微处理器结构及外部特性

1、第第2 2章章第第2章：微处理器结构及外部特性章：微处理器结构及外部特性教学内容及重点微处理器8086/8088/80286微处理器*80386/486微处理器*Pentium级处理器简介2.5 803862.5 80386微处理器的功能结构微处理器的功能结构 概述32位CPU，132条引脚，数据/地址线32条，时钟频率12.5MHz及16MHz。支持虚拟存储器。有3种工作方式 实地址方式实地址方式 虚地址保护方式虚地址保护方式 虚拟虚拟8086方式方式80386有两种类型芯片：80386SX、80386DX什么是虚拟存储器？什么是虚拟存储器？BIU由请求判优控制器、地址驱动器、流水线总宽控制

2、、多路转换/收发器等组成，主要用于将CPU与外部总线连接起来指令预取部件由预取器和预取队列组成。预取器接收分段部件送来的线性地址和分段界限，并通过分页部件向BIU发出指令预取请求，分页部件将线性地址变为物理地址。指令译码部件包括指令译码器和已译码指令队列两部分。从预取队列中取出指令并译码，然后存入已译码队列中。以上三部分构成了80386的指令流水线执行部件由控制部件、数据处理部件、保护测试部件组成。他的任务是将已译码指令队列中的内部编码变成按时间顺序排列的一系列控制信息并发出。分段部件由三输入地址加法器、段描述符高速缓冲存储器及属性检验用可编程逻辑阵列组成。他的任务是把逻辑地址转换成线性地址。

3、分页部件由加法器、页高速缓冲存储器及属性检验用可编程逻辑阵列组成。他的任务是将分段部件或代码预取部件产生的现行地址转换成物理地址。分段部件、分页部件及总线接口部件构成了地址流水线。80386共有共有34个寄存器，包括：个寄存器，包括：16个基本寄存器个基本寄存器 4个32位通用寄存器、2个32位变址寄存器、3个32位指针寄存器、6个16位段寄存器和1个32位标志寄存器。4个控制寄存器个控制寄存器4个系统地址寄存器个系统地址寄存器8个调试寄存器个调试寄存器2个测试寄存器个测试寄存器通用寄存器图通用寄存器图1.通用寄存器通用寄存器可作为可作为32、16、8位寄存器使用位寄存器使用可存放操作数或地址

4、可存放操作数或地址一些隐含用法一些隐含用法2.变址寄存器变址寄存器可按可按32位或位或16位使用位使用存放存储器操作数的偏移地址存放存储器操作数的偏移地址3.指针寄存器指针寄存器EBP、ESP都是为堆栈操作使用的都是为堆栈操作使用的关于堆栈关于堆栈规则：后进先出规则：后进先出堆栈有两种：硬件堆栈、软件堆栈。堆栈有两种：硬件堆栈、软件堆栈。堆栈操作：压入或推入（堆栈操作：压入或推入（PUSH）-进栈，弹出进栈，弹出（POP）或拉出（）或拉出（PULL）-出栈。出栈。8086、286操作单位是字，操作单位是字，80386位两个字。位两个字。进栈时进栈时SP=SP-2，出栈时，出栈时SP=SP+2E

5、BP不具有自动增减量的功能，但必须与不具有自动增减量的功能，但必须与SS一一起使用起使用8086堆栈形式图堆栈形式图4.段寄存器和段描述符寄存器段寄存器和段描述符寄存器80386有有6个个16位段寄存器，位段寄存器，CS、DS、SS、ES、FS、GS描述符寄存器描述符寄存器 保护方式引入的数据结构，8个字节。在存储器寻址的过程中提供了一个间接层。 描述符有两类：段描述符和门描述符。 段描述符有代码段描述符、数据段描述符、堆栈段描述符，8个字节3个域。段界限-反映段的长度，用于存储空间的保护；段基址-给出该段的段基地址，用于形成物理地址；访问权字节-说明该段的访问权限。 门描述符有任务门、调用门

6、、中断门和自陷门，8个字节4个域：偏移量-给出转移到目标程序的段内偏移量；选择器-给出转移到的目标程序的段描述符；访问权字节同上；字计数-说明调用程序的堆栈复制到被调用程序的堆栈中去的字数。5.标志寄存器标志寄存器EFLAGS32位，有位，有6位状态标志、位状态标志、3位控制标志、位控制标志、2位保位保护标志及护标志及2个新增的标志。个新增的标志。状态标志状态标志-用来寄存用来寄存ALU运算结果的特殊信息运算结果的特殊信息 进位标志CF-加法是代表进位，减法是代表借位 奇偶标志PF-表示算数或逻辑运算结果低8位中1的个数，偶数为1，奇数为0 辅助进位标志AF-反映运算结果中第3位到第4位的进位

