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1、第2章 80X86微处理器,Revision. Sep.2008 by Deng Yulong,1. 位和字节 位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的 是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单位时记作b 字节（byte）由8个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的 单位。字节作为单位时记作B K是kelo的缩写， 1K=1024=210； M是mega的缩写，1M=1024K=220； G是Giga的缩写， 1G=1024M=230； T是tera的缩写， 1T=1024G=240。,微型计算机的常用术语,10000101,2. 字长(数据宽度) 字长是微处理器一次可
2、以直接处理的二进制数码的位数，它通常取 决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理 器的字长有4位、8位、16位、32位和64位等等。,3. 寻址能力 指CPU能直接存取数据的内存地址的范围，它由CPU的地址总线的数 目决定。,4. 主频 主频也叫时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高 表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz。,5. MIPS MIPS是Millions of Instruction Per Second的缩写，用来表示微处理器的性能-运算速度，每秒钟能执行多少百万条指令. 6.微处理器的集成度 指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 最早Intel 40
3、04的集成度为2250个晶体管，Pentium III的集成度已 经达到750万个晶体管以上，集成度提高了3000多倍。,2.1 Intel 微处理器发展简况,Intel 4004 晶体管数量: 2300 速度:108 KHz,1971 年:4004 微处理器,Busicom 计算器,1972 年:8008 微处理器 晶体管数量: 3500速度:200KHz,1974年:8080 微处理器 晶体管数量: 6000速度:2 MHz,1978 年:8086-8088 微处理器 晶体管数量: 29000 速度:5 MHz、8 MHz、10 MHz,采用英特尔 8088 处理器的IBM PC 1981
4、,1982 年:286 微处理器 晶体管数量: 134,000 速度:6 MHz、8 MHz、10 MHz、12.5 MHz 1985 年:英特尔 386 微处理器 晶体管数量:275,000 速度:16MHz、20MHz、25MHz、33MHz 1989 年: 英特尔 486 DX CPU 微处理器(首次采用内建的数学协处理器) 晶体管数量:120 万 速度:25MHz、33MHz、50MHz,1993 年:英特尔 奔腾 处理器 晶体管数量:310 万 速度:60MHz、66MHz 1997 年:英特尔 奔腾 II 处理器(采用了英特尔 MMX 技术) 晶体管数量:750 万 速度:200M
5、Hz、233MHz、266MHz、300MHz 1999 年:英特尔 奔腾 III处理器 晶体管数量:950 万 速度:650MHz 至 1.2GHz,奔腾 III处理器,2000 年:英特尔 奔腾 4 处理器 晶体管数量:4200 万 速度:1.30、1.40、1.50、1.70、1.80,奔腾 4 处理器,2001 年 8 月:英特尔 奔腾 4 处理器 达到 2 GHz 里程碑,2002 年 11 月:含超线程(HT)技术的英特尔 奔腾 4处理器 2003 年 6 月:含超线程(HT)技术的英特尔 奔腾 4 处理器 3.2 GHz 闪亮登场。 2004 年 6 月:支持超线程(HT)技术的
6、英特尔 奔腾 4 处理器主频突破 3.4 GHz,含超线程(HT)技术的英特尔 奔腾 4 处理器 3.2 GHz,2005 年 4 月:英特尔的第一款双核处理器平台包括采用英特尔 955X高速芯片组、主频为 3.2 GHz 的英特尔 奔腾 处理器至尊版 840。 2005 年 5 月:英特尔 奔腾 D 处理器,奔腾 处理器至尊版,奔腾D,2006 年5月:英特尔 酷睿 2 双核处理器品牌隆重推出 英特尔 酷睿 2 双核处理器包含 2.91 亿个晶体管。 全新处理器可实现高达 40% 的性能提升，其能效比最出色的英特尔 奔腾 处理器高出 40% 英特尔 酷睿 2 双核处理器和英特尔 酷睿 至尊处
7、理器,2.2 32位微处理器内部结构,微处理器的基本功能模块:,总线接口单元 BIU （寄存器组） 执行单元 EU （运算器和控制器、寄存器组）,存储管理(分段和分页部件) 指令和数据流水线 指令和数据CACHE 指令预取 浮点处理 分支预测 并行计算 ,微处理器的功能扩展模块:,Pentium 采用了多项先进技术： CISC和RISC相结合的技术 超标量流水线技术 分支预测技术,RISC和CISC： RISC（Reduced Instruction Set Computer），精简指令系统的计算机 提供数目较少、格式与功能简单、运行高效的指令 追求的是计算机控制器实现简单，运行高速，更容易在
8、单块超大规模集成电路的芯片内制做出来 CISC（Complex Instruction Set Computer），复杂指令系统的计算机 相对于RISC一词而提出来的一种说法 特点：指令条数多，格式多样，寻址方式复杂，每条指令的功能强。汇编程序设计容易些，但计算机控制器的实现困难多，很多指令被使用的机会并不多,超标量流水线： 标量指单个量，一般的流水计算机因只有一条指令流水线，所以 称为标量流水计算机，所谓超标量是指其具有两条以上的指令流水线. Pentium 有U、V两条整型流水线，一条浮点流水线。,流水线： 是一种使多条指令重叠操作的技术, 是当代微处理器设计中的关键技术之一。 把一条指令
