微机原理讲义(第2章16位和32位微处理器)

1、微机原理与接口技术湖南中医药大学湖南中医药大学 王志辉王志辉 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium2第二章 16位和32位微处理器微处理器逻辑结构的演变Pentium的寄存器Pentium的主要信号及其含义Pentium采用的先进技术Pentium的总线状态和总线周期Pentium的工作方式Pentium的中断技术Pentium的保护技术Pentium系列微处理器的技术发展 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium3本章重点：u8086的编程结构；uPentium

2、的工作方式；uPentium的原理结构、寄存器组和描述符；uPentium的中断机制和中断描述符表；uPentium的段页两级保护机制。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium42.1 计算机的编程结构示意图核心地位总线部件对寄存器和存储中的数据进行逻辑和算术运算等处理形成存储单元或者I/O端口地址三种总线，其中数据可以是数值或地址，命令或者状态 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium5通用寄存器段寄存器指令指针和标志寄存器16/32位微处理器的基本寄存器 微型机

3、原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium6AXBXCXDXBPSIDISPEAXEBXECXEDXEBPESIEDIESP累加寄存器基址寄存器计数寄存器数据寄存器基地址指针寄存器源变址寄存器目标变址寄存器堆栈指针寄存器32位寄存器名称中间是16位寄存器名称AHBHCHDHALBLCLDL斜体表示8位寄存器名称163115078通用寄存器通用寄存器注：图中的深色部分表明，只有32位的80386、80486，Pentium微处理器才配备有、且可以用这些32位的寄存器。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处

4、理器PentiumPentium7代码段寄存器CS堆栈段寄存器SS 数据段寄存器 DS 附加数据段寄存器 ES 附加数据段寄存器 FS 附加数据段寄存器 GS段寄存器 代码段寄存器 CS 堆栈段寄存器 SS015 310 标志寄存器 FLAGS 指令指针寄存器 IP 标志和指令指针寄存器注：图中的深色部分表明，只有32位的80386、80486，Pentium微处理器才配备有、且可以用这些32位的寄存器。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium8n通用寄存器，顾名思义通用性很强，可以存放逻辑操作和算术运算用的操作数和地址。n8个

5、通用寄存器用户可以随意使用。除堆栈指针寄存器SP/ESP不能作为变址寄存器使用外，其余七个通用寄存器在进行地址计算时都可用来存放参与运算的操作数。n通用寄存器：通用寄存器：AXAX，BXBX，CXCX，DXDX为为数据寄存器一、 通用寄存器 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium9 AX称为累加器（称为累加器（Accumulator） 使用频度最高，用于使用频度最高，用于算术、逻辑运算算术、逻辑运算以及以及与外设传送信息与外设传送信息等。等。BX称为基址寄存器（称为基址寄存器（Base address Register） 常用做

6、存放常用做存放地址的偏移地址地址的偏移地址，在在间接寻址中用于存放基地址间接寻址中用于存放基地址CX称为计数器（称为计数器（Counter） 作为作为循环和串操作循环和串操作等指令中的计数器，等指令中的计数器，存放存放循环次数或重复次数循环次数或重复次数DX称为数据寄存器（称为数据寄存器（Data register） 常用来存放常用来存放双字长数据的高双字长数据的高16位位，或，或在在间接寻址间接寻址的的I/O指令中存放指令中存放I/O端口地址端口地址。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium10 当用作16位时，称为AX、BX

7、、CX、DX。当用作8位时，AH、BH、CH、DH存放高字节，AL、BL、CL、DL存放低字节，并且可独立寻址。这样，4个16位寄存器就可当作8个8位寄存器来使用。AX AH，ALBX BH，BLCX CH，CLDX DH，DL常用来存放参与运算的操作数或运算结果 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium11n 参与地址运算的主要是指针与变址寄存器组中的4个寄存器SP/BP/SI/DI，一般用来存放地址的偏移量。nSP/ESP堆栈指针寄存器：用以指出在堆栈段中当前栈顶的地址。入栈(PUSH)和出栈(POP)指令由SP给出栈顶的偏移

