南邮 微机原理(微型计算机与接口技术)第2章2010修改

第2章80X86微处理器教材:微型计算机原理与接口技术第2章80X86微处理器1.位和字节•位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单位时记作b•字节（byte）由8个二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作BK是kilo的缩写，1K=1024=210；M是mega的缩写，1M=1024K=220；G是Giga的缩写，1G=1024M=230；T是tera的缩写，1T=1024G=240。微型计算机的常用术语100001012.字长•字长是指微处理器能直接处理的二进制数的位数。字长越长，运算精度越高。微处理器的字长有4位、8位、16位、32位和64位等等。半字节字节字双字03034707078F8F1017181F微型计算机的常用术语3.寻址能力指CPU能直接存取数据的内存地址的范围，它由CPU的地址总线的数目决定。4.主频主频是指微处理器的时钟频率。主频大小很大程度上决定了微机运算的速度。主频的单位是MHz、GHz。微型计算机的常用术语5.运算速度MIPSMIPS是MillionsofInstructionPerSecond的缩写，用来表示微处理器每秒钟能执行多少百万条指令。6.微处理器的集成度•指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。•最早Intel4004的集成度为2250个晶体管，PentiumIII的集成度已经达到750万个晶体管以上，集成度提高了3000多倍。型号发布年分字长(位)晶体管(万个)数据总线宽度外部总线宽度主频寻址空间高速缓存80861978162.916164.771M无80881979162.91684.771M无28619821613.416166~2016M无38619863227.5323212~334G有486198932120323225~1004G8KPentium199332310646460~1664G8KPentiumPro1995325506464150~20064G8K256KPentium21997327506464233~33364G32K512KItanium2000642.2亿64641G以上64G6M集成三级Core2酷睿22006642.91亿64643.60G64G6M集成三级80X86CPU介绍微处理器的基本功能模块:•总线接口单元BIU（寄存器组）•执行单元EU（运算器和控制器、寄存器组）微处理器内部结构•存储管理(分段和分页部件)•指令和数据流水线•指令和数据CACHE•指令预取•浮点处理•分支预测•并行计算•……微处理器的功能扩展模块:Pentium采用了多项先进技术：•CISC和RISC相结合的技术•超标量流水线技术•分支预测技术RISC和CISC：RISC（ReducedInstructionSetComputer），精简指令系统的计算机提供数目较少、格式与功能简单、运行高效的指令追求的是计算机控制器实现简单，运行高速，更容易在单块超大规模集成电路的芯片内制做出来CISC（ComplexInstructionSetComputer），复杂指令系统的计算机相对于RISC一词而提出来的一种说法特点：指令条数多，格式多样，寻址方式复杂，每条指令的功能强。汇编程序设计比较灵活方便，但计算机控制器的实现较困难。流水线：是一种使多条指令重叠操作的技术,是当代微处理器设计中的关键技术之一。把一条指令分解成若干个步骤来完成，在流水线上称为级，每级都在一个时钟周期内完成各自的操作。这样每个时钟周期都可以启动一条指令，m级的流水线上就会有m条指令在同时执行。t12345678指令1指令2指令3指令4超标量流水线：标量指单个量，一般的流水计算机因只有一条指令流水线，所以称为标量流水计算机，所谓超标量是指其具有两条以上的指令流水线.Pentium有U、V两条整型流水线，一条浮点流水线。分支预测：所谓分支预测是指当遇到转移指令、CALL调用指令、RET返回指令、INTn中断指令等跳转指令时，指令预取单元能够较准确地判定是否转移取指。2.132位微处理器内部结构预取缓冲存储器指令译码256控制ROM控制部件地址生成(U流水线)地址生成(V流水线)整数寄存器组ALU(U流水线)ALU(V流水线)筒型移位器8KB数据Cache浮点部件控制寄存器组加法器除法器乘法器80808KB代码Cache分支目标缓冲器预取地址指令指针转移校验和目标地址分页部件323232323232总线部件6464位读总线64位数据总线32位地址总线控制TLBTLB32位地址总线基本结构寄存器：486内部寄存器分为4类:基本结构寄存器浮点寄存器系统级寄存器调试测试寄存器应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点寄存器。(我们只介绍基本结构寄存器)AHAXALBHBXBLCHCXCLDHDXDLSPBPDISIIPFLAGSCSDSESSSFSGS32位名称EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI8位名称16位名称EIPEFLAGS名称累加器基址变址计数数据堆栈指针基址指针目的变址源变址指令指针标志代码数据附加堆栈数据数据32位16位注意：•286以下有色区域不可用；•AX(accumulater)-----累加器•BX(Base)-----基址寄存器•CX(Count)-------计数器•DX(Data)-----数据寄存器AHAXALBHBXBLCHCXCLDHDXDLSPBPDISI32位名称EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI16位名称名称累加器基址变址计数数据堆栈指针基址指针目的变址源变址8位名称1.通用寄存器AX、BX、CX、DX共同特点：•既可作为16位寄存器来用又可作为两个8位寄存器（高、低位）来用；•都是用于暂存操作数，或是运算的中间结果或其它一些信息。