计算机硬件技术基础(第二章)

1、第二章第二章 IntelIntel系列微处理器系列微处理器 第一节第一节 IntelIntel系列微处理器概述系列微处理器概述 第二节第二节 8048680486微处理器的体系结构微处理器的体系结构 第三节第三节 PentiumPentium微处理器的体系结构微处理器的体系结构( (自学自学) ) 一、一、808680868088 8088 微处理器微处理器 第一节第一节 IntelIntel系列微处理器概述系列微处理器概述 处理器处理器位数位数（字长）（字长）内部总内部总线位数线位数外部总线位外部总线位数数地址线位地址线位数数808680861616161616162020808880881

2、61616168 820208028680286161616161616242480386DX80386DX323232323232323280486804863232323232323232PentiumIVPentiumIV6464323264643636一、一、808680868088 8088 微处理器微处理器 在在8086808680888088的设计中，引入了两个重要的概念：的设计中，引入了两个重要的概念： 指令流水线指令流水线 存储器分段存储器分段第一节第一节 IntelIntel系列微处理器概述系列微处理器概述 8086/80888086/8088内部结构示意图内部结构示意图总

3、线接口单元总线接口单元BIUBIU由段寄存器（由段寄存器（CSCS、DSDS、SSSS、ESES）、指令指）、指令指针寄存器（针寄存器（IPIP）、内部暂存器、指令队列、地址加法器及总）、内部暂存器、指令队列、地址加法器及总线控制电路组成。它的主要作用是线控制电路组成。它的主要作用是负责执行所有的负责执行所有的“外部总外部总线线”操作操作。指令队列指令队列主要使主要使8086/80888086/8088的的EUEU和和BIUBIU并行工作，取指令操作、并行工作，取指令操作、分析指令操作重叠进行，从而形成了分析指令操作重叠进行，从而形成了两级两级指令流水线结构。指令流水线结构。执行单元执行单元E

4、U EU 由通用寄存器、运算数据寄存器、算术逻辑单由通用寄存器、运算数据寄存器、算术逻辑单元（元（ALUALU）及）及EUEU控制电路组成。它的主要作用是控制电路组成。它的主要作用是分析和执行分析和执行指令指令。对存储器分段的理解对存储器分段的理解设有设有10001000个座位个座位, ,编号为编号为0-9990-999(1)(1)如果要找某个座位号的人如果要找某个座位号的人, ,或把一个人安排到某个或把一个人安排到某个座位号去座位号去, ,可以直接给出这个座位号可以直接给出这个座位号(0-999(0-999之一之一),),称称为为物理地址物理地址(2)(2)如果这如果这10001000个座位

5、不同区域坐不同年龄的人个座位不同区域坐不同年龄的人, ,如如0-0-9999为老年人为老年人,100-199,100-199坐中年人坐中年人,200-299,200-299坐青年人坐青年人就可以将这些座位分组就可以将这些座位分组: :0-99 0-99 第第0 0组的第组的第0 0个到第个到第9999个个100-199 100-199 第第1 1组的第组的第0 0个到第个到第9999个个200-299 200-299 第第2 2组的第组的第0 0个到第个到第9999个个 这样这样, ,任何一个号就可以由任何一个号就可以由组号组号和组内的相对和组内的相对偏移号偏移号确确定定, ,如如899899

6、为第为第8 8组第组第9999个个实际号实际号( (物理地址物理地址) )= =组号组号* *100+100+偏移号偏移号 组号组号: :偏移号偏移号 称为称为逻辑地址逻辑地址对存储器分段的理解对存储器分段的理解(3)(3)上面定义的组的长度上面定义的组的长度(100)(100)和组与组之间的间隔和组与组之间的间隔(100)(100)相同相同, ,组间无重叠号组间无重叠号, ,现在给出新的定义现在给出新的定义: :组的组的长度仍为长度仍为100,100,但组的间隔为但组的间隔为10:10:0-99 0-99 第第0 0组的第组的第0 0个到第个到第9999个个10-109 10-109 第第1

7、 1组的第组的第0 0个到第个到第9999个个20-119 20-119 第第2 2组的第组的第0 0个到第个到第9999个个 900-999 900-999 第第9090组的第组的第0 0个到第个到第9999个个 这样这样, ,组之间就可以重叠组之间就可以重叠, ,一个号可以属于不同的组一个号可以属于不同的组, ,如如1111号可以是号可以是0 0组第组第1111个个, ,也可以是也可以是1 1组第组第1 1个个其其实际号实际号( (物理地址物理地址) )仍可由仍可由组号组号和组内的相对和组内的相对偏移号偏移号确定确定实际号实际号( (物理地址物理地址) )= =组号组号* *10+10+偏

