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1、第3章 80x86系列微处理器简介,内容提要：计算机发展到今天，微处理器可分为七代。本章着重介绍各时代的CPU内部结构以及CPU的工作原理及技术。 学习目标：重点掌握不同时代微处理器的结构和存储器的管理以及不同时代微处理器的处理技术。,返回主目录,本章目录 3.1 80286微处理器 3.2 80386微处理器 3.3 80486微处理器 3.4 Pentium微处理器 小结,第3章 80x86系列微处理器简介,31 80286微处理器,80286、80386、80486、pentium系列的CPU成为80x86系列。一般将CPU产品分为七代，如表3-1所示。,表3-1 Intel公司系列CP
2、U分代,3.1.1 80286的内部结构,图3-1 80286内部结构,图3-1是80286的内部结构图，主要有四部分组成，由地址单元AU（Address Unit）、总线单元BU (Bus Unit)、指令单元IU (Instruction Unit)和执行单元EU（Excution Unit）等4部分组成，80286将8086中的总线接口单元BIU分成了地址单元AU、总线单元BU、指令单元IU三部分。这4部分是并行操作的，这样大大提高了CPU的工作速度，其系统的整体性能比8086提高了6倍。,总线接口单元（BU）：地址锁存和驱动部件、扩展接口、总线控制器、数据收发器、指令预取队列等。 指令
3、单元（IU）：指令译码器、译码指令队列等部件。 执行单元（EU）：控制器、算术逻辑运算部件、寄存器组等。 地址单元（AU）：偏移地址部件、段地址界限检查部件、段基址部件、物理地址生成部件等。,指令在CPU内部形成两个队列。一个是6B的预取队列，另一个是指令队列。预取队列包括在总线部件中，只要队列中空出2个字节，BU就会去访问存储器读出后续指令来填充指令队列。 80286的地址部件中设置两个地址加法器，一个用来计算偏移地址值（16位），另一个用来计算24位的物理地址。 80286CPU有14个寄存器:AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI、IP、FLAG、CS、DS、SS、和ES。这些寄
4、存器的功能在实地址方式下与8086的寄存器完全一样。还有一个16位的机器状态字MSW（Machine Status Word）寄存器，它只定义了低4位PE、MP、EM和TS，其中最低位是保护方式允许位PE，当该位被置1时，CPU将转移到保护方式，允许给段实施保护；若PE被清0，则CPU返回到实地址方式工作。MP是监视协处理器控制位，当MP为1时，表示有协处理器；否则，表示没有协处理器。EM是仿真协处理器控制位。当MP为1时，表示用软件仿真协处理器，而这时CPU遇到浮点指令，则产生故障中断7；如EM为0，浮点指令将被执行。TS是任务转换控制位。每当进行任务转换时，由CPU自动将TS置1。在CPU
5、复位时，MSW被置为FFF0H。,80286中的寄存器组与8086基本相同，所不同的是标志寄存器增设了两个标志位，其格式如图3-2所示。 IOPL为特权标志位，用来定义当前任务的特权层。 NT为任务嵌套标志位，NT为1，表示当前执行的任务嵌套于另一个任务中，否则，NT为0。,图3-2 80286标志寄存器格式,3.1.2 80286的存储器管理,80286、80386、80486等CPU组成的微型计算机大多配置了416MB的内存，有的还配置了64MB的存储器，Pentium系列计算机已经配置到512MB或更高的内存。,1.实地址方式,实地址方式是8028680486最基本的工作方式，与8086
