微机原理及接口技术80486.ppt

2019/7/26,1,8086微处理器按功能可分为执行部件和总线接 口部件。 执行部件负责指令执行，它由寄存器、算逻部 件、标志寄存器组成。 总线接口部件执行所有的总线操作，如20位地 址形成、与主存储器或I/O设备交换数据。,第一节 8086微处理器,第二章 80X86微处理器,2019/7/26,2,2019/7/26,3, 地址总线传输地址信息，用来寻址存储器单元和I/O接口。地址总线”宽度”决定系统内存的最大容量。 8086有20根地址线，可寻址1M内存。 80486有32根地址线，可寻址4G内存。 奔腾有64根地址线，可寻址内存。,存储容量单位 1TB=1024GB 1GB=1024MB 1MB=1024KB 1KB=1024字节 1字节=二进制8位,微处理器的三总线,2019/7/26,4, 数据总线传输数据，用来与存储器单元和I/O接口交换数据。 8086/80286CPU内/外数据线都是16位。 80386/80486CPU数据线是32位。 奔腾CPU数据线是64位。, 控制总线对于不同的CPU来讲，其条数是不一样控制线向系统各部件发出(或接收)控制信号。 的。控制线向系统各部件发出(或接收)控制信号。,2019/7/26,5, 通 用寄存器 有8个16位通用寄存器 AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP。这些寄存器可以存放数据和地址，并能进行16位运算。其中AX、BX、CX、DX的低位字节或高位字节也可作为独立的8位寄存器使用，低位字节的寄存器分别称作AL、BL、CL和DL，高位字节的寄存器分别称作AH、BH、CH和DH。,2019/7/26,6, 段寄存器 有4个16位段寄存器 CS、DS、ES、SS。段寄存器主要解决20位地址形成和程序中指令代码与数据分开存放。此4个段寄存器名称为代码段、数据段、附加数据段、堆栈段。除CS是用于指示指令代码的地址空间之外，其它段寄存器都用于指示数据的地址空间。 指令指针IP 16位的IP总是保存着下一次将要从主存中取出指令的偏移地址，其值为该指令到所在段首址的字节距离,2019/7/26,7, 标志寄存器FLAG 16位标志寄存器用来保存在一条指令执行之后，CPU所处状态的信息及运算结果的特征。如有进位/借位CF=1、运算溢出OF=1、运算结果为零ZF=1等9个标志。,2019/7/26,8,二。8086的物理地址的形成,（段寄存器） （CS） （DS） （SS ） （ES）,16,偏移地址,20位物理地址,偏移地址由IP ，SP或寻址方式提供,2019/7/26,9,三。 80486 微处理器结构框图,2019/7/26,10, 基本部件 运算部分：进行定点运算时需要算术逻辑运算单元、移位器和寄存器组；进行浮点运算时需要浮点运算单元和浮点寄存器组。 高速缓存：用来存放最近运行程序所需要的指令代码和数据。减少访问内存次数从而提高CPU运行速度。 存储器段页管理：为实现虚以存储器而设置。 指令译码与控制：根据指令的信息产生微指令对CPU内部进行控制。 80486外部地址线有32根，主存空间为4GB。数据线有32根，同时可访问4个字节的内存数据。,2019/7/26,11, 基本结构寄存器 8个32位的通用寄存器，6个16位的段寄存器，1个32位的指令指针，1个32位的标志寄存器 80486的工作模式 80486有两种工作模式，一种是实地址模式，一种是保护虚拟模式。 80486实地址模式与它的前辈16位的8086完全兼容，在8086和80286编写的程序不需作任何修改，就可以在80486的实地址模式下运行。 保护虚拟模式为多用户操作系统的设计提供必要条件，在保护虚拟模式下，80486可为每一个任务提供4GB的物理空间，并允许程序在64TB的虚拟空间内运行。 