第3章 80X86微处理器(2)

与8086相比，80286微处理器主要有以下改进：(1)由于地址线的增加，使它的内存容量提高。8086/8088有20条地址线，只能寻址1MB的内存空间，而80286增加到24条地址线，可寻址16MB（224字节）内存。(2)时钟频率提高，使得处理速度加快。80286的时钟频率最高可达20MHz。(3)可同时运行多个任务。多任务是通过多任务硬件机构使处理器在各种任务之间快速而方便地切换实现。(4)将8086/8088的2级流水线体系结构增加到4级。,3.4从80286到Pentium系列的技术发展,3.4.180286微处理器,(5)80286增加了一种工作方式。8086/8088只有实方式，而80286有实方式和保护方式。在实方式下，80286和8086一样在1MB内存空间执行程序，只是速度提高了，相当于是一个快速的8086。在保护方式下，80286提供24位地址线访问物理地址空间，并首次应用了“虚拟存储器”和“虚拟内存”的概念。“虚拟存储器”就是系统中有一个速度较快容量较小的内存，还有一个速度较慢但容量很大的外存，通过存储器管理机制，利用外存来模拟内存，这样从程序员角度看，系统中似乎有一个容量非常大的、速度也相当快的主存储器，但它并不是真正的物理内存，故称为虚拟存储器。80286可模拟1GB（230字节）虚拟内存。,一、80286的功能结构,1.总线接口部件BIUBIU负责处理CPU和系统总线之间的所有通信和数据传输，当数据存取请求与预取指令请求同时发生时，BIU将优先处理数据存取操作。2.指令部件IU（InstructionUnit）IU包括指令译码器和已译码指令队列（3条）。3.执行部件EUEU负责指令的执行，即从指令部件IU中取出已译码的指令并直接执行。4.地址部件AU（AddressUnit）AU负责物理地址的生成。,80286内部的通用寄存器（包括4个数据寄存器和4个基址变址寄存器）、4个段寄存器和指令指针寄存器IP与8086的完全相同。不同之处在于标志寄存器新增了两个标志（占3位）以及增加了1个机器状态字MSW。1、FLAGNT：嵌套标志，此标志作为状态标志用于指出当前执行的任务是否嵌套于另一个任务中。IOPL：I/O特权标志，此标志作为控制标志用于指示指定的I/O操作处于特权级的哪一级。IOPL占两位，可表示03四个特权级，其中0级最高，3级最低。0级一般为操作系统的核心程序使用。只有当现行任务的特权级高于或等于此时IOPL级别时，CPU对此设备的I/O操作才可以执行。,二、80286的寄存器,2、MSWPE：保护允许。PE1允许保护，除了RESET外，保护方式不能被撤消；PE0禁止保护，只能通过硬件复位，但80386以后的微处理器可以通过指令来设置。MP：协处理器监控允许。当MP=1时，可用WAIT指令来判断80287的存在性，此时若产生类型号为7的异常，则表示协处理器不存在；当MP=0时，禁止监控。EM：模拟协处理器允许。当EM1时，使用ESC指令，将引起协处理器不存在异常7，可用该中断处理程序进行仿真操作，模拟协处理器工作；当EM0时，禁止模拟，协处理器指令只能在实际协处理器80287中执行。TS：任务切换。在任务切换时，系统硬件总使TS1，此时微处理器在执行一条协处理器指令时，会产生协处理器不存在异常中断。,与80286相比，80386微处理器主要有以下改进：(1)由于地址线的增加，使它的寻址能力增强。（232字节）。(2)时钟频率提高，使得处理速度加快。最大可达33MHz(3)增强了存储器管理部件的功能。80386可模拟64TB(246字节)虚拟存储空间，另外80386可进行段式以及段页式存储管理。(4)80386增加V86（虚拟8086）工作方式。在80286的基础上进一步改进了多任务处理技术，使得多个DOS程序可同时运行。(5)将80286的4级流水线体系结构增加到6级。,3.4.280386微处理器,一、80386的内部结构,1.总线接口部件BIU总线接口部件BIU负责CPU与外部总线的数据交换。并增加了总线请求判优器。2.指令预取部件IPU（InstructionPrefetchUnit）指令预取部件IPU使得指令代码的预取得以独立，由一个16字节长的指令预取队列和预取器组成。3.指令译码部件IDU(InstructionDecodeUnit)指令译码部件IDU包括指令译码器和能容纳三条已译码指令的指令队列两部分。