微机原理CPU-2

1、第2章 16位和32位微处理器12.2 32位微处理器Pentium1Pentium采用的先进技术2Pentium的工作方式 3Pentium的原理结构4Pentium的寄存器5Pentium的存储管理6Pentium的中断7Pentium的保护技术 第2章 16位和32位微处理器21.Pentium采用的先进技术Pentium外部采用64位数据总线，内部总线32位；支持数据成组传输。设置相互独立的代码cache和数据cache。采用超标量流水线技术使得在1个时钟周期内发射两条简单的整数指令或发射一条浮点指令。片内设置增强型浮点处理部件采用RISC 、CISC相结合的技术，部分常用指令用硬件实

2、现；微程序实现的指令，其微代码的算法也作了改进，以减少所需时钟周期。第2章 16位和32位微处理器3采用分段和分页两级存储管理机制具有BTB方式的转移预测能力增强了校验能力和机器异常事件的处理能力具有很好的检测能力和调试能力第2章 16位和32位微处理器42.Pentium 的工作方式实地址方式保护虚拟地址方式（保护方式）虚拟8086方式系统管理方式第2章 16位和32位微处理器51）实地址方式的特点寻址机构、存储器管理、中断处理机构均同8086。操作数默认长度16位。使用A19A0寻址1MB物理地址物理地址=线性地址=段寄存器*16+16位偏移量两个内存保留区：系统初始化区：FFFF0HFF

3、FFFH中断向量表区：00000H003FFH第2章 16位和32位微处理器62）保护方式的特点使用A31A0寻址4GB物理地址空间。用户编程采用虚拟地址（逻辑地址），虚拟地址空间为64TB。存储器采用分段、分页管理。段寄存器的内容作为选择子，通过描述符表实现虚拟地址向线性地址的转换；通过页表实现线性地址向物理地址的转换。能进行16位运算，也能进行32位运算。第2章 16位和32位微处理器7支持多任务，支持两种主要保护类型。不同任务之间的保护采用任务隔离LDT指定了独立的虚拟地址空间，隔离了任务间的相互影响达到保护目的。同一任务内的保护采用特权级保护任务的4种特权级I/O的两个特权级第2章 1

4、6位和32位微处理器83）虚拟8086方式的特点V86方式的寻址(与保护方式的区别）寻址的地址空间是1MB；段寄存器的内容作为段值解释；20位存储单元地址由段值乘以16加偏移量构成。V86方式下的保护（与实地址方式的区别）V86方式下的代码规定在特权级3下运行。V86可进行多任务操作V86方式下的分页功能（实地址方式不支持）只能访问第一个页目录项页表项最多为256+16=272个第2章 16位和32位微处理器93.Pentium 的原理结构Pentium 的内部主要包括12个主要部件：n总线接口部件nU流水线和V流水线n数据Cachen代码Cachen指令预取部件n指令译码器n控制ROMn分支

5、目标缓冲器BTBn控制部件n浮点处理部件FPUn分段部件和分页部件n寄存器组第2章 16位和32位微处理器10第2章 16位和32位微处理器111）U流水线和V流水线Pentium整数指令采用5段式流水线。U流水线和V流水线都有：ALU、地址生成电路和与数据cache的接口两条流水线共用部件两个预取缓冲器、指令译码器、控制ROM指令译码器除完成译码指令外，还要完成指令配对检查。第2章 16位和32位微处理器12U和V流水线都由5段组成指令预取（PF）指令译码（D1）地址生成（D2）指令执行（EX）结果写回（WB）U和V共享第2章 16位和32位微处理器13第2章 16位和32位微处理器14U、

6、V两条流水线不是等价的V流水线总是接受U流水线的下一条指令U流水线能执行指令集的任何指令，包括指令前缀；V流水线只能执行简单指令。若连续的两条指令不能配对，需要U流水线先后执行这两条指令。第2章 16位和32位微处理器15发射一对指令必须满足的条件：两条指令是简单指令没有RAW和WAW相关性每条指令不同时含有立即数和相对寻址偏移量带有指令前辍的指令发射到U流水线。第2章 16位和32位微处理器162）分立的代码cache和数据cache8KB代码cache和8KB数据cache代码cache是只读的指令代码，单端口，256位数据cache是可读写的，双端口，每端口32位，与U，V两条流水线交换