80486虚地址、线性地址和物理地址的关系图：,2019/7/26,12,第二节 Intel80X86微处理器体系结构,继78年8086之后,Intel公司与81年推出了80286CPU,它也是16位微机，与8086向上兼容。 而在85年和89年，Intel又分别推出了80386和80486CPU，这两者均为32位微处理器。 80286CPU是在8086的基础上改进和发展而来，其主要特色是： 1. 片内具有存贮器管理和保护机构 2. 正式的在存贮器中引入虚拟地址的概念 3. CPU内部的硬件结构支持了CPU采用了快速的并行 流水线操作方式。,80286的这些特点在80386/80486中体现的更加完善和进一优化，而奔腾CPU的内部结构又是在80486的基础上有更进一步的发展。,13,80X86的体系结构特点,一。有关大型机的优化的体系结构 1。片内集成有存贮器管理部件（MMU） 可支持对存贮器进行分页管理：将指令指定的逻辑地址变换为线性地址。 （段长度可变，但不好管理。所以引入了分页管理）,存贮器管理的具体含义： 80X86支持多任务、多道程序运行，每个任务、每道程序均需占用一定字节的存贮空间，如何将有限的物理空间有效地分配给多个任务 即实现虚、实空间的转换，这就是存贮器管理要解决的问题。,可支持对存贮器进行分页管理：将线性地址变换为物理地址。 由OS进行具体管理，但CPU内部有硬件支持这种管理。,2019/7/26,14,可用于进行快速的实、虚地址转换 一个段R（选择器）,2.片上设有高速缓冲寄存器/存储器（CACHE）,对应于一个64位（8个字节）的段描述符缓冲寄存器。 可用于暂时存放数据和指令于高速缓存中,以加快CPU执行指令的速度。,2019/7/26,15,3。采用高速流水线结构,CPU由多个部件组成，各部件在CPU内部分别同步的， 相互独立 的并 行 操作。 （实现了高效的流水作业，避免了顺序处理，最大限度地发挥了CPU的性能，是总线利用率达到最佳状态。, 指令流水线技术：总线接口、指令予取 、指令予译码。 地址流水线技术： 采用流水线地址寻址 两个连续的总线 周期部分重叠。 超标量流水线技术:多条指令并行执行。,BIU 总线接口部件 EU 执行部件 SU 段管理部件 CPU 代码予取部件 PU 页管理部件 IDU 指令译码部件,2019/7/26,16,二、80X86是灵活的全32位微处理器（MP VP）,数据总线DB32位 可处理8位、16位和32位数据类型， 通用 寄存器及操作数为32位。,支持动态总线宽度控制（动态切换16/32位数据总线）通过引脚 BS16， 由 外部送来信号通知80X86总线改变情况： 0 以16位数据总线操作 1 以32位数据总线操作,2019/7/26,17,三、具有对存贮器及特权层的保护功能,CPU内部具有保护机构： 1。对特权层的保护功能：禁止程序的非法操作如：向代码段进行写入操作，访问段限以外的存贮区域等。 2。对特权层的保护功能： 特权层分为4级：,0级,1级,2级,3级,OS核,系统服务程序,应用服务程序,应用程序,应用程序,2019/7/26,18,四、80X86有大的存贮器空间：,实地址空间 可直接寻址的地址空间为2 =4千兆（4GB） 虚拟存贮空间 可直接寻址的地址空间为2 =64MM字节 （14+32= 2 =64MM）,46,32,80286 68条 AB： 24条 DB：16条 80486 168条 AB： 32条 DB： 32条 Pentium 273条 AB： 32条 DB： 32条,46,2019/7/26,19,2 80X86的内部结构,80X86CPU由多个部件构成,多个部件在CPU内部分别同步 独立并行地进行操作，避免了顺序处理，实现了高效的流水化作业，最大限度地发挥了CPU的性能，使总线的利用率达到最佳状态。,一、80X86的内部各部件及其功能,2019/7/26,20,二、80X86的内部寄存器 1。