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1、第二章 Intel 32位CPU第二章第二章 Intel 32Intel 32位位CPUCPU2.1 2.1 CPUCPU的基本结构的基本结构2.2 2.2 寄存器寄存器2.3 2.3 指令流水线操作指令流水线操作第二章 Intel 32位CPU2.1 CPUCPU的基本结构的基本结构2.1.1 2.1.1 几种典型几种典型Intel CPUIntel CPU简介简介1 1、80868086 （1616位位CPUCPU）1616位内部体系结构位内部体系结构1616位外部数据总线，位外部数据总线，2020位地址总线位地址总线 （寻址范围（寻址范围2 22020B=1MBB=1MB）2 2、803
2、8680386 （3232位位CPUCPU）3232位内部体系结构位内部体系结构3232位外部数据总线，位外部数据总线，3232位地址总线位地址总线（实内存（实内存2 23232B=4GBB=4GB，虚拟空间，虚拟空间=64TB=64TB）三种工作方式：实方式、保护方式、虚拟三种工作方式：实方式、保护方式、虚拟80868086方式方式采用流水线技术和指令预取技术采用流水线技术和指令预取技术第二章 Intel 32位CPU3 3、8048680486 （3232位位CPUCPU）3232位内部体系结构位内部体系结构3232位外部数据总线，位外部数据总线，3232位地址总线位地址总线三种工作方式：
3、实方式、保护方式、虚拟三种工作方式：实方式、保护方式、虚拟80868086方式方式采用流水线技术和指令预取技术采用流水线技术和指令预取技术片内含片内含8KB8KB高速缓存（高速缓存（CacheCache）片内含浮点运算单元（片内含浮点运算单元（FPUFPU）4 4、PentiumPentium系列系列 （3232位位CPUCPU）（1 1）19931993年年3 3月，推出月，推出PentiumPentium（经典奔腾）（经典奔腾） 双执行部件双执行部件/ /超标量流水技术超标量流水技术/ /分离的程序和数据分离的程序和数据Cache/64Cache/64位数据位数据总线总线（2 2）1995
4、1995年年1111月，推出月，推出Pentium ProPentium Pro（高能奔腾）（高能奔腾） 动态分支预算动态分支预算/ /更大的流水线深度更大的流水线深度/ /增加的增加的CacheCache容量容量（3 3）19971997年年1 1月，推出月，推出Pentium MMX Pentium MMX （多能奔腾）（多能奔腾） 主要增加了处理多媒体数据的主要增加了处理多媒体数据的MMXMMX指令集指令集第二章 Intel 32位CPU（4 4）19971997年年5 5月，推出月，推出Pentium Pentium （奔腾二代）（奔腾二代） 片内片内64KB的一级的一级Cache和片
5、外和片外512KB二级二级Cache（5）1999年年2月，月，推出推出Pentium Pentium （奔腾三代）（奔腾三代） 增加了增加了70条新的条新的SSE指令集，主要用来提高多媒体的处理速度和指令集，主要用来提高多媒体的处理速度和质量质量 （1999年，年，Intel发布了发布了Celeron赛扬处理器）赛扬处理器）（6）2000年，推出年，推出Pentium Pentium 4（奔腾四代）（奔腾四代） 支持双通道支持双通道DDR技术，传输速度更快，增加了技术，传输速度更快，增加了144个全新的指令个全新的指令（7）2003年，推出年，推出Pentium Pentium M 增加了一
6、些节能、管理的新特性增加了一些节能、管理的新特性5 5、6464位位CPUCPU简介简介 目前主流目前主流CPU使用的使用的64位技术主要有位技术主要有AMD公司的公司的AMD64位技术、位技术、Intel公司的公司的EM64T技术、和技术、和Intel公司的公司的IA-64技术。其中技术。其中IA-64是是Intel独立开发，不兼容现在的传统的独立开发，不兼容现在的传统的32位计算机，仅用于位计算机，仅用于Itanium（安腾）（安腾）以及后续产品以及后续产品Itanium 2 。第二章 Intel 32位CPU2.1.2 CPU2.1.2 CPU的内部结构的内部结构 80486CPU804