6、工作方式基本相同，寻址范围只能在1MB范围内，故不能管理和使用扩展存储器。复位时，启动地址为FFFF0H，在此地址安排一个跳转指令，进入上电自检和自举程序。另外，保留0003FFH的中断向量区。可以认为该方式只使用低20位地址线，寻址1MB。DEBUG调试程序只能在实地址方式下使用。,2.虚地址保护方式,在实地址方式下工作的8028680486相当于快速的8086，并未发挥这些高性能CPU的作用。而这些CPU的特点是能可靠地支持多用户系统，即使是单用户，也可以支持多任务操作，这就要求采用新的存储器管理机制虚地址保护方式。 虚地址存储器（Virtual Memory）是为满足拥护对存储空间不断扩
7、大而提出的。如果用扩大内存的方法，造价高且利用率低。采用虚拟存储器，圆满地解决了这个问题。 虚拟存储器是一种技术，它提供比物理存储器大得多的存储空间，使编程人员在写程序时，不用考虑计算机的实际容量，可以写出比任何实际配置的物理存储器都大很多的程序。,虚拟存储器由存储器管理机制以及一个大容量的快速硬盘存储器或光盘支持。在程序运行时，只把虚拟地址空间的一小部分映射到主存储器，其余部分则仍存储在磁盘上。当访问存储器的范围发生变化时，再把虚拟存储器的对应部分从磁盘调入内存。虚拟存储器的另外一部分，也能从主存储器送回到硬盘上。 虚拟存储器地址是一种概念性的逻辑地址，并非实际物理地址。虚拟存储系统是在存储
8、体系层次结构（辅存内存高速缓存）基础上，通过存储器管理部件MMU，进行虚拟地址和实地址自动变换而实现的，对每个编程者是透明的，编址空间很大。,80286可在实地址及保护虚拟地址两种方式下访问存储器。 在实地址方式下，用A19A0位直接寻址1MB存储器空间，20位地址的形成方式与8086完全相同。这时A23A20无效。 在保护地址方式下，采用虚拟存储器系统可直接实存储器地址达16MB。这时A23A20位地址线有效。而虚拟存储器地址可达1000MB（230）。 80286在保护虚拟地址方式时，采用32位虚地址指示器寻址，包含16位段选择字和16位偏移地址。其中，偏移地址的功能与实地址方式相同，而1
9、6位段选择字为进入存储器中一个描述符表的参数。从这个描述符表中可得到24位段基地址，将它与16位偏移地址相加，形成访问存储器的24位物理地址，其实现过程如图3-3所示。,3. 80286存储器管理,80286的描述符表由描述符组成，每个描述符指向存储器中的一个逻辑段。MMU是以描述符为基础进行管理。80386设置三个描述符表：全局描述符表GDT、局部描述符表LDT及中断描述符表IDT。对应这三个描述符表，在CPU中设置三对寄存器，每一对寄存器存放一个描述符表的基地址及极限值。基地址寄存器用来存放该描述符表的首地址，而限值寄存器用来存放它的最大字节数。对于全局描述符表及局部描述符表最多可存放8K
10、个描述符，对于中断描述符表来说，由于系统中只允许定义256种类型的中断，所以只需要存放256个描述符。这三个描述符表在内存中的分配如图3-4所示。,描述符用来存放执行存储管理和保护的有关信息，如图3-6。每个描述符占用8个字节，由四部分组成：16位段限值用来限制各逻辑段的长度不超过64KB，24位段基地址用来指向该段的首地址，8位访问权字节用来定义该段的有关特性，还有两个字节备用。段描述符访问权字节定义如表3-2。,表3-2 段描述符访问权字节定义,返回本章目录,32 80386微处理器,图3-7是80386的内部结构，主要由总线接口单元BIU、指令译码单元IDU（Instruction De
11、code Unit）、指令预取单元IPU（Instruction Prefetch Unit）、执行单元EU、段管理单元SU（Segment Unit）和页管理单元PU（Paging Unit）、控制单元CU（Control Unit）等七个单元组成。把这七个单元分成CPU、存储器管理部件（MMU）和总线接口部件（BIU）三部分。 存储器管理部件由段管理单元SU和页管理单元PU构成。段管理单元负责完成逻辑地址到线性地址的转换，而页管理单元负责将线性地址转换成物理地址，并将其送到总线接口单元。,3.2.1 80386的内部结构,图3-7 80386的内部结构,80386CPU共有7类寄存器，它们
