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1、,第12章 IA-32微型计算机系统,12.1 IA-32微处理器概述,什么是IA-32 Intel把字长为32位的微处理器体系结构统称为IA-32 处理器包括80386、80486、Pentium、MMX Pentium、Pentium Pro、Pentium II、Pentium III、及Pentium 4。 将8086/8088及80286作为IA-32的特殊形式看待。,典型IA-32处理器内部结构,80386是Intel推出的第一个32位处理器，它有以下特点： 1寻址能力增强 80386提供了32位地址总线，使得寻址能力由80286的 16MB，提高到4096MB（232=4GB）。
2、 2增强内存管理 从80386开始，除了分段管理外，还增加了内存分页 (Memory Paging) 的技术。 3增加了虚拟86工作方式 80386还增加了一种叫做保护方式下的虚拟8086方式（简称虚拟8086或虚拟86或V86方式）。,80386的内部结构,中央处理部件,总线接口部件(BIU：Bus Interface Unit),80386的总线接口部件BIU的作用和8086的BIU基本相同,负责CPU内部各部件与存储器、输入/输出接口之间传送数据或指令。 CPU内部的其他部件都能与BIU直接通信，并将它们的总线请求传送给BIU。 数据传送请求优先于指令预取请求。 总线周期仅为2个时钟周期
3、。,指令预取部件(IPU：Instruction Prefetch Unit),指令预取部件由预取单元及预取队列组成。 当BIU不执行取操作数或偏移地址的操作时，若预取队列有空单元或发生控制转移时，预取单元便通过分页部件向BIU发出指令预取请求。 分页部件将预取指令指针送出的线性地址转换为物理地址，再由BIU及系统总线从内存单元中预取出指令代码，放入预取队列中。 80386CPU的预取队列可存放16个字节的指令代码。 进入预取队列的指令代码将被送到指令译码部件进行译码。,指令译码部件(IDU：Instruction Decode Unit),指令译码部件包括指令译码器和已译码指令队列两部分。
4、它直接从代码预取部件的预取队列中读预取的指令字节并译码，将指令直接转换为内部编码，并存放到已译码指令队列中。 这些内部编码包含了控制其他处理部件的各种控制信号。,执行部件(EU：Execution Unit),执行部件由控制部件、数据处理部件和保护测试部件组成。 它的任务是将已译码指令队列中的内部编码变成按时间顺序排列的一系列控制信息，并发向处理器内部有关的部件，以便完成一条指令的执行。 80386CPU中控制部件还具有加速某种类型操作的功能，如乘法、除法和有效地址的计算等。,存储器管理部件MMU（Memory Management Unit）,存储器管理部件MMU（Memory Manage
5、ment Unit）分为分段部件和分页部件。 分段部件用来实现逻辑地址到线性地址的转换。 分页部件用来实现线性地址到物理地址的转换。若分页部件处于允许状态，则分页部件在操作系统的控制下，便产生线性地址到物理地址的转换；若分页部件处于禁止状态，线性地址即为物理地址。,12.2 IA-32处理器的工作模式及寄存器结构,12.2.1 IA-32处理器工作模式 IA-32处理器的三种基本工作模式 实地址模式 保护模式 虚拟8086模式 实模式和虚拟8086模式是为了向下兼容而设置的。而保护模式是我们的主角，是我们现在系统的主要工作模式。 只有在保护模式才能实现多任务，内存分页管理和保护模式。,1.实模
