微型计算机原理第14章32位高档微型计算机

1、14.1 14.1 Intel 80 x86Intel 80 x86微处理器微处理器 14.2 14.2 Intel PentiumIntel Pentium微处理器微处理器 14.3 14.3 IA-64IA-64体系架构体系架构14.14.4 4 高档微机存储器的扩展技术高档微机存储器的扩展技术 第第14 14章章 高档微型计算机高档微型计算机 14.1 14.1 Intel 80 x86Intel 80 x86微处理器微处理器 Intel 8086802868038680486PentiumItan.叠叠 加加 功功 能能第第14 14章章 高档微型计算机高档微型计算机 14.1.1 从

2、从8086到到Pentium处理器处理器第14章 高档微型计算机 14.1.2 80186微处理器微处理器 Intel公司1982年推出； 16位微处理器； 68条引脚 ； 将将8086所组成所组成的微机系统中最的微机系统中最通用的通用的1520个个器件集成在一个器件集成在一个芯片上。芯片上。 除了除了EU、BIU外，外，还集成了还集成了时钟发生时钟发生器器、地址锁存器地址锁存器、数据总线收发器数据总线收发器、等待电路等待电路、刷新电刷新电路路等。等。1. 总线时序：总线时序： 与与8086一样，标准的一样，标准的80186总线周期也是由总线周期也是由4个时钟周期个时钟周期组成。典型总线操作有

3、存储器（组成。典型总线操作有存储器（I/O）读，存储器读，存储器(I/O)写，写，中断应答周期等。中断应答周期等。2. 2. 指令系统指令系统: : 在在8086基础上增加的指令有：基础上增加的指令有： PUSHA 把所有的寄存器内容按一定顺序压入堆栈把所有的寄存器内容按一定顺序压入堆栈 POPA 把所有的寄存器内容按一定顺序弹出堆栈把所有的寄存器内容按一定顺序弹出堆栈 INTS 从从I/O端口输入字或字节性数据（可以是字符串）端口输入字或字节性数据（可以是字符串） OUTS 向向I/O端口输出字或字节性数据（可以是字符串）端口输出字或字节性数据（可以是字符串） ENTER 过程入口格式化堆栈

4、过程入口格式化堆栈 LEAVE 过程出口恢复堆栈过程出口恢复堆栈 BOUND 检测数组下标是否越界检测数组下标是否越界 第14章 高档微型计算机 3. 中断系统：中断系统： 80186的中断可以分为四种类型：的中断可以分为四种类型：外部非屏蔽中断外部非屏蔽中断外部可屏蔽中断外部可屏蔽中断软件指令中断软件指令中断指令异常指令异常及内部中断。及内部中断。与与8086一样，一样，80186的中断系统也可管理的中断系统也可管理256个中断源。个中断源。 第14章 高档微型计算机 4. 80188微处理器：微处理器： 80188是是Intel公司推出的与公司推出的与8088兼容的高性能准兼容的高性能准1

5、6位微处理器，它与位微处理器，它与80186的主要差别同的主要差别同8086与与8088的差别基本相同。的差别基本相同。 80186和和80188都支持都支持8087协处理器。协处理器。 14.1.3 8028614.1.3 80286微处理器微处理器 1982年推出；高性能或增强型年推出；高性能或增强型16位微处理器；位微处理器；68引脚引脚 。内部结构：内部结构：四大部件构成四大部件构成 总线接口部件BIU指令部件IU执行部件EU地址部件AU第14章 高档微型计算机 80286具有支持多任务操作系统的任务切换、存储器具有支持多任务操作系统的任务切换、存储器管理、特权保护等功能。管理、特权保

6、护等功能。 80286采用独立的地址、数据总线。采用独立的地址、数据总线。存储器直接寻址空间达存储器直接寻址空间达16MB；虚拟寻址空间可达每；虚拟寻址空间可达每个任务个任务1GB。 实地址方式80286有两种工作方式：有两种工作方式： 保护虚拟地址方式 第14章 高档微型计算机 1. 特特 点：点： 8028680286增加了增加了系统控制和访问权操作系统控制和访问权操作的指令功能的指令功能 80286在在80186基础上基础上增加的增加的16条指令为：条指令为：CLTS CLTS 清除清除8028680286机器状态字寄存器的任务转换位。机器状态字寄存器的任务转换位。LGDT LGDT 把

7、全局描述符表的基地址和边界装入全局描述符把全局描述符表的基地址和边界装入全局描述符 表寄存器。表寄存器。SGDT SGDT 把全局描述符表寄存器的内容存到寄存器中。把全局描述符表寄存器的内容存到寄存器中。LIDT LIDT 把中断描述符表的基地址和边界装入中断描述符把中断描述符表的基地址和边界装入中断描述符 表寄存器表寄存器SIDT SIDT 把中断描述符表寄存器的内容存到寄存器中。把中断描述符表寄存器的内容存到寄存器中。LLDT LLDT 把局部描述符表的基地址和边界以及它在全局把局部描述符表的基地址和边界以及它在全局 描述符的索引号装入局部描述符表寄存器。描述符的索引号装入局部描述符表寄存

8、器。 第14章 高档微型计算机 2. 指令系统的功能扩展指令系统的功能扩展SLDT SLDT 把局部描述符表寄存器中选择器的内容存回把局部描述符表寄存器中选择器的内容存回1616位寄存器位寄存器 或字或字 存储单元中。存储单元中。LTR LTR 把全局描述符表中任务状态段描述符装入任务寄存器。把全局描述符表中任务状态段描述符装入任务寄存器。STR STR 把任务状态寄存器选择器字段的内容存回把任务状态寄存器选择器字段的内容存回1616位寄存器位寄存器 或字存储器操作数中。或字存储器操作数中。LMSW LMSW 把把1616位寄存器或位寄存器或2 2字节的存储器内容装入机器状态字寄存器。字节的存