8、地址。因此要与堆栈段寄存器SS配合使用，以指向栈顶的存储单元。nBP/EBP基址指针寄存器：指出要处理的数据在堆栈段中的基地址，故称为基址指针寄存器。也可以存放堆栈顶部地址的偏移量，此时的默认段为堆栈段SS。二、 指针与变址寄存器 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium12指针寄存器用于寻址内存指针寄存器用于寻址内存堆栈堆栈内的数据内的数据SPSP为堆栈指针寄存器（为堆栈指针寄存器（Stack Pointer）, ,指示指示堆堆栈段栈顶的位置（偏移地址）栈段栈顶的位置（偏移地址）BPBP为基址指针寄存器（为基址指针寄存器（Bas

9、e Pointer），表示），表示数数据在堆栈段中的基地址据在堆栈段中的基地址SPSP和和BPBP寄存器与寄存器与SSSS段寄存器联合使用以确定堆栈段寄存器联合使用以确定堆栈段中的存储单元地址段中的存储单元地址堆栈（堆栈（Stack）是两种数据结构，是主存中一个）是两种数据结构，是主存中一个特殊的区域，采用特殊的区域，采用“先进后出先进后出”或或“后进先出后进先出”存取存取操作方式、而不是随机存取方式。操作方式、而不是随机存取方式。用用8088/8086形成的微机系统中，堆栈区域被称形成的微机系统中，堆栈区域被称为堆栈段为堆栈段指针寄存器 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 323

10、2位微处理器位微处理器PentiumPentium13pBX与与BP在应用上的异同在应用上的异同作为通用寄存器，二者均可用于作为通用寄存器，二者均可用于存放数据存放数据；作为基址寄存器，作为基址寄存器，BX通常用于通常用于寻址数据段寻址数据段DS；BP则则通常用于通常用于寻址堆栈段寻址堆栈段SS。BX基址寄存器一般与基址寄存器一般与DS或或ES搭配使用。搭配使用。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium14p16位变址寄存器位变址寄存器SI和和DIp常用于为常用于为存储器间接寻址存储器间接寻址或或变址寻址方式变址寻址方式时提供地

11、址时提供地址SI是源地址寄存器（是源地址寄存器（Source Index）:指向源数据所在单指向源数据所在单元；元；DI是目的地址寄存器（是目的地址寄存器（Destination Index）:可与可与SI/ESI配合使用，指向目的数据所在单元；配合使用，指向目的数据所在单元；p在在串操作串操作类指令中，类指令中，SI、DI还有较特殊的用法还有较特殊的用法:用用SI存放存放源源操作数操作数的的偏移地址偏移地址，而用，而用DI存放存放目标操作数目标操作数的的偏移地址偏移地址变址寄存器 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium15段寄

12、存器由于内存单元数量庞大,大大超出16位地址所能表达的范围，所以16位微处理器用2个寄存器共同描述内存单元的地址。存放高位地址的寄存器叫段寄存器（Segement Register），低16位地址称为偏移量，放在通用寄存器，如基址寄存器BX。微处理器中有4个基本的段寄存器，用于把内存空间分成不同的段。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium16 代码段CS(code segment)：用于存放当前正在运行的程序。存放当前执行程序所在段的段地址，将其内容左移4位再加上IP指针的内容即为下一条执行指令的地址。 数据段DS(data

13、segment) ：用于存放程序中用到的数据（如数值、字符、地址）。存放当前数据段的段地址，将其内容左移4为再加上计算所得的偏移地址即为对数据段指定单元进行读/写的地址。 堆栈段SS(stack segment)：是内存中开辟的专用存储区，用来暂时保存寄存器中的数据。存放当前堆栈段的段地址，将其内容左移4位再加上SP的内容即为栈顶地址。 附加段ES(extra segment)：是附加的数据，在串操作指令中用于存放目的操作数。 32位微处理器：增加了FS和GS两个附加段寄存器，均用于指出附加的数据段。段寄存器 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器Pent

