第8章80286微处理器结构及其特点

第八章 80286 微处理器结构及其特点 第八章 80286 微处理器结构及其特点 8.1 80286微处理器结构概述 8.2 80286微处理器的指令设置 8.3 虚拟地址变换和存贮器管理 8.4 描述符 8.5 保护机构和控制转移 8.6 任务切换 8.7 中断 8.8 80286总线及系统初始化 第八章 80286 微处理器结构及其特点 8-1 80286微处理器结构概述 一、实模式和保护模式80286具有两种工作模式。第一种是仿真 8086的实模式 (或称实地址模式 )。另一种是 80286新增加的 ,功能非常强的保护模式 (或称保护虚拟地址模式 )。 实模式工作的 80286,实质上是兼容 8086的高速型工作模式。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 二、 80286的内部结构8086微处理器内部由执行单元和总线接口单元两大部分组成。而 80286恰好与此不同 ,它由总线单元、指令单元、执行单元及地址单元 4大部分组成。这些单元可以同步地并行工作 ,实现流水线作业 ,避免了传统的顺序处理方式 ,最大限度地 发挥了处理器的性能 ,从而使总线的利用率处于最佳状态。 80286内部结构框图崐如图8-1所示。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 图 8-1 80286的内部结构框图 第八章 80286 微处理器结构及其特点 1.总线单元 (BUS Unit: BU)总线单元生成存贮器及 I/O请求所必须的地址、数据、指令信号 ,并执行 CPU的所 有总线操作。另外 ,总线单元还控制与 80287浮点处理器的接口。 2. 指令单元 (Instruction Unit: IU)指令单元从预取队列中按字节取出指令代码 ,并进行译码。译码后的指令以 69位的内部格式展开 ,然后放入能容纳 3个指令的译码缓冲器 (69位 3)中 。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 3.执行单元 (Execution Unit: EU)在执行单元中 ,除 ALU外 ,还包括 1536字 35位 (约54000位 )的微代码 ROM,寄存器阵列 ,中断控制电路及向段寄存器装载时的测试电路等。这些电路能保证有效地执行已被译码的命令。4.地址单元 (Address Unit: AU)在地址单元中 ,由偏移量加法器进行有效偏移地址计算时 ,要对其偏移量的段界限进行检查 ,并且还要对段的存取权进行检查 ,最后才进行从虚拟地址到物理地 址的转换。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 三、流水线作业的高速总线周期80286与 8086时分总线不同 ,它的地址总线和数据总线相互独立。在一个总线周期中 ,当有效数据置于数据总线上时 ,下一个总线的地址已开始输出到地址总线上 ,从而实现流水线作业的总线周期方式。另外 ,8086的总线周期基本上由 T1、 T2、 T3、 T4 4个时钟周期构成 ,而80286的总线周期基本上由 TS(Send Status)和TC(Perform Command)两个时钟周期来实现。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 在图 8-2中示出了在假定存取时间完全相同情况下,80286的总线周期和以往的 CPU的总线周期相比 ,采用流水线作业后 ,其性能是怎样提高的。当然图 8-2中的定时关系完全是概略的 ,不是正确的定时关系。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 图 8-2 80286总线周期和以往 CPU总线周期的 比较 第八章 80286 微处理器结构及其特点 四、内部寄存器的设置在 8086内部寄存器设置的基础上 ,为了适应保护模式的需要 ,80286增加了几个寄 存器。在图 8-3中示出了80286的寄存器设置情况。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 图 8-3 80286内部寄存器设置 第八章 80286 微处理器结构及其特点 由图 8-3可知 ,80286内部寄存器可以分成四类 : 通用寄存器 ; 状态控制寄存器 ; 段寄存器 ; 系统表寄存器。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 首先是通用寄存器 ,它们的设置和 8086一样 ,共有 8个 16位的寄存器 ,即 AX,BX,CX,DX,BP,SP,SI,DI。在状态控制寄存器中 ,又可分成三个 : IP(Instruction Pointer); 标志寄存器 MSW。标志寄存器及 MSW(处理器状态字 )的设置情况如图 8-4所示。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 图 8-4 80286标志寄存器及 MSW设置情况 第八章 80286 微处理器结构及其特点 图 8-3(d)中的系统表寄存器 ,是为了管理保护模式下的四个系统表而设置的。这四个系统表是 : GDT(Global Descriptor Table: 全局描述符表 ); IDT(Interrupt Descriptor Table: 中断描述符表 ); LDT(Local Descriptor Table: 局部描述符表 ); TSS(Task State Segment: 任务状态段 )。