9、储器内容装入机器状态字寄存器。SMSW SMSW 把机器状态字寄存器内容存回把机器状态字寄存器内容存回1616位寄存器或存储器中。位寄存器或存储器中。LAR LAR 加载访问权指令加载访问权指令LSL LSL 加载段边界指令加载段边界指令ARPL ARPL 调整要求的特权级调整要求的特权级VERR VERR 读检验指令读检验指令VERWVERW 写检验指令写检验指令第14章 高档微型计算机 8028680286有实地址和保护虚地址两种工作方式，二者可以通过将机器有实地址和保护虚地址两种工作方式，二者可以通过将机器状态字寄存器中的状态字寄存器中的PEPE位清零和置位清零和置“1 1”来互相切换。

10、来互相切换。 实地址方式实地址方式(PE=0) (PE=0) ：模拟一个高速的：模拟一个高速的8086微处理器的运行。但二者微处理器的运行。但二者的内部结构不同，故在中断处理、运行状态等方面存在差别。在实地的内部结构不同，故在中断处理、运行状态等方面存在差别。在实地址下把机器状态字寄存器中的址下把机器状态字寄存器中的PE位置位置“1”就切换到保护方式。就切换到保护方式。 保护虚地址方式保护虚地址方式(PE=1) (PE=1) ：它是充分发挥：它是充分发挥80286效能的工作方式。其效能的工作方式。其寻址空间物理地址的形成方式和中断资源的使用等与实地址方式有所寻址空间物理地址的形成方式和中断资源

11、的使用等与实地址方式有所不同。在保护方式下，把机器状态字寄存器中的不同。在保护方式下，把机器状态字寄存器中的PEPE位清零就切换到实位清零就切换到实地址方式。地址方式。 第14章 高档微型计算机 3. 工作方式的转换工作方式的转换4. 4. 物理地址的形成物理地址的形成 第14章 高档微型计算机 5. 5. 中断系统中断系统80286在实方式下有在实方式下有5种中断源：种中断源： 外部非屏蔽中断外部非屏蔽中断 外部可屏蔽中断外部可屏蔽中断 协处理器异常中断协处理器异常中断 内部中断内部中断 指令中断指令中断 80286在保护方式下的中断类型与实方式下相同，只是在中断在保护方式下的中断类型与实方

12、式下相同，只是在中断向量表、中断结构、中断处理方式上与实地址方式有较大差别。向量表、中断结构、中断处理方式上与实地址方式有较大差别。8086/8088中包含在NMI中断里第14章 高档微型计算机 支持多任务操作支持多任务操作 任务：就是一个程序所具有的完全独立的执行环境的基任务：就是一个程序所具有的完全独立的执行环境的基本功能块。它可以是一个程序，也可以是一个程序的一本功能块。它可以是一个程序，也可以是一个程序的一部分。部分。 80286 80286在保护方式下从处理开始到处理结束有多个任在保护方式下从处理开始到处理结束有多个任务多次进入和退出处理。务多次进入和退出处理。 实方式下的单任务操作

13、就是从处理开始到处理结束实方式下的单任务操作就是从处理开始到处理结束只有一个任务独占处理器的全部资源。只有一个任务独占处理器的全部资源。 第14章 高档微型计算机 6. 任务管理任务管理80286的总线操作有六种类型：的总线操作有六种类型：存储器读存储器读I/O读读存储器写存储器写I/O写写中断应答中断应答暂停暂停/停机停机数据传输的最大速率为数据传输的最大速率为2个时钟周期传送一个字。个时钟周期传送一个字。 第14章 高档微型计算机 7. 总线操作类型总线操作类型14.1.4 8038614.1.4 80386微处理器微处理器 1985年推出年推出 32位微处理器位微处理器 132条引脚条引

14、脚 它由它由中央处理器部件中央处理器部件，存贮管理部件存贮管理部件和和总线接口部件总线接口部件组成：组成： 总线接口部件总线接口部件 指令预取部件指令预取部件 指令译码部件指令译码部件 中央处理器部件中央处理器部件 指令执行部件指令执行部件 分段部件分段部件 分页部件分页部件 存贮管理部件存贮管理部件第14章 高档微型计算机 图图14.2 Intel 80386的基本体系结构的基本体系结构 各功能部件的逻辑关系如下图所示各功能部件的逻辑关系如下图所示: EU(寄存器、寄存器、运 算 器 和 控运 算 器 和 控制逻辑制逻辑) BIUIPU(控制控制逻 辑 和 预逻 辑 和 预取队列取队列) I

15、DU 指令译码、指令译码、6字节指令队列字节指令队列预取请求预取请求指令代码指令代码SU段寄存器段寄存器段转换器段转换器 TLB页转换器页转换器PU第14章 高档微型计算机 1. 中央处理部件（中央处理部件（CPU） CPU由指令部件和执行部件构成。由指令部件和执行部件构成。指令部件：指令部件：包括指令预取器和指令译码器。包括指令预取器和指令译码器。 指令预取器负责预取指令，在总线空闲周期，把下面指令预取器负责预取指令，在总线空闲周期，把下面4个字个字节的指令读入节的指令读入16字节的指令预取队列，由指令译码器对操作码字节的指令预取队列，由指令译码器对操作码进行译码，并将其存入译码指令队列供执

