微机原理第2章

1、第第2章章 16位和位和32位微处理器位微处理器教学建议，本章重点为教学建议，本章重点为 8086的的编程结构，尤其是寄存器组编程结构，尤其是寄存器组； 8086标志寄存器各个标志的含义标志寄存器各个标志的含义； 8086的读写时序、总线操作和中断机制；的读写时序、总线操作和中断机制； Pentium的先进技术；的先进技术； Pentium的工作方式；的工作方式； Pentium的原理结构、寄存器组和描述符；的原理结构、寄存器组和描述符； Pentium的主要信号；的主要信号； Pentium的总线状态；的总线状态； Pentium的中断机制和中断描述符表；的中断机制和中断描述符表； Pent

2、ium的段页两级保护机制。的段页两级保护机制。微处理器的性能指标 字长字长 主频主频 图2 .1 8 08 6的编程结构1 1总线接口部件总线接口部件 4 4个段地址寄存器，个段地址寄存器， CS 16CS 16位的代码段寄存器位的代码段寄存器 DS 16DS 16位的数据段寄存器位的数据段寄存器 ES 16ES 16位的附加段寄存器位的附加段寄存器 SS 16SS 16位的堆栈段寄存器位的堆栈段寄存器 1616位的指令指针寄存器位的指令指针寄存器IPIP 20 20位的地址加法器位的地址加法器 6 6字节的指令队列缓冲器字节的指令队列缓冲器2. 2. 执行部件执行部件 4 4个通用寄存器，即

3、个通用寄存器，即AXAX、BXBX、CXCX、DXDX 4 4个专用寄存器，即个专用寄存器，即BPBP、SPSP、SISI、DIDI 标志寄存器标志寄存器 算术逻辑部件算术逻辑部件 标志寄存器；根据功能，分为两类 状态标志状态标志 控制标志控制标志状态标志 SFSF：符号标志，负数：符号标志，负数1 1，正数，正数0 0； ZF: ZF: 零标志，结果为零，为零标志，结果为零，为1 1，否则为，否则为0 0； PFPF：奇偶标志，结果低：奇偶标志，结果低8 8位含位含1 1的个数为偶数，则的个数为偶数，则PFPF为为1 1，否则为，否则为0 0； CFCF：进位标志；：进位标志； AFAF：辅

4、助标志，第：辅助标志，第3 3位往第位往第4 4位有进位位有进位/ /借位为借位为1 1； OFOF：溢出标志：溢出标志控制标志 DF:DF:方向标志，为方向标志，为0 0地址增，否则地址减；地址增，否则地址减； IFIF：中断允许标志，为：中断允许标志，为0 0则则CPUCPU不能响应可不能响应可屏蔽中断请求，否则可以响应。屏蔽中断请求，否则可以响应。 TFTF：单步标志；：单步标志；3. 80863. 8086的总线周期的概念的总线周期的概念1 1个基本的总线周期由个基本的总线周期由4 4个时钟周期组成，也称为个时钟周期组成，也称为4 4个状态：个状态： T1T1状态状态: :发出内存地址

5、信息；发出内存地址信息； T2T2状态：传输数据准备，低状态：传输数据准备，低1616位高阻态，高位高阻态，高4 4位传送状态信息；位传送状态信息； T3T3状态：读写数据；状态：读写数据； TwTw状态：等待状态；状态：等待状态； T4T4状态：总线周期结束。状态：总线周期结束。图2.2典型的8086总线周期序列 最小模式和最大模式的概念最小模式和最大模式的概念 最小模式：系统中只有最小模式：系统中只有8086一个一个MPU,所有总线控制信所有总线控制信号均由号均由CPU直接产生；直接产生； 最大模式：至少两个处理器，包含最大模式：至少两个处理器，包含8086主处理器和协主处理器和协处理器；

6、处理器；两个协处理器两个协处理器 数值运算协处理器数值运算协处理器8087 输入输入/输出协处理器输出协处理器8089：专用输入：专用输入/输出指令。输出指令。 8086 8086的引脚信号和功能的引脚信号和功能注意下列几点：注意下列几点： 8086的数据线和地址线是复用的，的数据线和地址线是复用的， 8086可用高可用高8位传送位传送1字节，也可用低字节，也可用低8位传送位传送1个字节，还可一次传送个字节，还可一次传送1个字个字 RESET是系统复位信号是系统复位信号8086的引脚引脚信号 GND、VCC 地和电源地和电源 AD15AD0 地址地址/数据复用引脚，双向工作数据复用引脚，双向工

