4. 寄存器组 Intel 80386 芯片内集成了7类寄存器，共32个 。通用寄存器指令指针标志寄存器段寄

12、存器系统地址寄存器调试寄存器测试寄存器控制寄存器第14章 高档微型计算机 通用寄存器 8个32位的通用寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP、ESP 图14.3 80386的通用寄存器 第14章 高档微型计算机 指令指针指令指针EIP是一个32位的寄存器,用于保存下一条待预取的指 令的偏移量。其低16位即为8086中的IP。标志寄存器 标志寄存器EFLAGS，也是一个32位的寄存器，如图14.4示。 标志可分为以下三类： 状态标志：反映执行一条指令后的状态与结果。它们是：OF、 SF、ZF、AF、PF、CF，共6个。 控制标志：用于控制处理器的工作方式。如DF。系统标志

13、：用于设置系统的工作方式等。IF、TF、IOPL、NT、VM、RF。其中VM 和RF是为80386扩充的标志。 第14章 高档微型计算机 图14.4 80386的标志寄存器（24位） 第14章 高档微型计算机 段寄存器 80386有6个16位的段寄存器，它们用来保存识别当前可寻址段的段选择符。其中CS指定代码段，SS指定堆栈段，DS、ES、FS和GS指定现行数据段。系统地址寄存器 80368有4个专用寄存器用来访问80268/80368保护方式所支持的表和段。这4个寄存器分别为:32位的GDTR和IDTR，16位的DTR和TR。他们访问的表和段是GDT(全局描述符表)、IDT(中断描述符表)、

14、LDT(局部描述符表)、TSS(任务状态段)。 第14章 高档微型计算机 调试寄存器 80386有6个32位的调试寄存器DR0、DR1、DR2、DR3、DR6和DR7，DR4、DR5为Intel公司留用如图14.5所示。第14章 高档微型计算机 图14.5 80386的调试寄存器 第14章 高档微型计算机 测试寄存器 80368有2个32位的测试寄存器TR6和TR7，用于控制对转换后援缓冲器中的内容可寻地址存贮器的测试。 控制寄存器 80386有4个32位的控制寄存器，被命名为：CR0、CR1、CR2和CR3。5. 80386 的工作模式 80386有三种工作模式：实模式、保护模式和虚拟808

15、6模式。 实模式 工作在这种模式下的80386几乎与8086一样，只不过速度更快了一些，并多了几条指令及几个寄存器。80386的实模式可以访问32位通用寄存器和采用带有32位超越指令前缀的寻址模式。 第14章 高档微型计算机 实模式下的地址计算 实模式下地址计算与8086相同，在8086中，段寄存器内容乘以16（左移4个二进制位）再加上有效地址（有效地址是高4位为0，低16位为偏移地址构成的20位地址），就得到一个20位线性地址。 进入、脱离和返回实模式 如果对CPU进行复位，则进入实模式下工作。此外，一个系统要进入保护模式，开始时程序也要暂时进入实模式。系统复位就可以进 入实模式，然后再用一

16、条MOV至CR0的指令将PE位置位，即切换到保护模式，从而离开实模式。从保护模式返回实模式仍可以用MOV至CR0指令将CR0寄存器中的PE位复位来实现。但必须用合法的实模式数值。 第14章 高档微型计算机 保护模式 在保护模式下，80386可以访问232=4GB的物理存储器空间，段的长度是232=4GB，页功能是可以选择的。在这种模式下，可以引入虚拟存储器的概念，以扩充软件所占用的存储 器空间，允许程序大到64T（246B）。 保护模式是从实模式转变过来的，执行指令：MOV CR0，（reg或men）使CR0中的保护允许位PE置1，即进入保护模式。 第14章 高档微型计算机 保护模式地址计算保护模式下，地址由两部分组成，一部分是段基地址，另一部分是32位偏移量，两者相加得到32位线性地址。保护模式下，段寄存器中的值是一个选择子，由