16、行部件使用。进行译码，并将其存入译码指令队列供执行部件使用。 执行部件：执行部件：n执行部件包括执行部件包括8个用于地址计算和数据操作的个用于地址计算和数据操作的32位通用寄存器和位通用寄存器和一个以加速移位、循环移位、乘法和除法操作的一个以加速移位、循环移位、乘法和除法操作的64位桶形移位位桶形移位器。器。n乘乘/除法器能在每个时钟周期内完成一位的乘除法器能在每个时钟周期内完成一位的乘/除法操作，最快除法操作，最快在在40个时钟周期内进行个时钟周期内进行32位的乘法或除法。位的乘法或除法。第14章 高档微型计算机 2. 存贮管理部件存贮管理部件: :包括分段部件、分页部件、保护测试部件。包括

17、分段部件、分页部件、保护测试部件。 分段部件根据执行部件的请求，计算有效地址，完成逻辑地址到分段部件根据执行部件的请求，计算有效地址，完成逻辑地址到线性地址的转换；保护测试部件完成总线周期分段的合法性检查，并线性地址的转换；保护测试部件完成总线周期分段的合法性检查，并将转换的线性地址随同总线周期事务处理信息发送到分页部件；分页将转换的线性地址随同总线周期事务处理信息发送到分页部件；分页部件负责请求总线接口部件的总线服务。部件负责请求总线接口部件的总线服务。80386的存储器由一个或多个可变长度的存储器由一个或多个可变长度的段组成，最大的段可为的段组成，最大的段可为4G字节。字节。 分段部件通过

18、提供一个额外的寻址器件对逻辑地址空间进行管理，分段部件通过提供一个额外的寻址器件对逻辑地址空间进行管理，既可以实现任务之间的隔离，也可以实现指令和数据的再定位。既可以实现任务之间的隔离，也可以实现指令和数据的再定位。 分页部件将分段部件或指令预取部件产生的线性地址转换成物理分页部件将分段部件或指令预取部件产生的线性地址转换成物理地址。每一页为地址。每一页为4K字节，每一段可以是一页，也可以是若干页。字节，每一段可以是一页，也可以是若干页。 80386上的每一个任务最多可以有上的每一个任务最多可以有16384个段，每个段最大可达个段，每个段最大可达4G字节，因此，可以为每个任务提供字节，因此，可

19、以为每个任务提供64T字节的虚拟存储器。字节的虚拟存储器。第14章 高档微型计算机 3. 总线接口部件总线接口部件 功能是：功能是：在接收指令读取、数据传送、分段部件和分页部件的在接收指令读取、数据传送、分段部件和分页部件的请求时优化编排这些请求级，以满足中央处理器进行请求时优化编排这些请求级，以满足中央处理器进行外部总线传送的要求和最大限度的利用总线的带宽。外部总线传送的要求和最大限度的利用总线的带宽。产生和处理执行当前总线周期的各种信号。产生和处理执行当前总线周期的各种信号。 第14章 高档微型计算机 4. 寄存器组寄存器组 Intel 80386 芯片内集成了7类寄存器，共32个。通用寄

20、存器指令指针标志寄存器段寄存器系统地址寄存器调试寄存器测试寄存器控制寄存器第14章 高档微型计算机 通用寄存器 8个32位的通用寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP、ESP 图图14.3 80386的通用寄存器的通用寄存器 第14章 高档微型计算机 指令指针指令指针 指令指针指令指针EIP是一个是一个32位的寄存器位的寄存器,用于保存下一条待预取的指用于保存下一条待预取的指令的偏移量。其低令的偏移量。其低16位即为位即为8086中的中的IP。标志寄存器标志寄存器 标志寄存器标志寄存器EFLAGS，也是一个也是一个32位的寄存器位的寄存器，如图，如图14.4示。示。 标

21、志可分为以下三类：标志可分为以下三类： 状态标志：反映执行一条指令后的状态与结果。它们是：状态标志：反映执行一条指令后的状态与结果。它们是：OF、SF、ZF、AF、PF、CF，共共6个。个。 控制标志：用于控制处理器的工作方式。如控制标志：用于控制处理器的工作方式。如DF。系统标志：用于设置系统的工作方式等。系统标志：用于设置系统的工作方式等。IF、TF、IOPL、NT、VM、RF。其中其中VM 和和RF是为是为80386扩充的标志。扩充的标志。 第14章 高档微型计算机 图图14.4 80386的标志寄存器的标志寄存器（2424位）位） 第14章 高档微型计算机 段寄存器段寄存器 80386

22、有有6个个16位的段寄存器，它们用来保存识别当前位的段寄存器，它们用来保存识别当前可寻址段的段选择符。其中可寻址段的段选择符。其中CS指定代码段，指定代码段，SS指定堆栈指定堆栈段，段，DS、ES、FS和和GS指定现行数据段。指定现行数据段。系统地址寄存器系统地址寄存器 80368有有4个专用寄存器用来访问个专用寄存器用来访问80268/80368保护方保护方式所支持的表和段。这式所支持的表和段。这4个寄存器分别为个寄存器分别为:32位的位的GDTR和和IDTR，16位的位的DTR和和TR。他们访问的表和段是他们访问的表和段是GDT(全局全局描述符表描述符表)、IDT(中断描述符表中断描述符表