7、作 A19/S6A16/S3 地址地址/状态复用引脚，输出状态复用引脚，输出 BHE/S7 高高8位数据总线允许位数据总线允许/状态复用引脚，输出状态复用引脚，输出 NMI 非屏蔽中断引脚非屏蔽中断引脚, 输入输入 INTR 可屏蔽中断请求信号可屏蔽中断请求信号, 输入输入 RD读信号，输出读信号，输出 CLK)时钟，输入时钟，输入 RESET(reset) 复位信号，输入复位信号，输入 READY(ready) “准备好准备好”信号，输入信号，输入 TEST(test) 测试信号，输入测试信号，输入 MN/MX 最小和最大模式控制信号，输入最小和最大模式控制信号，输入最小模式最小模式最小模式

8、信号最小模式信号 INTA 中断响应信号，输出中断响应信号，输出 ALE 地址锁存允许信号，输出地址锁存允许信号，输出 DEN数据允许信号，输出数据允许信号，输出 DT/R 数据收发信号，输出数据收发信号，输出 M/IO存储器存储器/输入输入/输出控制信号，输出输出控制信号，输出 WR(write) 写信号，输出写信号，输出 HOLD和和HLDA 总线保持请求信号和总线保持响应总线保持请求信号和总线保持响应信号信号最小模式配置图最小模式配置图最小模式连接特点： MN/MX端接端接+5V 时钟发生器时钟发生器 地址锁存器地址锁存器 存储器和外设较多时，需要总线收发器存储器和外设较多时，需要总线收

9、发器M/IO、RD、WR信号的关系图图2.52.58284A8284A和和80868086的连接的连接 最大模式（最大模式（ QS1QS1、QS0QS0指令队列状态信号）指令队列状态信号）S2#S2#、S1#S1#、S0#S0#总线周期状态信号总线周期状态信号最大模式下的典型配置最大模式下的典型配置总线控制器总线控制器82888288的连接的连接微型机系统主要操作 系统的复位和启动操作；系统的复位和启动操作； 暂停操作；暂停操作； 总线操作；总线操作； 中断操作；中断操作； 最小模式下的总线保持；最小模式下的总线保持； 最大模式下的总线请求最大模式下的总线请求/允许。允许。 系统的复位和启动操

10、作系统的复位和启动操作 CS=FFFFHCS=FFFFH IPIP0000H0000H复位操作的时序复位操作的时序总总线线读读操操作作写操作时序写操作时序中断操作和中断系统中断操作和中断系统两大类：两大类： 硬件中断硬件中断: :也称外部中断；也称外部中断； 软件中断：通过指令或软件对标志寄存软件中断：通过指令或软件对标志寄存器进行设置。器进行设置。80868086的中断分类的中断分类 中断向量和中断向量表中断向量和中断向量表 硬件中断 NMINMI INTRINTR硬件中断的响应和时序 从数据总线上读取中断类型码，将其存入内部从数据总线上读取中断类型码，将其存入内部暂存器。暂存器。 将标志寄

11、存器的值推入堆栈。将标志寄存器的值推入堆栈。 把标志寄存器的中断允许标志把标志寄存器的中断允许标志IFIF和跟踪标志和跟踪标志TFTF清零。清零。 将断点保护到堆栈中。将断点保护到堆栈中。 找到中断向量，转入相应的中断处理子程序找到中断向量，转入相应的中断处理子程序80868086对中断的响应对中断的响应中断响应要用两个总线周期。可屏蔽中断时，可屏蔽中断时，CPUCPU执行的总线时序：执行的总线时序： 第第1 1步，执行步，执行2 2个中断响应总线周期个中断响应总线周期 第第2 2步，执行步，执行1 1个总线写周期个总线写周期 第第3 3步，将标志寄存器的中断允许标志步，将标志寄存器的中断允许

12、标志IFIF和单步标志和单步标志TFTF置成置成0 0 第第4 4步，执行步，执行1 1个总线写周期个总线写周期 第第5 5步，执行步，执行1 1个总线写周期个总线写周期 第第6 6步，执行步，执行1 1个总线读周期个总线读周期 第第7 7步，执行步，执行1 1个总线读周期个总线读周期 中断处理子程序 保护中断现场。保护中断现场。 设置中断允许标志设置中断允许标志IFIF来开放中断来开放中断 中断处理的具体内容中断处理的具体内容 恢复寄存器恢复寄存器 中断返回指令中断返回指令软件中断的特点 中断类型码由指令提供。中断类型码由指令提供。 不执行中断响应总线周期。不执行中断响应总线周期。 不受中断