14、iumPentium17说明如下： 在各种类型的存储器访问中，其段地址要么由“默认”的段寄存器提供，要么由“指定”的段寄存器提供; 段寄存器DS、ES和SS的内容是用传送指令送入的，但任何传送指令不能向段寄存器CS送数; 表中“段内偏移地址”一栏指明，除了有两种类型访问存贮器是“依寻址方式求得有效地址”外，其它都指明使用一个16位的指针寄存器或变址寄存器。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium18段寄存器的使用 源变址寄存器、目的变址寄存器。基址寄存器指针寄存器堆栈指针寄存器、基址指针寄存器 微型机原理与技术微型机原理与技术

15、第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentiumW2-1 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium201、若X1011011，Y1011011 ，分别求X、Y的原码、反码和补码？（1） X原码= X反码=X补码01011011（2）Y原码11011011 ；Y反码10100100 ；Y补码10100101 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium21原码原码正数的符号位为0，负数的符号位为1，其它位按照一般的方法来表示数的绝对值。用这样的表示方法

16、得到的就是数的原码。反码反码 对于一个带符号的数来说，正数的反码与其原码相同，负数的反码为其原码除符号位以外的各位按位取反。补码补码 正数的补码与其原码相同，负数的补码为其反码在最低位加1。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium222、请说出计算机中三种总线及各自功能？ 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium23三种总线功能1.数据总线：数据总线是CPU与存储器、CPU与I/O接口设备之间传送 各种指令数据信息的总线，这些信号通过数据总线往返，因此，数据总线上的

17、信息是双向传输的。2.地址总线：地址总线上传送的是CPU向存储器、I/O接口设备发出的地址信息，寻址能力是CPU特有的功能，地址信息仅由CPU发出，因此，地址总线上的信息是单向传输的。3.控制总线：控制总线传送的是各种控制信号，有CPU至存储器、I/O接口设备的控制信号，有I/O接口送向CPU的应答信号、请求信号，因此，控制总线是上的信息是双向传输的。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium3、请画出Pentium处理器的寄存器及名称（通用寄存器、段寄存器、指令指针和标志寄存器）24代码段寄存器CS堆栈段寄存器SS 数据段寄存器

18、 DS 附加数据段寄存器 ES 附加数据段寄存器 FS 附加数据段寄存器 GS段寄存器 代码段寄存器 CS 堆栈段寄存器 SS015 310 标志寄存器 FLAGS 指令指针寄存器 IP 标志寄存器EFLAGS和指令指针寄存器EIPAXBXCXDXBPSIDISPEAXEBXECXEDXEBPESIEDIESP累加寄存器基址寄存器计数寄存器数据寄存器基地址指针寄存器源变址寄存器目标变址寄存器堆栈指针寄存器32位寄存器名称中间是16位寄存器名称AHBHCHDHALBLCLDL斜体表示8位寄存器名称163115078 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器Pe

19、ntiumPentium25 扩充：Pentium段寄存器段寄存器 Pentium器配备有6个16位的段寄存器，他们分别是： 代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、 堆栈段寄存器SS、附加数据段寄存器ES、 附加数据段寄存器FS、附加数据段寄存器GS。 这6个段寄存器与80386的6个段寄存器同宗、同名、同功能。段寄存器的另一种称呼叫段选择符，也有的称其为段选择子。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium264、说出微处理器中寄存器的使用规则？IPBP/SPSI/DI/BX 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232

20、位微处理器位微处理器PentiumPentium27l EIP/IP指令指针寄存器：用于存放指令所在单元地址的偏移量，与代码段寄存器CS配合使用，以便得到指令所在单元地址。IP地址是不断变化的，直到程序运行结束。l EFR/FR（EFLAGS/FLAGS）标志寄存器：16位只用了其中9位，l 用于存放系统的状态标志和控制标志。u状态标志：是CPU在执行指令的过程中产生的。有的指令影响状态标志，有的不影响，还有的指令与当前状态标志有关。标志寄存器中有6个最常用，每个占1位。分别介绍如下：1）符号标志SF（sign flag）2）零标志ZF(zero flag) 3）奇偶标志PF(parity f

21、lag) 4）进位标志CF(carry flag) 5）辅助进位标志AF(auxiliary flag) 6）溢出标志OF(overflow flag) 指令指针寄存器和标志寄存器 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium28u控制标志1）方向标志DF(direction flag) 2）中断允许标志IF(interrupt enable flag) 3）跟踪标志TF(trap flag) 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium29状态标志位（续）1.进位标志CF（