7、整数数据，或组合成一个64位端口与浮点运算部件交换浮点数据。两个cache与64位数据、32位地址的CPU内部总线相接。 第2章 16位和32位微处理器173）浮点运算指令流水线浮点运算指令采用8段式流水线指令预取（PF）指令译码（D1）地址生成（D2）取操作数（EX）执行1（X1）执行2（X2）结果写回寄存器堆（WF）错误报告（ER）前4段在U流水线完成第2章 16位和32位微处理器18 一般情况下，只能由U流水线完成一条浮点操作指令；少数情况下，V流水线也能同时完成一条简单浮点数指令。浮点部件内：有浮点专用的加法器、乘法器和除法器有8个80位寄存器组成的寄存器堆，内部的数据总线为80位宽。

8、支持IEEE 754标准的单、双精度格式及80位临时浮点数。第2章 16位和32位微处理器194）以BTB实现的动态转移预测Pentium采用动态转移预测技术，来减少由于转移相关引起的流水线性能损失。提供的转移目标缓冲器BTB是个小容量的cache。第2章 16位和32位微处理器20 BTB是一个4路组相联的cache，有64组。转移指令地址（高26位）字段即为该项的标记（tag），以转移指令地址的低6位为行索引，每项有两位历史位，作为预测依据。每次转移指令执行完，依据预测是否正确相应地修改历史位。26位标记 32位转移目标地址 2位历史位第2章 16位和32位微处理器21BTB预测向转移取倾

9、斜（P40） 统计表明转移指令发生转移取的概率为60%。 指令预取缓冲区（B）提前存放预测为转移取的目标地址指令，为转移取实为顺序取的损失比预测为顺序取实为转移取的损失小。第2章 16位和32位微处理器22 第2章 16位和32位微处理器234.Pentium的寄存器nPentium 的寄存器组可以分成如下三类： （1）基本寄存器组（2）系统寄存器组（3）浮点寄存器组第2章 16位和32位微处理器241）基本寄存器组n通用寄存器8个32位通用寄存器，用于保存数据和地址EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP、ESPn段寄存器6个16位长段寄存器CS、SS、DS、 ES、 FS、G

10、Sn指令指针和标志寄存器 EIP、EFLAGS第2章 16位和32位微处理器25第2章 16位和32位微处理器2632位标志寄存器（EFLAGS）IOPL：I/O特权级。当前特权级高于等于IOPL，I/O指令能顺利执行。若当前特权级低于IOPL，则产生中断，使任务挂起。NT：嵌套任务标志位。NT=1，表示当前执行的任务嵌套在另一个任务中执行。RF：恢复标志位。配合断点或单步操作一起使用。VM：虚拟8086方式标志位。第2章 16位和32位微处理器27AC （b18）：对准检查标志。AC=1，进行未对准地址访问时将产生异常中断17。只有在特权级3时此位有效。（同80486）VIF（b19）：虚拟

11、中断允许标志VIP（b20）：虚拟中断禁止标志 虚拟中断（virtual interrupt）用于多任务环境。ID（b21）：识别标志，ID=1指明这个处理器能支持CPUID指令。第2章 16位和32位微处理器28段寄存器6个16位的段寄存器CS、SS、DS、ES、FS、GS保护地址方式下作为段选择子寄存器，段选择子用来选择进入GDT/LDT。每个段选择子寄存器对应有一个64位的内部段描述符寄存器。指令执行时被透明地装入描述符。63 5251 2019 012位属性32位段基址20位段限值第2章 16位和32位微处理器292）系统寄存器组n系统地址寄存器GDTR、IDTR、LDTR、TR n5

12、个控制寄存器CR0、 CR1、CR2、CR3、CR4n8个调试寄存器n18个测试寄存器第2章 16位和32位微处理器30第2章 16位和32位微处理器31系统地址寄存器全局描述符表寄存器-GDTR（48位）定义了一个全局描述符表（GDT）中断描述符表寄存器-IDTR （48位）定义了一个中断描述符表（GDT）中断描述符类型称为中断门。47 1615 032位基址段限值第2章 16位和32位微处理器32局部描述符表寄存器-LDTR （16位）选择子，用于选择一个LDT描述符，装入LDTR高速缓冲寄存器。LDT描述符定义了一个局部描述符表（LDT）任务寄存器-TR （16位）选择子，用于选择一个任