4.执行部件EU执行部件EU是负责从已译码指令队列中取出指令编码，执行各种数据处理和运算。,5.分段部件SU(SegmentUnit)分段部件SU管理面向程序员的逻辑地址空间，并且将48位的逻辑地址（16位的段选择子和32位的偏移地址）转换为32位的线性地址。线性地址是在虚拟存储空间内的可定位的地址。6.分页部件PU(PagingUnit)分页部件PU管理物理地址空间，将分段部件产生的32位的线性地址转换为32位的物理地址。分段部件、分页部件和保护测试部件共同构成了存储器管理部件MMU（MemoryManagementUnit）。MMU管理控制所有虚拟地址到物理地址的转换、分段及分页检验等。,二、80386的寄存器,1.通用寄存器80386有8个32位的通用寄存器，它们都是8086中16位通用寄存器的扩展，故命名为EAX、EBX、ECX、EDX、EBP、ESP、ESI和EDI，用于存放数据或地址。2.指令指针寄存器和标志寄存器1)指令指针寄存器EIP（32位）是用来存放下一条要执行的指令的地址偏移量，寻址范围为4GB。EIP的低16位可作为独立指令指针，称为IP。,2)标志寄存器EFLAG32位的标志寄存器EFLAG，是由80286的标志位扩展而成，在原有80286的基础上新增2个系统方式标志，而且全为控制标志。RF：恢复标志或重新启动标志。用于调试失败后，强迫程序恢复执行，在成功执行每条指令后，RF自动复位。当RF1时，下一条指令的任何调试故障将被忽略，不产生异常中断。VM：虚拟8086方式标志。当80386工作在保护方式时，若VM1，则CPU转换到V86方式。,3.段寄存器和段描述符寄存器1)段寄存器80386内部有6个16位的段寄存器CS、DS、ES、SS、GS和FS。2)段描述符寄存器对应每个段寄存器设置的一个程序员不可访问的64位寄存器。,4.控制寄存器1)机器控制寄存器CR0（相当于MSW）PG：分页允许控制位。PG=1，启动80386片内分页部件工作；PG0，禁止分页部件工作，则线性地址就是物理地址。ET：处理器扩展类型控制位。如协处理器为80387，则设置ET12)页面故障线性地址寄存器CR2用于提供页故障32位线性地址，以便当产生页故障时，用来报告错误信息。3)页组目录表基址寄存器CR3用于提供当前任务的页组目录表在内存的基地址。,5.系统地址寄存器1)全局描述符表寄存器GDTRGDTR是48位寄存器，其中高32位存放全局描述符表GDT的线性基地址，低16位是GDT的界限值。2)中断描述符表寄存器IDTRIDTR也是48位寄存器，其中高32位存放中断描述符表IDT的线性基地址，低16位是IDT的界限值。3)局部描述符表寄存器LDTRLDTR是由16位选择子和64位不可见的段描述符寄存器组成。4)任务状态寄存器TRTR也是由16位用于存放任务状态段TSS的选择子和64位不可见的段描述符寄存器组成。TSS保存了当前正在处理器上执行的任务的各种信息。,6.调试寄存器和测试寄存器80386有6个32位的调试寄存器和2个32位的测试寄存器。,3.4.380486微处理器,与80386相比，80486微处理器主要有以下改进：(1)首次部分吸收精简指令集计算机RISC（ReducedInstructionSetComputer）技术，以便尽可能缩短指令执行时间。(2)发展了80386的指令流水线技术，使最多有5条指令重叠执行，从而使80486可以在一个时钟周期执行完一条简单指令。(3)片内集成了8KB的高速缓冲存储器（80486DX4中集成了16KB）和浮点运算部件FPU（FloatingProcessingUnit），从内部结构上可以认为8048680386803878KBCache，并且支持二级高速缓存。(4)采用多种总线连接方式，其内部数据总线有32位、64位和128位，分别用于不同单元之间的数据通路，大大加快了数据处理速度，防止总线“瓶颈”效应的产生。(5)80386的6个独立部件相比，80486增加到9个。,1.总线接口部件BIU2.指令预取部件IPU3.指令译码部件IDU4.控制部件CU(ControlUnit)5.整数部件IU（IntegerUnit）在一个时钟周期内完成整数的传输、加减运算、逻辑运算和移位等指令的执行。6.分段部件SU7.分页部件PU8.高速缓冲存储部件Cache用于存储最新运行的程序所需要的指令代码和数据，作为外部主存的副本。