23、)、LDT(局部描述符表局部描述符表)、TSS(任务状态段任务状态段)。 第14章 高档微型计算机 调试寄存器调试寄存器 80386有有6个个32位的调试寄存器位的调试寄存器DR0、DR1、DR2、DR3、DR6和和DR7，DR4、DR5为为Intel公司留用公司留用如如图图14.5所示。所示。第14章 高档微型计算机 图图14.5 80386的调试寄存器的调试寄存器 第14章 高档微型计算机 测试寄存器测试寄存器 80368有有2个个32位的测试寄存器位的测试寄存器TR6和和TR7，用于控制对转换后援缓用于控制对转换后援缓冲器中的内容可寻地址存贮器的测试。冲器中的内容可寻地址存贮器的测试。

24、控制寄存器控制寄存器 80386有有4个个32位的控制寄存器，被命名为：位的控制寄存器，被命名为： CR0、CR1、CR2和和CR3。 5. 80386 的工作模式的工作模式 80386有三种工作模式：实模式、保护模式和虚拟有三种工作模式：实模式、保护模式和虚拟8086模式。模式。 实模式实模式 工作在这种模式下的工作在这种模式下的80386几乎与几乎与8086一样，只不过速度一样，只不过速度更快了一些，并多了几条指令及几个寄存器。更快了一些，并多了几条指令及几个寄存器。80386的实模式的实模式可以访问可以访问32位通用寄存器和采用带有位通用寄存器和采用带有32位超越指令前缀的寻位超越指令前

25、缀的寻址模式。址模式。 第14章 高档微型计算机 实模式下的地址计算实模式下的地址计算 实模式下地址计算与实模式下地址计算与8086相同，在相同，在8086中，段寄存器内容乘以中，段寄存器内容乘以16（左移（左移4个二进制位）再加上有效地址（有效地址是高个二进制位）再加上有效地址（有效地址是高4位为位为0，低，低16位为偏移地址构成的位为偏移地址构成的20位地址），就得到一个位地址），就得到一个20位线性地址。位线性地址。 进入、脱离和返回实模式进入、脱离和返回实模式 如果对如果对CPU进行复位，则进入实模式下工作。此外，一个系统进行复位，则进入实模式下工作。此外，一个系统要进入保护模式，开始

26、时程序也要暂时进入实模式。系统复位就可要进入保护模式，开始时程序也要暂时进入实模式。系统复位就可以进入实模式，然后再用一条以进入实模式，然后再用一条MOV至至CR0的指令将的指令将PE位置位，即切位置位，即切换到保护模式，从而离开实模式。从保护模式返回实模式仍可以用换到保护模式，从而离开实模式。从保护模式返回实模式仍可以用MOVMOV至至CR0CR0指令将指令将CR0CR0寄存器中的寄存器中的PEPE位复位来实现。但必须用合法的实位复位来实现。但必须用合法的实模式数值。模式数值。 第14章 高档微型计算机 保护模式保护模式 在保护模式下，在保护模式下，80386可以访问可以访问232=4GB的

27、物理存储器空间的物理存储器空间，段的长度是段的长度是232=4GB，页功能是可以选择的。在这种模式下，页功能是可以选择的。在这种模式下，可以引入虚拟存储器的概念可以引入虚拟存储器的概念，以扩充软件所占用的存储器，以扩充软件所占用的存储器空间，允许程序大到空间，允许程序大到64T（246B）。）。 保护模式是从实模式转变过来的，执行指令：保护模式是从实模式转变过来的，执行指令：MOV CR0MOV CR0，（，（regreg或或menmen） 使使CR0CR0中的保护允许位中的保护允许位PEPE置置1 1，即进入保护模式。，即进入保护模式。 第14章 高档微型计算机 保护模式地址计算保护模式地址

28、计算 保护模式下，地址由两部分组成，一部分是段基地址，另一部保护模式下，地址由两部分组成，一部分是段基地址，另一部分是分是3232位偏移量，两者相加得到位偏移量，两者相加得到3232位线性地址。位线性地址。 保护模式下，段寄存器中的值是一个选择子，由它去访问一个保护模式下，段寄存器中的值是一个选择子，由它去访问一个段描述符，从段描述符中获得段基地址，在寻址过程中，描述符作段描述符，从段描述符中获得段基地址，在寻址过程中，描述符作为媒介物，提供段基地址、段界限（大小）及属性。其寻址过程为媒介物，提供段基地址、段界限（大小）及属性。其寻址过程如如图图14.614.6。 计算出的线性地址，在没有分页

29、机构的情况下可以直接用作物计算出的线性地址，在没有分页机构的情况下可以直接用作物理地址，如图理地址，如图14.714.7所示；在有分页机构的情况下，需要通过分页机所示；在有分页机构的情况下，需要通过分页机构映射形成物理地址，构映射形成物理地址，如图如图14.714.7所示。所示。 第14章 高档微型计算机 图图14.6 简化的保护方式下的寻址过程简化的保护方式下的寻址过程 第14章 高档微型计算机 图图14.7 带分页的简化的保护方式下的寻址过程带分页的简化的保护方式下的寻址过程 第14章 高档微型计算机 在在80386中使用的所有段均由描述符表描述。描述符表共有三种中使用的所有段均由描述符表