13、允许标志不受中断允许标志IFIF的影响的影响 执行软件中断时，对外部硬件中断请求执行软件中断时，对外部硬件中断请求的反映不同于硬件中断的反映不同于硬件中断 软件中断没有随机性软件中断没有随机性最小模式下的总线保持最小模式下的总线保持总线保持请求总线保持请求/ /保持响应时序保持响应时序最大模式下的总线请求最大模式下的总线请求/ /授权授权最大模式下的总线请求最大模式下的总线请求/允许允许/释放时序释放时序 8086 8086的存储器编址的存储器编址8086系统中存储器物理地址的计算方法系统中存储器物理地址的计算方法 复位后F F F FF F F F+ 0 0 0 0+ 0 0 0 0F F

14、F F 0F F F F 0图2.18 CS、DS、SS和其他寄存器组合指向存储单元的示意图存储器中，有几个部分的用处是固定的： 0000000000003FFH003FFH B0000H B0000HB0F9FH B0F9FH B8000H B8000HBBF3FHBBF3FH FFFF0HFFFFFH 8086 8086的的I/OI/O编址编址 80868086允许有允许有65535(64K)65535(64K)个个8 8位的位的I/OI/O端口端口对对I/OI/O端口，可用两种方式进行编址：端口，可用两种方式进行编址： 和存储器统一编址和存储器统一编址 I/OI/O独立编址独立编址 32

15、 位微处理器位微处理器Pentium的先的先进技术进技术1.1. 先进的体系结构先进的体系结构2 2CISCCISC和和RISCRISC相结合的技术相结合的技术3. 3. 超标量流水线技术超标量流水线技术4. 先进的分支预测技术先进的分支预测技术 指令流水线的组成指令流水线的组成 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 执行部件执行部件 Pentium的的三种工作方式， 实地址方式实地址方式 保护方式保护方式 虚拟虚拟8086方式方式 实地址方式的特点实地址方式的特点 寻址机构、存储器管理、中断处理机构均和寻址机构、存储器管理、中断处理机构均和80

16、868086一样。一样。 操作数默认长度为操作数默认长度为1616位。位。 存储器容量最大为存储器容量最大为1MB1MB，采用分段方式，每段，采用分段方式，每段大小固定为大小固定为64KB64KB。 存储器中保留两个固定区域存储器中保留两个固定区域 FFFF0HFFFF0HFFFFFHFFFFFH， 0000000000003FFH003FFH。保护方式的特点保护方式的特点 存储器用逻辑地址空间、线性地址空间存储器用逻辑地址空间、线性地址空间和物理地址空间三种方式来描述。和物理地址空间三种方式来描述。 映像机制使逻辑地址空间大大超过实际映像机制使逻辑地址空间大大超过实际的内存空间的内存空间 既

17、能进行既能进行16位运算，也能进行位运算，也能进行32位运算。位运算。 虚拟虚拟80868086方式方式特点 可以执行8086的应用程序。 段寄存器的用法和实地址方式时一样，即段寄存器内容左移4位加上偏移量为线性地址。 存储器寻址空间为1MB，在分段基础上又分页，每页4KB。实地址方式和虚拟8086方式区别： 多任务问题多任务问题 寻址空间问题。寻址空间问题。 内存管理问题内存管理问题 Pentium的原理结构的原理结构 总线接口部件总线接口部件 U U流水线和流水线和V V流水线流水线 数据数据CacheCache 指令指令CacheCache 指令预取部件指令预取部件 指令译码器指令译码器

18、 控制控制ROMROM 分支目标缓冲器分支目标缓冲器BTBBTB 控制部件控制部件 浮点处理部件浮点处理部件FPUFPU 分段部件和分页部件分段部件和分页部件 寄存器组寄存器组 总线接口部件完成如下总线功总线接口部件完成如下总线功能能 地址驱动和传输。地址驱动和传输。 数据驱动。数据驱动。 数据总线宽度控制。数据总线宽度控制。 数据缓冲。数据缓冲。 总线操作的控制功能总线操作的控制功能 奇奇/ /偶校验告示功能偶校验告示功能 CacheCache操作控制操作控制PentiumPentium的主要部件和原理结构的主要部件和原理结构 2.6 Pentium的寄存器和相关机制的寄存器和相关机制Pen

