微机原理 第二章 Intel 32位CPU

1、第二章 Intel 32位CPU第第 2 2 章章 Intel 32Intel 32位微处理器位微处理器2.1 2.1 微处理器的基本结构微处理器的基本结构2.2 2.2 寄存器寄存器2.3 2.3 指令流水线操作指令流水线操作第二章 Intel 32位CPU2.1 微处理器的基本结构微处理器的基本结构2.1.1 2.1.1 几种典型微处理器简介几种典型微处理器简介1 1、1616位微处理器位微处理器Intel 8086Intel 80861616位内部体系结构位内部体系结构1616位外部数据总线，位外部数据总线，2020位地址总线位地址总线 （寻址范围（寻址范围2 22020B = 1MBB

2、 = 1MB）2 2、3232位微处理器位微处理器Intel 80386Intel 803863232位内部体系结构位内部体系结构3232位外部数据总线，位外部数据总线，3232位地址总线位地址总线（实内存（实内存2 23232B = 4GBB = 4GB，虚拟空间，虚拟空间2 24646B = 64TBB = 64TB）三种工作方式：实方式、保护方式、虚拟三种工作方式：实方式、保护方式、虚拟80868086方式方式采用流水线技术和指令预取技术采用流水线技术和指令预取技术第二章 Intel 32位CPUIntel 80486Intel 804863232位内部体系结构位内部体系结构3232位外

3、部数据总线，位外部数据总线，3232位地址总线位地址总线三种工作方式：实方式、保护方式、虚拟三种工作方式：实方式、保护方式、虚拟80868086方式方式采用流水线技术和指令预取技术采用流水线技术和指令预取技术片内含片内含8KB8KB高速缓存（高速缓存（CacheCache）片内含浮点运算单元（片内含浮点运算单元（FPUFPU）第二章 Intel 32位CPUIntelIntel PentiumPentium系列系列经典奔腾经典奔腾 高能奔腾高能奔腾 多能奔腾多能奔腾 奔腾二代奔腾二代 奔奔腾三代腾三代 奔腾四代奔腾四代AMD K5AMD K5、K6K6、K7K73 3、6464位微处理器位微处

4、理器IntelIntel Pentium4 Pentium4 双核双核Core Core 酷睿系列酷睿系列AMD K8AMD K8、K10K10 趋势：趋势：1、多核、多核 2、更快的主频、更快的主频 3、更大的缓存、更大的缓存 4、更、更小的制作工艺小的制作工艺第二章 Intel 32位CPU执行部件执行部件EU8位位指令队列指令队列段段寄寄存存器器ALU数据总线数据总线16位位数据总线数据总线16位位地址总线地址总线20位位系系统统总总线线 暂存寄存器暂存寄存器 FLAGSEU控制控制单元单元AHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISIAXBXCXDX通通用用寄寄存存器器组组 CS D

5、S SS ES IP内部通信寄存器内部通信寄存器总线总线控制控制逻辑逻辑1234地址加法器地址加法器总线接口部件总线接口部件BIUALU2.1.2 微处理器的内部结构微处理器的内部结构1. 8086微处理器由执行部件微处理器由执行部件EU和总线接口部件和总线接口部件BIU构成构成数据段数据段代码段代码段堆栈段堆栈段附加段附加段存储器存储器第二章 Intel 32位CPU2.804862.80486微处理器的内部结构微处理器的内部结构 8048680486微处理器内部由八大部件组成：总线接口部件、微处理器内部由八大部件组成：总线接口部件、高速缓存部件、代码预取部件、指令译码部件、浮点数部高速缓存

6、部件、代码预取部件、指令译码部件、浮点数部件、执行部件、段部件、分页部件。件、执行部件、段部件、分页部件。 总总线线接接口口部部件件 分分页页 部部件件 段段 部部件件 执执行行 部部件件 浮浮点点数数部部件件 高高速速缓缓存存部部件件 代代码码预预取取部部件件 指指令令译译码码部部件件 外外部部数数据据总总线线 32位位 外外部部地地址址总总线线 32位位 内内部部控控制制线线 内内部部数数据据总总线线 64位位 物物理理地地址址 物物理理地地址址 线线性性地地址址 分分 逻逻辑辑地地址址 第二章 Intel 32位CPU2.1.3 2.1.3 微处理器的外部引脚微处理器的外部引脚 CLK

7、A2 A31 D0 D31 BE3 ADS BE2 ADY BE1 INTR BE0 RESET M/IO NMI D/C INTA W/R AHOLD LOCK EADS 80486 PLOCK KEN HOLD FLUSH HLDA PWT BOFF PCD BREQ FERR BRDY IGNNE BLAST A20M BS8 BS16 DP3 DP2 DP1 DP0 PCHK 地址总线地址总线数据总线数据总线中断信号中断信号总线控制信号总线控制信号第二章 Intel 32位CPU第二章 Intel 32位CPU27262524232221201286432168421215214213

