第9章32位微型计算机

1 第9章32位微型计算机系统简述 9 132位微处理器Pentium9 2Pentium微处理器的指令系统9 3Pentium虚拟存储机制和片内两级存储管理9 432位微机系统中的高速存储技术9 5微型计算机的总线9 6Pentium微机系统的结构 2 9 132位微处理器Pentium 1 Pentium采用的先进技术2 Pentium的工作方式3 Pentium的原理结构4 Pentium的寄存器5 Pentium的中断 3 1 Pentium采用的先进技术 先进的体系结构CISC和RISC相结合的技术超标量流水线技术具有BTB方式的转移预测能力 4 2 Pentium的工作方式 实地址方式保护虚地址方式 保护方式 虚拟8086方式系统管理方式 5 1 实地址方式的特点 寻址机构 存储器管理 中断处理机构均同8086 操作数默认长度16位 使用A19 A0寻址1MB物理地址物理地址 线性地址 段寄存器 16 16位偏移量两个内存保留区 系统初始化区 FFFF0H FFFFFH中断向量表区 00000H 003FFH 6 2 保护方式的特点 使用A31 A0寻址4GB物理地址空间 用户编程采用虚拟地址 逻辑地址 虚拟地址空间为64TB 存储器采用分段 分页管理 段寄存器的内容作为选择子 通过描述符表实现虚拟地址向线性地址的转换 通过页表实现线性地址向物理地址的转换 能进行16位运算 也能进行32位运算 7 支持多任务 支持两种主要保护类型 不同任务之间的保护 采用任务隔离LDT指定了独立的虚拟地址空间 隔离了任务间的相互影响达到保护目的 同一任务内的保护 采用特权级保护任务的4种特权级I O的两个特权级 8 3 虚拟8086方式的特点 V86方式的寻址 与保护方式的区别 寻址的地址空间是1MB 段寄存器的内容作为段值解释 20位存储单元地址由段值乘以16加偏移构成 V86方式下的保护 与实地址方式的区别 V86方式下的代码规定在特权级3下运行 V86可进行多任务操作V86方式下的分页功能 实地址方式不支持 只能访问第一个页目录项页表项最多为256 16 272个 9 3 Pentium的原理结构 Pentium的内部主要包括12个主要部件 总线接口部件U流水线和V流水线数据Cache代码Cache指令预取部件指令译码器控制ROM分支目标缓冲器BTB控制部件浮点处理部件FPU分段部件和分页部件寄存器组 10 11 1 U流水线和V流水线 超标量 一个处理器中有多条流水线 Pentium整数指令采用5段式流水线 U流水线和V流水线都有 ALU 地址生成电路和与数据cache的接口两条流水线共用部件两个预取缓冲器 指令译码器 控制ROM 12 U和V流水线都由5段组成指令预取 PF 指令译码 D1 地址生成 D2 指令执行 EX 结果写回 WB U和V共享 13 2 浮点运算指令流水线 浮点运算指令采用8段式流水线指令预取 PF 指令译码 D1 地址生成 D2 取操作数 EX 执行1 X1 执行2 X2 结果写回寄存器堆 WF 错误报告 ER 前4段在U流水线完成 14 4 Pentium的寄存器 Pentium的寄存器组可以分成如下三类 1 基本寄存器组 2 系统寄存器组 3 浮点寄存器组 15 1 基本寄存器组 通用寄存器8个32位通用寄存器 用于保存数据和地址EAX EBX ECX EDX ESI EDI EBP ESP段寄存器6个16位长段寄存器CS SS DS ES FS GS指令指针和标志寄存器EIP EFLAGS 16 32位标志寄存器 EFLAGS IOPL I O特权级 当前特权级高于IOPL I O指令能顺利执行 若当前特权级低于IOPL 则产生中断 使任务挂起 NT 嵌套任务标志位 NT 1 表示当前执行的任务嵌套在另一个任务中执行 RF 恢复标志位 配合断点或单步操作一起使用 VM 虚拟8086方式标志位 17 AC b18 对准检查标志 AC 1 进行未对准地址访问时将产生异常中断17 只有在特权级3时此位有效 同80486 VIF b19 虚拟中断允许标志VIP b20 虚拟中断禁止标志虚拟中断 virtualinterrupt 用于多任务环境 ID b21 识别标志 ID 1指明这个处理器能支持CPUID指令 18 段寄存器 6个16位的段寄存器CS SS DS ES FS GS保护地址方式下作为段选择子寄存器 段选择子用来选择进入GDT LDT 每个段选择子寄存器对应有一个64位的内部段描述符寄存器 指令执行时被透明地装入描述符 19 2 系统寄存器组 系统地址寄存器GDTR IDTR LDTR TR5个控制寄存器CR0 CR1 CR2 CR3 CR48个调试寄存器18个测试寄存器 20 系统地址寄存器 全局描述符表寄存器 GDTR 48位 定义了一个全局描述符表 GDT 中断描述符表寄存器 IDTR 48位 定义了一个中断描述符表 GDT 中断描述符类型称为中断门 21 局部描述符表寄存器 LDTR 16位 选择子 用于选择一个LDT描述符 装入LDTR高速缓冲寄存器 LDT描述符定义了一个局部描述符表 LDT 任务寄存器 TR 16位 选择子 用于选择一个任务状态段 TSS 描述符 装入到任务描述符高速缓冲寄存器 22 Pentium控制寄存器 CR0的PG PE组成给定CPU的工作模式CR3保存页目录表的基地址 