22、Carry Flag） 加法时，最高位（字节操作时的D7位，字操作时的D15位）是否有进位产生。 减法时，最高位（字节操作时的D7位，字操作时的D15位）是否有借位产生。2.奇偶标志PF（Parity Flag） 若运算结果低8位中“1”的个数为偶数，则PF1；否则PF0。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium30状态标志位（续）3.辅助进位标志AF（Auxiliary carrry Flag） 也称“半进位标志”。加法时，第3位向第4位有进位。减法时，第3位向第4位有借位。4.零标志ZF（Zero Flag）若运算结果为0，

23、则ZF1；否则ZF0。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium31状态标志位（续）5.符号标志（Sign Flag） 它和运算结果的最高位相同。最高位为1，则为1，最高位为0，则为0。6.溢出标志OF（Overflow Flag） 若运算过程中发生了“溢出”，则OF1，否则OF=0。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium32小结 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium33 0010 0011 01

24、00 0101 0010 0011 0100 01010011 0010 0001 10010011 0010 0001 1001 0101 0101 0101 1110 0101 0101 0101 1110求运算后的各个标志位：求运算后的各个标志位： SF/ZF/PF/CF/AF/OFSF/ZF/PF/CF/AF/OF 0 0 0 0 0 0举例： 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium34标志寄存器：控制标志位（3位）控制标志位用于控制微处理器的操作和系统所处的工作方式，通常由指令设置。每一位控制标志都对一种特定的功能起控

25、制作用。可以通过专门的指令对其进行“置位”（Set）或“复位”（Reset）。控制标志中最常用的有方向标志DF、中断允许标志IF和跟踪标志TF。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium35控制标志位（续）1.中断允许标志IF（Interrupt Enable Flag）如果IF置“1”，则CPU可以接受可屏蔽中断请求；反之，则CPU不能接受可屏蔽中断请求。STI 使IF置“1”，即开放中断。 CLI 使IF清“0”，即关闭中断。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPenti

26、um36控制标志位（续）2.方向标志DF（Direction Flag） 用于串操作指令中的源变址寄存器SI和目的变址寄存器DI的自动调整方向。 若DF0则SI/DI地址增量修改，若DF1是减量修改。 STD使DF1。 CLD使DF0。3.跟踪标志TF（Trap Flag）也叫陷阱标志 没有专用的指令使其置1或者置0，但是可通过标志传送指令来实现。 若TF1，则CPU按跟踪方式（单步方式）执行程序，若TF0，否则将正常执行程序。 单步方式：每执行一个指令便产生一个中断，常用于程序的调试，以跟踪程序的运行过程。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器Pent

27、iumPentium37存储器随着微处理器的不断升级，存储器的容量越来越大，找到某个特定的存储单元即存储器寻址越来越复杂。但是这个工作必须坚定不移的完成！32位微处理器有三种工作方式： 实地址方式 虚拟地址方式(保护方式) 虚拟8086方式 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium38 实地址模式是实地址模式是1616位微处理器采用的方式。位微处理器采用的方式。3232微处理器位微处理器位向下兼容。向下兼容。逻辑地址是程序员编写程序时使用的地址。逻辑地址是程序员编写程序时使用的地址。实实地址模式下存储单元地址为地址模式下存储单元地

28、址为2020位，可寻地址范围位，可寻地址范围2 22020 = 1M = 1M。 1616位微处理器的寄存器只有位微处理器的寄存器只有1616位，不能容纳位，不能容纳2020位地址，位地址，于是采用于是采用2 2个寄存器共同组成个寄存器共同组成2020位地址。位地址。物理地址物理地址仍然是仍然是由由段地址左移段地址左移4 4位位+ +偏移地址偏移地址来生成。来生成。 段地址放在段寄存器中段地址放在段寄存器中，存储单元地址与段基址之差称存储单元地址与段基址之差称为偏移量或者有效地址为偏移量或者有效地址EAEA。EAEA也用也用1616位表示，因此段的最位表示，因此段的最大长度为大长度为2 216

