微型计算机系统原理及应用第13章第二十五次

1、济南大学控制学院2007年113.1 X86系列处理器的功能结构系列处理器的功能结构13.2 X86系列结构微处理器的工作方式系列结构微处理器的工作方式济南大学控制学院2007年2概述概述n微处理器的发展第一节课详细讲过。n20年来，Intel公司的微处理器有了极大的发展，从8086（8088）到80286、80386、80486、奔腾（也称为80586）、奔腾MMX、奔腾PRO（也称80686）、奔腾II、奔腾III、直至最新的奔腾4，形成了IA（Intel Architectuce)-32结构。目前IA-64已经推出，微处理器正在向64位发展。济南大学控制学院2007年3济南大学控制学院2

2、007年413.1.1 Intel80386微处理器微处理器n80386微处理器是在IA-32结构微处理器系列中第一个32位处理器.n80386是32位处理器，每个32位寄存器(EAX-AX 参见P53)的后一半保留两个早期处理器（8086和80286）的16位寄存器的特性，以提供完全的后向兼容。32位总线提供4GB的物理空间;在原来基础上引用许多的新技术，如段中又分页（ 每段分256页 大家可以空间想象）；码预取单元（从总线单元接受目标码并把它存放至16字节队列）。n其结构功能:有6个并行操作部件(总线接口单元、码预取单元、指令译码单元、执行单元、段单元和分页单元）济南大学控制学院2007年

3、513.1.2 Intel80486微处理器微处理器n80486在80386基础上扩展为五个流水线段（定义见P170 第9行）。n在不同段上同时执行五条指令。增加8KB的缓存（Cache).n80486是第一次把80X87FPU（浮点处理单元-浮点数一般采用M2E的形式来表示，M为，它一般为小数；E为阶码， ）集成到处理器上并增加了新的引脚、位和指令支持更复杂有力的系统（二级Cache支持和多处理器支持）。n使用专用的中断脚触发的系统管理模式，允许复杂的系统管理特性（如：停止时钟、自动暂停电源下降、减速的时钟速率下执行以节省电源）。n在工艺方面方面进一步改善。济南大学控制学院2007年613.

4、1.3 Pentium处理器处理器 Intel奔腾（奔腾（Pentium）处理器增加了第二个）处理器增加了第二个执行流水线以达到超标量性能。一片执行流水线以达到超标量性能。一片Cache加到加到16KB，主要寄存器是，主要寄存器是32位，每段可形成位，每段可形成4MB的的页，外部总线到页，外部总线到64位，内部可以进行位，内部可以进行128和和256位的数据相互传送，而且增加了高级位的数据相互传送，而且增加了高级可编程中可编程中断控制器（？）断控制器（？）。把把Intel MMX（8个个64位积存器）位积存器）技术引入技术引入IA-32结构。结构。可以进行单指令多数据（可以进行单指令多数据（S

5、IMD）执行方式，从）执行方式，从而使高级媒体技术、摄像处理和数据压缩应用而使高级媒体技术、摄像处理和数据压缩应用程序运行和应用成为可能。程序运行和应用成为可能。济南大学控制学院2007年713.1.4 Intel P6系列系列处理器处理器n建立新的性能标准，工艺先进(0.6微米）。nIntel Pentium Pro处理器是基于P6微结构的第一个处理器。P6处理器系统随后的成员是Intel Pentium II、 Intel Pentium II Xeon(至强）、 Intel Celeron（赛扬）、 Intel Pentium III Xeon(至强）处理器。n其主要性能：n能被5个执行

6、单元顺序执行。nCache增加到256KBn总线扩展为36位总线n最大可达到64GB的物理地址空间济南大学控制学院2007年813.1.5 Intel 奔腾奔腾2-4处理器处理器n工艺逐步提高nCache逐步增到1MBn逐步加速视频、语音、加密、摄像和照片处理技术济南大学控制学院2007年913.2 Intel 80386微处理器的功能结构微处理器的功能结构功能具体体现：（1）.从16位寄存器发展32位寄存器；（2）.地址寄存器也发展为32位，可寻址的地址范围达到4GM（但段寄存器仍为16位), 可分页；（3）.增加了保护方式，使处理器有了两种工作方式：实地址方式和保护虚地址方式，实地址方式用

