计算机组成原理：第2章 微处理器和指令系统

第二章微处理器和指令系统2.1.1

8086/8088微处理器2.1.280286微处理器2.1.380386/486微处理器2.1Intel系列微处理器概述2.1.18086/8088微处理器8086是1978年推出的全16位微处理器,8088是1978年推出的准16位微处理器。二者除外数据总线位数（8086为16位，8088为8位）及与此相关的部分逻辑稍有差别外,内部结构和基本性能相同,指令系统完全兼容。

在8086/8088的设计中，引入了两个重要的结构概念：

指令流水线

存储器分段

这两个概念在以后升级的Intel系列微处理器中一直被沿用和发展。正是这两个概念的引入，使8086/8088比原来的8位MPU在运行速度、处理能力和对存储空间的访问等性能方面有很大提高。2.18086/8088微处理器内部结构指令流水线存储器分段8086是全16位微处理器，8088是准16位微处理器。二者除了外数据总线位数及与此相关的部分逻辑稍有差别外，内部结构和基本性能相同，指令系统完全兼容。

1.内部结构2.1.18086/8088微处理器20位ABEU控制电路总线控制电路通用寄存器累加器基址寄存器计数寄存器数据寄存器堆栈指针基址指针目的变址源变址指针寄存器变址寄存器地址加法器运算暂存器ALU标志寄存器指令指针内部暂存器指令队列总线接口单元(BIU)执行单元(EU)外部总线8086/8088DB8088:8位8086:16位∑CSDSSSESIP1234568位80888086AXAHALBXBHBLCXCHCLDXDHDLSPBPDISIALUDB16位8086CPU内部指令执行流程段寄存器CS程序指针寄存器IP内容经过地址加法器形成20位地址；由CPU内部地址总线AB，经过总线地址控制电路，向外部总线发读取指令的的控制信号，外部总线开始总线操作；读取指令送入到指令队列中，等待执行；EU单元从队列中去一条指令到EU控制电路，译码指令需要做的系列操作，包括寄存器的内容送累加器；操作结果经过内部数据总线，存放到寄存器或内部暂存器，同时置FR；根据DS寄存器的内容，及指令寻址方式产生的偏移量，经过地址加法器，形成数据保存地址，并送到外部总线。CPU发写总线操作命令，将暂存器的内容，通过总线，写到指定内存单元。2.指令流水线

指令队列的存在使EU和BIU并行工作,取指令和分析、执行指令操作可重叠进行，形成了两级指令流水线结构，减少了CPU等待时间，提高了CPU的利用率，加快了整机运行速度，降低了对存储器存取速度的要求。BIUEU8086/8088的指令“流水”操作取指令1取指令2译码1取数据1执行1取指令3译码2存结果1执行2取指令4译码3取指令5等待3.存储器分段8086物理地址（1M=220）

将1MB的物理存储空间分成若干个逻辑段,每段大小为64KB。

64KB30000H(段基址)

段的起始单元地址叫段基址，存放在段寄存器中。通过4个段寄存器，CPU每次可同时对4个段进行寻址。内存00000H00001H00002H00003HFFFFFH

分段方式不唯一，各段之间可以连续、分离、部分重叠或完全重叠，这主要取决于对各个段寄存器的预置内容。1000H2000H3100H3100H代码段（64KB）堆栈段（64KB）数据段与附加数据段重叠（64KB）CS10000H20000H31000HSSDSES1FFFFH2FFFFH……40FFFH……………存储器分段结构示例

物理地址是1MB存储空间中的某一单元地址，用20位地址码表示,CPU访问存储器时，地址总线上送出的就是物理地址。

逻辑地址在编程时采用，由段基址和偏移地址组成，两者均为16位。内存20000H20A00H0A00H物理地址20A00H逻辑地址2000物理地址和逻辑地址逻辑地址与20位物理地址的变换关系：