30、描述。描述符表共有三种: : 全局描述符表（一张）全局描述符表（一张） 局部描述符表（多张）局部描述符表（多张） 中断描述符表（一张）中断描述符表（一张） 每个表最多可以保存每个表最多可以保存8192个个8字节的描述符。为了选择这些描述符，字节的描述符。为了选择这些描述符，段寄存器的内容（选择器）的高段寄存器的内容（选择器）的高13位作为进入描述符表的索引。位作为进入描述符表的索引。 每一个描述符表都有一个与之对应的寄存器分别是每一个描述符表都有一个与之对应的寄存器分别是: : 全局描述符表寄存器（全局描述符表寄存器（GDTR） 局部描述符表寄存器（局部描述符表寄存器（LDTR） 中断描述符表

31、寄存器（中断描述符表寄存器（IDTR） 第14章 高档微型计算机 全局描述符表（全局描述符表（GDT）含有可供系统所有任务使用的描述符。含有可供系统所有任务使用的描述符。GDT可可以容纳除中断服务用的描述符即中断和自陷描述符之外的任一类型的以容纳除中断服务用的描述符即中断和自陷描述符之外的任一类型的描述符。描述符。 局部描述符（局部描述符（LDT）含有与一个给定的任务有关的描述符。通常在设含有与一个给定的任务有关的描述符。通常在设计操作系统时使每项任务有一个独立的计操作系统时使每项任务有一个独立的LDT。LDT可能只含有代码、可能只含有代码、数据、堆栈、任务门和调用门描述符。数据、堆栈、任务门

32、和调用门描述符。LDT是一种将给定任务的代码是一种将给定任务的代码段和数据段同操作系统其余部分隔离开来的机构。段和数据段同操作系统其余部分隔离开来的机构。 中断描述符表中断描述符表( (IDT)中包含有最多中包含有最多256个描述符。每个描述符为个描述符。每个描述符为8个字节，个字节，包含相应的中断处理程序的入口地址和特性。包含相应的中断处理程序的入口地址和特性。IDT中可能只含有任务门、中可能只含有任务门、中断门和陷阱门。中断门和陷阱门。第14章 高档微型计算机 分段存储器管理分段存储器管理 在保护模式下，指针不能直接给出物理地址，而要通过分段部件的转换在保护模式下，指针不能直接给出物理地址

33、，而要通过分段部件的转换才能产生物理地址。这种转换过程使用了以存储器为基础的所谓段描述才能产生物理地址。这种转换过程使用了以存储器为基础的所谓段描述符表。符表。 段描述符表内含有一些描述符，每个描述符由段描述符表内含有一些描述符，每个描述符由8个字节组成，其中包括个字节组成，其中包括段的线性基地址和该段的界限（大小）以及段的一些属性。这些属性是：段的线性基地址和该段的界限（大小）以及段的一些属性。这些属性是：段的类型（代码段、数据段、堆栈段或者某些专用段）、段的特权级、段的类型（代码段、数据段、堆栈段或者某些专用段）、段的特权级、段的单位长度、操作数的默认长度（段的单位长度、操作数的默认长度（

34、16位或位或32位）。位）。段选择符指向的目标叫做段描述符。段描述符含有线性地址空间中某一段选择符指向的目标叫做段描述符。段描述符含有线性地址空间中某一给定区域。（即一个段）有关属性的给定区域。（即一个段）有关属性的8个信息。个信息。 虚拟虚拟8086模式模式: 虚拟虚拟8086模式是模式是80386新增加的，目的是使按新增加的，目的是使按8086编写的软件能编写的软件能在在80386的任务环境下运行的任务环境下运行。 第14章 高档微型计算机 6. 80386的引脚功能说明的引脚功能说明 第14章 高档微型计算机 第14章 高档微型计算机 80386微型计算机系统板简介微型计算机系统板简介

35、80386系统板上主要部件：系统板上主要部件： （1） 80386主主CPU （2） 80387和和80287协处理器插座及其接口电路协处理器插座及其接口电路 （3） 高速缓存高速缓存Cache及其控制电路及其控制电路 （4） 主存储器主存储器DRAM及其译码控制电路及其译码控制电路 （5） ROM及其译码和控制电路及其译码和控制电路 （6） 总线控制及缓冲器电路总线控制及缓冲器电路 （7） 时钟发生器电路时钟发生器电路 （8） 外设控制器电路（包括中断控制器、外设控制器电路（包括中断控制器、DMA控制器、控制器、定时器定时器/计数器等）计数器等） （9） AT总线控制器电路总线控制器电路 （

36、10） 实时时钟实时时钟CMOS RAM及键盘接口电路等及键盘接口电路等第14章 高档微型计算机 7. 80386 微机主板系统结构及支持总线微机主板系统结构及支持总线14.1.5 8048614.1.5 80486微处理器微处理器 1989年推出年推出的的32位高性能微处理器位高性能微处理器 片内包括：片内包括： 总线接口部件总线接口部件 指令部件指令部件存储管理部件（存储管理部件（MMU）浮点处理部件（浮点处理部件（FPU）8K字节的超高速缓存部件字节的超高速缓存部件。使用使用RISC设计技术设计技术，提高了指令的执行速度。，提高了指令的执行速度。 具有代码级的向上兼容性。具有代码级的向上

37、兼容性。 80486的性能比的性能比80386提高了提高了34倍。倍。 第14章 高档微型计算机 指令预取指令预取指令译码指令译码指令执行指令执行分段部件分段部件分页部件分页部件1. 内部结构与外部引脚内部结构与外部引脚 图图14.10 80486内部结构图内部结构图 P C H AD P 0D P 1D P 2D P 3B S 1 6B S EB L A S TB R D YB R E OB O F FH O D AH O L DP L O C AL O C AW / RD / CM / I OB E 0B E 1B E 2B E 3A 2 0 MI G N N EF R E EP C OP