通用R,D31 D0,EAX,EBX,ECX,EDX,ESP,EBP,ESI,EDI,“E” Expand 8086的16位 通用R扩展为32位，他们可 以按8 位、16位和32位使用。,2019/7/26,21,CS,DS,SS,ES,FS,GS,80386新增加了两个数据段，以满足程序和任务对多数据段的需要。,程序不可访问 （64位）,注意：在进行8位或16位R运算操作时，只影响FR中的相应位，如8位加法进行，起进位不是送到第19位，而是送到FR中的CF位。 1。段位置：由16位的段R和64位的描述符在高速缓冲寄存器中构成。,高速缓冲寄器,（16位）,2019/7/26,22,FR,IP,EFR,EIP,CPU可以使用它的低16位/32位。,3.标志寄存器 （EFR） 4。指令指示器（EIP） 31 15 0 31 15 0,2019/7/26,23,关于标志R（32位） 8086比8位微机，增加了3个控制标志和1个算术运算标志： 分别为DF、IF和OF。 80286比8086又增加了2个控制标志： NT 嵌套（14位） NE 1 表示当前任务嵌套于另一任务中，执行 完当前任务后需返回原任务。 0 表示无效。,有IOPL 特权标志（位12、13） 用以指定I/O操作处于03特权层中的那一层。 80386、80486公使用了15个标志，占用16位（IOPL占2位）,2019/7/26,24,31 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,AC,VM,RF,NT,IP,PL,OF,DF,IF,TF,SF,IF,AF,DF,C,S AF D4 S CF D0 S PF D2 S SF D7 S IF D6 C DF D10 C IF D9 S OF D11 X TF D8 X NT D14 X IOPL D12 X RF D16 X VM D17 X AC D18,8080所用标志,8086所用标志,80286所用标志,80386所用标志,80486所用标志,所有标志位分为三类： S 状态标志 C 控制标志 X系统标志,2019/7/26,25,4 。 系统表R： 用于进行从虚拟地址向实际物理地址的转换。 1。功能： 主要用于在保护模式下，管理 4个系统表，这4个系统表为： GDT（Global Descriptor Table)全局描述符表 LDT（Local Descriptor Table)局部描述符表 IDT（Interrupt Descriptor Table)中断描述符表 TSS（Task State Segment)任务状态段,2019/7/26,26,系统地址R：表R为 GDTR GDT LDTR 分别用来指定 LDT 的大小在M中的位 IDIR IDT 置。 TR 用以指定TSS任务状态段，只用来存放 任务环境的，其在M中的位置和大小 由TR指定。 其中： GDTR和IDTR共48位：32位的表基地址字段+16位的表 边界字段。,31 0 15 0,表基址,表限,2019/7/26,27,可在实模式方式下，通过编程对GDTR和IDTR加载，以实现对GDT和IDT在保护方式下的初始化操作。 15 0 15 0 31 0 15 0 选择器字段 属性字段 表基址字段 边界字段 LDTR和TSR共80位：32位的表基址字段+20位的边界字段 +12位的访问权字段 +16位的选择器字段。,对LDTR和TR的说明： 这两个寄存器只能在保护方式下使用。 在保护模式下程序可访问字段仅限于段选择器字段， 即只能用指令加载段选择器。,2019/7/26,28,用LLDT和LT指令可设置成改变相应的选择器字段，依选择器字段可 从全局描述符表中找到指定的基地址描述符和任务状态段描述符，在将描述符中的32位段基址和16位的段限及16位的属性字段加载到 LDTR和TR的64位高速缓冲寄存器中。,2019/7/26,29,5。