物理地址=段基址×16+偏移地址偏移地址段基址段基址000020位物理地址逻辑地址150150

左移四位190∑地址加法器逻辑地址与物理地址的变换【例】若数据段寄存器DS＝2100H，试确定该存储区段物理地址的范围。

一个逻辑段的最大容量为64KB；第一个存储单元的偏移地址为0；最后一个存储单元的偏移地址为FFFFH。该数据区段由低至高相应存储单元的偏移地址为：

0000H～FFFFH。

存储区的首地址＝DS×16＋偏移地址＝2100H×16＋0000H＝21000H

存储区的末地址＝DS×16＋偏移地址＝2100H×16＋FFFFH

＝30FFFH

2.1.280286微处理器

内部由执行单元EU,总线接口单元BU,指令单元IU和地址单元AU4个部分组成，可实现4级流水线作业，使数据吞吐量大大提高，加快了处理速度。80286CPU有24位地址线，16位数据线，且数据线与地址线不在复用，可直接寻址的存储空间为16MB.对8086向上兼容，具有8086/8088CPU的全部功能，在8086/8088上运行的汇编程序不需要修改就可以在80286CPU上运行。80286有两种工作方式：实地址模式（尚称实模式或实地址方式）保护虚地址模式（尚称保护模式或保护方式）.实地址方式相当于一个快速8086，可寻址1MB的内存空间，每个段最大为64KB;保护虚地址方式可寻址16MB，并可提供1GB的虚拟地址空间，可实现多任务多用户操作。

2.1.380386/486微处理器

内部由总线接口单元、指令欲取单元、指令译码单元,指令执行单元、段管理单元和页管理单元6个独立部件组成，可同时实现取指令、指令译码、地址生成、取操作数、执行指令和回写结果等6个操作，构成6级流水线结构。微处理器速度和性能得到大大提高。80386/486CPU有32位地址线，32位数据线，内部寄存器数量明显增加，寄存器和ALU均为32位，具有32位的数据处理能力。可寻址的物理存储空间为4GB.片内集成MMU,可提供64TB的虚拟存储空间。具有三种工作方式：实地址方式、保护虚地址方式、虚拟8086方式，上电复位进入实地址方式，三种工作方式在一定条件下可进行转换。支持多任务多用户操作。引进了先进的技术，如单倍时钟、CASH、FPU、微程序控制技术、RISC技术、乱序和预测技术，多种总线宽度结构等。

2.280486微处理器2.2.1内部结构2.2.2内部寄存器2.2.3工作方式

Pentium在结构上由如下功能部件组成：

整数执行单元

浮点单元

指令Cache和数据Cache

指令预取单元

指令译码单元

地址转换与管理单元

总线接口单元

控制单元

2.2.1内部结构基本寄存器系统级寄存器调试和测试寄存器浮点寄存器2.2.2内部寄存器标志寄存器指令指针寄存器EFLAGSFLAGSEIPIP311503115031161570通用寄存器EAXAHAXALEBXBHBXBLECXCHCXCLEDXDHDXDLEDIDIESISIEBPBPESPSP1.基本寄存器选择器CSSSDSESFSGS150630描述符高速缓存器段寄存器EIP用于保存下一条待预取指令相对于代码基址的偏移量。它的低16位也可单独访问，称之为IP。标志寄存器位定义CFEFLAGSFLAGS313029282726252423222120191817161514131211109876543210ACVMRF0NTIOPLOFDFIFTFSFZF0AF0PF0X对准检查标志X虚拟86模式标志X恢复标志X嵌套标志X特权级标志S溢出标志C方向标志X中断允许标志X自陷标志S符号标志S零标志S辅助进位标志S奇偶标志S进位标志注:S表示状态标志,X表示系统标志,C表示控制标志X虚拟中断标志XID标志X虚拟中断挂起0000000000VIFVIPID选择器描述符高速缓存器CSSSDSESFSGS150630段寄存器段寄存器Pentium有6个段寄存器：CS--指明当前的代码段SS--指明当前的堆栈段DSESFSGS决定程序使用存储器区域块指明当前的4个数据段编程者可直接访问的编程者不能访问的段选择符段描述符实地址方式和虚拟8086方式下相同，段的长度固定为64KB,段选择器就是段寄存器,它保存的是逻辑段基址的高16位，将它的内容左移4位即可得到实际段基址，而不必使用描述符高速缓存器。在保护虚地址方式下，段的长度可以在1字节到4G字节之间变化；为了描述每个段的基址、属性和边界，为每个段定义了一个描述符。操作系统使用的各任务公用的段描述符放在一起构成全局描述符表GDT；某个任务专用的段描述符放在一起构成局部描述符表LDT。段的定义与8086有所不同：段的选择符

为了说明一个段的描述符在哪个表中，表的序号是多少以及特权的高低，为每个段定义了一个16位的选择符，存于段选择器中，其格式为：描述符索引段描述符iLDTGDT0

1INDEX

TIRPLb15b3b2b1b0表指示符描述符i（0～8911）段描述符0描述符000特权级001特权级110特权级211特权级3请求特权级2.2.3工作方式实地址工作模式最基本的工作方式。

8086/8088的实地址模式保持兼容。