38、 W TF L U S HK E NE A D SA H O L DN M IR E S E TI N T RR D YA D S 超 高 速缓 存 控 制 8 0 4 8 6微 处 理 器3 2 位 地址 总 线3 2 位数 据D 0 - D 3 1时 钟数 据 总 线总 线 控 制中 断 信 号超 高 速 缓存 使 无 效页 面 超 高 速缓 存 控 制数 据 出错 报 告 第 2 0 位地 址 屏 蔽奇 偶 校 验总 线 宽度 控 制突 发 控 制总 线 仲 裁总 线 周期 定 义字 节允 许A 2 - A 3 1图图14.11 80486引脚功能图引脚功能图 增加了增强的总线仲裁功能增

39、加了增强的总线仲裁功能片上超高速缓存填充用的突发总线机构片上超高速缓存填充用的突发总线机构行使无效机构行使无效机构奇偶校验的支持奇偶校验的支持80486与80386相比增加了:数据奇偶监视数据奇偶监视总线突发控制总线突发控制片上超高速缓存控制地址屏蔽片上超高速缓存控制地址屏蔽用于多处理器系统的信号用于多处理器系统的信号第14章 高档微型计算机 80486的指令可分为的指令可分为11类：类：数据传送数据传送算术运算算术运算移位移位/循循环环串处理串处理位处理位处理控制转移控制转移高级语言支持操作系统支持处理器控制浮点运算 浮点控制 2. 2. 指令系统指令系统 n80486的指令系统包括完整的的

40、指令系统包括完整的80386的指令系统和的指令系统和80486扩充指令。扩充指令。n采用采用RISC设计，减少了每条指令的平均占用时钟周期数。设计，减少了每条指令的平均占用时钟周期数。n对于使用频度较高的基本指令由原来的微码控制改为硬件逻辑直接控制。对于使用频度较高的基本指令由原来的微码控制改为硬件逻辑直接控制。 第14章 高档微型计算机 80486所支持的数据类型十分丰富：所支持的数据类型十分丰富： 不带符号的二进制数不带符号的二进制数 带符号的二进制数，可以是带符号的二进制数，可以是8位、位、16位、位、32位或位或64位；位； 浮点数据类型，可以是浮点数据类型，可以是32位位,单单精度实

41、数，精度实数，64位双精度位双精度实数和实数和80位临时精度实数；位临时精度实数； BCD数据类型，可以是压缩和非压缩型的数据类型，可以是压缩和非压缩型的BCD数数串数据类型，可以是位、字节、字或双字序列串数据类型，可以是位、字节、字或双字序列 ASCII数据类型；指针数据类型；可以是数据类型；指针数据类型；可以是32位或位或48位。位。 第14章 高档微型计算机 3. 3. 中断和异常中断和异常 80486同样能够定义同样能够定义256个中断向量或异常处理程序，个中断向量或异常处理程序，其中断处理与其中断处理与80386类似。类似。另外浮点处理部件使用的中断另外浮点处理部件使用的中断类型为类

42、型为7、13、16。 4. 4. 操作方式操作方式 实地址方式实地址方式保护方式保护方式保护方式下的虚拟保护方式下的虚拟8086方式方式 第14章 高档微型计算机 直接继承了直接继承了80386的操作方式的操作方式14.2 14.2 Intel PentiumIntel Pentium微处理器微处理器 1993年推出的高性能年推出的高性能32位结构微处理器位结构微处理器 采用采用RISC技术技术 集成度为集成度为310万只晶体管万只晶体管( (基本型基本型) ) 引进了诸如数据完整性在内的大型计算机的特性引进了诸如数据完整性在内的大型计算机的特性 扩充了多重处理器的应用能力扩充了多重处理器的应

43、用能力 与与86系列中原来的其他型号保持软件完全兼容。系列中原来的其他型号保持软件完全兼容。 第14章 高档微型计算机 在以下几方面对在以下几方面对80486做了重大改进：做了重大改进：采用超级标量体系结构浮点部件采用超级流水线技术增加了动态转移预测加大了片上超高速缓存的容量较强的错误检测和报告功能采用了更多的测试挂钩片上超高速缓存改用回写策略第14章 高档微型计算机 （1）Pentium采用的先进技术采用的先进技术 CISC技术和技术和RISC技术技术 CISC技术复杂指令系统计算机技术（Complex instruction set computer，CISC）RISC技术精简指令系统计算

44、机技术（Reduced instruction set computer，RISC）它们是基于不同理论和构思的两种CPU设计技术。第14章 高档微型计算机 1. Pentium 采用的先进技术及其技术特点采用的先进技术及其技术特点 1995年至年至2001年期间，年期间，Intel又相继推出了：又相继推出了： Pentium Pro Pentium MMX Pentium Pentium Pentium 第14章 高档微型计算机 采用采用RISCRISC技术的技术的CPUCPU特点：特点：指令系统只含简单而常用的指令，指令长度短，并且每条指令的长度指令系统只含简单而常用的指令，指令长度短，并且

45、每条指令的长度相同；相同；采用流水线机制来执行指令，流水线机制是一种指令级并行处理方式，采用流水线机制来执行指令，流水线机制是一种指令级并行处理方式，在同样的时间段可以比非流水线机制下执行更多的指令。在同样的时间段可以比非流水线机制下执行更多的指令。大多数指令利用内部寄存器来执行，所以，只需要一个时钟周期。提大多数指令利用内部寄存器来执行，所以，只需要一个时钟周期。提高了指令的执行速度，减少了对内存的访问，使内存的管理简化。高了指令的执行速度，减少了对内存的访问，使内存的管理简化。 PentiumPentium的大多数指令是简化指令，但仍然保留了一部分复杂指令，的大多数指令是简化指令，但仍然保