控制R（CR0CR3）（32位）（8086CPU中无） 其中：CR1 备用 CR3 用于提供页目录的基地址 CR2 用于提供页故障线性地址。 CR0 其低16位与80286CPU中一样，是机器状态字R。 CR0功能：作为MSW用以表示比FLAG对CPU 影响更大的标志， 这些标志反映了系统 的工作状态。,2019/7/26,30,CR0的控制位分为如下五大类： 1。与CPU工作模式有关的控制位PG（分页）、PG（置CPU为 虚 拟地址保护方式） 2。与CPU片内的CACHE有关的控制位：CE、WT 3。与协处理器或浮点运算部件有关的控制位：TS、EM、MP NE。 4。对唯控制位：AM 5。页的写保护控制位：WP,2019/7/26,31,实模式REAL,PROTECTED 保护模式,VIRTUAL 虚拟8086,LMSW指令,修改CR0指令,RRESET位好修改CR0的PE=0,的PE位=1,通过中断,执行IRETD指令,RESET信号,RESET 对CPU复位,三种模式之间的转换见图：,Intel80X86微处器有三种工作模式：,实模式、保护模式和虚拟86模式,2019/7/26,32,4 . 80X86的存贮器布局,一、布局要点 1、80X86的存贮器有三种工作方式： 实地址方式 虚地址保护方式 虚拟86模式 所以其地址空间分为：物理存贮空间和虚拟存贮空间,实际物理地址空间是 CPU可直接访问存贮空间，其 存贮空间范围由CPU的地址总线位数决定。,虚拟存贮空间即程序占有的存贮空间，其存贮量由CPU的体系结构确定。,2019/7/26,33,任务N,任务N-1,任务X,（虚拟空间） 由磁盘等外 存支撑,任务1,任务2,存贮器管理部件,物理地 址空间 ROR .RAM,任务X,D15 D2 D1 D0,46： 索引值 TI RPL 偏移,2、二者存贮空间示意图如下： 每个任务使用64TB字节的存贮空间(2 ),索引值,TI,RPL,32位偏移地址,46,2019/7/26,34,3、存贮空间的划分： 在实模式下：与8086相同，以64KB为一个逻辑地址段，段长度固定。 在虚地址保护模式下：启动页功能时，一个逻辑段最大可分为2的32次 方个字节。 不启动页功能时，一个逻辑段最大可分为2的20 次方字节。,4、CPU在执行指令时，对存贮器操作数所在实际物理地址的求法： 段基址+偏移地址=PA（32位） 段基址的提供： 虚拟86模式：实地址方式 由段R提供 虚地址保护模式 由段选择器索引段,2019/7/26,35,二、虚地址保护方式 1、从实地址向虚地址保护模式的转换 使用“LMSW”指令置位控制寄存器CR。的D。位以后（即 PE位被置为“1”），由CPU内部的MMU（存储器管理部件）自 动完成转换。 由实地址 虚拟地址,2019/7/26,36,2、虚地址保护方式下CPU进行存贮器寻址时所采取的数据结构： 采用了段选择器与描述符的数据结构，使寻址过程有了一个间接层，为80386内部的MMU和保护机构有了一个活动的空间，使多任务在80X86中运行方便、灵活、可靠。 （1）80X86的段选择器 即8086中的段寄存器，亦是16位，由三个字段组成：,D15 D3 D2 D1 D0,索引值 TI RPL,14位,2019/7/26,37,指令操作：AX： 段R：FS,XX,选择器字段,描述符,描述表,描述符缓存器,M,（2）段选择器的加载及加载的具体操作 即段R的初始化操作 例：指令：MOV FS，AX；,2019/7/26,38,（3）80X86的段R的构成 15 0 63 0,段选择器 属性 段基址 段边界,描述符变速缓冲存贮器,2019/7/26,39,二、80X86在虚拟方式下的寻址过程：,示意图见下页,2019/7/26,40,段描述符,GDT,段描述符,LDT,基地址,边界,描述符高速缓冲器,描述符索引号,段选择器,TI,TI=0,TI=1,M,基地址,边界,15,32,1 0,段选择器和描述符缓冲器作用,2019/7/26,41,分 页,物理地址