7、于与8086兼容；保护虚地址方式32位处理器能够真正发挥其完整功能的工作方式；（4）.引入了多任务、任务切换的概念；（5）.引入了四级特权，引入了调用门、陷入门、中断门，使程序在不同特权之间切换；（6）.引入了存储管理单元（MMU），使采用80386的操作系统方便地实现页（每页为4KB）虚拟存储器管理；（7）.增加了新指令（主要保护方式的指令）。济南大学控制学院2007年1013.1.3 Intel 80486微处理器的功能结构微处理器的功能结构 其基本基础结构与其基本基础结构与80386一样，不同的是一样，不同的是:（1）将）将80386处理器的指令译码和执行部件扩展成五处理器的指令译码和执

8、行部件扩展成五级流水线，五条指令可同时执行，最快能够在每个级流水线，五条指令可同时执行，最快能够在每个CPU时钟时钟内执行一条指令；内执行一条指令；（2）增加）增加8KB高速缓存高速缓存Cache），在此的指令可每个），在此的指令可每个时钟内执行时钟内执行5个以上；个以上；（3）在）在80486中首次将浮点处理器部件中首次将浮点处理器部件80X87 FPU集集成到微处理器成到微处理器（4）总线接口更加复杂，增加了许多功能。）总线接口更加复杂，增加了许多功能。济南大学控制学院2007年11CLKALEA0A19MEMRD0D7T1T3T2T4存储器读总线周期存储器读总线周期济南大学控制学院200

9、7年1213.3 操作模式操作模式nIA-32结构处理器支持三种操作模式：保护模式、实地址模式和系统管理模式。n保护模式-是处理器基本模式，提供做高的功能和性能；n实地模式-是8086微处理器编程环境的工作模式并有一些扩展。在系统上电或复位后，处理器总是处在实地址模式n系统管理模式-是操作系统为实现平台特定的功能或系统安全提供的一种透明机制。主要用于自动暂停、睡眠等节省电源模式济南大学控制学院2007年13基本执行环境概要 IA-32处理器上执行的程序或任务,都给予一组执行指令的资源,用于存储代码、数据和状态信息。这些资源构成了IA-32结构处理器的执行环境。（1）地址空间（8086 20条；

10、80386 32条）（2）基本程序执行寄存器 （通用寄存器、段寄存器、标志寄存器和指令寄存器）（3）80 x87 FPU（浮点处理单元）寄存器*（4）MMX寄存器（八个64位寄存器）单指令多数据（SIMD）（5）XMM寄存器（八个128位寄存器）（6）堆栈 祥见 P49 图2-7 除了基本执行环境提供的资源之外(这些对我们来说仅是了解)。 IA-32结构处理器提供以下资源。（1）控制寄存器；（2）存储管理寄存器；（3）调试寄存器；（4）存储类型范围寄存器。 济南大学控制学院2007年14存储器组织n处理器在它的地址总线上寻址的存储器成为物理存储器.物理存储器按8位字节序列组织.每个字节赋予一个

11、惟一的地址,称为物理地址.n我们构建一个测量或控制系统，一般不会使用IA-32结构的高档微处理器，而是使用8086微处理器或单片机来构建系统。所以我们重点学习8086微处理器的结构、指令、汇编语言以及相应的外设接口（见P50页）济南大学控制学院2007年151 实地址方式存储器组织n IA-32结构微处理器中的实地址方式是为了与8086/8088微处理器兼容而设计的。所以该方式组织与8086/8088的存储器组织是一样的。济南大学控制学院2007年16控制寄存器控制寄存器16位寄存器位寄存器 AH AL BH BL CH CL DH DL AX BX CX DX SP BP SI DI IP

12、FLAG CS DS SS ES(A) 累加器累加器 基地址寄存器基地址寄存器 计数器计数器 数据寄存器数据寄存器 (SP) 堆栈指针寄存器堆栈指针寄存器 基地址寄存器基地址寄存器 源变址寄存器源变址寄存器 目的变址寄存器目的变址寄存器 (PC) 指令指针寄存器指令指针寄存器(PSW) 状态标志寄存器状态标志寄存器 代码段寄存器代码段寄存器 数据段寄存器数据段寄存器 堆栈段寄存器堆栈段寄存器 附加段寄存器附加段寄存器通用寄存器通用寄存器 段寄存器段寄存器8位寄存器位寄存器1结构结构 寄存器结构寄存器结构 济南大学控制学院2007年172、存储器组织n1. 存储器分段n 8088有20条地址线，

