微机系统与接口：第八章 Intel 系列高档微处理器

1、1,第八章 Intel 系列高档微处理器,随着微机应用领域的扩大和应用技术的深 入，微处理器也不断地向前发展，最新 的INTEL P4微处理器的主频率已经达到3.2GHz以上。 本章将简要介绍具有代表性的Intel主流 CPU的发展过程，重点介绍80286和80386的存储器分段和分页管理,2,8.1 80286微处理器 一、概述 80286是Intel公司于1982年推出的，它是更加 先进的16位处理器，内部操作和寄存器均是16位 的。 1、芯片内集成了13.5万个晶体管，68只引脚，具有独立的16条数据线和24条地址线（16MB），内部时钟频率为8MHZ到10MHZ。(8086为5MHz)

2、 2、增加了存储器管理和虚地址保护机构，对存储器采用分段管理，每段最大64KB，并支持虚拟存储器,3,3、80286有两种基本工作方式：实地址方 式和虚地址保护方式。在实地址方式下寻址能力为1MB，相当于8086；在虚地址保护方式下，可为每个任务提供1GB的虚拟地址空间，并将之映射到16MB的物理地址空间中。 4、改进了流水结构，加快了处理速度。 5、80286保证了所有软件向下的兼容性， 8086的程序可以在80286运行,4,二、80286的基本结构,指令部件 IU,总线部件 BU,执行部件 EU,地址部件 AU,5,1、80286的功能结构 80286与8086一样，分为执行部件EU和总

3、线接口部件BIU两大部分。 BIU细分为地址部件AU，指令部件IU和总线部件BU。其中IU是新增的部件，作用是取出BU预取代码队列中的指令进行译码，然后放到指令队列中，加快指令的执行,6,7,2、80286的寄存器结构 (1)寄存器集：14个基本寄存器的名称和 8086一样。 80286的FLAG仍是16位，但比8086扩充了两个标志（3个标志位） 80286增加了一些寄存器，如机器状态字、 描述符表寄存器、任务寄存器和描述符高 速缓冲寄存器等,8,2)标志寄存器FLAGS：增加了IOPL，NT 两个标志，其余与8086相同。 IOPL是I/O特权标志，占用两位，指定I/O 操作所处的特权级（

4、03），虚地址保护 方式适用。 NT是嵌套任务标志，为1表示当前任务正 嵌套在另一任务中，为0表示不是嵌套任务,9,操作系统核 系统服务程序 应用服务程序 应用程序,机器状态字,10,3) 机器状态字MSW PE是保护方式允许位。 MP是监督协处理器位。（MP=1表示 80287协处理器在工作） EM是协处理器仿真位。（MP=0，EM=1 表示系统用软件仿真协处理器） TS是任务转换位,11,4) 描述符表寄存器： GDTR：40位全局描述符表寄存器 LDTR：64位局部描述符表寄存器 IDTR： 40位中断描述符表寄存器 (5) 任务寄存器TR（64位）：反映当前正 在执行的任务状态，包括1

5、6位段选择字和 48位段描述符。 (6) 描述符高速缓存器：是80286对虚地址 保护方式下描述符的一种硬件支持,12,段描述符高速缓存器,13,三、80286的存储器管理系统 1、 实地址方式，逻辑地址就是物理地址，寻址1MB，与 8086相同，24根地址线只用20根。 2、 保护方式，实现虚拟存储管理和支持多用户系统。 存储器组成 存储空间分为物理存储器和虚拟存储器。物理存储器最 大容量为16MB；虚拟存储器最大容量为1GB。 80286实行可变长的分段结构，段长最大为64KB。 存储器寻址 实地址方式寻址，则按32位地址指针中高16位表示段 基址，把它左移4位后与低16位偏移量相加，即得

6、到物理 地址。 保护方式下，地址指针中高16位表示段选择字，低16位,14,仍然是偏移量。 16为段选择字如下所示： 3 2 1 0 其中高13位是描述符的偏移地址值，可寻址8K个描述符。 TI=0，选局部描述符表（LDT），=1，选全局描述符表 （GDT）。（8kB+8kB)*64kB=1024MB-最大虚存空间 RPL两位表示特权级（0-3级）。 保护方式是一种利用描述符表的间接寻址方式，步骤如下： 、求得描述符的位置 由INDEX得到描述符的偏移地址值，由TI得到是GDTR还 是LDTR中去取描述符地址的段基址，然后把描述符的偏移地 址左移3位与段基址相加，便得到描述符在描述符表中的首地