7、86CPU内部由八大部件内部由八大部件组成：成：总线接口部件、高速接口部件、高速缓存部件、代存部件、代码预取部件、指令取部件、指令译码部件、浮点数部件、部件、浮点数部件、执行部件、段部件、分行部件、段部件、分页部件。部件。 第二章 Intel 32位CPU2.1.3 CPU2.1.3 CPU的外部引脚的外部引脚 第二章 Intel 32位CPU2.1.4 CPU2.1.4 CPU的工作方式的工作方式 1 1、实地址方式、实地址方式 （Real Address ModeReal Address Mode） 2 2、保护方式、保护方式 （Protected ModeProtected Mode）
8、3 3、虚拟、虚拟80868086方式方式 （Virtual 8086 ModeVirtual 8086 Mode）第二章 Intel 32位CPU2.2 寄存器寄存器2.2.1 2.2.1 通用寄存器通用寄存器 31 15 7 031 15 7 0 0 031 031 015 815 815 015 07 7 EAX AX AH AL EAX AX AH AL EBX BX BH BL EBX BX BH BL ECX CX CH CL ECX CX CH CL EDX DX DH DL EDX DX DH DL EBP BP EBP BP ESP SP ESP SP ESI SI ESI
9、SI EDI DI EDI DI第二章 Intel 32位CPU2.2.2 2.2.2 指令指针寄存器指令指针寄存器 EIP EIP （3232位）位） IP IP （EIPEIP的低的低1616位）位） 内容：下一条要取入内容：下一条要取入CPUCPU的指令在内存中的偏移地址。的指令在内存中的偏移地址。2.2.3 2.2.3 标志寄存器标志寄存器 EFLAGS EFLAGS （3232位）位） FLAGS FLAGS （EFLAGSEFLAGS的低的低1616位）位） 31 18 17 16 15 14 1312 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 031 18 17 16 15
10、 14 1312 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0ACVMRF0 NTIOPLOFDFIFTFSFZF0 AF0 PF1 CF第二章 Intel 32位CPU各标志位的含义：各标志位的含义： 1 1、CFCF（进位标志）（进位标志） =1 =1 算术操作最高位产生了进位或借位算术操作最高位产生了进位或借位 =0 =0 最高位无进位或借位最高位无进位或借位 2 2、PFPF（奇偶标志（奇偶标志） =1 =1 数据最低数据最低8 8位中位中1 1的个数为偶数的个数为偶数 =0 =0 数据最低数据最低8 8位中位中1 1的个数为奇数的个数为奇数 3 3、AFAF（辅助进位标志）（辅
11、助进位标志） =1 D3D4=1 D3D4位产生了进位或借位位产生了进位或借位 =0 D3D4=0 D3D4位无进位或借位位无进位或借位 4 4、ZFZF（零标志）（零标志） =1 =1 操作结果为操作结果为0 0 =0 =0 结果不为结果不为0 0第二章 Intel 32位CPU 5 5、SFSF（符号标志）（符号标志） =1 =1 结果最高位为结果最高位为1 1 =0 =0 结果最高位为结果最高位为0 0 6 6、OFOF（溢出标志）（溢出标志） =1 =1 此次运算发生了溢出此次运算发生了溢出 =0 =0 无溢出无溢出 7 7、DFDF（方向标志）（方向标志） =1 =1 地址自动按减量
12、变化地址自动按减量变化 =0 =0 地址自动按增量变化地址自动按增量变化 8 8、TFTF（陷阱标志）（陷阱标志） =1 =1 调试按单步方式调试按单步方式 =0 =0 非单步非单步 9 9、IFIF（中断允许标志）（中断允许标志） =1 =1 允许响应外部可屏蔽中断允许响应外部可屏蔽中断 =0 =0 禁止响应禁止响应第二章 Intel 32位CPU 1010、IOPLIOPL（输入（输入/ /输出特权级标志）输出特权级标志） I/OI/O特权级：特权级：0 0级级3 3级级 1111、NTNT（嵌套任务标志）（嵌套任务标志） =1 =1 当前任务被嵌套于前一任务当前任务被嵌套于前一任务 =0