46、留了一部分复杂指令，而对这部分指令采用硬件来实现。所以，而对这部分指令采用硬件来实现。所以，PentiumPentium吸取了两者之长。吸取了两者之长。 采用采用CISC技术的技术的CPU特点：特点：n指令系统中包含很多指令，既有常用指令，又有用得较少的复杂指令，指令系统中包含很多指令，既有常用指令，又有用得较少的复杂指令，复杂指令实现较复杂的功能，但指令码长，这使微处理器的译码部件复杂指令实现较复杂的功能，但指令码长，这使微处理器的译码部件负担加重，速度减慢；负担加重，速度减慢；n访问内存是使用多种寻址方式；访问内存是使用多种寻址方式；n多采用微程序机制，在多采用微程序机制，在ROMROM中

47、存放了众多的微程序。中存放了众多的微程序。 第14章 高档微型计算机 超标量流水线技术超标量流水线技术 所谓超标量，就是一个处理器中有多条流水线。所谓超标量，就是一个处理器中有多条流水线。在在PentiumPentium中，采用中，采用U U和和V V两条流水线两条流水线，每条流水线均含有独立的，每条流水线均含有独立的ALUALU地址生成电路和连接数据高速缓存地址生成电路和连接数据高速缓存CacheCache的接口，由此可通过各自的接口，由此可通过各自的接口对高速缓存存取数据，这称为高速缓存的接口对高速缓存存取数据，这称为高速缓存双端接口双端接口。双端接口。双端接口使使PentiumPenti

48、um具有更高的速度。具有更高的速度。超标量流水线机制使得超标量流水线机制使得PentiumPentium能够对应一个时钟周期执行两条整能够对应一个时钟周期执行两条整数运算指令，比相同频率的前一代数运算指令，比相同频率的前一代CPUCPU实际速度提高一倍。实际速度提高一倍。分支预测技术分支预测技术 n分支预测技术能预测转移是否发生，以确定以后执行哪一段程序。分支预测技术能预测转移是否发生，以确定以后执行哪一段程序。nPentiumPentium用分支目标缓冲器（用分支目标缓冲器（branch target branch target bufferbuffer，BTBBTB）执行预执行预测功能测功

49、能 。 第14章 高档微型计算机 （2）Pentium的技术特点的技术特点 除了采用除了采用CISC和和RISC相结合的技术、超标量流水线相结合的技术、超标量流水线技术和分支预测技术外，技术和分支预测技术外，Pentium还有以下特点：还有以下特点： 外部采用外部采用6464位总线，大大提高了数据的传输率位总线，大大提高了数据的传输率 设置了相互独立的片内指令高速缓存和数据高速缓存。设置了相互独立的片内指令高速缓存和数据高速缓存。 对对ADDADD、MULMUL、INCINC、DECDEC、PUSHPUSH、POPPOP、JMPJMP、CALLCALL和和LOADLOAD等常用指令采用硬件（组

50、合逻辑）来实现，使这些常用等常用指令采用硬件（组合逻辑）来实现，使这些常用指令的执行速度大大提高。指令的执行速度大大提高。 在实地址方式、保护方式和虚拟在实地址方式、保护方式和虚拟80868086方式基础上增加了方式基础上增加了系统管理方式（系统管理方式（system manage mode,SMMsystem manage mode,SMM） 第14章 高档微型计算机 2. Pentium的原理结构的原理结构 （1 1）PentiumPentium的主要部件的主要部件 PentiumPentium内部主要部件包括：内部主要部件包括：总线接口部件总线接口部件U U流水线和流水线和V V流水线流

51、水线指令高速缓存指令高速缓存数据高速缓存数据高速缓存指令预取部件指令预取部件指令译码部件指令译码部件浮点处理部件浮点处理部件FPUFPU分支目标缓冲器分支目标缓冲器BTBBTB控制控制ROMROM寄存器组。寄存器组。 第14章 高档微型计算机 （2 2）原理结构）原理结构 总线接口部件实现总线接口部件实现CPUCPU于系统总线的连接，包括于系统总线的连接，包括6464位数据线、位数据线、3232位位地址线和若干控制信号线，以此实现相互间的信号交流，并产生地址线和若干控制信号线，以此实现相互间的信号交流，并产生相应的总线周期信号。相应的总线周期信号。 两条流水线两条流水线U和和V。U流水线可执行

52、所有的整数运算指令，流水线可执行所有的整数运算指令，V流水线流水线只能执行简单的整数运算指令和数据交换指令。每条流水线有五只能执行简单的整数运算指令和数据交换指令。每条流水线有五级功能：取指、译码、生成地址、执行指令和回写。级功能：取指、译码、生成地址、执行指令和回写。 、指令高速缓存和数据高速缓存两者分开，从而减少了指令预、指令高速缓存和数据高速缓存两者分开，从而减少了指令预取和数据操作之间可能发生的冲突，并可提高命中率。取和数据操作之间可能发生的冲突，并可提高命中率。 第14章 高档微型计算机 指令预取部件：每次取两条指令，若为简单指令，且后一条指令不依指令预取部件：每次取两条指令，若为简