29、16 =64K =64K字节。字节。1、实地址模式 （Real Address Mode）（P35） 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium39实地址方式1） 逻辑地址：16位的段码和16位的偏移量组合在一起称为逻辑地址，表示方式如下：段码：偏移量段码：偏移量2）物理地址：物理地址段首地址偏移量物理地址段首地址偏移量24段码偏移量段码偏移量 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium40实地址下物理地址的计算：16位段码左移4为，最低4位补0，成为20位段基址 微型机

30、原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium41计算物理地址的具体例子： 数据89H放在数据段某存储单元，段码放在DS，存储单元地址与段首地址的偏移量放在BX，DS=5432H，BX=1235H。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium42？思考题已知物理地址为FFFF0H，且段内偏移量为A000H，若对应的段地址放在DS中，则DS应为 。A. F5FF0H B.F5FFHC.5FFF0H D. 5FFFH答案：B 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微

31、处理器位微处理器PentiumPentium43虚拟地址方式（保护模式虚拟地址方式（保护模式 Protected Virtual Address Mode） 是最常用的方式，适用于多任务环境，在这种方式下，是最常用的方式，适用于多任务环境，在这种方式下，8038680386才能发挥它自身的强大功能，所以也称本性方式。才能发挥它自身的强大功能，所以也称本性方式。它的特点是：它的特点是： 通过逻辑（虚拟）通过逻辑（虚拟） 线性线性 物理地址物理地址的寻找方式来的寻找方式来实现存储器的管理，由于逻辑地址很大，既能实现大程序实现存储器的管理，由于逻辑地址很大，既能实现大程序的运行，又可以方便地实现多任

32、务的分配和管理。的运行，又可以方便地实现多任务的分配和管理。 能实现能实现1616位或位或3232位的运算。位的运算。 在保护方式下，可以转入到虚拟在保护方式下，可以转入到虚拟80868086的方式运行。的方式运行。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium441. 虚地址方式下从逻辑地址到线性地址 逻辑地址指的是机器语言指令中，用来逻辑地址指的是机器语言指令中，用来指定一个操作数或是一条指令的地址。指定一个操作数或是一条指令的地址。 虚地址方式下，逻辑地址是由一个段选择码加上一个指定段内相对地址的偏移量，表示为 段选择码：偏移量

33、。 段选择码放在16位的段寄存器中，偏移量放在32为的通用寄存器中。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium45线性地址虚地址方式下，段基址要通过查表间接得到。段选择码的作用就是选择段描述表中的某一描述项（描述符），而在描述项中给出了32位段基址和20位的段界限（给出段的长度）。线性地址=段基址（32位）+（段内）偏移量（32位）；表示范围2 23232 即4G。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium462. 虚地址方式下物理地址的形成：线性地址也叫虚拟地址线性

34、地址也叫虚拟地址(virtual address)，跟逻辑地址类似，也，跟逻辑地址类似，也是不真实的地址，如果逻辑地址是对应的硬件平台是不真实的地址，如果逻辑地址是对应的硬件平台段式管理转段式管理转换前换前地址的话，那么线性地址则对应了地址的话，那么线性地址则对应了硬件页式内存的转换前硬件页式内存的转换前地址。地址。物理地址可用以下公式：物理地址可用以下公式：不启动分页机制：物理地址不启动分页机制：物理地址=线性地址线性地址启动分页机制：物理地址启动分页机制：物理地址=页基址页基址+页内偏移量页内偏移量 = 232 *页码页码+页内偏移量页内偏移量 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四

35、章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium473种类型地址的计算种类型地址的计算有效地址有效地址 除立即数外除立即数外,有效地址均按下式运算有效地址均按下式运算: 有效地址有效地址=基址基址+变址变址比例因子比例因子+位移量位移量线性地址线性地址由存储器由存储器段式管理机构段式管理机构按按下下式来计算：式来计算： 线性地址线性地址=段基地址段基地址+有效地址有效地址物理地址物理地址 页式管理机构不工作时，页式管理机构不工作时，物理地址物理地址=线性地址线性地址; 页式管理机构工作时，页式管理机构工作时，物理地址物理地址=页基址页基址+页内偏移量页内偏移量 微型机原理与技术微型