7、或借位，有进位为1，无进位为0 零标志ZF-操作结果为全0，则ZF=1，否则ZF=0标志寄存器图标志寄存器图 符号标志SF-负数标志。运算结果的最高位是1，表示负数，SF=1，否则SF=0 溢出标志OF-带符号数加减运算的结果产生溢出时，OF=1，否则OF=0控制标志控制标志-可用程序来置位和清零，具有一定控可用程序来置位和清零，具有一定控制功能制功能 与8086兼容的有三个 陷阱标志TF-单步操作标志。TF=1时，如果执行指令就产生单步陷阱，以便向用户提供该条指令执行后各寄存器的状况等。 中断允许标志IF-用于控制可屏蔽中断，1允许中断 方向标志DF-用于指定字符串处理指令的步进方向。DF=

8、1时，递减，否则，递增。 保护方式标志（与8086不兼容），保护方式下有效 输入/输出特权级标志IOPL-占两位，四种状态用来确定需要执行的I/O操作的特权级。00最高，11最低 嵌套任务标志NT-用来控制返回指令的运行。若NT=0，表明发生中断时或执行调用指令时没有发生任务切换，因而，返回指令执行常规的返回操作；否则表明当前任务嵌套在另一个任务中，返回操作通过任务切换来完成。 新增标志 重新启动标志RF-用来控制调试故障是否能被接受 虚拟8086方式标志VM-用来控制处理器在哪种保护方式下运行。1为保护方式。6.控制寄存器控制寄存器-4个个32位控制寄存器。位控制寄存器。CR0包含包含6个系

9、统标志个系统标志 允许保护标志PE-用于控制微处理器是否进入保护方式。置位为保护，且一旦置位，只能通过系统复位来清除。 监控数学协处理器扩充标志MP-用来表示数学协处理器是否存在，存在则置位，否则清0。 仿真协处理器扩充标志EM-用来表示是否用软件来仿真数学协处理器。如EM=1，仿真。 任务转换标志TS-由硬件置位，由软件复位。当一个任务转换完成之后，TS标志自动置1。 扩充类型标志ET-该标志用来表示系统中所使用的数学协处理器的类型。ET=1，使用80387；ET=0使用80287或无协处理器。 允许分页标志PG-该标志用来表示处理器是否允许对存储器线性地址进行分页，并进行物理地址转换。PG

10、=1，允许分页，并由分页部件将线性地址转换为物理地址。CR1未定义未定义CR2是页故障线性地址寄存器，保存最后出现是页故障线性地址寄存器，保存最后出现页故障的全页故障的全32位线性地址。位线性地址。CR3是页目录基地址寄存器，用来保存页目录是页目录基地址寄存器，用来保存页目录表的物理基地址。表的物理基地址。7.系统地址寄存器系统地址寄存器-用来保存操作系统所需用来保存操作系统所需的保护信息和地址转换表信息。的保护信息和地址转换表信息。386有有4个个此类寄存器此类寄存器全局描述符表寄存器全局描述符表寄存器GDTR-48位，用来保存全位，用来保存全局描述符表的局描述符表的32位线性基址和位线性基

11、址和16位界限。位界限。中断描述符表寄存器中断描述符表寄存器IDTR-48位，用来保存中位，用来保存中断描述符表的断描述符表的32位线性地址和位线性地址和16位界限。位界限。局部描述符表寄存器局部描述符表寄存器LDTR-16位，用来保存当位，用来保存当前任务的局部描述符表。前任务的局部描述符表。任务状态寄存器任务状态寄存器TR-16位，用来保存当前任务位，用来保存当前任务的的TSS（任务状态段）。（任务状态段）。8.调试寄存器调试寄存器-有有8个个32位调试寄存器位调试寄存器DR0DR7，为程序调试提供了硬件支持。，为程序调试提供了硬件支持。9.测试寄存器测试寄存器-有有2个个32位测试寄存器

12、位测试寄存器TR6、TR7。程序设计人员可在芯片加电后，用。程序设计人员可在芯片加电后，用他们来测试分页部件中转换监视缓冲器的他们来测试分页部件中转换监视缓冲器的操作是否正确。操作是否正确。TR6用来存放测试用命令，用来存放测试用命令，TR7用来保存对转换监视缓冲器测试时的用来保存对转换监视缓冲器测试时的状态数据。状态数据。2.6 80486微处理器的功能结构微处理器的功能结构概述概述32位，位，168条引脚条引脚数据数据/地址线均为地址线均为32条，可寻址条，可寻址4GB物理空间和物理空间和64TB虚拟地址空间虚拟地址空间由一个整数处理部件（由一个整数处理部件（CPU）、一个浮点处理）、一个

13、浮点处理部件（协处理器）及一个指令部件（协处理器）及一个指令/数据共用的高速数据共用的高速缓存缓存Cache组成组成可划分为可划分为9个处理部件，见下图个处理部件，见下图2.6 80486微处理器微处理器见教材见教材P37 图图2.162.6 80486微处理器的功能结构微处理器的功能结构总线接口部件总线接口部件负责与处理器外部总线的连接，在处理器内部负责与处理器外部总线的连接，在处理器内部BIU只与只与Cache和指令预取部件交换数据和指令预取部件交换数据预取指令时，同时写入预取指令部件和预取指令时，同时写入预取指令部件和Cache采用写缓冲采用写缓冲高速缓冲存储部件高速缓冲存储部件用来管理