13、它的直接寻址能力为1M ，所以在一个8088组成的系统中，可以有多达1M字节的存储器，这1M字节在逻辑上可以组成一个线性矩阵，地址从00000到FFFFF。给定一个20位的地址，就可以从中取出所需的指令和数据。n 在8088内部，ALU 能进行16位的运算，有关地址寄存器如：IP、SP、BX、BP、SI、DI等都是16位的，因而对地址的运算也只能是16位。其寻址的范围最多是64K。n 在8088中怎样形成这20位的地址呢？分段！n 将内存的1M字节以64K为范围，分成若干段；在8088中设置4个段寄存器CS、DS、SS、ES，在寻址一个具体的内存单元（物理地址）时，由一个段寄存器中保存的16位

14、基地址，加上由IP（或SP，或BP，或BX，或SI，或DI）中保存的、可由CPU处理的16位偏移量，来形成20位的物理地址.n 在形成物理地址时，地址加法器将段寄存器中的16位数左移4位，然后与16位偏移地址相加，形成20位的物理地址。济南大学控制学院2007年18( 2000:200 2010:100?.说明什么道理?) 16位段地址位段地址 16位段内偏移量位段内偏移量16位段地址位段地址 0000 20位物理地址位物理地址地址加法器地址加法器段寄存器段寄存器偏移量寄存器偏移量寄存器左移左移4位位济南大学控制学院2007年19n在不改变段存储器的访问情况下,寻址的最大范围是64KB，所以有

15、一个程序，它的长度、堆栈长度以及数据区长度都不超过64KB，则在程序开始时，分别给CS、SS、DS置值，然后在程序中可以不在考虑这些段寄存器，程序就可以在各自的区域中正常地进行工作。n 这种存储器分段方法，对于要求在程序区、堆栈区和数据区之间隔离是非常方便的。（问：如果不要求分区，如何理解）n如果一个程序超过64KB，怎样处理？n如果都超过64KB ，又怎么处理？济南大学控制学院2007年202.分段模式存储器结构nIA-32结构微处理器的基本存储器是分段式存储模式.与8088类似,程序给出的地址由两部分组成:即段基地址(一个段的起始地址)和段内的偏移量.段地址由段寄存器的值确定,而段的偏移量

16、是由指令的寻址方式确定.n8088的段结构我们多次讲过,试回忆一下.n80386有6个段寄存器(增加了两个数据段寄存器FS和GS), 每个段寄存器仍是16位的.但在寻址上不同于8088. 80386的段基地址是32位, 16位段寄存器内容仅是选择32位基地址的段的索引和描述,而不是象8088那样合成. 同理段内偏移量的寄存器也32位,故一个段最大为4GB.n上述地址的描述就是逻辑地址:在系统上定义的任一字节的地址和段内偏移量两部分组成.在访问一个存储器地址,处理器把每个逻辑地址转换为线性地址(32位的段基地址与32位的段偏移量相加产生32位地址.n用分段的存储器的最初的理由是增加程序和系统的可

17、靠性.如把程序的堆栈防在一个段,防止堆栈的增长进入程序和数据区(空间).济南大学控制学院2007年213. 平面存储模式n平面存储模式实质上是分段存储模式的一种特例.n在平面存储模式, 存储器作为单个连续的地址空间,称为线性空间。代码(程序)、数据和过程堆栈全部包含在此地址空间中. n在80386以上的IA-32结构微处理器上运行的操作系统和应用程序，广泛用平面存储模式。济南大学控制学院2007年22内存地址空间和数据组织内存地址空间和数据组织实模式下实模式下Pentium微处理器只有微处理器只有20条地址线有效，因此实条地址线有效，因此实模式下内存空间为模式下内存空间为220=1MB， 地址

18、由地址由00000-FFFFF(H)编码编码若存放的信息是字节，则按顺序存放若存放的信息是字节，则按顺序存放若存放的信息是字，则将字的低位字节存放在低地址，高若存放的信息是字，则将字的低位字节存放在低地址，高位字节存放在高地址位字节存放在高地址若存放的信息是双字，则将双字的低位字存放在低地址，若存放的信息是双字，则将双字的低位字存放在低地址，高位字存放在高地址高位字存放在高地址低字节低地址，高字节高地址低字节低地址，高字节高地址济南大学控制学院2007年23对准双字：对应地址是对准双字：对应地址是4的倍数的倍数对准字：对应地址是对准字：对应地址是2的倍数的倍数例例. 双字双字A00055FF如

19、何存储在地址为如何存储在地址为02102的存储单元中的存储单元中例例. 字字23AB如何存储在地址为如何存储在地址为02102的存储单元中的存储单元中内存地址空间和数据组织内存地址空间和数据组织存放数据的起始地址可以任意，但是字数据存放在偶存放数据的起始地址可以任意，但是字数据存放在偶数地址单元，双字数据存放在能被数地址单元，双字数据存放在能被4整除的地址单整除的地址单元，可以改善程序性能。元，可以改善程序性能。处理器对内存的访问只需一个总线周期处理器对内存的访问只需一个总线周期济南大学控制学院2007年24实模式下，实模式下，1MB内存空间分通用和专用两个区域内存空间分通用和专用两个区域00