53、单指令，且后一条指令不依赖于前一条指令的执行结果，则指令预取部件便将两条指令分别送到赖于前一条指令的执行结果，则指令预取部件便将两条指令分别送到U流水线和流水线和V流水线独立执行。流水线独立执行。 指令译码器：负责对指令进行译码。指令译码器：负责对指令进行译码。增强型浮点处理部件（增强型浮点处理部件（FPU）：在：在FPU中，采用快速硬件来实现浮点中，采用快速硬件来实现浮点加、乘、除运算，使浮点运算速度大为提高。加、乘、除运算，使浮点运算速度大为提高。控制控制ROM：含有：含有Pentium的微代码，控制部件直接控制流水线。的微代码，控制部件直接控制流水线。分支目标缓冲器分支目标缓冲器BTB：

54、在遇到分支转移指令时用来预测是否发生转移。在遇到分支转移指令时用来预测是否发生转移。寄存器组：协助执行部件工作。寄存器组：协助执行部件工作。第14章 高档微型计算机 3. Pentium的寄存器的寄存器 PentiumPentium处理器配备的寄存器可分为如下几类：处理器配备的寄存器可分为如下几类：（1 1）基本寄存器组：）基本寄存器组：包含通用寄存器、指令指针寄存器、标志寄存器、包含通用寄存器、指令指针寄存器、标志寄存器、段寄存器。段寄存器。（2 2）系统级寄存器组：）系统级寄存器组：包含系统地址寄存器、包含系统地址寄存器、PentiumPentium控制控制寄存器。寄存器。（3 3）调试寄

55、存器组：）调试寄存器组：比如调试寄存器比如调试寄存器DRDR0 0DRDR3 3。 （4 4）浮点寄存器组）浮点寄存器组 第14章 高档微型计算机 1996年底推出年底推出 集成了集成了450万个晶体管万个晶体管 采用了采用了MMX（多媒体扩展指令系统多媒体扩展指令系统 ）技术技术 指令指令CacheCache和数据和数据CacheCache都由原来的都由原来的8 8KBKB扩展到扩展到1616KBKB。 仍仍属属P5架构架构 第14章 高档微型计算机 1 14.2.24.2.2Pentium MMXPentium MMX 1996年推出年推出 与后来推出的与后来推出的PentiumPenti

56、um 和和Pentium Pentium 同属于同属于P6P6架构架构 集成了集成了550万只晶体管万只晶体管 内部核心频率为内部核心频率为133MHz . 片内片内Cache规模大小为规模大小为16KB，其中指令其中指令Cache为为8KB，数数据据Cache为为8KB。 片内包括一个大小片内包括一个大小256KB的二级的二级Cache芯片芯片 也采用了也采用了RISC技术技术 是超级流水线型的，它的流水线深度比是超级流水线型的，它的流水线深度比Pentium基本型更深基本型更深 采用采用乱序执行操作方式来完成超级流水线的操作过程乱序执行操作方式来完成超级流水线的操作过程 。第14章 高档微

57、型计算机 12.2.312.2.3Pentium ProPentium Pro 12.2.4 12.2.4Pentium Pentium 1997年推出年推出 集成了集成了750万个晶体管万个晶体管 最高频率达最高频率达500500MHz MHz 不但支持多媒体指令集不但支持多媒体指令集MMXMMX，而且除了而且除了1616KBKB的一级指的一级指令高速缓存和令高速缓存和1616KBKB的数据高速缓存外，还含有的数据高速缓存外，还含有512512KBKB的内部二级高速缓存的内部二级高速缓存 用一块印刷电路板使用一块印刷电路板使CPUCPU和二级高速缓存装在一起，和二级高速缓存装在一起，再用外壳

58、封装再用外壳封装 增加了由多分支预测技术、数据统计分析技术和推测增加了由多分支预测技术、数据统计分析技术和推测执行技术相结合而实现的动态执行机制。执行技术相结合而实现的动态执行机制。 第14章 高档微型计算机 12.2.4 12.2.4Pentium Pentium 1999年年2月推出月推出 内部核心集成了内部核心集成了950万个晶体管万个晶体管 时钟频率可达时钟频率可达800MHz 二级高速缓存为二级高速缓存为 512KB 最大寻址空间达最大寻址空间达64GB 增加了增加了71条互联网流式单指令多设计的指令集条互联网流式单指令多设计的指令集（streaming SIMD(single-in

59、struction multiple-data)extension,SSE）。）。 第14章 高档微型计算机 12.2.4 12.2.4Pentium Pentium 2001年年推出推出 内部含有内部含有4200万个晶体管万个晶体管 主频高达主频高达3.6GHz 采用一系列新技术面向网络功能和图像功能，具体如下：采用一系列新技术面向网络功能和图像功能，具体如下： 超长流水线技术。超长流水线技术。 跟踪性指令高速缓存技术。跟踪性指令高速缓存技术。 采用双沿指令快速执行机制。采用双沿指令快速执行机制。 能执行能执行SSE2指令集。指令集。 第14章 高档微型计算机 14.3 14.3 IA-64

60、IA-64体系架构体系架构 IAIA是是 “IntelIntel体系体系/ / Intel ArchitectureIntel Architecture”的缩写的缩写 人们将人们将Intel Intel 生产的生产的CPUCPU统称为统称为IntelIntel体系（体系（IAIA）CPUCPU。 从从8038680386开始，桌面开始，桌面PCPC使用的使用的CPUCPU，包含目前的包含目前的Pentium 处理器都是处理器都是32位架构的位架构的CPU，所以都被列所以都被列为为IA- -32。 IntelIntel最新一代的最新一代的ItaniumItanium处理器处理器“安腾安腾”，是，