13、务状态段（TSS）描述符，装入到任务描述符高速缓冲寄存器。第2章 16位和32位微处理器33Pentium 控制寄存器PG、PE工作模式 0 0实地址模式，8086操作 0 1保护模式，禁止分页 1 0非法 1 1保护模式，允许分页CR0的PG、PE组成给定CPU的工作模式CR3保存页目录表的基地址。页目录表按页对齐，CR3最低12位为0（每页为4KB）。第2章 16位和32位微处理器34nPentium的存储管理部件MMU设有分段部件SU和分页部件PU，允许SU、PU单独工作或同时工作。不分段不分页模式分段不分页模式分段分页模式两种分页方式：4KB的页、4MB的页不分段分页模式也称为平面存储

14、模式（平展模式）5.Pentium的存储管理保护模式分段、分页管理第2章 16位和32位微处理器35虚拟地址：48位存储器指针（16位选择子，32位有效地址）选择子的格式15 321 0索引TIRPL任务指示符：0=使用GDT，1=使用LDT请求特权级1）虚拟地址空间第2章 16位和32位微处理器362）虚实地址转换 Y N 选择符 16 位 偏移量 32 位 段转换 PG=0？ 目录 10 页 10 偏移量 12 逻辑地址 线性地址 页转换 32 位物理地址 第2章 16位和32位微处理器373）段式地址转换 3 2 位 数 据 段 基 址 选 择 符D S 偏 移 量E B X 操 作 数

15、 段 描 述 符 数 据 段 L D T 或G D T 基 址 来 自L D T R 高 速 缓 存 或G D T R 数 据 段 描 述 符 高 速 缓 存 寄 存 器6 4 位 3 2 位 偏 移 第2章 16位和32位微处理器384）页式地址转换Pentium有两种分页方式：4KB的页，使用页目录表、页表两级页表进行地址转换。4MB的页，使用单级页表进行地址转换。(页表项)PSE位(b7位)=1，页大小为4MB (页目录表项)PSE位(b7位)=0 ，页大小为4KB第2章 16位和32位微处理器39（1）Pentium 4KB分页方式地址转换线性地址由三部分组成：目录（10位）、页（10

16、位）、偏移量（12位）目录域*4+CR3=目录项的物理地址页域*4+页表基地址=页表项的物理地址页帧基地址+偏移量=操作数的物理地址第2章 16位和32位微处理器401000110101B00005000H00000010H0000000100B 4 ， 页 表 的 偏 移 量 T L B 操 作 数 偏 移 量 页 帧 基 址 页 表 基 址 4 ， 页 目 录 表 的 偏 移 量 页 帧4 K B 目 录1 0 位 页1 0 位 偏 移 量1 2 位 操 作 数 页 表 项1 0 2 3 页 表 项0 页 目 录 项1 0 2 3 页 目 录 项0 页 表4 K B （ 1 K 4 B ）

17、 页 目 录 表4 K B （ 1 K 4 B ） 页 目 录 表 的 基 址 寄 存 器C R 3 3 2 位 ， 低1 2 位 为0 0 0 H 01235674H00000000H00005H000058D4H0003CH0003C000H674H0003C674H第2章 16位和32位微处理器41（2）Pentium 4MB分页方式地址转换32位线性地址分为高10位的页面（号）和低22位的页内偏移两个字段。32位地址模式下，全系统只一张页表，由控制寄存器CR3指向。此页表有1K个表项，每项4字节（32位）。第2章 16位和32位微处理器42第2章 16位和32位微处理器435）描述符和

18、页表项（1）描述符描述符是用以管理64TB虚拟存储地址空间分段的基本元素。它负责将代码、数据、堆栈和任务状态段的虚拟地址映象到线性地址，并给段指定属性。采用描述符的特点扩展存储空间实现虚拟存储实现多任务隔离二种类型的描述符非系统系统段描述符系统段描述符第2章 16位和32位微处理器44非系统系统段描述符用于描述代码、数据、堆栈段。段限长15-00段基址15-02访问权限字节段基址23-164段基址31-24GD00段限长19-166粒度（界限长度属性）0=以字节为单位 11MB1=以页为单位 4KB 4GB本次寻址的操作数位数0= 16位1= 32位第2章 16位和32位微处理器45访问权限字

