微机原理第二章1

1、博学 审问 慎思 明辨 笃行第二章第二章 16位和位和32位位 微处理器微处理器22022-6-12 2.1 16位微处理器位微处理器8086 2.2 32位微处理器位微处理器Pentium的先进技术的先进技术 2.3 Pentium的指令流水线技术的指令流水线技术 2.4 Pentium的工作方式的工作方式 2.5 Pentium的原理结构的原理结构 2.6 Pentium的寄存器和相关机制的寄存器和相关机制 2.7 Pentium的主要信号的主要信号 2.8 Pentium的总线状态的总线状态 2.9 Pentium的总线周期的总线周期 2.10 Pentium的中断的中断 2.11 Pe

2、ntium的保护技术的保护技术 2.12 Pentium系列微处理器的技术发展系列微处理器的技术发展 2.13 Itantium微处理器概述微处理器概述第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器32022-6-12教学重点教学重点： 8086的寄存器组；的寄存器组； 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的中断机

3、制和中断描述符表；的中断机制和中断描述符表； Pentium的段页两级保护机制。的段页两级保护机制。第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器42022-6-12第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器2.1 16位微处理器位微处理器808640引脚，双列直插式芯片引脚，双列直插式芯片16根数据线，根数据线，20根地址线根地址线可寻址的存储器地址空间容量为可寻址的存储器地址空间容量为220B（约（约1MB）52022-6-12 常规数学表达：常规数学表达： K (Kilo) = 1000 = 103 M (Mega) = 10002 = 106 (百万百万) G (Giga)

4、 = 109 (十亿十亿) T (Tera) = 1012 （万亿（万亿) 内存容量内存容量 : KB = 1024 Bytes (2 10) MB = 10242 Bytes (2 20) GB = 10243 Bytes (2 30) TB = 10244 Bytes (2 40) PB = 10245 Bytes (2 50)第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器小常识小常识62022-6-12第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器 什么是分时复用？什么是分时复用？ 分时复用就是一个引脚在不同的时刻 具有两个甚至多个作用, 最常见的总线复 用是数据和地址引脚复用

5、, 总线复用的目 的是为了减少对外引脚个数, 8086CPU的 数据地址线采用了总线复用方法. 72022-6-122.1.1 8086的编程结构的编程结构 第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器从功能上分：从功能上分：1. 总线接口部件总线接口部件BIU （Bus Interface Unit）2. 执行部件执行部件EU ( Execution Unit)（从程序员与使用者角度看到的结构）（从程序员与使用者角度看到的结构）82022-6-12内部暂存器内部暂存器 IP ES SS DS CS输入输入/输出输出控制电路控制电路外部总线外部总线执行部分执行部分控制电路控制电路ALU标

6、志寄存器标志寄存器 AH AL BH BLCH CL DH DL SP BP SI DI通用通用寄存器寄存器地址地址加法加法器器指令队列指令队列执行部件执行部件 （EU)总线接口部件总线接口部件 （BIU)16位位20位位16位位8位位ALU数据总线数据总线队列总线队列总线1 2 3 4 5 6 8086的的编编程程结结构构92022-6-12高字节高字节低字节低字节高地址高地址低地址低地址.1100 1111B1100 1111B.物理地址物理地址内容内容00000H00000H00001H00001H00002H00002H00006H00006HFFFFFHFFFFFH 内存单元的地址和

7、内容内存单元的地址和内容102022-6-12内部暂存器内部暂存器 IP ES SS DS CS输入输入/输出输出控制电路控制电路外部总线外部总线执行部分执行部分控制电路控制电路ALU标志寄存器标志寄存器 AH AL BH BLCH CL DH DL SP BP SI DI通用通用寄存器寄存器地址地址加法加法器器指令队列指令队列执行部件执行部件 （EU)总线接口部件总线接口部件 （BIU)16位位20位位16位位8位位ALU数据总线队列总线队列总线1 2 3 4 5 6 8086的的编编程程结结构构1、总线接口部件、总线接口部件 BIU （Bus Interface Unit） 1) 功能：功

