编位微型计算机原理及应用李继灿主编1.ppt

优秀精品课件文档资料,第2章 80X86微处理器,2.1 Intel 微处理器发展简况,CPU 机型 数据线 地址线 内存容量 推出年代 8088 PC/XT 8位 20位 (最大)1M 79年 80286 PC/AT 16位 24位 16M 82年 80386 (高档)386 32位 32位 4G 86年 80486 486 32位 32位 4G 89年 PentiumPentium 64位 32位 4G 93年 Pentium Pentium Pro Pro 64位 36位 64G,2.2 32位微处理器内部结构,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 SI ESI DI EDI BP EBP 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 AXDX、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 SP ESP,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,堆栈指针寄存器：32位称为EIP，低16位称为SP 作用：存放栈顶单元的偏移地址,4.标志寄存器（F）： 为32位，存放两类标志:状态标志和控制标志。 D31 D16 D15 D0 (详细内容在后继课程中介绍),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位微处理器的工作模式,1.存储空间： 物理空间(物理存储器地址空间):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。,线性地址,实模式：存储空间仅分段，而不分页； 保护模式：存储空间先分段，再分页。,线性空间：,当程序从虚拟空间调入物理空间时，要进行地址转换。,分段部件首先把虚拟地址(编程地址)转换为线性地址, 如果不分页的话，线性地址就是物理地址；, 如果分页的话，则由分页部件把线性地址转换为物理地址。,虚拟地址,I/O地址空间与存储空间不重叠 CPU有一条控制线M/IO，在硬件设计上用M/IO=1，参与存储器寻址，用M/IO=0参与I/O寻址。,从PC/XTPentium，基于Intel微处理器的系统机，实际上只使用低10位地址线，寻址210=1024个I/O端口。,2. I/O空间: 486利用低16位地址线访问I/O端口，所以I/O端口最多有216=64K，I/O地址空间为0000HFFFFH。 注意：I/O地址空间不分段,一.实模式的特点： 加电、复位之后，486自动工作在实模式，系统在DOS管理下 在实模式下，486只能访问第一个1M内存(00000HFFFFFH),486有2种工作模式: 实地址模式(实模式) 保护虚拟地址模式(保护模式), 存储管理部件对存储器只进行分段管理，没有分页功能，每一逻辑段的最大容量为64K。 在实模式下，段寄存器中存放段基址。,二.保护模式的特点: 486工作在保护模式下，才能真正发挥它的设计能力。 在保护模式下，486支持多任务操作系统 在保护模式下，486可以访问4G物理存储空间 存储管理部件中，对存储器采用分段和分页管理,关于“虚拟存储”的概念： 存储管理部件把主存(物理存储器)和辅存(磁盘)看成一个整体。允许编程空间为246=64T，即程序的体积可以大大超过物理存储空间。 操作系统基于存储管理部件，先把程序的一部分装入内存运行，当程序要访问的那一部分不在物理存储器的时候，再从磁盘调入，这种存储交换过程极快，用户是察觉不到的，于是用户可以放心的在64T空间安排程序，仿佛计算机真有那么大的内存一样。,关于保护机制： 486有一套复杂的保护机制，系统定义了4个“特权级”。 操作系统的核心特权级最高，应用程序的特权级最低。并规定，高级别的程序可以访问同级或低级的数据段，反之则不行，应用程序只能访问自身的数据段。 保护模式下，段寄存器存放的不是段基址而是段选择符。,三.虚拟86模式: 虚拟86模式是保护模式下的一种特殊工作模式,可运行实模式程序。 在操作系统管理下,486可以分时地运行多个实模式程序(因为:在虚拟86模式下,486认为段寄存器中存放的不是选择符而是段基址!) 例如有3个任务,操作系统为每一个任务分配1ms,每通过1ms就发生一次任务切换,从 宏观上看系统是在执行多个任务,联机打印程序就使用“分时技术”。打印程序只能在DOS环境下运行,占用系统10%的时间。,四. 实模式下,物理地址的形成 1.存储器的分段管理: 486对存储器采用分段管理,一个单元的物理地址由两部分组成,写成: 段基址偏移地址,设某单元物理地址为12345H, 则: 12345H= 1000H *24+ 2345H 段基址 偏移地址,在一个逻辑段中,各单元的段基址是相同的。 偏移地址是该单元相对于段首的地址偏移量,2.各逻辑段物理地址的形成(以16位寻址为例): 在实模式下,段寄存器存放相应逻辑段的段基址,代码段：CS*24+IP=指令单元的物理地址 一条指令的一个字节取出后，IP自动加1，指向下一字节。 堆栈段：SS*24+SP=栈顶单元的物理地址 数据段：DS*24+偏移地址=数据单元的物理地址,3段寄存器的初值 CS、IP的初值：由操作系统赋值,DS/ES/FS/GS的初值：由程序员赋值。,SS、SP的初值：由程序员赋值 由操作系统自动赋值,2.5 32位微处理器的典型时序,总线周期定义的操作,总线周期定义的操作,M/IO D/C W/R 操作 0 0 0 中断 0 0 1 中止/专用周期 0 1 0 I/O读 0 1 1 I/O写 1 0 0 微代码读 1 0 1 保留 1 1 0 存储器读 1 1 1 存储器写,LOCK：总线锁定信号 LOCK=0，通知外围电路，不允许外部信号打断当前的总线周期。当一条指令有.LOC