36、机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium48输入/输出端口n 接口芯片内部的寄存器：n 1）数据寄存器：存放外部设备与主机之间传送的数据；n 2）状态寄存器存放外部设备的状态信息，以便让主机了解外部设备所处的状态，从而使外部设备与主机之间协调地运转；n 3）命令（或控制）寄存器：用于存放由主机发给外部设备的控制命令。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium494.1 微处理器逻辑结构的演变8086的逻辑结构 1978: 8086（1979: 8088）16位微处理器1MB寻址空间=22

37、02.5MIPS4或6字节指令Cache累加器、专用寄存器组4.77MHz和8MHz的主频2.9万晶体管 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium501993: Pentium32位微处理器，64位外部数据总线，32位地址总线4GB寻址空间=232主频达233MHz16KB L1 Cache（8KB指令、8KB数据）2个整数处理单元320万晶体管 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium518086主要特性小结如下： 集成了29 000个晶体管 段式存储器结构和硬件乘

38、除法运算电路 增加了预取指令的队列寄存器等 8086的一个突出特点是多重处理能力 多处理器系统，可大大提高其数据处理和输入/输出能力 与8086配套的各种外围接口芯片非常丰富，方便用户开发各种系统。2.1 微处理器逻辑结构的演变8086的逻辑结构 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium528086CPU内部结构内部结构 8086CPU内部结构按功能可分为两大部分： 1、总线接口单元总线接口单元BIU(Bus Interface Unit)负责与存储器、I/O端口传送数据2、 执行单元执行单元EU(Execution Unit)负

39、责指令的执行 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium531总线接口部件BIU组成 4个16位段地址寄存器 16位的指令指针寄存器IP 20位的地址加法器 6字节的指令队列缓冲器2执行部件4个通用寄存器4个专用寄存器标志寄存器，算术逻辑部件 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium548086的逻辑结构 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium558086的逻辑结构 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四

40、章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium56总线接口单元总线接口单元(BIU)p功能：从内存中取指令送入指令预取队列从内存中取指令送入指令预取队列负责与内存或输入负责与内存或输入/输出接口之间的数据传送输出接口之间的数据传送p在执行转移程序时，BIU使指令预取队列复位，从指定的新地址取指令，并立即传给执行单元执行。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium57指令队列提高系统效率地址加法器为什么使用？怎么用？总线接口部件（总线接口部件（BIU）大家思考 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 32

41、32位微处理器位微处理器PentiumPentium58p功能功能: 执行指令执行指令 从指令队列中取指令代码 译码 在ALU中完成数据的运算 运算结果的特征保存在标志寄存器FLAGS中。执行单元执行单元(EU) 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium59EU包括： 算术逻辑单元（运算器、） 8个通用寄存器 1个标志寄存器 EU部分控制电路具体如下： 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium60执行部件（EU）包括4个通用寄存器vAX、BX、CX、DX4个专用寄存器

42、vBP、SP、SI、DI标志寄存器FR算术逻辑部件ALU 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium61通用寄存器的长度word、byte、high、low通用寄存器的默认用途Accumulator、Base、Count、Data算术逻辑部件的主要功能标志寄存器FR状态标志控制标志1514131211109876543210OFDFIFTFSFZFAFPFCF执行部件（EU） 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium62p指令预取队列的存在使EU和BIU两个部分可同时进

43、行工作，从而提高了CPU的效率；降低了对存储器存取速度的要求EU与BIU的关系 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium63BIU和EU功能小结 BIU功能：负责与存储器、I/O端口传送数据，具体动作：v1、取指v2、执行中访存v3、I/O接口通信EU功能：负责执行指令运算结果，具体动作： 1、取指令代码 2、译码 3、在ALU中完成数据的运算 4、 运算结果的特征保存在标志寄存器FLAGS中 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium648086/8088的指令执行过

44、程演示 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium65逻辑地址-物理地址转换演示 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium661985年，Intel公司推出80386，采用32位数据总线，32位地址总线。80386是微处理器发展的一个里程碑。从体系结构上有了概念性的改变和革新。2.2 32位微处理器位微处理器 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium67 80386微处理器微处理器 80386 80386是

