第三章 从8086到Pentium系列微处理器

从8086到Pentium系列微处理器的技术发展,第3章,3.180286微处理器简介3.280386微处理器3.380486微处理器简介3.4Pentium微处理器简介,3.1.180286的特点及相对8086体系结构的增强点,80286微处理器简介,3.1,将8086的BIU分成了AU、IU和BU3个部件。数据线和地址线完全分离具有“实地址模式”和“保护虚地址模式”两种工作模式能运行实时多任务操作系统，支持存储管理和保护功能实现了虚拟存储管理与80286配合使用的80287可以80286的两种工作模式,3.1.180286的保护模式,当80286工作于实模式时，它的24根地址线中只有低20位地址有效，其寻址空间和寻址方法与8086完全相同。对于程序员来说，相当于8086的最大模式系统，寄存器结构和寻址方式与8086相同。不同的是20位地址总线和16位数据总线不再分时复用芯片的引脚，并且增加了某些新指令。8086的应用程序不需要修改就可以移到该方式下运行，但是运行速度更快。,3.1.180286的保护模式,保护模式体现了80286的特色，主要是对存储器管理、虚拟存储和对地址空间的保护。虽然80286的实存地址空间只有16MB，但在保护模式下，可为每个任务提供多达1GB的虚拟存储空间和保护机制，有力地支持了多用户、多任务的操作。在保护模式下，80286的存储管理仍然分段进行，每个逻辑段的最大长度为64KB，但每个任务可使用的逻辑空间却高达1GB。,80386微处理器,80386的特点：80386是全32位结构，它的外部数据总线和内部数据通道，包括寄存器、ALU和内部总线都是32位的，提供32位的存储空间寻址能力和32位的外部总线接口单元，能灵活处理8位、16位、32位3种数据类型80386有3种工作模式：实模式、虚拟86模式、386的保护模式80386的硬件结构可分成6个逻辑单元，它们以流水线方式工作。其硬件设计有支持段页式存储管理部件，易于实现虚拟存储系统80386硬件支持多任务处理，用一条指令就可以实现任务切换。80386设置了4级特权级,3.2.180386的特点及其体系结构,3.2,80386的体系结构总线接口部件（BIU）是80386与外界的接口，它通过数据总线、地址总线和控制总线将外部部件与80386连接起来，完成对存储器和I/O端口的访问、80386与80387数学协处理器的协调等功能。中央处理部件（CPU）包括指令预取部件（IPU）、指令译码部件（IDU）和执行部件（EU）。存储管理部件（MMU）包括段管理部件（SU）和页管理部件（PU），它们的功能是实现存储器的段、页式管理，从而实现虚拟存储器系统和多任务处理。,3.2.180386的特点及其体系结构,80386有132个引脚，其中20条用作VCC，21条用作GND，34条地址线，32条数据线，17条控制线，其余8个引脚未用。,3.2.280386引脚的功能,数据线D31D0和总线宽度控制信号BS16地址线A31A2和字节控制信号BE0BE3协处理器接口信号PEREQ、BUSY、ERROR其他信号D/C、NA、ADS其余如W/R、M/IO、INTR、NMI、HOLD、HLDA、RESET、CLK等信号与8086的同名信号相似,80386共有34个寄存器，按功能可分为：,3.2.380386的寄存器组,通用寄存器段寄存器段描述符寄存器状态和控制寄存器系统地址寄存器调试寄存器测试寄存器,通用寄存器,六个16位段寄存器如下：,段寄存器,8个通用寄存器和8086通用寄存器相同，只扩展到32位，寄存器名字前加一个字符E，即：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EBP、ESP，仍然支持8位和16位操作，用法和8086系统相同。,CS代码段寄存器,DS数据段寄存器,SS堆栈段寄存器,ES、FS、GS为三个附加段寄存器,段描述符寄存器,64位的段描述符寄存器对程序员是不可见的。为了加快对内存中描述符表的查询速度，在段选择符内容装入时，段描述符同时装入段描述符寄存器。,状态和控制寄存器,标识寄存器EFLAGS指令指针寄存器EIP四个控制寄存器CR0CR3,它由,组成,系统地址寄存器,80386为调试提供了硬件支持。