8、能：负责与负责与 M、I/O 端口传送数据端口传送数据。具体讲：具体讲： 总线接口部件要从内存总线接口部件要从内存 取指令送到指令队列取指令送到指令队列； CPU执行指令时，要配执行指令时，要配合执行部件从指定的内存单合执行部件从指定的内存单元或者外设端口中元或者外设端口中取数据取数据，将将数据传送给执行部件数据传送给执行部件EU； 或把执行部件的操作或把执行部件的操作结结果传给指定的果传给指定的M或或I/O端口端口。112022-6-12内部暂存器内部暂存器 IP ES SS DS CS输入输入/输出输出控制电路控制电路外部总线外部总线执行部分执行部分控制电路控制电路ALU标志寄存器标志寄存

9、器 AH AL BH BLCH CL DH DL SP BP SI DI通用通用寄存器寄存器地址地址加法加法器器指令队列缓冲器指令队列缓冲器执行部件执行部件 （EU)总线接口部件总线接口部件 （BIU)16位位20位位16位位8位位ALU数据总线队列总线1 2 3 4 5 6 8086的编程结构2）组成组成q 4 个段地址寄存器个段地址寄存器 （CS、DS、ES、SS），），q 16位指令指针寄存器位指令指针寄存器IP ，q 20位的地址加法器位的地址加法器 (16d 段地址段地址+偏移地址物理地址偏移地址物理地址),q 6字节（字节（8086）的指令队列）的指令队列,q总线控制电路总线控制电

10、路: 处理器与外界处理器与外界总线联系的转接电路。总线联系的转接电路。 包括三组总线：包括三组总线： 20 位地址总线，位地址总线， 16 位双向数位双向数据总线，一组控制总线据总线，一组控制总线。122022-6-12段地址寄存器：段地址寄存器：4个个16位段寄存器位段寄存器CS、DS、SS、ES。用来用来存放逻辑段的起始地址，不可互换的使用。存放逻辑段的起始地址，不可互换的使用。CSCode Segment Register 代码段寄存器代码段寄存器 用来识别当前代码段（程序一般放在代码段）。用来识别当前代码段（程序一般放在代码段）。DSData Segment Register 数据段寄

11、存器数据段寄存器 用来识别当前数据段寄存器。用来识别当前数据段寄存器。SSStack Segment Register 堆栈段寄存器堆栈段寄存器 用来识别当前堆栈段。用来识别当前堆栈段。ESExtra Segment Register 附加段寄存器附加段寄存器 用来识别当前附加数据段。用来识别当前附加数据段。第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器段地址寄存器段地址寄存器132022-6-12堆栈堆栈: 一组特别划分出来的存储器存储区，一组特别划分出来的存储器存储区， 用来暂存一批需要回避的数据或地址。用来暂存一批需要回避的数据或地址。存取原则：存取原则：“后进先出后进先出”第二章第

12、二章 16位和位和32位微处理器位微处理器堆栈是内存开辟的一个特殊数据区，一端固堆栈是内存开辟的一个特殊数据区，一端固定一端浮动，严格按照后进先出的工作原则。定一端浮动，严格按照后进先出的工作原则。一个堆栈段的一个堆栈段的最大深度为最大深度为64KB堆栈堆栈142022-6-12第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器IPInstruction Pointer 指令指针寄存器指令指针寄存器 用来存储代码段中的偏移地址用来存储代码段中的偏移地址;程序运行过程中程序运行过程中IP始终指向下一次要取出的指令偏移地址始终指向下一次要取出的指令偏移地址。 IP要与要与CS寄存器相配合才能形成真