45、一种与是一种与1616位的位的8028680286相兼容的第一个相兼容的第一个高性能全高性能全3232位微处理器，它代表了体系结构位微处理器，它代表了体系结构的重要进步的重要进步从从1616位位体系结构过渡到体系结构过渡到3232位位体系结构。体系结构。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium6832位微处理器的型号很多，Intel公司推出的主要类型有80386，80486和Pentium微处理器。32位80386微处理器是为多用户和多任务操作系统而设计的具有32位寄存器和数据通道支持32位地址和数据类型 微型机原理与技术微型机

46、原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium69CPU片内有存储器管理部件MMU可实现分段和分页管理，使微处理器地址有4GB(千兆字节)物理存储器和64MMB(万亿字节)虚拟存储器，以及有4级保护功能，因此程序不能访问段所规定区域以外的单元，数据也不能写入到禁止的段里 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium7080486微处理器是在80386基础上又增加了浮点运算部件和加强了高速缓冲部件，其性能和速度又提高了一大步。Pentium处理器是一种先进的32位微处理器。它是一种双ALU流水线工作的

47、CPU，每一个时钟周期可执行两条指令，提供了强有力的工作站和服务器功能。Pentium，及微处理器又增添了多媒体处理功能，所以，Pentium微处理器也就最适用于多媒体计算机和网络计算机中。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium7180386的逻辑结构80386内部分为三大部分：总线接口部件、中央处理部件和存储器管理部件，而中央处理部件又分成指令预取部件、指令译码部件和指令执行部件三部分。80386处理器具体由6个功能部件组成：u指令预取部件 u指令译码部件u指令执行部件 u分段部件u分页部件u总线接口部件中央处理部件存储器管

48、理部件 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium7280386的逻辑结构Segment UnitPaging UnitInstruction Decode UnitExecution UnitInstruction Prefetch UnitBus Interface Unit中央处理部件中央处理部件存储管理部件存储管理部件总线接口部件总线接口部件重叠执行技术重叠执行技术IPU队列队列有空字节有空字节 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium73分段部分段部件和分件和

49、分页部件页部件总线总线接口接口部件部件BIU 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium74 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium75总线接口部件(BIU)总线接口部件通过数据总线、地址总线和控制总线负责与外部取得联系，包括访问存储器预取指令，读写数据和访问IO端口读写数据等全部操作及其他控制功能。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium76存储管理部件(MMU)分段部件分页部件页是机械划分的，每4K

50、B为一页，程序或数据均以页为单位进入实存。存储器按段来组织，每段包含若干个页，段的最大容量可达4 000MB。一个任务最多可包含16K个段，所以80386可为每个任务提供64MMB的虚拟存储空间。为了加快访问速度 ，系统中还设置有高速缓冲存储器(cache)，构成完整的cache主存辅存的3级存储体系。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium7732位微处理器的地址总线和数据总线地址总线32位地址总线是用30条地址线A2A31加上4个字节允许符BE0BE3来实现。32位微处理器的物理寻址空间有4GB，即232字节数据总线32位数

51、据总线可以使用BS8和BS16引脚输入控制信号来改变数据总线的宽度，将数据传送到8位或16位设备中去。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentiumW3-2 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium791 1、动手算一算？、动手算一算？ 执行下面的加法指令：执行下面的加法指令： 0111 1110 B0111 1110 B 0010 1000 B0010 1000 B 1010 0110 B 1010 0110 B求运算后的各个标志位：求运算后的各个标志位： SF/ZF/

52、PF/CF/AF/OFSF/ZF/PF/CF/AF/OF 1 0 1 0 1 1 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium80标志寄存器 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium81 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium2、8086的逻辑结构由哪些部分组成？ 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium831总线接口部件BIU组成 4个16位