页目录表按页对齐 CR3最低12位为0 每页为4KB 23 5 Pentium的中断 256种 1 引发中断的三类情况外设往CPU送一个中断请求信号 外部硬件中断 非屏蔽中断 CPU或协处理器执行指令时产生异常异常按报告错误方式分为三类 故障 Fault 陷阱 Trap 异常中止 Abort 程序执行INT指令 软件中断 24 2 中断向量和中断描述符表 中断类型号通过一个地址指针表与中断服务程序相联 在实方式下 地址指针表称为中断向量表 在保护方式下 地址指针表称为中断描述符表 IDT 中断向量表位置 IDTR 基址为0 限长 03ffh中断描述符表位置 IDTR的值确定 25 门描述符可定义 中断门 陷阱门 任务门IDTR的限长 07FFH中断门 陷阱门区别 当切换到陷阱门上下文时 不清除IF 26 9 2Pentium的寻址方式和指令系统 1 Pentium的寻址方式2 Pentium的指令系统简述 27 1 Pentium的寻址方式 有效地址的形成EA 基址 比例因子 变址 位移量 28 立即数寻址方式moveax 44332211h寄存器寻址方式moveax ebx直接寻址方式moveax 1234h 寄存器间接寻址方式moveax ebx 寄存器相对寻址方式moveax ebx 80h 基址变址寻址方式moveax ebx esi 相对基址变址寻址方式moveax ebx esi 80h 比例变址寻址方式moveax esi 2 基址比例变址寻址方式moveax ebx esi 4 相对基址比例变址寻址方式moveax ebx esi 8 80h 29 2 Pentium的指令系统简述 16位指令系统从两个方面向32位扩展 支持32位操作数 支持32位寻址方式movax bx 16位操作数moveax ebx 32位操作数movax ebx 16位操作数 32位寻址方式moveax ebx 32位操作数 32位寻址方式有些指令扩大了工作范围 或指令功能实现了向32位的自然增强 增加新功能指令 30 Pentium的存储管理部件MMU设有分段部件SU和分页部件PU 允许SU PU单独工作或同时工作 不分段不分页模式分段不分页模式分段分页模式两种分页方式 4KB的页 4MB的页不分段分页模式也称为平面存储模式 平展模式 9 3Pentium的片内两级存储管理 保护模式 分段 分页管理 31 虚拟地址 48位存储器指针 16位选择子 32位有效地址 选择子的格式 任务指示符 0 使用GDT 1 使用LDT 请求特权级 1 虚拟地址空间 32 2 虚实地址转换 33 3 段式地址转换 34 4 页式地址转换 Pentium有两种分页方式 4KB的页 使用页目录表 页表两级页表进行地址转换 4MB的页 使用单级页表进行地址转换 页表项 PSE位 b7位 1 页大小为4MB 页目录表项 PSE位 b7位 0 页大小为4KB 35 1 Pentium4KB分页方式地址转换 线性地址由三部分组成 目录 10位 页 10位 偏移量 12位 目录域 4 CR3 目录项的物理地址页域 4 页表基地址 页表项的物理地址页帧基地址 偏移量 操作数的物理地址 36 1000110101B 00005000H 00000010H 0000000100B 01235674H 00000000H 00005H 000058D4H 0003CH 0003C000H 674H 0003C674H 37 2 Pentium4MB分页方式地址转换32位线性地址分为高10位的页面 号 和低22位的页内偏移两个字段 32位地址模式下 全系统只一张页表 由控制寄存器CR3指向 此页表有1K个表项 每项4字节 32位 38 39 编程不必考虑存储器分配工作 也无需考虑内存空间大小 即面向用户的存储器是一个虚拟存储器 在CPU与主存之间加入一级与CPU速度处于同一数量级的半导体存储器即Cache 以提高存储系统的整体速度 合理地组织存储体系后 从整体看 CPU能以接近Cache的速度访问存储器 而总存储容量相当于联机外存的总容量 9 432位微机系统中的高速存储技术1 微机的三级存储体系 40 设置Cache是利用了区域性定理时间区域性 存储体中某数据被访问后 可能很快又被访问空间区域性 存储体中某数据被访问 附近的数据也很快被访问 41 2 Cache的组织方式 按照内存和Cache之间的映像关系 Cache有三种组织方式 直接映像方式全相联映像方式组相联映像方式直接映像规定内存中的某一块只能映像到Cache的一个特定块中 全相联映像规定内存的每一块可映像到Cache的任一块 内存中的各块与Cache的组号间有固定的映像关系 但可自由映像到对应的Cache组中的任何一块 42 替换算法 当CPU访问Cache没命中时 需从内存调新块进入Cache 若Cache中相应位置已被信息占满 那么就必须去掉旧块 这个过程由替换控制部件控制完成 替换应遵循一定的规则 这些规则称为替换策略或替换算法 常用的替换算法 先进先出算法 FIFO 近期最少使用算法 LRU 随意选择 43 3 Pentium的两级cache组织 L1cache CPU内 容量16KB 每行32BL2cache 主板上 容量256KB或512KB 每行32B 64B 128B 两级cache皆采用两路组相联映像方式L1cache分为8KB的指令cache和8KB的数据