19、节代码段PDPL11CRA数据段PDPL100WA堆栈段PDPL101W=0ASEED第2章 16位和32位微处理器46系统段描述符（s=0）系统段描述符对应一个系统段。系统段包括：任务状态段TTS-特殊数据结构，对应一个任务的各种信息各种门-一种转换机制。门类型有：调用门、任务门、中断门和陷阱门。LDTLDT描述符中的访问权限字节：PDPL00010S类型TYPE（低4位）第2章 16位和32位微处理器47（2）页表项（4字节）页目录项或页表项格式：31110基址31-12AVL00DA00UW PUW用户管理员00无读/写01无读/写10只读读/写11读/写读/写第2章 16位和32位微处

20、理器486）转换检测缓冲器TLB（转换后备缓冲区）TLB可以保存32个页表项，它是一个4路组相联的高速缓存，每组8项，每项由两部分组成：线性地址的高18位页表项PTE第2章 16位和32位微处理器49 31 15 14 12 11 0 线性地址 VAH/PTE 共8项 0 VAH/PTE 共8项 1 VAH/PTE 共8项 3 VAH/PTE 共8项 4 0 1 2 3 4 5 6 7 VAH=VAH VAH=VAH VAH=VAH VAH=VAH 匹配逻辑 未命中 命中 第2章 16位和32位微处理器507）V86方式下的分页功能前提：在保护方式下，使CR0中的PG=1。v线性地址为20位，

21、高12位为0，故只能访问第一个页目录项。v页表项最多为256+16=272个31 22212019 1211 0 0000000000000000000011111111考虑A20使能：FFFFH*16+FFFFH=10FFEFH当A19A12=00/01/0FH，A20=1，共16页。第2章 16位和32位微处理器516.Pentium 的中断（256种）1）引发中断的三类情况外设往CPU送一个中断请求信号（外部硬件中断、非屏蔽中断）CPU或协处理器执行指令时产生异常 （内部异常）程序执行INT指令 （软件中断）第2章 16位和32位微处理器52异常按报告错误方式分为三类：故障（Fault)

22、保存在堆栈中的CS、EIP值指向导致Fault指令，从而异常处理后可以继续执行该指令。陷阱（Trap)保存在堆栈中的CS、EIP值指向导致Trap指令的下一条指令，从而异常处理后从下一条指令处恢复。异常中止（Abort)不保存任何信息，系统可能需要重新启动。第2章 16位和32位微处理器532）中断向量和中断描述符表中断类型号通过一个地址指针表与中断服务程序相联。在实方式下，地址指针表称为中断向量表。在保护方式下，地址指针表称为中断描述符表（IDT）。中断向量表位置-IDTR：基址为0，限长：03ffh中断描述符表位置- IDTR的值确定。第2章 16位和32位微处理器54门描述符可定义：中断

23、门、陷阱门、任务门IDTR的限长07FFH CPU 15 0 IDTR 31 0 限 长 基 址 存 储 器 GATA255 GATA254 IDT GATA2 GATA1 GATA0 IDT+7F8H-IDT+7FFH IDT+7F7H-IDT+7F0H IDT+10H-IDT+17H IDT+8H-IDT+FH IDT+0-IDT+7H 第2章 16位和32位微处理器55中断门、陷阱门描述符格式T=0：中断门T=1：陷阱门区别：当切换到陷阱门上下文时，不清除IF。代码偏移量15-00段选择符2P DPL 0 1 1 1 T000 未用4代码偏移量16-316第2章 16位和32位微处理器5

24、67Pentium的保护技术n保护是指对存储器采取防护措施以拒绝任务存储器资源未经授权或不正确访问。n任务是在操作系统中处理器调度的一个单位，它可以是一个程序、一个过程、一个操作系统的服务例程、一个中断或异常句柄或一个执行内核在处理器中的一次动态执行过程。n一个任务由两部分组成：执行空间和任务状态段TSS。执行空间由代码段、堆栈段和数据段组成。使用特权级保护机制，每个特权级提供一个独立的堆栈。TSS是一种特殊的系统段，它载有任务运行的全部环境参数。第2章 16位和32位微处理器571）任务的4种特权级特权级通过段描述符中的DPL指定给每个段。当一个程序试图访问某段时，就把该程序所拥有的特权级与要访问段的DPL进行比较以决定是否访问。0级：操作系统的核心1级：操作系统的其他部分2级：中间软件3级：用户的应用程序第2章 16位和32位微处理器582）I/O的两个特权级第一个特权级已指定的特权级（I/O驱动程序指定1级/0级）第二个特权级IOPL：程序的特权级IOPL时（指数值上的大小关系）， I/O指令才能执行。例如：程序的特权级为3IOPL=3时，可以使用I/O指令；IOPL=2、