7、,15,址值，由此便可以在描述符表中找到描述符。描述符的 组成如下（8字节）： 其中段基址占3个字节（24位）。 、把描述符中6个字节（0-5个字节）内容装入Cache中 、由描述符表中取出描述符后装入Cache，将其中24位,16,段基址与32位虚拟地址中低16位偏移量相加，便得到24 位实际的物理地址。 例：执行MOV AX，0040H，寻址过程如下： 从程序得到的虚拟指针如下： 由16位段选择字和16位偏移地址组成。将段选择字送入 DS寄存器中。TI=1，选择GDTR，从中找到描述符表的段 基址200000H。再从高13位中找出描述符的偏移地址0028H,1,17,再与段基址相加得到20

8、0028H，它就是描述符表中的第5 号描述符的首地址。如下图所示,18,第二节 80386微处理器 一、概述 1、1985年10月Intel公司推出了80386，集成了32万个晶体管，片内集成了存储管理部件和保护机构，内部操作和寄存器都是32位的。 2、芯片有132只引脚，数据线、地址线各32条 3、80386存储管理部件可进行段页式存储管理，支持虚拟存储器,19,4、80386有三种工作方式： 实地址工作方式：就是一个极快的8086 虚地址工作方式：80386可寻址4GB（232） 物理地址空间和64TB虚地址空间。存储 器分段，每段最大4GB，最多16384个段。 虚拟8086方式：可同时

9、执行8086的操作系 统及其应用程序，以及80386的操作系统 和80286、386的应用程序。此时，允许在 UNIX和DOS操作系统下所编写的程序之 间相互转换,20,5、1986年后Intel推出了多种型号的80386： 80386SX，外部数据总线只有16位 80386DX，标准80386 80386SL，低功耗、节能芯片 80386DL，低功耗、节能型的80386DX 80386EX，基于80386SX，但地址总线是 26位，且低功耗、节能型,21,二、80386的基本结构,1、80386的功能结构 80386由中央处理部件CPU、存储管理部件MMU和总线接口部件BIU组成。 中央处理

10、部件由指令部件和执行部件组成， 包括预取、译码、执行三个部件。 MMU分为分段部件和分页部件。分段部件对逻辑地址空间进行管理，分页部件对物理地址空间进行管理。 BIU负责与存储器、I/O端口传送数据。 80386的预取、译码、执行、分段、分页、总线接口这6个部件可以并行操作，从而加快指令执行速度,22,23,2、80386的寄存器结构 80386共有7类32个寄存器，分别是通用 寄存器、指令指针和标志寄存器、段寄存 器、系统地址寄存器、控制寄存器、调试 寄存器和测试寄存器。 (1) 通用寄存器：共有8个32位寄存器，它 们由8086的16位寄存器扩展而来，它们的 低16位与8086使用方法相同

11、。EAX， EBX，ECX，EDX，ESP，EBP，ESI，EDI,24,25,2) 指令指针和标志寄存器：指令指针寄 存器EIP由8086的IP寄存器扩展而来。标志 寄存器EFLAGS是由80286的标志寄存器 FLAGS扩展而来，增加了2个标志。VM是 虚拟模式标志，RF是重新启动标志。 31 16 15 0 IP EIP,26,3) 段寄存器和段描述符高速缓冲寄存器： 6个16位的段寄存器，CS、DS、SS、ES、 FS、GS其中FS,GS是新加的附加数据段寄 存器。80386线性地址由段基地址和段内偏 移地址相加得到。 段描述符高速缓冲寄存器共64位，包括 32位的段基址，20位的段限

12、和12位的其他 信息,27,4) 系统地址寄存器和系统段寄存器： 系统地址寄存器有全局描述符表寄存器GDTR、中断描述符表寄存器IDTR 系统段寄存器有局部描述符表寄存器LDTR和任务 寄存器TR。这些寄存器保存相应的描述符表的地址。 (5) 控制寄存器：4个32位的控制寄存器CR0，CR1， CR2，CR3，它们保存全局性的机器状态。 (6) 调试寄存器：共8个排错寄存器DR0-DR7。 (7) 测试寄存器：2个32位的测试寄存器TR6和TR7， 用于控制转换后援缓冲器中的RAM测试,28,三、80386的存储器管理 80386CPU可以按实地址、保护虚地址和 虚拟8086共3种方式对存储器