8、212211210292832,76816,3848,1924,096 2,048 1,024 5122562232222212202192182172168M4M2M1,048,576 524,288 262,144 131,072 65,5362312302292282272262252242G1G512M 256M128M64M32M16M32K 16K 8K 4K 2K 1K1M 512K 256K 128K 64K 第二章 Intel 32位CPU第二章 Intel 32位CPU第二章 Intel 32位CPU2.2 寄存器寄存器2.2.1 2.2.1 通用寄存器通用寄存器 31 1

9、5 7 031 15 7 0 31310 150 150 150 158 78 70 0 EAX AX AH AL EAX AX AH AL EBX BX BH BL EBX BX BH BL ECX CX CH CL ECX CX CH CL EDX DX DH DL EDX DX DH DL EBP BP EBP BP ESP SP ESP SP ESI SI ESI SI EDI DI EDI DI累加器累加器基址基址计数器计数器数据数据基址指针基址指针堆栈指针堆栈指针源变址源变址目标变址目标变址第二章 Intel 32位CPU2.2.2 2.2.2 指令指针寄存器指令指针寄存器 EIP

10、 EIP （3232位）位） IP IP （EIPEIP的低的低1616位）位） 内容：下一条要取入微处理器的指令在内存中的偏移地址。内容：下一条要取入微处理器的指令在内存中的偏移地址。2.2.3 2.2.3 标志寄存器标志寄存器 EFLAGS EFLAGS （3232位）位） FLAGS FLAGS （EFLAGSEFLAGS的低的低1616位）位） 31 18 17 16 15 14 1312 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 031 18 17 16 15 14 1312 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0ACVMRF0 NTIOPLOFDFIFTFSFZF

11、0 AF0 PF1 CF第二章 Intel 32位CPU部分基本标志位的含义：部分基本标志位的含义： 1 1、CFCF（进位标志）（进位标志） =1 =1 算术操作最高位产生了进位或借位算术操作最高位产生了进位或借位 =0 =0 最高位无进位或借位最高位无进位或借位 2 2、PFPF（奇偶标志（奇偶标志） =1 =1 数据最低数据最低8 8位中位中1 1的个数为偶数的个数为偶数 =0 =0 数据最低数据最低8 8位中位中1 1的个数为奇数的个数为奇数 3 3、AFAF（辅助进位标志）（辅助进位标志） =1 D3D4=1 D3D4位产生了进位或借位位产生了进位或借位 =0 D3D4=0 D3D4

12、位无进位或借位位无进位或借位第二章 Intel 32位CPU 4 4、ZFZF（零标志）（零标志） =1 =1 操作结果为操作结果为0 0 =0 =0 结果不为结果不为0 0 5 5、SFSF（符号标志）（符号标志） =1 =1 结果最高位为结果最高位为1 1 =0 =0 结果最高位为结果最高位为0 0 6 6、OFOF（溢出标志）（溢出标志） =1 =1 此次运算发生了溢出此次运算发生了溢出 =0 =0 无溢出无溢出 7 7、DFDF（方向标志）（方向标志） =1 =1 地址自动按减量变化地址自动按减量变化 =0 =0 地址自动按增量变化地址自动按增量变化第二章 Intel 32位CPU8

13、8、TFTF（陷阱标志）（陷阱标志） =1 =1 调试按单步方式调试按单步方式 =0 =0 非单步非单步9 9、IFIF（中断允许标志）（中断允许标志） =1 =1 允许响应外部可屏蔽中断允许响应外部可屏蔽中断 =0 =0 禁止响应禁止响应1010、ACAC（对准检查标志）（对准检查标志） =1 =1 如果进行未对准的地址访问，则产生异常中断如果进行未对准的地址访问，则产生异常中断 =0 =0 否否第二章 Intel 32位CPU2.2.4 2.2.4 段寄存器段寄存器 1616位（编程可见）位（编程可见） 6464位（编程不可见）位（编程不可见） 选择器寄存器选择器寄存器 描述符寄存器描述符

14、寄存器CSDSSSESFSGSCSDSSSESFSGS第二章 Intel 32位CPU 1 1、实方式或虚拟、实方式或虚拟80868086方式下方式下 段寄存器为段寄存器为1616位，存放内存段的段基址。位，存放内存段的段基址。 CS-CS-代码段的段基址代码段的段基址 DS-DS-数据段的段基址数据段的段基址 SS-SS-堆栈段的段基址堆栈段的段基址 ES-ES-附加数据段的段基址附加数据段的段基址第二章 Intel 32位CPU（1）内存分段的基本思想）内存分段的基本思想l8086有有20条地址线，可直接寻址条地址线，可直接寻址220=1MB个地址个地址编码。编码。l80X86的的32位位