53、段地址寄存器 16位的指令指针寄存器IP 20位的地址加法器 6字节的指令队列缓冲器2执行部件4个通用寄存器4个专用寄存器标志寄存器，算术逻辑部件 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium848086的逻辑结构 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium853、8086中BIU和EU功能分别由哪些？ BIU功能：负责与存储器、I/O端口传送数据，具体动作：v1、取指v2、执行中访存v3、I/O接口通信EU功能：负责执行指令运算结果，具体动作： 1、取指令代码 2、译码

54、3、在ALU中完成数据的运算 4、 运算结果的特征保存在标志寄存器FLAGS中 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium862、80386的逻辑结构包括哪些部件？ 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium8780386的逻辑结构80386内部分为三大部分六大功能组件。80386处理器具体由6个功能部件组成：u指令预取（IPU） u译码部件(IDU)u执行部件 (EU)u分段部件(SU)u分页部件(PU)u总线接口部件(BIU)中央处理部件（CPU）存储器管理部件（MM

55、U） 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium8880386的逻辑结构Segment UnitPaging UnitInstruction Decode UnitExecution UnitInstruction Prefetch UnitBus Interface Unit中央处理部件中央处理部件存储管理部件存储管理部件总线接口部件总线接口部件重叠执行技术重叠执行技术IPU队列队列有空字节有空字节 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium89图 80386指令流水线

56、操作示意图总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件和存储器管理部件构成了80386CPU指令流水线。由于四个部件并行工作，故80386的指令流水线为4级流水。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium90Pentium微处理器Pentium微处理器是一种最先进的32位微处理器。它与DOS，Windows, OS/2和UNIX基础上的应用软件兼容。有两组算术逻辑单元(ALU)、两条流水线、能同时执行两条指令；并且把数据cache(高速缓冲存储器)和代码cache分开；不仅提高了总线的速度；还将数据总线增加到64条；流水浮点部件提供了

57、工作站的特性。因此它几乎具有两台80X86的功能。 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium91 2.5 Pentium的原理结构包括12个主要部件，核心部件是两个流水线执行部件和浮点处理部件总线接口部件U流水线和V流水线数据Cache代码Cache指令预取部件指令译码器控制ROM分支目标缓冲器BTB控制部件浮点处理单元FPU分段部件和分页部件 寄存器组 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium92Pentium的主要部件总线接口部件64位数据线、32位地址线、控制总

58、线功能 地址驱动和传输：A31A3、BE7#BE0# 数据驱动：D63D0 数据总线宽度控制(8,16,32,64位通过控制信号实现总线宽度控制) 数据缓冲 总线操作的控制功能(数据传输,成组传输,中断,复位,DMA操作等) 奇/偶校验告示功能 Cache操作控制(片内和片外Cache一致性)U流水线和V流水线，独立运行Pentium的主要部件的主要部件 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium93Pentium的主要部件（续）代码Cache和数据Cache(高速缓存可读写RAM)两者分开，减少冲突，提高数据存取命中率两者分别配置

59、专用的TLB（转换检测缓冲器），将线性地址转换为高速缓存的物理地址指令预取部件IPU、指令译码器IDU、控制ROM和分支目标缓冲器BTBIPU每次预取两条指令复杂指令需要控制ROM的转换(转换为微程序)控制部件(控制流水线和FPU的正常运行)Pentium的主要部件的主要部件 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium94Pentium的主要部件（续）浮点处理部件(FPU)FPU按流水线机制执行指令（8级）是U流水线的补充浮点运算指令的前4级在U流水线中执行常用浮点指令采用专门的硬件电路实现支持32位、64位、80位精度分段部件和分

60、页部件片内二级存储管理分段将逻辑地址转换为物理地址分页将线性地址转换为物理地址Pentium的主要部件的主要部件 微型机原理与技术微型机原理与技术 第四章第四章 3232位微处理器位微处理器PentiumPentium95实现CPU与系统总线的连接，包含64位数据线、32位地址线和控制信号线，实现信息交换独立运行，均含ALU。每条流水线含5级（取指令、译码、生成地址、执行指令、回写）U：可执行所有的整数运算指令V：执行简单的整数运算和数据交换指令存放CPU最近要使用的数据和指令，提高存取速度,并分别配置了转换检测缓冲器采用硬件电路实现加、乘、除浮点运算含有复杂指令对应的微程序通过解析指令译码器