13、进行管理。 1、实地址方式：当80386系统复位时，就 工作在实地址方式，其物理地址的形成与 8086相同，可寻址的实地址空间只有1MB， 所有的段其最大容量为64KB。系统初始化 区在FFFFFFF0H-FFFFFFFFH存储区内。设 置此方式是为了与8086兼容，也可从实地 址方式转变到保护虚地址方式,29,2、保护虚地址方式 80386的存储器管理系统包括地址转换与 保护两个关键功能与分段与分页等机制。 (1) 描述符表：描述表定义80386系统中使 用的所有段，有三种描述符表，即全局描 述符表GDT，局部描述符表LDT和中断描 述符表IDT，这些表是可变长度的存储器组 织，长度在8个字

14、节到64KB之间，每个表 容纳至多8192个8字节的描述符。选择符中 高端13位作为描述符表的索引,30,2)地址转换 1）有效地址 有效地址基址变址比例因子偏移量 基址可以用任一个32通用寄存器，变址可用除 ESP外任何通用寄存器，比例因子为1，2，4，8。 位移量可为8位，16位或32位。 2）线性地址 线性地址段基址有效地址 3）物理地址 物理地址F（线性地址）； 从线性地址到物理地址的F（）运算称为页变换,31,386地址转换示意图,32,48位逻辑地址,13位Index TI RPL,32位偏移量,全局描述符,32位段基地址,全局描述符表,局部描述符,32位段基地址,局部描述符表,线

15、性地址,段基地址,从逻辑地址到线性地址的转换,33,局部描述符,32位基地址,局部描述符表,13位Index TI RPL,32位偏移量,全局描述符,32位段基地址,全局描述符表,分页允许,页,偏移量,物理地址,页表项,描述符表,页表,从逻辑地址到物理地址的转换,34,3）分段机制和段描述符 分段机制 分段机制把虚拟存储器分成大小可变的段，段模式使用 两部分虚拟地址，即段基址与偏移量。每个段由3个参数 确定： 段的基地址，规定线性地址空间中段的开始地址。 段的界限，表示在虚拟地址中，段内可使用的最大偏移量。 段的属性，包括该段是否可读出、写入以及段的特权级等。 段描述符 80386有三种描述符

16、表，即GDT、LDT、IDT，这些表的 长度是可变的，在8字节到64KB之间，每个表可容纳至多 8192个8字节的描述符 16位段寄存器中的高13位（8192）是这些表的索引，从 表中得到段描述符,35,段描述符的格式： 段描述符占8个字节，其中段基址分3处存放，构成32位段基 址；20位段限值分2处存放；访问权即属性字节，其中DPL 为描述特权级0-3，S为描述符类型，TYPE为存储段描述符 类型，P=1表示该段已在物理存储器中,80386描述符格式,36,3) 分页管理 分段机制可以把虚拟地址转换为线性地 址，而分页机制可以进一步把线性地址转 换为物理地址。 1）分页机构 分页由页目录表、

17、页表和页本身3部分组 成，页长度固定为4KB。 2）页面描述符基地址寄存器 CR2（页故障线性地址寄存器） CR3（页目录物理基地址寄存器,37,分页机制可以把线性地址转换为物理地址。当CR0中的 PG=1时，启动分页机制，PG=0，不用分页机制。 物理地址的低12位=线性地址的低12位； 物理地址的高20位= F（线性地址的高20位） 因为固定4KB一页，因此高20位也可称为页号，低12 位称为页内偏移量。 在段页式结构中，页目录表常驻内存，而页表和页可 以在内存，也可以在磁盘上，这由页目录描述符和页描 述符中的P位决定，P=1，表示在内存；P=0表示不在内存,38,3)段页式寻址过程,虚地

18、址指针,CR3,39,40,由虚拟地址提供48位地址指针，其中高16位是段选择字， 低32为是偏移量。 高16位段选择字的前13位是描述符表偏移量（索引），后3位 是PRL占2位，表示请求特权级别，另一位是TI，表示描述符表 指针，TI=1，选中LDT，TI=0选中GDT。 35 34 33 32 31 0 根据描述符表偏移量，从段描述符表中找到32位的段基地 址，与32位偏移量相加产生32位线性地址。至此完成段式管理。 由页目录基地址寄存器CR3的高20位（其低12位始终是0） 得到页目录表的物理起始地址。 线性地址由3部分组成，即高10位页目录表偏移量；中间10位 是页表偏移量，低12位是