15、CPU有有32条地址线，可直接寻址空条地址线，可直接寻址空间为间为232 = 4GB个地址编码。称作物理空间，内存个地址编码。称作物理空间，内存或主存。或主存。l在内存中占据相对独立的内存区间在内存中占据相对独立的内存区间内存分段。内存分段。l一个程序拥有多个段、不同程序占据不完全相同一个程序拥有多个段、不同程序占据不完全相同的几个段。的几个段。l系统要管理内存，必须知道每个段的信息，包括：系统要管理内存，必须知道每个段的信息，包括：段在物理空间的开始地址、段大小、是数据型还段在物理空间的开始地址、段大小、是数据型还是程序型、或是系统管理信息等。是程序型、或是系统管理信息等。第二章 Intel

16、 32位CPU（2 2）实模式下存储器管理：）实模式下存储器管理： 1 1）一个）一个段的长度段的长度为为1 164K64K字节内；字节内； 2 2）段寄存器（段寄存器（1616位）位）直接存放某一段的段基地址直接存放某一段的段基地址（2020位段起始地址的高位段起始地址的高1616位，低位，低4 4位默认为位默认为0000B0000B，即，即段的起始地址必须是段的起始地址必须是1616的倍数）；的倍数）； 3 3）编程时，程序给出指令或者数据的）编程时，程序给出指令或者数据的逻辑地址逻辑地址，包括包括段基地址段基地址（1616位）和位）和偏移地址偏移地址（1616位，相对于段位，相对于段基地

17、址的段内偏移量）。基地址的段内偏移量）。第二章 Intel 32位CPU 在存储器寻址时，将逻辑地址转换为存储器存储在存储器寻址时，将逻辑地址转换为存储器存储单元的物理地址（实际地址或者绝对地址），单元的物理地址（实际地址或者绝对地址），1M1M存储存储空间物理地址为空间物理地址为2020位。位。 物理地址（物理地址（20位）位） =段首地址（段首地址（20位）位） + 偏移地址（偏移地址（16位）位） =段基址（段基址（16位）位）10H + 偏移地址（偏移地址（16位）位）段基址为段首地址的高段基址为段首地址的高16位。段首地址的低位。段首地址的低4位为位为0。逻辑地址的表示方法：逻辑地址

18、的表示方法： 段基地址：偏移地址段基地址：偏移地址例：例：CS： EA 1D24 : 0100 第二章 Intel 32位CPU 例：例：第二章 Intel 32位CPU2.2. 保护方式下保护方式下 段寄存器有段寄存器有CSCS、DSDS、SSSS、ESES、FSFS、GSGS， 1616位（编程可见）位（编程可见） 6464位（编程不可见）位（编程不可见） 选择器寄存器选择器寄存器 描述符寄存器描述符寄存器 CSDSSSESFSGSCSDSSSESFSGS第二章 Intel 32位CPU 选择器寄存器的低选择器寄存器的低2 2位为特权标志，位为特权标志，D2D2位为描述位为描述符表类型标志

19、，高符表类型标志，高1313位是选择码。位是选择码。 描述符寄存器的作用是为了加速运行。描述符寄存器的作用是为了加速运行。逻辑地址由逻辑地址由选择器寄存器：偏移地址选择器寄存器：偏移地址组成。组成。保护方式下：保护方式下： 段基址段基址3232位位 偏移地址偏移地址3232位位 线性地址线性地址3232位位 物理地址物理地址3232位位 INDEX TIRPL15 3 2 1 0选择器寄存器格式选择器寄存器格式第二章 Intel 32位CPU2.2.5 2.2.5 系统地址寄存器系统地址寄存器 1 1、GDTR GDTR （4848位）位） 全局描述符表寄存器全局描述符表寄存器 2 2、LDTR LDTR （1616位）位） 局部描述符表寄存器局部描述符表寄存器 3 3、IDTRIDTR（4848位）位） 中断描述符表寄存器中断描述符表寄存器 4 4、TRTR（1616位）位） 任务状态寄存器任务状态寄存器第二章 Intel 32位CPU2.3 2.3 微处理器的工作方式微处理器的工作方式 1 1、实地址方式、实地址方式 （Real Address ModeReal Address Mode）2 2、保护方式、保护方式 （Protected ModeProtected Mode）3 3、虚拟、虚拟80868086方式方式 （Virtual 8086 ModeVirtua