8、移号偏移号 组号组号: :偏移号偏移号 称为称为逻辑地址逻辑地址, ,对一个对一个物理地址物理地址, ,其其逻辑逻辑地址地址不是唯一的不是唯一的. .对存储器分段的理解对存储器分段的理解(3)(3)现在用十六进制思维方式现在用十六进制思维方式, ,把一个组长度定义为把一个组长度定义为64K,64K,即即0:ffffH,0:ffffH,组之间的间隔为组之间的间隔为16,16,即即10h,10h,则则 实际号实际号( (物理地址物理地址) )= =组号组号* *16+16+偏移号偏移号或或: :实际号实际号( (物理地址物理地址) )= =组号组号* *10h+10h+偏移号偏移号或或: :实际号

9、实际号( (物理地址物理地址) )= =组号组号左移左移4 4位位+ +偏移号偏移号 这就是这就是存储器分段存储器分段的概念的概念, ,组号组号就称为就称为段地址段地址, ,偏移号偏移号称为称为偏移地址偏移地址, ,段地址段地址: :偏移地址偏移地址称为称为逻辑地址逻辑地址编写程序时使用的是编写程序时使用的是逻辑地址逻辑地址, ,此时此时, ,段地址段地址和和偏移地偏移地址址分别用分别用段寄存器段寄存器和和偏移地址寄存器偏移地址寄存器给出给出. .相应地相应地: :每个座位就是一个每个座位就是一个存储单元存储单元, ,座位号就是存储座位号就是存储单元的单元的地址地址, ,座位上坐的人就是该存储

10、单元存放的座位上坐的人就是该存储单元存放的数数据据内容内容, ,存取存取( (访问访问) )一个存储单元必须要先给出定位一个存储单元必须要先给出定位该存储单元的该存储单元的地址地址, ,然后再读写然后再读写数据数据. .存储器分段示意图存储器分段示意图 段寄存器段寄存器为为8086/80888086/8088采用存储器分段管理提供了主要的采用存储器分段管理提供了主要的硬件支持。硬件支持。8086/80888086/8088可寻址的存储器空间为可寻址的存储器空间为1MB1MB。通过分段管。通过分段管理，把理，把1MB1MB的物理存储空间分成若干逻辑段，的物理存储空间分成若干逻辑段，每段最大为每段

11、最大为64KB64KB。段的起始单元地址叫段的起始单元地址叫段基址段基址。 存储器的分段方式存储器的分段方式不是唯一不是唯一的，各段之间可以的，各段之间可以连续连续、分离分离、部分重叠部分重叠和和完全重叠完全重叠。这主要取决于对各个段寄存器的预置内。这主要取决于对各个段寄存器的预置内容。一个具体的存储单元的物理地址，可以属于一个逻辑段，容。一个具体的存储单元的物理地址，可以属于一个逻辑段，也可以同属于几个逻辑段。也可以同属于几个逻辑段。 8086/80888086/8088的的4 4个当前段分别称为：个当前段分别称为：代码段代码段、数据段数据段、堆栈堆栈段段、附加段附加段 采用存储器分段管理后

12、，采用存储器分段管理后，存储器地址存储器地址有有物理地址物理地址和和逻辑地逻辑地址址之分。之分。CPUCPU访问存储器访问存储器时，地址总线时，地址总线ABAB上送出的是上送出的是物理地址物理地址。 编程时编程时则采用则采用逻辑地址逻辑地址，逻辑地址有，逻辑地址有段基址段基址和段内和段内偏移偏移地址地址两部分组成，两者都是两部分组成，两者都是1616位。位。 由由1616位逻辑地址变换为位逻辑地址变换为2020位物理地址的关系如下：位物理地址的关系如下：物理地址物理地址= =段基址段基址* *16+16+段内偏移段内偏移 物理地址的生成是在物理地址的生成是在BIUBIU的地址加法器中完成的。的