9.浮点运算部件FPU浮点运算部件FPU和80387完全兼容，负责进行单精度或多精度的浮点运算。,80486的内部结构,3.4.4Pentium微处理器,与80486相比，Pentium微处理器主要有以下改进：(1)Pentium具有36位地址线，外部数据线64位，使在一个总线周期内，数据传输量增加了一倍。(2)Pentium微处理器技术的核心是采用超标量流水线设计，即它由U与V两条指令流水线构成。允许Pentium在单个时钟周期内执行两条整数指令，比相同频率的486DXCPU性能提高了一倍。(3)Pentium片内采用双重分离式高速缓存Cache，即独立的8KB指令Cache和8KB数据Cache。指令和数据分别使用不同的Cache，提高了指令执行速度，使Pentium的性能大大超过80486微处理器。,(4)浮点运算单元功能的增强。Pentium的浮点单元在80486的基础上进行了改进，使每个时钟周期能完成一个浮点操作。在运行浮点密集型程序时，66MHz的Pentium运算速度为33MHz的80486DX的56倍。(5)增加了分支指令预测功能。Pentium提供了一个分支目标缓冲器BTB（BranchTargetBuffer）来动态地预测程序的分支操作，当一条指令导致程序分支时，BTB记忆该条指令和分支目标的地址，并用这些信息预测这条指令再次产生分支时的路径，预先从此处预取，保证指令预取队列不会空置。(6)页尺寸的增加。Pentium体系结构中，存储器中每一页的容量除了与80486兼容的4KB外，还可以使用更大的存储器页面，这使得程序在传送大块数据时，避免了频繁的换页操作。,一、工作方式1.实地址方式系统启动或复位后，80386自动进入实地址方式（简称实方式），也可通过设置控制寄存器CR0中的PE=0来进入实方式。特点：(1)在实方式下，80386只相当于一个快速的8086(2)只有1MB的物理存储空间寻址能力(3)操作数默认长度为16位，但借助长度前缀能处理32位数据，并且可使用FS和GS。(4)只支持单任务工作方式。(5)80386设置了4个特权级，在实方式下只能在特权级0下工作。,3.4.580X86存储器管理,2.保护虚地址方式80386的保护虚地址方式（简称保护方式）当通过指令设置控制寄存器CR0中的PE=1时进入保护方式，保护是指在执行多任务操作时，对不同任务使用的虚拟存储空间进行完全的隔离，保护每个任务顺利执行。高档微处理器只有工作在保护方式下，才能充分发挥其强大的存储管理功能以及硬件支撑的保护机制，因此也称为本性方式。特点：(1)存储空间采用虚拟地址空间、线性地址空间（不包括80286）和物理地址空间三种方式来描述。(2)在保护方式下，寻址是通过描述符表的数据结构来实现对内存单元的访问。(3)程序员可以使用的存储空间称为逻辑地址空间其容量最大可达64TB，几乎是无限大。(4)可以使用4级保护功能，实现程序与程序、用户与用户、用户与操作系统之间的隔离和保护，为多任务操作系统提供优化支持。,3.虚拟8086方式在保护方式下，通过设置标志寄存器EFLAGS中的VM=1，就可以进入V86方式。V86方式是保护方式的一种子方式，即能有效地利用保护功能，又能执行8086代码的工作方式。在保护方式下，支持多任务并发运行，这时可能某几个任务是在V86方式，而另一些任务是保护方式下的任务。,二、存储器管理（80386）,80386以上CPU采用片内两级存储管理，即段页式管理，由分段部件和分页部件完成。,分段管理一个程序拥有多个大小不完全相同的段（4GB），这些段可以在内存也可以在外存，这通过描述符中的一个属性标志来表示。此标志不成立时，系统就知道该段目前不在内存，则立即将该段从外存中调入内存。此标志位使系统可以把外存的一部分作为内存的延伸，与内存统一管理。,从逻辑地址到线性地址的转换,2.分页管理分页管理机制将存储空间按逻辑模块分成段，每段又分为固定大小的若干个页。这样在多任务系统中，就只需把每个活动任务当前所需的少量页面放在内存中，可以提高存取效率，并有效利用内存碎片。,80386页的特点：80386采用固定大小的页，以4KB作为一页。把整个线性地址空间和整个物理地址空间都看成是以页为单位组成的，线性地址中的任何一页都可以映射到物理地址空间中的任何一页。4GB（232）的线性空间可以被分成1M（220）个页面，那些能被4KB整除的内存