9、分解成若干个步骤来完成，在流水线上称为级，每级 都在一个时钟周期内完成各自的操作。这样每个时钟周期都可以启动 一条指令，m级的流水线上就会有m条指令在同时执行。 流水线的性能比非流水线作业几乎提高了m倍。,分支预测： 所谓分支预测是指当遇到转移指令、CALL调用指令、RET返回指 令、INT n中断指令等跳转指令时，指令预取单元能够较准确地判 定 是否转移取指。,Pentium微处理器内部结构,80486微处理器内部结构,1.总线接口单元： 产生三总线信号，进行存储器和I/O端口的访问。,一. 7个功能块：,2.高速缓冲存储器(CPU内部的Cache)： 存放从存储器中取出的最近要执行的指令和
10、数据，这样CPU就只需从Cache中取指令，不必经常访问存储器了。,3.指令预取部分： 32字节的先进先出的队列，它从Cache中取指令，供译码器译码。,4.指令译码： 从指令预取队列中取指令机器码，翻译成微代码。,5.控制器： 控制器采用微程序设计，根据指令译码器送来的信息产生微指令，对运算器、存储器管理部分发出控制信号。,6.运算器： 包括整数运算器和浮点运算器。,7.存储器管理部分： 包括分段管理和分页管理二部分。,二.基本结构寄存器： 80X86内部寄存器分为4类:,基本结构寄存器 浮点寄存器 系统级寄存器 调试测试寄存器,应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点寄存器。(我们只介绍基本结
11、构寄存器),1.通用寄存器 D31 D16 D15 D8 D7 D0 AH A X AL EAX BH B X BL EBX CH C X CL ECX DH D X DL EDX SP ESP BP EBP DI EDI SI ESI 位序：左为高位，右为低位,AH、AL是AX的高/低8位，AX又是EAX的低16位，设：EAX=12345678H 则： AX=5678H，AH=56H，AL=78H 反之，当89HAH，90HAL后 则： AX=8990H，EAX=12348990H,汇编助记符: 32位寄存器的汇编助记符为 EAXEDX、ESI、EDI、EBP,16位寄存器的汇编助记符为 A
12、XDX、SI、DI、BP,8位寄存器的汇编助记符为 AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL,2.段寄存器： D15 D0 CS 代码段寄存器 SS 堆栈段寄存器 DS 数据段寄存器 ES 附加数据段(附加段)寄存器 FS 附加数据段(附加段)寄存器 GS 附加数据段(附加段)寄存器,3.指针寄存器 D31 D16 D15 D0 IP EIP,指令指针寄存器：32位称为EIP，低16位为IP 作用：存放指令单元的偏移地址,4.标志寄存器（EFLAGS）： 为32位，存放两类标志:状态标志和控制标志。 D31 D16 D15 D0 其中FLAGS为16位寄存器(D15D0),(详细内容在后
13、继课程中介绍),状态标志：表示前面的操作执行后，算术逻辑部件处在怎样一种状态，这种状态会像某种先决条件一样影响后面的操作。有SF、ZF、PF、CF、AF和OF 控制标志：每个控制标志都对某一种特定的功能起控制作用。指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除。有DF、 IF、 TF。,2.3 32位微处理器的外部引脚,1.数据线及控制信号 数据线：D63D0共64位 奇偶校验信号： DP7DP0 ,每个字 节产生1个校验位 读校验错： PCHK,2.地址线及控制信号 A31A3：高30位地址线 BE7BE0：字节允许信号（存储体选中信号） 外围电路对BE7BE0译码以产生A2A0信号,3.系
14、统控制信号 时钟输入CLK 可屏蔽中断请求 INTR 非屏蔽中断请求 NMI 系统复位信号 RESET 系统复位后，程序运行的地址为: FFFFFFF0H 实模式 CS: F000H, IP: 0FFF0H,系统时钟,是微处理器内部与外部操作的同步时基信号，由时钟（CLK）输入信号来提供。,时钟周期： T状态：就是指时钟周期,4.总线周期定义信号(输出) “周期”是一段时间 CPU通过总线与存储器、I/O交换一个数据所需要的时间称为总线周期。,系统中，除了X86之外，还有DMAC，通常情况下，由X86控制三总线，若系统与高速外设交换信息，则由DMA控制器来控制三总线。 首先，由DMAC发出“总
15、线保持请求”，X86检测HOLD有效后，在当前总线周期结束后，与三总线脱离，处于“总线保持状态”，然后通过HDLA向DMAC发出总线保持响应信号，通知DMAC接管三总线。 BREQ：总线请求(输出) X86控制三总线进行操作时,BREQ一直有效。 BOFF：总线占用(输入) 外电路使BOFF有效后，X86在当前总线周期的当前时钟周期结束后，立即与三总线脱离。 这是外部电路强行占用总线的手段，它与HOLD的区别在于：BOFF无需得到CPU的响应。,2.4 32位微处理器的地址空间和工作模式,一、32位微处理器的地址空间 地址空间分为 存储空间 和 I/O空间,1.存储空间： 物理空间(物理存储器
16、地址空间):程序的运行空间。,232=4G 物理 地址： 物 理 空 间,486有32条地址线，内存最大容量4G。这4G字节称为物理存储器，每一单元的地址称为物理地址，其地址范围0000,0000HFFFF,FFFFH为物理存储空间。,虚拟空间(虚拟存储器地址空间):编程空间 虚拟存储器是一项硬件和软件结合的技术。 存储管理部件把主存(物理存储器)和辅存(磁盘)看作是一个整体，即虚拟存储器。486允许虚拟存储器容量最大为246=64T，即程序员可在此地址范围内编程，程序可大大超过物理空间。运行时，操作系统从虚拟空间取一部分程序载入物理存储器运行。当程序运行需要调用的程序和要访问的数据不在物理存储器时，操作系统再把那一部分调入物理存储器.数据的交换极快，程序察觉不到。,