芯片内设有DR0DR7八个调试寄存器。,80386有四个系统地址寄存器,GDTRIDTRTRLDTR,调试寄存器,测试寄存器,80386有8个32位的测试寄存器。,1.实模式,2.保护模式,3.虚拟86模式,80386的工作模式,3.2.4,80386加电启动或复位后自动进入这一模式。实模式主要功能是初始化80386，为建立保护模式做准备。在实模式下，80386的工作方式与8086相似，可保持80386与8086兼容。,保护模式是80386最常用的工作模式，可实现对多任务、多道程序的复杂管理。在保护模式下，采用虚拟存储器的概念，存储空间可使用虚拟地址空间、线性地址空间、物理地址空间。,在虚拟86模式下，不用虚拟地址的概念，存储器寻址机制与8086相同。但存储管理机制与8086不同，它把1MB的存储空间分为256个页面，每页4KB。当多道程序同时运行时，可将多个任务分别转换到物理存储器的不同存储位置，实现了多任务同时运行。,80386的存储管理,1.逻辑地址与段选择符,图3-6段选择符的格式,210,2.段描述符的格式及保护功能,3.分页存储管理及保护,3.2.5,图3-7段描述符,DPL,类型,31,0,0,+4,字节地址,图3-8页目录描述符和页表描述符格式,311211109876543210,页目录描述符,311211109876543210,页表描述符,与8086相同，80386系统也可以处理256种类型的中断源，中断类型号也为0255号。引起80386中断的中断源也可分为硬件中断和软件中断，其中，硬件中断是指外部设备通过INTR或NMI引脚向80386请求的中断，软件中断是指由于80386执行INT指令或CPU在执行指令时产生异常故障或协处理器执行指令时产生异常故障引起的中断。,3.2.6,80386中断,80386的中断管理机制在实模式和保护模式下是不同的。,80486微处理器简介,3.3.180486的主要特点,兼容性。全32位的整数处理器。独立的32位地址、数据总线，可直接寻址4GB的物理地址空间。单时钟周期执行。片上浮点处理单元支持32位、64位和80位的浮点运算，在二进制上与8087、80287、80387兼容。片上存储管理单元。,3.3,7.带有高速缓存支持系统的片上高速缓存。8.外部CACHE控制。指令流水线。成组周期（BurstCycle）。写缓冲器。总线背关（BusBackoff）。指令重新执行。总线宽度动态可变。,80486的内部结构,图3-1180486的内部流水线,3.3.2,总线接口单元,总线接口单元用于数据传输、指令预取和处理其内部单元与外部系统的控制功能。,地址收发和驱动。数据总线收发。总线宽度控制。写缓冲。总线周期和总线控制。奇偶性的产生和控制。CACHE控制。,2.,3.指令预取单元4.高速缓冲（CACHE）单元5.指令译码单元6.控制单元7.整数（数据通路）单元8.浮点单元9.分段单元10.分页单元,Pentium微处理器简介,3.4.1Pentium体系结构的特点,单靠增加芯片的集成度还不足以提高CPU的整体性能。为此，Intel在Pentium的设计中采用了新的体系结构。图3-12,Pentium新型体系结构的特点可以归纳为以下四个方面:,超标量流水线独立的指令CACHE和数据CACHE重新设计的浮点单元分支预测,3.4,超标量流水线,图3-13Pentium超标量流水线结构,独立的指令CACHE和数据CACHE,图3-14双路CACHE结构,32B线宽有回写,重新设计的浮点单元,指令CACHE,指令预取,指令解码,BTB,图3-15Pentium的BTB机制,Pentium相对486体系结构的增强点,除了以上几个特点外，Pentium微处理器在486体系结构基础上，还作了一些增强型的改进，归结为以下几点：,工作频率提高指令固化页尺寸增加增强的微指令增强的总线,3.4.2,Pentium微处理器,3.4.3,Pentium微处理器,3.4.4,Pentium4微处理器,3.4.5,小结,3.280386微处理器,3.2.180386的特点及其体系结构,2.5.280386引脚的功能,2.5.380386的寄存器组,2.5.480386的工作模式,3.380486微处理器简介,3.3.180486的主要特点,3.3.280486的内部结构,3.4Penti