13、地址加法器中完成的。 物理地址生成示意图物理地址生成示意图二、二、8028680286微处理器微处理器 8028680286是一种增强微处理器型标准是一种增强微处理器型标准1616位微处理器。与位微处理器。与8086/80888086/8088相比，结构上的改进与性能上的提高主要体现在相比，结构上的改进与性能上的提高主要体现在以下几个方面：以下几个方面： 内部有执行单元（内部有执行单元（EUEU）、总线单元（）、总线单元（BUBU）、指令单元）、指令单元（IUIU）和地址单元（）和地址单元（AUAU）4 4个独立的部分并行操作，可实现个独立的部分并行操作，可实现4 4级流水线级流水线作业，使数

14、据吞吐率大大提高。作业，使数据吞吐率大大提高。 地址总线与数据总线完全分开使用。地址总线与数据总线完全分开使用。二、二、8028680286微处理器微处理器 存储空间有两种工作方式：存储空间有两种工作方式：实地址方式实地址方式和和保护虚拟地保护虚拟地址方式址方式（保护方式）。实地址方式有（保护方式）。实地址方式有1MB1MB的空间；保护方式的空间；保护方式有有16MB16MB的空间。的空间。 在保护方式下，在保护方式下，4 4个段寄存器装入的不再是段基址，而个段寄存器装入的不再是段基址，而是指向段描述符表中某个段描述符的索引值，称为是指向段描述符表中某个段描述符的索引值，称为段选择符段选择符。

15、三、三、80386/8048680386/80486微处理器微处理器 80386/8048680386/80486是针对多用户和多任务的应用而推出的是针对多用户和多任务的应用而推出的3232位微处理器，与位微处理器，与8028680286相比，它在结构和性能上的主要特点相比，它在结构和性能上的主要特点如下：如下： 内部寄存器内部寄存器数量明显增加，它具有全数量明显增加，它具有全3232位数据处理能力，位数据处理能力，还可以进行还可以进行6464位的数据运算。位的数据运算。片内存储管理部件可实现片内存储管理部件可实现段页式段页式存储管理，比存储管理，比8028680286可提供可提供更大的虚拟存

16、储空间和物理存储空间。更大的虚拟存储空间和物理存储空间。 三、三、80386/8048680386/80486微处理器微处理器 比比8028680286新增了一种保护模式下的工作方式，即新增了一种保护模式下的工作方式，即虚拟虚拟80868086方式。方式。 8048680486增加到增加到6 6级级指令流水线。指令流水线。 提供了提供了3232位位外部总线接口，最大数据传输速率显著提高。外部总线接口，最大数据传输速率显著提高。 运算速度大大加快。运算速度大大加快。 各种模式下物理地址生成各种模式下物理地址生成 各种模式下段长与容量各种模式下段长与容量 说明说明: : 8028680286保护模

17、式保护模式, ,段描述符段描述符4848位位:24:24位段基址位段基址,16,16位段边位段边 界界,8,8位访问权限位访问权限8048680486保护模式保护模式, ,段描述符段描述符6464位位:32:32位段基址位段基址,20,20位段边位段边界界,12,12位属性位属性第二节第二节 8048680486微处理器的体系结构微处理器的体系结构 一、一、8048680486的流水线的流水线 8048680486的流水线工作示意图的流水线工作示意图1 1）基本寄存器）基本寄存器 通用寄存器通用寄存器 指令指针寄存器指令指针寄存器 （EIPEIP） 有有8 8个个3232位的位的EAXEAX、

18、EBXEBX、ECXECX、EDXEDX、ESIESI、EDIEDI、EBPEBP、ESPESP；它们的低；它们的低1616位可以单独访问被命名为：位可以单独访问被命名为： AXAX、BXBX、CXCX、DXDX、SISI、DIDI、BPBP、SPSP。其中。其中AXAX、BXBX、CXCX、DXDX还可以分别分成还可以分别分成两个两个8 8位寄存器：位寄存器：AHAH、ALAL、BHBH、BLBL、CHCH、CLCL、DHDH、DLDL。 EIP EIP用于保存下一条待预取指令相对于代码段基址的偏用于保存下一条待预取指令相对于代码段基址的偏移量。它的低移量。它的低1616位可以单独访问，称之

19、为位可以单独访问，称之为IPIP二、二、8048680486的内部寄存器的内部寄存器 1 1）基本寄存器）基本寄存器 标志寄存器标志寄存器 （EFLAGSEFLAGS）：）： 32 32位标志寄存器位标志寄存器 （EFLAGSEFLAGS）中包含三种标志：）中包含三种标志：状态标状态标志志（S S）、）、控制标志控制标志（C C）和）和系统标志系统标志（X X）。）。状态标志（状态标志（S S）：）：反映指令执行过程及结果的状态。反映指令执行过程及结果的状态。控制标志（控制标志（C C）：）：它仅含一个标志它仅含一个标志DFDF，用于控制串操作指令，用于控制串操作指令的地址改变方向。的地址改变