6、式,IA-32处理器被复位或加电的时候以实模式启动。实模式方式的主要特点如下： （1）处理器在实模式下的存储器寻址方式和8086一样，只能访问由低20位地址线确定的1MB存储空间。 （2）存储器采用分段方式，每个段最大64KB，逻辑地址由16位段基地址和16位偏移地址组成。所有的段都是可以读、写。,1.实模式（续）,（3）实模式下的中断处理方式和8086处理器相同，也用中断向量表来定位中断服务程序的入口地址。中断向量表的结构和8086处理器的一样，每4个字节组成一个中断向量，存放两个字节的段基地址和两个字节的偏移地址。 （4）实模式下不支持优先级，不支持硬件上的多任务切换。 （5）32位处理器
7、工作在实模式时可以使用80386的32位寄存器，用32位的寄存器进行编程可以使计算程序更加简捷。,2.保护模式,保护虚地址模式简称保护模式。 所谓保护是指在执行多任务操作时，对不同任务使用的不同存储空间进行完全隔离，保护每个任务顺利执行。 虚地址即虚拟地址，是指在保护模式下，处理器可寻址的空间远远大于实际的物理地址空。,保护模式的特点：,（1）处理器所有的地址线都可供寻址， 80386处理器的物理寻址空间高达4 GB，Pentium处理器之后的处理器可达64GB。 （2）用32位段基地址和32位偏移地址表示段内存储单元的地址，每个段最大可达4GB。同时支持内存分页机制，提供了对虚拟内存的良好支
8、持，虚拟内存可达64TB。,保护模式的特点（续）：,（3）支持多任务，可以依靠硬件仅在一条指令中实现任务切换。任务环境的保护工作是由处理器自动完成的。 （4）处理器采用4级（03级）保护功能。操作系统运行在最高的优先级0上，应用程序则运行在较低的级别上；配合良好的检查机制后，既可以在任务间实现数据的安全共享也可以很好地隔离各个任务。,3.虚拟86模式,虚拟86模式是为了在保护模式下执行8086程序而设置的，从80386开始的处理器都支持虚拟86模式。虚拟86模式是以任务形式在保护模式下执行的，即在保护模式下模拟8086处理器工作。,虚拟86模式有如下特点：,（1）虚拟86模式采用和8086一样
9、的寻址方式，寻址空间为1 MB。操作系统将不同虚拟86任务的地址空间映射到不同的物理地址上去，这样每个虚拟86任务看起来都认为自己在使用01MB的地址空间。 （2）在分段的基础上可以使用分页方式，将1MB的内存空间分为若干个页，每个页面的大小为4KB。 （3）支持任务切换，可以在多个虚拟86任务间进行切换。 （4）可以执行原来采用8086书写的应用程序。所有应用程序在最低优先级3级上运行。,实模式与虚拟86模式的区别,1内存管理方式不同 实地址方式只采用分段管理，而不采用分页管理，而虚拟86方式既分段又分页。 2存储空间不同 实模式的最大寻址空间为1MB，而虚拟86模式下每个任务尽管最大1MB
10、，但可以在整个内存空间浮动，因此虚拟86模式实际寻址空间为4GB。 3保护机制不同 实地址方式下无保护机制，而虚拟86模式既可以运行8086程序，又支持多任务操作。,2019年5月22日星期三,12.2.2 IA-32处理器的寄存器结构,16位处理器8086、8088和80286 只能使用8位或16位寄存器 32位处理器80386、80486和Pentium等 可使用8位、16位、32位乃至48位的寄存器 兼容16位处理器的寄存器 IA-32处理器内部的寄存器分为两组 一组为基本寄存器组，与16位处理器相兼容 另一组为系统寄存器组，是32位处理器新增的寄存器,2019年5月22日星期三,IA-
11、32寄存器结构,16位寄存器结构,16位扩展为32位的寄存器,新增加的寄存器,1.基本寄存器组,IA32处理器基本寄存器结构,在16位基础上扩展的寄存器,通用寄存器 把原16位处理器的寄存器扩展到32位，称为EAX、EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、ESI和EDI。但仍可以8位或 16位方式来访问。 控制寄存器 IP扩展为32位的EIP，实模式下仍用IP保存指令的偏移地址 FLAGS扩展为32位的EFLAGS，不同的处理器对标志寄存器EFLAGS增加了一些标志位 段寄存器 新增FS和GS两个段寄存器,IA-32处理器标志寄存器,标志寄存器的标志,NT 嵌套标志，NT=1 有任务嵌套；NT