13、正的物理地址。寄存器相配合才能形成真正的物理地址。SP和和BP在使用上有区别：在使用上有区别： 执行堆栈指令执行堆栈指令PUSH和和POP时，指令地址是由时，指令地址是由SP给出给出当前栈顶的偏移地址，故将当前栈顶的偏移地址，故将SP称为堆栈指针寄存器。称为堆栈指针寄存器。 BP则是用来存放位于堆栈段中的一个数据区基址的偏则是用来存放位于堆栈段中的一个数据区基址的偏移地址的，故将移地址的，故将BP称做基址指针寄存器称做基址指针寄存器。152022-6-121 2 3 4 内部暂存器内部暂存器 IP ES SS DS CS输入输入/输出输出控制电路控制电路外部总线外部总线执行部分执行部分控制电路

14、控制电路ALU标志寄存器标志寄存器 AH AL BH BLCH CL DH DL SP BP SI DI通用通用寄存器寄存器地址地址加法加法器器指令队列指令队列执行部件执行部件 （EU)总线接口部件总线接口部件 （BIU)16位位20位位8位位8位位80868086的内部结构的内部结构ALU数据总线队列总线3 )二点说明二点说明 指令队列指令队列 8086 的指令队列为的指令队列为6个字节个字节 在执在执行指令的同时从内存中取下一条或几行指令的同时从内存中取下一条或几条指令，取来的指令放在指令队列中，条指令，取来的指令放在指令队列中，使使 BIU 具有预取指令的功能，具有预取指令的功能，是一是

15、一种先进先出（种先进先出（FIFO）的数据结构）的数据结构。 指令执行顺序指令执行顺序 顺序指令执行顺序指令执行：指令队列存放紧接：指令队列存放紧接在执行指令后面的那一条指令。在执行指令后面的那一条指令。 执行转移指令执行转移指令：BIU 清除指令队列清除指令队列中的内容，从新的地址取入指令，立中的内容，从新的地址取入指令，立即送往执行单元，然后再从新单元开即送往执行单元，然后再从新单元开始重新填满队列。始重新填满队列。1 2 3 4 5 6 162022-6-121 2 3 4 内部暂存器内部暂存器 IP ES SS DS CS输入输入/输出输出控制电路控制电路外部总线外部总线执行部分执行部

16、分控制电路控制电路ALU标志寄存器标志寄存器 AH AL BH BLCH CL DH DL SP BP SI DI通用通用寄存器寄存器地址地址加法加法器器指令队列指令队列执行部件执行部件 （EU)总线接口部件总线接口部件 （BIU)16位位20位位8位位8位位ALU数据总线队列总线 地址加法器地址加法器 用来产生用来产生20位的存储单元的地址位的存储单元的地址 8086可用可用20位地址线寻址位地址线寻址1MB的的内存空间，但内存空间，但8086内部寄存器都是内部寄存器都是16位的，所以需要用地址加法器来根据位的，所以需要用地址加法器来根据16位的寄存器提供的信息计算出位的寄存器提供的信息计算

17、出20位位的物理地址。的物理地址。物理地址物理地址 = 段地址段地址 10H + 偏移地偏移地址址 = 段地址段地址 16d + 偏移地址。偏移地址。1 2 3 4 5 6 172022-6-12内部暂存器内部暂存器 IP ES SS DS CS输入输入/输出输出控制电路控制电路外部总线外部总线执行部分执行部分控制电路控制电路ALU标志寄存器标志寄存器 AH AL BH BLCH CL DH DL SP BP SI DI通用通用寄存器寄存器地址地址加法加法器器指令队列指令队列执行部件执行部件 （EU)总线接口部件总线接口部件 （BIU)16位位20位位8位位8位位ALU数据总线队列总线 由此可