20、方向。系统标志（系统标志（X X）：）：它用于控制它用于控制I/OI/O、屏蔽中断、调试、任务转、屏蔽中断、调试、任务转换和控制保护方式与虚拟换和控制保护方式与虚拟80868086方式间的方式间的转换。转换。1 1）基本寄存器）基本寄存器 段寄存器段寄存器： 8048680486有有6 6个段寄存器个段寄存器（CSCS、SSSS、DSDS、ESES、FSFS、GSGS），用于，用于决定程序使用存储器区域块。其中决定程序使用存储器区域块。其中CSCS指明指明当前的代码段当前的代码段；SSSS指指明明当前的堆栈段当前的堆栈段；DSDS、ESES、FSFS和和GSGS指明当前的指明当前的4 4个个数

21、据段数据段。 在保护方式下，在保护方式下，8048680486段的长度可以在段的长度可以在1M1M字节到字节到4G4G字节字节之之间变化；而在实地址方式下，段的长度最大为间变化；而在实地址方式下，段的长度最大为64KB64KB。基本寄存器示意图基本寄存器示意图 2)2)系统级寄存器系统级寄存器 系统级寄存器包括系统级寄存器包括4 4个控制寄存器个控制寄存器和和4 4个系统地址寄存器个系统地址寄存器。这些寄存器只能由在这些寄存器只能由在特权级特权级0 0上运行的程序访问。上运行的程序访问。 4 4个控制寄存器的个控制寄存器的作用是存放全局特性的机器状态作用是存放全局特性的机器状态，控，控制片内制

22、片内CacheCache、FPUFPU和分段、分页单元的工作。各个控制寄和分段、分页单元的工作。各个控制寄存器都是存器都是3232位。位。 控制寄存器控制寄存器 系统地址寄存器系统地址寄存器 系统地址寄存器只在系统地址寄存器只在保护方式保护方式下使用，所以又叫保护方式寄存器。下使用，所以又叫保护方式寄存器。8048680486用用4 4个寄存器把在保护方式下常用的数据基地址、界限和其他属性保个寄存器把在保护方式下常用的数据基地址、界限和其他属性保存起来，以确保其快速性。存起来，以确保其快速性。 全局描述符表寄存器全局描述符表寄存器（GDTR48GDTR48位）位）和和局部描述符表寄存器局部描述

23、符表寄存器（LDTR80LDTR80位）位）分别用来存放分别用来存放GDTGDT和和LDTLDT的的3232位线性基地址等内容。位线性基地址等内容。中断描述符表寄存器中断描述符表寄存器（IDTRIDTR）用来存放中断描述符表的基址和界限。用来存放中断描述符表的基址和界限。任务寄存器任务寄存器TRTR用来存放任务状态段（用来存放任务状态段（TTSTTS）的基址、界限和其它属性。）的基址、界限和其它属性。 调试和测试寄存器调试和测试寄存器 80486 80486提供了提供了8 8个个3232位的可编程寄存器来支持调试功能位的可编程寄存器来支持调试功能。它还定义了。它还定义了5 5个测试寄存器个测试

24、寄存器，测试寄存器实际上并不是，测试寄存器实际上并不是8048680486体系结构的标准部分，只体系结构的标准部分，只是为了增强系统的可测性而引入的附加硬件。是为了增强系统的可测性而引入的附加硬件。 浮点寄存器浮点寄存器 1313个浮点寄存器个浮点寄存器，8 8个个8080位浮点数据寄存器位浮点数据寄存器用作固定寄存器组或硬件用作固定寄存器组或硬件堆栈，堆栈， 1 1个个1616位标记字寄存器位标记字寄存器用来标记每个数据寄存器的内容，用来标记每个数据寄存器的内容，1 1个个1616位控制寄存器位控制寄存器用于提供用于提供FPUFPU的若干处理选择项，的若干处理选择项，1 1个个1616位状态寄存器位状态寄存器用于反映用于反映FPUFPU的总状态，的总状态，2 2个个4848位的指令、数据指针寄存器位的指令、数据指针寄存器的作用是为的作用是为用户编写错误处理程序提供指令、数据指针。用户编写错误处理程序提供指令、数据指针。 8048680486的的FPUFPU中包含有：中包含有： 三、三、8