12、=0 没有任务嵌套。 IOPL I/O特权标志：共有4层：0（00）、1（01）、2（10）和3（11）层，其中0层为最高层，一般为操作系统的核心程序使用。3（11）一般为用户程序使用。 AC 地址对齐检查：当AC=1时，不依据数据属性（以奇地址存取）的定位访问存储器时，产生定位故障。当AC=0时，不进行定位检查。 VM 虚拟方式位：在保护方式下，VM=1使处理器工作在虚拟86方式。VM位只能在保护方式下由IRET指令（当前特权级=0）或在任何特权级下由任务切换设置使VM=1而进入虚拟86方式。,标志寄存器的标志续,RF 恢复标志：RF标志位与调试寄存器的断点或单步操作一起使用。当调试失败后，
13、利用RF标志（使RF=1）强迫使程序恢复执行，当程序顺序执行时该标志位自动清0（RF=0）。 VIF虚拟中断位：当允许虚拟86方式扩充(CR4.VME=1)或允许保护方式虚拟中断(CR4.PVI=1)时该位为1，虚拟中断标志是所用中断标志的虚拟映象。 VIP 虚拟中断挂起位：指示虚拟中断是否挂起。 ID 标识位：测试微处理器ID指令的存在性，如果一个程序可以设置和清除ID位，则表示微处理器ID指令存在 复位后EFLAGS的内容同80386和80486一样为00000002H。,2.系统寄存器组,（1）系统地址寄存器：用来存储操作系统需要地址转换表信息、定义目前正在执行任务的环境、地址空间和中断
14、向量空间。 （2）控制寄存器： 4个32位的控制寄存器CR0、CR1、CR2和CR3，是为了控制微处理器的工作方式和分段管理机制及分页管理机制 （3）调试寄存器组：8个，用于保存断点等相关信息。 （4）测试寄存器组：8个，用于系统测试。,全局描述符表寄存器GDTR 中断描述符表寄存器IDTR 局部描述符表寄存器LDTR 任务状态段寄存器TR,（1）系统地址寄存器,（2）控制寄存器,机器控制寄存器CR0：选择微处理器的工作方式和存储器的管理模式 页故障线性地址寄存器CR2：CR2由分页管理机制使用，用于报告发生页故障时的出错信息。 页目录表基址寄存器CR3：CR3用于保存页表目录的起始物理地址，
15、故称页目录表基地址寄存器PDBR。,控制寄存器CR0,保护模式允许位PE PE位控制微处理器是进入实模式还是进入保护模式。 PE清0，为实模式；PE置1，为保护模式。 分页管理启用位PG PG控制禁止还是启用分页管理机制。 PG置0，禁止使用分页机制，此时由分段机制形成的线性地址就作为物理地址；PG置1，启用分页机制。 协处理器操作控制位（MP、EM、TS、ET）,微处理器工作方式选择,CR2和CR3,CR2：页故障地址寄存器，记录页出现故障时的32位线性地址。 CR3：页目录表地址寄存器，记录页目录表的起始物理地址（基地址）。页目录表按页对齐，每页4KB故CR3的低12位（212=4K）总是
16、0。 CR3的格式如下所示：,PCD 页Cache禁止（Page Cache Disable）：PCD=0允许页调入缓存，PCD=1禁止页调入缓存。 PWT 页写到底（Page Writes Transparent）PWT=0页数据回写至Cache，PWT=1页数据写到底。,（3）调试寄存器,8个调试寄存器 DR0、DR1、DR2、DR3、DR4、DR5以及DR6和DR7。 功能：在调试中一次设置4个断点，DR0DR3用来存放4个断点的线性地址，DR4和DR5保留未使用，DR6为断点状态寄存器，用于设置断点，其中保存了几个调试标志，用以协助断点调试。 DR7为断点控制寄存器，可通过对应位的设置来选择允许和禁止断点调试，同时用于显示断点的状态。IA-32处理器这些寄存器为32位的，而IA-32E处理器扩展为64位，高32位为0。,（4）测试寄存器组,80386设置了8个32位测试寄存器TR0TR7， TR0TR5由Intel公司保留使用，用户只能访问TR6和TR7。TR6是测试控制寄存器，TR7是测试状态寄存器，保留测试