19、页内偏移地址,41,页目录表的物理起始地址加上线性地址高10位页目录表 偏移量得到页目录表地址，从中取出页目录描述符（4个 字节），参见图12.11，其中高20位是页表地址指针。 由页表地址指针加上线性地址的中间10位（页表偏 移量）得到页表地址，从中取出页描述符（4个字节）。 由页描述符的高20位加上线性地址中的低12位得到物 理地址32位,42,第三节 RISC技术,一、CISC与RISC CISC：复杂指令集计算机 RISC：精简指令集计算机 二、RISC机器的主要特点 指令种类少； 寻址方式少； 指令格式少，而且长度一致； 除存数和取数指令外，所有指令都能在不多于一个CPU 周期的时间

20、内执行完毕； 只有存数和取数指令能够访问存储器,43,RISC机器中有较大的通用寄存器组，大多数指令面向 寄存器操作； 完全的硬连线控制，或仅使用少量的微程序； 采用流水线技术； 对指令系统采用优化的编译程序； 将一些功能的完成从执行时间转移到编译时间，以提高 处理器的性能。 三、RISC机器中的现代新技术 1、超级标量技术 在一般机器中，每个时钟只启动一条指令，即在流水 线中两条指令只能做到部分重叠，而不能全部重叠。超 级标量方法在每个时钟内同时启动N条指令，实现N条指 令完全并行执行,44,2、超长指令字技术 超长指令字技术是由美国耶鲁大学的Fisher教授首先提出 的，它与超级标量技术有

21、类似之处。但它以一条长指令来 实现多个操作的并行执行，以减少对存储器的访问。 这种长指令往往长达几百位，每条指令可以做几种不同 的运算，它们要发送到各种功能部件上去完成，哪些操作 可以并行执行是在编译阶段选择的。其主要特点是： （1）只有一个控制器，每个周期启动一条长指令； （2）超长指令被分成多个控制字段，每个字段独立地控 制每个功能部件； （3）含有大量的数据通路和功能部件，控制硬件较简单； （4）在编译阶段完成超长指令中多个可并行执行操作的 调度,45,3、超级流水线技术 将通常的流水线进一步细分为更多的阶段，在一个机器 周期内可发送多条指令，通过一定的流水线调度，使每个 细分后的流水线

22、小级可以与其他指令的不同流水线小级并 行执行，其流水线的时钟频率可以是机器时钟频率的几倍。 除了指令流水线，还有运算操作流水线等。在流水线中 有几个问题要解决。 （1）流水线中的相关问题 所谓相关指的是由于机器语言程序相邻指令间出现了某 种关联，使得它们不能被同时运行。“数相关”可能发生在 主存空间，也可能发生在寄存器空间。解决办法通常设置 相关专用通路,46,2）程序转移对流水线的影响 为了减少因转移而引起的流水线性能损失，有些机器 中借助硬件来动态预测转移方向，从而形成转移目标地 址。 4、80386和80486的流水线 80386的流水线分为4级，指令预取队列为16个字节； 80486的

23、流水线分为5级，指令预取队列增加到16个字 节，可直接从片内Cache取指。 5、Pentium微处理器的流水线 Pentium采用超标量流水线，它有两条指令流水线，构 成U流水线和V流水线。每条流水线都有自己的ALU、地 址生成电路和Cache接口。每条流水线也分为5级。 U流水线可执行Intel体系中任何指令；而V流水线只能 执行按指令配对规则所定义的指令,47,第四节 80486及Pentium微处理器 在80386微处理器之后，Intel公司又陆续 推出了80486、Pentium、Pentium2、 Pentium3、Pentium4等一系列微处理器，这 些微处理器运算速度更快，同时

24、功能也不 断完善,48,一、80486微处理器 1）80486CPU在1989年推出，集成120万晶体管，168引脚。 2）数据线32条，地址线32条。最高工作频率133MHz。 3）采用突发总线（Burst Bus）同内存进行高速数据交换。 4）片内带有高速缓存（Cache），为8KB的数据指令统一缓存。 5）带有浮点运算功能。 6）指令执行单元采用RISC技术和流水线技术，大部分基 本指令执行时间为1个时钟周期。 7）芯片内有存储管理部件（分段部件和分页部件）。 8）与80386一样有三种工作方式，并提供4级保护机制。 9）软件向下兼容。 80486的内部结构如下图所示,49,50,二、Pentium微处理器 1）奔腾（Pentium）是Intel公司1993年3月推出的，集成 310万晶体管。 2）奔腾有32位寄存器、64条数据线和36条地址线及高性 能浮点处理部件。 3）采用超标量流水线作业，拥有u-流水线和v-流水线 4）常用指令固化 5）动态转