20、000-003FF 专用，存放中断向量表专用，存放中断向量表00400-FFFFF通用通用中断向量表表内指针用来指出相应的中断服务程序中断向量表表内指针用来指出相应的中断服务程序的起始点，表内每个指针占的起始点，表内每个指针占2个字，占据较高地址的个字，占据较高地址的是段基址，占据较低地址的是偏移量是段基址，占据较低地址的是偏移量？中断向量表可以包含？中断向量表可以包含 个中断指针个中断指针内存地址空间和数据组织内存地址空间和数据组织济南大学控制学院2007年25逻辑地址和物理地址逻辑地址和物理地址实模式下实模式下逻辑地址逻辑地址由段基址和偏移量两部分组成。由段基址和偏移量两部分组成。编写程序

21、时只能使用逻辑地址。编写程序时只能使用逻辑地址。段基址段基址是段寄存器给出的段起始地址；是段寄存器给出的段起始地址；偏移量偏移量为存储单元在段为存储单元在段内相对于段起始地址的偏移距离，也称为内相对于段起始地址的偏移距离，也称为偏移地址偏移地址段基址和偏移量都为段基址和偏移量都为16位位逻辑地址的表示形式逻辑地址的表示形式段基址段基址:偏移量偏移量段基址来自段寄存器。偏移量通常来自指令指针寄存器、基址段基址来自段寄存器。偏移量通常来自指令指针寄存器、基址寄存器、指针寄存器和变址寄存器，也可以由其中几个寄存器寄存器、指针寄存器和变址寄存器，也可以由其中几个寄存器的内容组合而成。的内容组合而成。济

22、南大学控制学院2007年26逻辑地址和物理地址逻辑地址和物理地址访问存储器的操作数类型不同，使用的段寄存器和段内偏移量的来源也不同。实模式下，缺省的段寄存器和偏移地址的结合方式：CSIP指令SSSP堆栈操作SSBP存取堆栈内的数据DSBX、SI、DI或指令中存取数据段的的局给出的8/16位数据部数据ESDI串操作的目标操作数段寄存器 偏移地址 操作类型济南大学控制学院2007年27物理地址物理地址是是CPU与存储器进行数据与存储器进行数据交换时实际寻址所使用的地址。实交换时实际寻址所使用的地址。实模式下物理地址为模式下物理地址为20位。位。每个内存单元的物理地址都是唯一每个内存单元的物理地址都

23、是唯一的，同一个物理地址可以由不同的的，同一个物理地址可以由不同的逻辑地址来构成。逻辑地址来构成。逻辑地址和物理地址逻辑地址和物理地址例例. 假设段寄存器内容为假设段寄存器内容为002A,偏移量为偏移量为0023，求构成的物理，求构成的物理地址地址济南大学控制学院2007年28逻辑地址和物理地址逻辑地址和物理地址JMP F000:0100 MOV AX, D000MOV DS, AXMOV AX, A320MOV SS, AXMOV AX, 7200MOV ES, AXMOV AX, 3000MOV FS, AXMOV AX, 1000MOV GS, AXCSDSSSESFSGSF000D00

24、0A32072003000100064K代码段64K数据段64K堆栈段64K数据段E64K数据段F64K数据段GFFFFFF0000D0000A320072000300001000000000F000:0100济南大学控制学院2007年29逻辑地址和物理地址逻辑地址和物理地址MOV AX, FFFFMOV DS, AXMOV AL, 0010物理地址：FFFF0 0010 100000+MOV AX, FFFFMOV DS, AXMOV AL, FFFF物理地址：FFFF0 FFFF 10FFEF+物理地址1000010FFEF超出了实模式1MB寻址空间范围济南大学控制学院2007年30逻辑地址和物理地址逻辑地址和物理地址通过开放地址线A20，使Pentium微处理器访问1BM以上的65520字节的内存空间HMA(High Memory Area，高端内存区)Pentium微处理器有一个输入引脚A20M#，用于确定是否开放A20地址线，PC兼容机一般通过92H端口的第1位控制控制A20M#。IN AL, 92HOR AL, 00000010BOUT 92H, AL开放A20地址线IN AL, 92HAND AL, 11111101BOUT 92H