14、用来管理486上上8KB高速缓冲高速缓冲RAM命中、未命中命中、未命中行填充行填充2.6 80486微处理器的功能结构微处理器的功能结构代码预取部件代码预取部件在总线空闲周期向在总线空闲周期向BIU发出预取指令请求，地发出预取指令请求，地址由预取部件自身产生址由预取部件自身产生指令译码部件指令译码部件从指令预取队列取机器码，并将其转换成对其从指令预取队列取机器码，并将其转换成对其他处理部件的控制信号他处理部件的控制信号分两步：分两步： 首先决定指令执行时是否需要访问存储器 产生对其他处理部件的控制信号2.6 80486微处理器的功能结构微处理器的功能结构控制部件控制部件对整数部件、浮点部件和段

15、部件等进行控制，使他们对整数部件、浮点部件和段部件等进行控制，使他们完成已译码指令的执行完成已译码指令的执行整数部件整数部件包括包括4个个32位通用寄存器、位通用寄存器、2个个32位变址寄存器、位变址寄存器、2个个32位指针寄存器、位指针寄存器、64位桶形移位器、算术和逻辑运算位桶形移位器、算术和逻辑运算部件和标志寄存器等部件和标志寄存器等分段部件和分页部件分段部件和分页部件二者一起构成存储器管理部件，用来实现存储器保护二者一起构成存储器管理部件，用来实现存储器保护和虚拟存储器管理。和虚拟存储器管理。分段部件是将逻辑地址转换成线性地址，分页部件用分段部件是将逻辑地址转换成线性地址，分页部件用来

16、完成虚拟存储器管理，将线性地址转换为物理地址来完成虚拟存储器管理，将线性地址转换为物理地址2.6 80486微处理器的功能结构微处理器的功能结构浮点部件浮点部件与外部协处理器功能完全一样，但所需操作数与外部协处理器功能完全一样，但所需操作数存放在处理器内部的通用寄存器或存放在处理器内部的通用寄存器或Cache中时，中时，运算速度大大提高运算速度大大提高2.7 Pentium级微处理器级微处理器Pentium微处理器微处理器数据线数据线64位，地址线位，地址线32位位采用超标量流水线技术，有两条：采用超标量流水线技术，有两条：U、V流水线流水线指令指令Cache和数据和数据Cache分开设置，存

17、储容量分开设置，存储容量均为均为8KB功能框图如下页功能框图如下页演示2.7 Pentium级微处理器级微处理器Pentium Pro微处理器微处理器具有三条超标量流水线、具有三条超标量流水线、3个并行的译码器、个并行的译码器、5个执行单元、个执行单元、2个一级个一级8KBCache和一个和一个256KB二级二级Cache是是RISC和和CISC的混合型指令集的混合型指令集二级二级Cache通过通过64位专用总线（后端总线）与位专用总线（后端总线）与CPU相连，速度与相连，速度与CPU时钟相同时钟相同不足：运行不足：运行16位软件性能差，且成本高位软件性能差，且成本高2.7 Pentium级微

18、处理器级微处理器MMX Pentium微处理器微处理器芯片管脚与芯片管脚与Pentium相兼容相兼容增加增加MMX指令指令内部内部Cache容量较容量较Pentium提高一倍，各提高一倍，各16KB多用在便携机中多用在便携机中Pentium II微处理器微处理器二级二级Cache不放在同一封装，而是放在印刷基不放在同一封装，而是放在印刷基板上，再用一个盒子装起来，采用独立总线板上，再用一个盒子装起来，采用独立总线一级一级Cache各各16KB增加了增加了MMX指令处理电路指令处理电路补充补充所谓虚拟存储器，是指具有请求调入功能和页面置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储系统。其逻辑容

19、量由内存和外存容量之和决定，速度介于内、外存之间。是一种性能非常优越的存储器管理技术。虚拟存储系统是在内存和外存之间，通过存储管理单元，进行虚地址和实地址的自动转换而实现的，对用户程序是透明的。补充补充段式存储管理段式存储管理分段是存储管理的一种方式，同时也为保护提供了基分段是存储管理的一种方式，同时也为保护提供了基础。段用于封闭具有共同属性的存储区域。础。段用于封闭具有共同属性的存储区域。32位位80X86每个逻辑段可以达每个逻辑段可以达4GB程序使用的程序使用的逻辑地址逻辑地址由两部分组成：由两部分组成：32位的段基地址位的段基地址和和32位的段内偏移地址位的段内偏移地址在保护方式下，每个段的段基地址、段长度的界限和在保护方式下，每个段的段基地址、段长度的界限和相应的属性用一个有相应的属性用一个有8个字节组成的描述符存放。程序个字节组成的描述符存放。程序中各个段的描述符集中在一起形成描述符表，存于存中各个段的描述符集中在一起形成描述符表，存于存储器的某个区域。储器的某个区域。在保护方式下的段寄存器被称为段选择器，仍为在保护方式下的段寄存器被称为段选择器，仍为16位，位，其