指令＝操作码＋操作数AHAXALBHBXBLCHCXCLDHDXDLSPBPDISI32位名称EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI16位名称名称累加器基址变址计数数据堆栈指针基址指针目的变址源变址8位名称AXAXALAHIP、SP、BP、SI、DI：为寻址存贮单元提供偏移地址。其中：•IP(InstructionPointer)-------指令指针AHAXALBHBXBLCHCXCLDHDXDLSPBPSIDI32位名称EAXEBXECXEDXESPEBPESIEDI16位名称名称累加器基址变址计数数据堆栈指针基址指针源变址目的变址8位名称IP•SP(StackPointer)------堆栈指针•BP(BasePointer)------基址指针•SI(SourceIndex)------源变址寄存器•DI(DestinationIndex)------目的变址寄存器EIPCS、DS、ES、SS------4个16位的段寄存器，和偏移地址寄存器一起形成20位存储器物理地址，对存储器中存放的程序、数据、堆栈区域加以区别、寻址。•寻址程序(指令)：CS＋IP；•寻址数据：(DS或ES)＋(SI或DI、BX、BP)；•寻址堆栈：SS＋(SP或BP)具体用法在寻址方式中介绍CSDSESSSFSGS代码数据附加堆栈数据数据2.段寄存器标志寄存器FLAGS又称为程序状态字PSW，实模式下使用16位寄存器，该寄存器主要有两个作用：•记录CPU运行结果状态标志；•提供控制标志。FLAGSEFLAGS标志寄存器3.标志寄存器OFDFIFTFSFZFAFPFCFFLAGS定义如下：0157801531根据功能，8086的标志可以分为两类：状态标志：用来反映算术或逻辑运算后结果的状态，以记录CPU的状态特征。有：SF（符号标志）、ZF（零标志）、PF（奇偶标志）、CF（进位标志）、AF（辅助进位标志）和OF（溢出标志）控制标志：每个控制标志都对某一种特定的功能起控制作用。指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除。有DF（方向标志）、IF（中断允许标志）、TF（跟踪标志）。一.32位微处理器工作模式1.实模式的特点①加电、复位之后，486自动工作在实模式，系统在DOS管理下②在实模式下，486只能访问第一个1M内存(00000H~FFFFFH)实地址模式(实模式)保护虚拟地址模式(保护模式)虚拟86模式2.232位微处理器的工作模式和地址空间③存储管理部件对存储器只进行分段管理，没有分页功能，每一逻辑段的最大容量为64K。④在实模式下，段寄存器中存放段基址。2.保护模式的特点:(仅作了解）486工作在保护模式下，才能真正发挥它的设计能力。①在保护模式下，486支持多任务操作系统②在保护模式下，486可以访问4G物理存储空间③存储管理部件中，对存储器采用分段和分页管理操作系统核心系统服务及接口应用程序0级1级2级3级关于保护机制：高级别的程序可以访问同级或低级的数据段，反之则不行3.虚拟86模式（仅作了解）:虚拟86模式是保护模式下的一种特殊工作模式,可运行实模式程序。在操作系统管理下,486可以分时地运行多个实模式程序。例如：有3个任务,操作系统为每一个任务分配1ms,每通过1ms就发生一次任务切换,从宏观上看系统是在执行多个任务。1.存储空间：物理空间(物理存储器地址空间）：程序的运行空间,即主存空间232=4G物理地址：物理空间486有32条地址线，内存最大容量4G。这4G字节称为物理存储器，每一单元的地址称为物理地址，其地址范围：0000,0000H~FFFF,FFFFH为物理存储空间。二.32位微处理器的地址空间虚拟空间(虚拟存储器地址空间):编程空间虚拟存储器是一项硬件和软件结合的技术。存储管理部件把主存(物理存储器)和辅存(磁盘)看作是一个整体，即虚拟存储器。允许编程空间为246=64T，程序员可在此地址范围内编程，程序可大大超过物理空间。该空间对应的地址称为虚拟地址或逻辑地址。运行时，操作系统从虚拟空间取一部分程序载入物理存储器运行。当程序运行需要调用的程序和要访问的数据不在物理存储器时，操作系统再把那一部分调入物理存储器.……数据的交换极快，程序察觉不到。线性地址实模式：存储空间仅分段，而不分页；保护模式：存储空间先分段，再分页。分页部件线性空间：当程序从虚拟空间调入物理空间时，要进行地址转换。分段部件首先把虚拟地址(编程地址)转换为线性地址,☆如果不分页的话，线性地址就是物理地址；☆如果分页的话，则由分页部件把线性地址转换为物理地址。虚拟地址不分页物理地址分段部件I/O地址空间与存储空间不重叠CPU有一条控制线M/IO，在硬件设计上用M/IO=1，参与存储器寻址，用M/IO=0参与I/O寻址。从PC/XT～Pentium，基于Intel微处理器的系统机，实际上只使用低10位地址线，寻址210=1024个I/O端口。2.I/O空间:486利用低16位地址线访问I/O端口，所以I/O端口最多有216=64K，I/O地址空间为0000H～FFFFH。注意：I/O地址空间不分段三.实模式下,物理地址的形成（重要）1.存储器的分段管理:486对存储器采用分段管理,一个单元的地址由两部分组成,写成:段基址∶偏移地址设某单元物理地址为12345H,则:12345H=1000H*24+2345H段基址偏移地址逻辑地址在一个逻辑段中,各单元的段基址是相同的偏移地址是该单元相对于段首的地址偏移量一个逻辑段10000H12345H16位段地址16位段内偏移量16位段地址000020位物理地址地址加法器段寄存器偏移地址寄存器左移4位15016位段寄存器000020位物理地址190+15016位偏移地址实模式下20位物理地址的形成一般情况下，CS、DS、ES、SS等各段在存储器中的分配由操作系统负责，每个段可以独立占用64K存储区，各段也允许重叠。如图所示为段分配方式之一:各段独立占用64K存储区.0150H4200HB000H1CD0H64K代码64K堆栈64K数据64K附加数据01500H42000H1CD00H