13、 =0 不嵌套不嵌套 1212、RFRF（恢复标志）（恢复标志） =1 =1 遇到调试故障也不产生异常中断遇到调试故障也不产生异常中断 =0 =0 当指令顺利进行后自动清零当指令顺利进行后自动清零 1313、VMVM（虚拟（虚拟80868086模式标志）模式标志） =1 CPU=1 CPU工作在虚拟工作在虚拟80868086方式方式 =0 =0 否否 1414、ACAC（对准检查标志）（对准检查标志） =1 =1 如果进行未对准的地址访问，则产生异常中断如果进行未对准的地址访问，则产生异常中断 =0 =0 否否第二章 Intel 32位CPU2.2.4 2.2.4 段寄存器段寄存器 1616位
14、（编程可见）位（编程可见） 6464位（编程不可见）位（编程不可见） 选择器寄存器选择器寄存器 描述符寄存器描述符寄存器CSDSSSESFSGSCSDSSSESFSGS第二章 Intel 32位CPU 一、实方式或虚拟一、实方式或虚拟80868086方式下方式下 段寄存器为段寄存器为1616位，存放内存段的段基址。位，存放内存段的段基址。 CS-CS-代码段的段基址代码段的段基址 DS-DS-数据段的段基址数据段的段基址 SS-SS-堆栈段的段基址堆栈段的段基址 ES-ES-附加数据段的段基址附加数据段的段基址逻辑地址由逻辑地址由段基址：偏移地址段基址：偏移地址组成组成（段基址为段首地址的高（
15、段基址为段首地址的高1616位。段首地址的低位。段首地址的低4 4位为位为0 0。）。）物理地址（物理地址（2020位）位）= =段首地址（段首地址（2020位）位）+ +偏移地址（偏移地址（1616位）位） = =段基址（段基址（1616位）位）10H+10H+偏移地址（偏移地址（1616位）位）第二章 Intel 32位CPU 二、保护方式下二、保护方式下 段寄存器有段寄存器有CSCS、DSDS、SSSS、ESES、FSFS、GSGS，包括选择器寄存器，包括选择器寄存器和描述符寄存器。和描述符寄存器。 逻辑地址由逻辑地址由选择器寄存器：偏移地址选择器寄存器：偏移地址组成。组成。 选择器寄存
16、器的低选择器寄存器的低2 2位为特权标志，位为特权标志，D2D2位为描述符表类型位为描述符表类型标志，高标志，高1313位是选择码。位是选择码。 描述符寄存器的作用是为了加速运行。描述符寄存器的作用是为了加速运行。保护方式下：保护方式下： 段基址段基址3232位位 偏移地址偏移地址3232位位 线性地址线性地址3232位位 物理地址物理地址3232位位第二章 Intel 32位CPU2.2.5 2.2.5 系统地址寄存器系统地址寄存器 1 1、GDTR GDTR （4848位）位） 全局描述符表寄存器全局描述符表寄存器 2 2、LDTR LDTR （1616位）（位）（locallocal：局
17、部）：局部） 局部描述符表寄存器局部描述符表寄存器 3 3、IDTRIDTR（4848位）（位）（describe:describe:描述）描述） 中断描述符表寄存器中断描述符表寄存器 4 4、TRTR（1616位）位） 任务状态寄存器任务状态寄存器第二章 Intel 32位CPU2.3 指令流水线操作指令流水线操作 在在80486CPU80486CPU中中设设有有8KB8KB的的内内部部高高速速缓缓存存器器、3232字字节节的的预预取取指指令令队队列列、指指令令译译码码器器、控控制制器器及及执执行行部部件件，这这就就从从硬硬件件上上支支持持了了指指令令流流水水线线操操作作。804868048
18、6使使用用5 5个个步步骤骤的的流流水水线线技技术术，即即指指令令预预取取PFPF、译译码码D D1 1、 译译码码D D2 2、执执行行EXEX和和结结果果写写回回WBWB。其其过过程程如图所示。如图所示。图图 8048680486指令执行过程指令执行过程第二章 Intel 32位CPU流水线过程示意图流水线过程示意图: : D1123455677D21234567EX123445567WB1234567 对于绝大多数指令对于绝大多数指令,各步骤各需要各步骤各需要1个时钟周期。少数个时钟周期。少数需增加时钟周期。需增加时钟周期。 Pentium微处理器有两条流水线，即微处理器有两条流水线，即U流水线和流水线和V流水流水线。这样就可以使微处理器同时执行两条指令。线。这样就可以使微处理器同时执行两条指令。