12、是通用寄存器、段寄存器、指令寄存器、标志寄存器、控制寄存器、系统地址寄存器、调试寄存器和测试寄存器。80386通用寄存器是将80286的寄存器扩展为32位，用EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP和ESP表示。这些寄存器的低16位可用AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP和SP表示，而且AX、BX、CX、DX都可分成两个8位寄存器使用。指令寄存器和标志寄存器也扩展成32位，用EIP和EFLAG表示，它们的低16位就是80286的IP和FLAGS，并可独立使用。80386的FLAGS在80286的基础上又增加了两个标志：虚拟8086方式VM和恢复标志RF。在80386处于虚地址
13、保护方式时，使VM=1，80386就进入虚拟方式。RF标志用于断点和单步操作。80386还新增加了两个段寄存器FS、GS和4个调试寄存器与测试寄存器。,3.2.2 80386的存储器管理,80386/80486的存储器管理部件MMU的组成和功能大致相同。都支持下列功能： 虚拟存储：用它支持分段分页的虚拟存储。 保护功能：实现任务间和特权级的数据和代码保护。 由于80386/80486的虚拟存储空间最大可到64KGB（246），几乎可谓无限大存储容量，这就给使用大容量的辅助存储器（例如光盘）创造了条件。,1存储器管理机制,80386使用的是分段和分页管理，它们都是使用驻留在存储器中的各种表格，规
14、定各自的转换函数。这些表格只允许操作系统进行访问，而应用程序不能对其修改。这样，操作系统为每个任务维护一套各自不同的转换表格，其结果是每一任务有不同的虚拟地址空间，并使各任务彼此隔离开来，以便完成多任务分时操作。 80386先使用段机制，把包含两个部分的虚拟地址空间转换为一个地址空间的地址，这一中间地址空间称为线性地址空间，其地址称为线性地址。然而再用分页机制把线性地址转换为物理地址，如图3-8所示。,虚拟地址空间是二维的，它所包含的段数最大可到16K个，每个段最大可达到4GB，从而构成64KGB容量的庞大虚拟地址空间。线性地址空间和物理地址空间都是一维的，其容量为232=4GB。事实上，分页
15、机制被禁止使用时，线性地址就是物理地址。 在80386、80486CPU上，分页机制是支持虚拟存储器的最佳选择。因为它使用固定大小的块。,所谓保护有两个含义，一是每个任务分配不同的虚地址空间，使任务之间完全隔离，实现任务间的保护。二是任务内的保护机制，保护操作系统存储段及其专用处理寄存器不被应用程序所破坏。 通常操作系统存储在一个单独的任务中，并被所有其他任务共享，每个任务有自己的段表和页表。 在同一任务内，定义四种特权级别，0级最高。定义为最高级中的数据只能由任务中最受信任的部分进行访问。特权级可以看成4个同心圆，内层最低，特权级的典型用法是把操作系统的核心放在0级，操作系统的其余部分放在1
16、级，而应用程序放在3级，留下的部分供中间软件用。,2保护,80386的分段模式，使用具有两个部分的虚拟地址，即段部分及偏移量。段部分指CS，DS，ES，GS，SS，FS共6个段。80386为地址偏移部分提供了灵活的机制，使用存储器操作数的每条指令规定了计算机偏移量的方法，这种规定叫做指令的须知方法，8个通用寄存器EAXEDI的任一个都可用作基址寄存器，除了堆栈指针外的7个寄存器EAXEDI又可用来作寄存器，再把这个变址寄存器的值乘以1，2，4，8中的任一个因子。然后再加上一个32位的偏移量作为地址的偏移部分，例如DS：EDX+ESI 8+位移量。于是，32位的偏移量为基地址+变址寄存器的内容 比例因子+位移量。这种寻址方式提供强有力而又灵活的寻址机制，这种机制非常适用于高级语言。,3分段分页机制,段是形成虚拟线性地址转换机制的基础。每个段由三个参数定义： 段的基地址，即线性空间中段的开始地址，即基地址是线性地址空间对应于段内偏移量为0的虚拟地址。 段的界限，即指段内可以使用的最大偏移量，它指明该段的容量的大小
