第2章微处理器-80x86

2.580 x86微处理器简介,主要内容180286微处理器-内部结构、工作方式2.80386、80486微处理器-内部结构、工作方式3.Pentium微处理器（重点）Pentium的内部结构（包含先进技术）Pentium的工作方式,80286微处理器,1、80286的特征相对8086微处理器，是高性能的16位微处理器向上兼容8086/8088的软件集成了存储管理和存储保护机构引入虚拟存储器的概念任务切换及保护功能，适用于多用户、多任务系统工作时钟频率：8-12MHz24根地址线（保护方式下最大寻址16MB物理内存空间）、16根数据线,80286微处理器,2、80286的内部结构有15个16位寄存器（14个与8086相同）将8086微处理器中的BIU和EU进一步分离成四个处理单元（形成“取指-指令译码-指令执行”并行流水线）：,8086的BIU,与8086的EU相同,地址转换,取指令,译码,执行指令,80286微处理器,3、80286的工作方式有两种工作方式：实地址方式和保护方式（虚地址方式）。实地址方式即8086方式或DOS方式，兼具8086的全部功能。如：内存寻址最大空间为1MB保护方式对内存地址空间的保护（防止程序间访存冲突）多任务切换虚地存储器的管理系统初始化后为实地址方式（可用软件设置机器状态字寄存器的PE标志使之进入保护方式）,80386微处理器,1、与80286相比主要改进（80386特征）80386微处理器是32位的微处理器引进线性地址和分页管理的概念采用流水线结构引入高速缓冲存储器（Cache）数据线32条，地址线32条（最大支持4GB的物理内存空间）兼容8086和80286，可处理8位、16位和32位数据时钟频率：16MHz、20MHz、33MHz,80386微处理器,2、内部结构8个32位通用寄存器（如EAX、EBX等）由3大部件（独立芯片）组成：中央处理部件（CPU）、总线接口部件（BIU）、存储管理部件（MMU）。细分为8个功能部件，形成并行流水线方式：,总线接口部件BIU,预取部件PEU,指令译码部件IDU,控制部件CU,分段管理部件SU,数据处理部件DU,保护测试部件PTU,分页管理部件PGU,取指令（队列）,控制ROM,ALU,MMU芯片,BIU芯片,CPU芯片,80386微处理器,3、工作方式有三种工作方式：实地址模式、保护模式、虚拟8086模式实地址模式：内存寻址（分段）及物理地址形成同8086保护模式逻辑地址（48位）形式：段选择子（16位）+偏移地址（32位）分段部件：逻辑地址（48位）线性地址分页部件：线性地址内存物理地址虚拟8086模式是一种在32位保护模式（多任务）下支持16位实模式应用程序运行的特殊保护模式，简称V86模式,80486微处理器,1、与80386相比的改进包括了80386完全兼容的硬件部件、功能更强的32位微处理器将80386微处理器（3个部件）及与其配套的芯片（如80387数字协处理器、8KB的Cache等）集成在一块芯片上时钟频率高达132MHz采用精简指令系统计算机技术（RISC）采用猝发式总线技术，提高了处理速度,80486微处理器,2、内部结构包含了80386微处理器完全兼容的硬件部件，在结构上与80386相同（无显著变化），如：寄存器32位内部由3大功能部件组成中央处理器CPU、存储管理部件MMU（实现页式、段页式虚拟存储管理）、总线接口部件BIU也细分为8个功能部件且各部件并行工作，使指令操作按流水线方式进行,80486微处理器,3、工作方式与80386微处理器相同，也具有3种工作方式，即实地址方式保护方式虚拟8086方式,Pentium微处理器,1、与80486微处理器相比的基本特征在80486基础上作了很大改进：增加了片内集成度；采用了新的体系结构集成度高，片内集成有310万个晶体管数据总线宽度增加。外部数据总线宽度为64位（注：内部寄存器为32位）地址总线为36位，可寻址的物理内存空间可达64GB时钟频率高。早期的Pentium为66200MHZ，目前已发展到2.8GHz采用分立的指令Cache和数据Cache结构，可无冲突地同时完成指令预取和数据读写仍保持与8086、80286、80386、80486兼容,Pentium微处理器内部结构,包括12个主要部件，其中的核心部件是两个流水线执行部件和浮点处理部件。总线接口部件（教材：总线单元）U流水线和V流水线代码Cache数据Cache指令预取部件指令译码部件控制ROM控制部件浮点处理部件分支目标缓冲器分段部件和分页部件寄存器组,Pentium微处理器内部结构框图,Pentium微处理器结构的先进技术（主要特点）,与80486相比，采用了新的（先进的）体系结构：1）超标量流水线技术U流水线和V流水线并行执行指令，每个都有独立的取址、译码、ALU平均每个时钟周期执行2条指令（比80486快1倍）2）独立的指令Cache和数据Cache可无冲突地同时完成指令预取和数据读写3）重新设计的浮点运算单元按流水线机制（8级）执行浮点运算指令（前4级在U中执行）加、乘、除采用专门硬件电路，速度快（需1个时钟周期）支持32位单精度、64位双精度、80位扩展精度、三倍精度浮点运算4）（先进的）分支预测技术分支目标缓冲器Cache（1KB）：预测指令转移分支并提供预取指令地址,Pentium微处理器三种工作方式，,实地址方式保护方式虚拟8086方式,实地址方式的特点,寻址机构、存储器管理、中断处理机构均和8086一样。操作数默认长度为16位。存储器容量最大为1MB，采用分段方式，每段大小固定为64KB。存储器中保留两个固定区域FFFF0HFFFFFH，00000003FFH。,保护方式的特点,存储器用逻辑地址空间、线性地址空间和物理地址空间三种方式来描述。借助映像机制将磁盘的存储空间有效地映像到内存，使逻辑地址空间大大超过实际的内存空间，使主存容量似乎很大既能进行16位运算，也能进行32位运算。,虚拟8086方式特点,可以执行8086的应用程序。段寄存器的用法和实地址方式时一样，即段寄存器内容左移4位加上偏移量为线性地址。存储器寻址空间为1MB，在分段基础上又分页，每页4KB。即在多任务环境下，可使各个任务转换到物理存储器的不同位置，并以8086方式运行8086虚拟机,实地址方式和虚拟8086方式区别：,多任务问题实地址方式下，C