第十二章 32位微处理器80386

第十二章32位微处理器80386,概述,1985年10月，Intel公司推出了32位微处理器80386。采用32位数据总线，32位地址总线，直接寻址能力达4GB，虚拟地址空间则为64TB字节。最初的芯片采用16MHz时钟，不久Intel又推出25MHz和33MHz主频的80386芯片。这之后，又相继推出了80486、Pentium。这样，使32位微型计算机逐渐成为计算机世界的主流机型。32位微处理器和16位相比，则是从体系结构设计上有了概念性的改变和革新。比如，32位微处理器普遍采用了流水线和指令重叠执行技术、虚拟存储技术、片内存储管理技术、存储体管理分段分页保护技术。这些技术为在32位微型机环境下实现多用户多任务操作系统提供了有力的支持。,第一节80386的体系结构,80386芯片内部除了中央处理器CPU外，还有存储器管理部件MMU和总线接口部件BIU。CPU包括指令预取部件IPU，指令译码部件IDU和执行部件EU。MMU包括分段部件SU和分页部件PU。加上总线接口部件BIU，80386内部共有6个部件。这6个部件可以并行地工作，构成一个六级流水线体系结构。,80386的功能部件,80386允许使用虚拟存储器。所谓虚拟存储器就是系统中有一个速度较快的、容量比较小的内部主存储器，还有一个速度较慢但容量很大的外部存储器，通过存储管理机制，使后者和前者有机地、灵活地结合在一起，这样从程序员的角度看，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上的主存，故称为虚拟存储器。80386的虚拟存储器容量高达64TB（64兆兆字节)，这样，就可以运行要求存储器容量比实际主存储器容量大得多的程序。,在Intel80386系统中，存储体按段划分，每个段的容量可变，最大可达4GB。分段的作用是可以对容量可变的代码存储块或数据存储块提供模块性和保护性。80386在运行时，可以同时执行多个任务，即进行多任务操作。对每个任务来说，可以拥有多达16384个段，即64TB。每个段又划分为多个页面，一个页面为4KB字节。分页的作用是便于实现虚拟存储管理，通常在内存和磁盘进行映象时，都以页为单位把CPU的地址空间映象到磁盘。,MMU的功能就是实现存储器的管理，它由分段部件和分页部件组成。前者管理面向程序员的逻辑地址空问，并且将逻辑地址转换为线性地址；后者管理物理地址空问，将分段部件或者指令译码部件产生的线性地址转换为物理地址。有了物理地址后，总线接口部件就可以据此进行存储器访问和输入输出操作。,80386的功能部件,第二节80386的三种工作方式,80386有三种工作方式:实地址方式(RealAddressMode)保护虚拟地址方式(ProtectedVirtualAddressMode)，也叫保护方式虚拟8086方式(Virtual8086Mode)。,实地址方式,80386在刚加电或者复位时，便进入实地址方式。实地址方式主要是为80386进行初始化用的。常常在实地址方式，为80386保护方式所需要的数据结构做好各种配置和准备，因此，这是一种为建立保护方式作准备的方式。实地址方式下，采用类似于8086的体系结构。因为在实地址方式下不允许分页，所以线性地址和物理地址相同，均为段寄存器内容左移4位再加上有效地址而得到的值。80386具有4个特权级，实地址方式下，程序在最高级(0级)下执行。,保护方式,保护方式是80386最常用的方式，通常开机或复位后，先进入实地址方式完成初始化，便立即转到保护方式。此种方式提供了多任务环境中的各种复杂功能以及对复杂存储器组织的管理机制。只有在保护方式下，80386才充分发挥其强大的功能和本性，因此，也称为本性方式。,保护方式（续）,所谓保护，主要是指对存储器的保护。有如下特点：存储器用虚拟地址空间、线性地址空间和物理地址空间三种方式来描述，虚拟地址也就是逻辑地址。在保护方式下，寻址机构不同于8086，需要通过一种称为描述符表的数据结构来实现对内存单元的访问。程序员可以使用的存储空间称为逻辑地址空间，在保护方式中，借助于存储器管理部件(MMU)的功能将磁盘等存储设备有效地映射到内存，使逻辑地址空间大大超过实际的物理地址空间，这样，使主存储器容量似乎非常大。80386的逻辑存储空间为64兆兆字节，几乎是无限大。可以使用80386的4级保护功能，由此实现程序与程序之间、用户程序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。,虚拟8086方式,在保护方式下，可以通过软件切换到虚拟8086方式，有如下待点：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，然而可以使用分页方式，将1MB字节分为256个页面，每页4K字节。在80386多任务系统中，可以使其中一个或几个任务使用虚拟8086方式。此时，一个任务所用的全部页面可以定位于某个物理地址空间，另一个任务的页面可以定位于其它区域，即每个虚拟8086方式下的任务可以转换到物理存储器的不同位置，这样，把存储器虚拟化了，虚拟