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 8-2 80286微处理器的指令设置 一、按处理器级别进行分类 80286的指令设置 ,如从处理器级别来看 ,如图 8-5所示 ,有三个台阶 ,可以分成三类 : 8086的指令设置 ; 80186增加的扩充指令设置 ; 只能允许 80286使用的系统控制指令和存取权操作指令 第八章 80286 微处理器结构及其特点 图 8-5 80286指令设置的台阶 第八章 80286 微处理器结构及其特点 1.扩充指令设置80286中属于扩充的指令主要有 : 8位立即数操作的移位 /循环指令 ; 16位寄存器 /存贮器操作和 8/16位立即数的带符号乘法 ,其积存入 16位寄存器的 IMUL指令 ; 对立即数操作的 PUSH指令 ; 8个通用寄存器可以一次压入 /弹出的PUSHA/POPA指令 ; I/O与存贮器之间可以进行数据块传送的INS/OUTS指令 ; 第八章 80286 微处理器结构及其特点 保护主程序堆栈指示器 ,生成新的堆栈区及工作区的 ENTER指令 ; 释放由 ENTER指令生成的堆栈区或工作区 ,恢复主程序堆栈指示器的 LEAVE指 令 ; 8检查数组索引是否在指定范围内的指令 BOUND。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 2.系统控制及存取权操作指令设置下面所列出的指令 ,是为了在保护模式中对系统表及系统状态进行控制和进行段存取操作而设置的。(1)系统控制命令设置首先是系统表操作命令。由于在保护模式中有四个系统表寄存器 ,即 GDTR、 IDTR、 LDTR、 TR。 因此配备了相应的装入及存贮指令。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 LGDT/SGDT(Load GDTR/Store GDTR) 装入和存贮全局描述符表寄存器指令 ; LIDT/SIDT(Load IDTR/Store IDTR) 装入和存贮中断描述符表寄存器指令 ; LLDT/SLDT(Load LDTR/Store LDTR) 装入和存贮局部描述符表 寄存器指令 ; LTR/STR(Load TR/Store TR) 装入和存贮任务状态段指令。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 另一种是系统状态控制指令。它们是装入 /存贮MSW指令及清除 MSW中的 TS位指令。 LMSW/SMSW(Load MSW/Store MSW) 装入和存贮 MSW指令 ; CLTS(Clear Task Switched Flag) 清除 MSW中的 TS位指令。这三条指令在实模式中同样也是有效的。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 (2)存取权操作指令设置虽然 80286在工作中可以由硬件对段的存取权进行自动的检查 ,但是 ,还准备了进一步强化该功能的软件检查指令。这些指令的详细内容 ,在后面章节中再作说明 ,这里只作一概要归纳。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 ARPL(Adjust RPL field of selector) 禁止使用不正确的段参数 ; VERR/VERW(VERify a segment for Reading/Writing) 段读 /写权的检查 ; LSL(Load Segment Limit) 段界限的取出 ; LAR(Load Rights byte) 存取权字节的取出。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 二、按特权级进行分类除英特尔公司以外 ,几乎所有的其它公司生产的 16位及 32位微处理器中 ,都有两种不同的软件执行模式 ,即管理模式 (系统模式 )和用户模式 (正常模式 )。所谓管理模式 ,就是系统处于执行系统程序的状态 ;所谓用户模式就是系统处于执行用户程序的状态。在系统中系统程序和用户程序是分离的 ,存放于不同的存贮空间之中 ,分别处于二种不同的级别。这样就可以避免用户程序对系统程序 区的错误操作。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 在 8086的系统中 ,由于系统程序和用户程序是放在一起的 ,同属一个级别 ,因此用户程序运行中就有可能破坏系统程序。 80286的保护模式就改善了这样的系统环境 ,如图 8-6所示 ,不是 2级而是扩展到 4级。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 图 8-6 4级特权保护结构示意图 第八章 80286 微处理器结构及其特点 另一方面 ,虽然 I/O空间是各任务共有的 ,可共同使用 64 K字节的 I/O空间。但是 ,每个任务对 I/O的存取操作的最大特权级是可以规定的 ,决定这个特权级的是标志寄存器新增加的 IOPL域 (I/O特权域 ),共有 2位。与这 2位的值 (从 0 3)比较 ,现行程序的特权级低时 ,就禁止现行程序对 I/O进行操作。 “现行程序的特 权级别 ”简称为CPL(Current Privilege Level)。 第八章 80286 微处理器结构及其特点 1.非特权级指令与 CPL及 IOPL的值无关的指令 ,都属于这类指令。2.信任指令 (trusted instruction set)这类指令只是在 CPLIOPL时才能执行的指令。在CPL IOPL的情况 ,如果执行这 类指令就会产生 13类中