19、tium的寄存器组Pentium的寄存器组包括 基本寄存器组。基本寄存器组。 系统寄存器组；系统寄存器组； 浮点寄存器组浮点寄存器组 基本寄存器组基本寄存器组 通用寄存器通用寄存器 指令指针寄存器和标志寄存器指令指针寄存器和标志寄存器标志寄存器标志寄存器段寄存器和描述符以及保护方段寄存器和描述符以及保护方式的寻址机制式的寻址机制三种描述符表三种描述符表 全局描述符表全局描述符表GDTGDT 局部描述符表局部描述符表LDTLDT 中断描述符表中断描述符表IDTIDT图2.26 保护方式下段地址的产生段选择子包含段选择子包含3 3个部分的内容个部分的内容l l描述符表指示标志描述符表指示标志TIl

20、描述符索引描述符索引DIl请求特权级请求特权级RPL保 护 方 式 下 段 地 址 的 产 生保 护 方 式 下 段 地 址 的 产 生系统地址寄存器系统地址寄存器包括 GDTRGDTR IDTRIDTR TRTR LDTRLDTR图2.27 4个系统地址寄存器的结构控制寄存器控制寄存器调试寄存器调试寄存器状态寄存器控制字寄存器 Pentium的主要信号的主要信号Pentium的主要信号的主要信号1. 1. 地址线及控制信号地址线及控制信号 l l A31A31A3 A3 地址线。地址线。 l l APAP 地址的偶校验码位。地址的偶校验码位。 l l ADS#ADS# 地址状态输出信号。地址

21、状态输出信号。 l l A20M#A20M# A20 A20以上的地址线屏蔽信号。以上的地址线屏蔽信号。 l l APCHK#APCHK# 地址校验出错信号。地址校验出错信号。 Pentium的主要信号的主要信号2. 2. 数据线及控制信号数据线及控制信号 l l D63D63D0 D0 数据线。数据线。 l l BE7#BE7#BE0# BE0# 字节允许信号。字节允许信号。 l l DP7DP7DP0 DP0 奇奇/ /偶校验信号。偶校验信号。 l l PCHK# PCHK# 读校验出错。读校验出错。 l l PEN# PEN# 奇奇/ /偶校验允许信号。偶校验允许信号。Pentium的主

22、要信号的主要信号3. 3. 总线周期控制信号总线周期控制信号 l l D/C#D/C# 数据数据/ /控制信号。控制信号。 l l M/IO#M/IO# 存储器和存储器和I/OI/O访问信号访问信号 l l W/R#W/R# 读读/ /写信号。写信号。 l l LOCK# LOCK# 总线封锁信号总线封锁信号 l l BRDY# BRDY# 突发就绪信号突发就绪信号 l l NA#NA# 下一个地址有效信号。下一个地址有效信号。 l l SCYC SCYC 分割周期信号。分割周期信号。 Pentium的主要信号的主要信号4. Cache4. Cache控制信号控制信号 l l CACHE# C

23、acheCACHE# Cache控制信号。控制信号。 l l EADS# EADS# 外部地址有效信号。外部地址有效信号。 l l KEN#KEN# Cache Cache允许信号。允许信号。 l l FLUSH#FLUSH#CacheCache擦除信号。擦除信号。 l l AHOLD AHOLD 地址保持地址保持/ /请求信号。请求信号。 l l PCDPCD Cache Cache禁止信号。禁止信号。 l l PWTPWT 片外片外CacheCache的控制信号。的控制信号。 l l WB/WT# WB/WT# 片内片内CacheCache回写回写/ /通写选择信号通写选择信号 l l H

24、IT# HIT#和和HITM# CacheHITM# Cache命中信号和命中命中信号和命中CacheCache的状态信号的状态信号 l l INVINV 无效请求信号无效请求信号Pentium的主要信号的主要信号5. 5. 系统控制信号系统控制信号 INTRINTR NMINMI RESETRESET CLKCLK INITINITPentium的主要信号的主要信号 6 6总线仲裁信号总线仲裁信号 HOLDHOLD HLDAHLDA BREQBREQ BOFFBOFFPentium的主要信号的主要信号 7. 7. 检测与处理信号检测与处理信号 l l BUSCHK#BUSCHK# l l F

25、ERR#FERR# l l IGNNE# IGNNE# l l FRCMC#FRCMC# l l IERR# IERR# Pentium的主要信号的主要信号8. 8. 系统管理模式信号系统管理模式信号 SMI#SMI# SMIACT#SMIACT#Pentium的主要信号的主要信号9 9 测试信号测试信号 l l TCK TCK l l TDITDI l l TDOTDO l l TMSTMS l l TRST#TRST#Pentium的主要信号的主要信号1010 跟踪和检查信号跟踪和检查信号l l BP3 BP3BP0BP0l l PM1 PM1PM0PM0l BT3 BT3BT0BT0 l IUIU和和IV IV l IBT IBT l R/S# R/