18、见，由此可见，8086取指部分与执行部分是分开的。取指部分与执行部分是分开的。 在一条指令的执行过程中可以取出下一条（或多条）指令，在一条指令的执行过程中可以取出下一条（或多条）指令，指令指令 在指令队列中排队；在指令队列中排队； 在一条指令执行完成后在一条指令执行完成后,就可以立即执行下一条指令，减就可以立即执行下一条指令，减少少CPU为取指令而等待的时间，提高为取指令而等待的时间，提高CPU的利用率和整个的利用率和整个运行速度。运行速度。重迭操作技术：重迭操作技术：一方面提高了整个执行速率，一方面提高了整个执行速率，另一方面降低了与之相配的存储器的存取速度的要求另一方面降低了与之相配的存储

19、器的存取速度的要求。取指取指取指取指取指取指取指取指得到数据得到数据等待等待执行执行执行执行执行执行执行执行1 2 3 4 5 6 182022-6-12对于对于8080与与8085及较早的及较早的8位微处理器位微处理器: 程序执行由取指令和执行指令的循环来完成的程序执行由取指令和执行指令的循环来完成的， 每条指令执行完后每条指令执行完后CPU必须等待到下条指令取出来必须等待到下条指令取出来后才能执行。后才能执行。取指取指执行执行取指取指执行执行.取指取指执行执行时间坐标时间坐标第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器192022-6-121 2 3 4 内部暂存器内部暂存器 IP

20、ES SS DS CS输入输入/输出输出控制电路控制电路外部总线外部总线执行部分执行部分控制电路控制电路ALU标志寄存器标志寄存器AH AL BH BLCH CL DH DL SP BP SI DI通用通用寄存器寄存器地址地址加法加法器器指令队列指令队列执行部件执行部件 （EU)总线接口部件总线接口部件 （BIU)16位位20位位8位位8位位ALU数据总线数据总线队列总线2、EU （Execution Unit）1）、）、 功能功能：负责指令执行。负责指令执行。2）、）、 组成：组成：q 4个通用寄存器：个通用寄存器：AX、BX、CX、DX ，q 4个专用寄存器：个专用寄存器：BP、SP、SI

21、、DI ， q 标志寄存器（标志寄存器（FR）：）： 9个标志位，其中个标志位，其中6个条件标志位用于个条件标志位用于存放结果状态，存放结果状态，q 算术逻辑单元：算术逻辑单元： 16 位加法器，用于对寄存器和指令位加法器，用于对寄存器和指令操作数进行算术或逻辑运算操作数进行算术或逻辑运算，q EU 控制系统：控制系统： 接受接受从总线接口单元的从总线接口单元的指令队列指令队列中取来的指令代码中取来的指令代码，其译码和向，其译码和向 EU 内各有关部分内各有关部分发出时序命令信号发出时序命令信号，协协调执行指令规定的操作调执行指令规定的操作。202022-6-12通用寄存器：通用寄存器：AX、

22、BX、CX、DX 用来用来暂存暂存计算过程中所用到的计算过程中所用到的操作数，结果或其它信息操作数，结果或其它信息。 访问形式访问形式: 可以用可以用16位的访问位的访问; 或者可以用字节（或者可以用字节（8位）形式访问位）形式访问,它们的它们的高高8位记作位记作 : AH 、 BH 、 CH 、 DH 。它们的它们的低低8位记作位记作 : AL 、BL 、CL 、DL 。AX（Accumulator）作为）作为累加器累加器。 它它是算术运算的主要寄存器，是算术运算的主要寄存器，所有所有I/O指令都使用这一寄存器与外部设备交换数据指令都使用这一寄存器与外部设备交换数据。例：例： IN AL ,

23、 20H OUT 30H , AX第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器通用寄存器通用寄存器212022-6-12BXBase用作用作基址寄存器基址寄存器使用。使用。 在在计算内存储器地址时，经常用来存放基址。计算内存储器地址时，经常用来存放基址。 例：例：MOV AX, BX+03HCXCount可以可以作计数寄存器作计数寄存器使用。使用。 在在循环循环LOOP指令和串处理指令中用作隐含计数器指令和串处理指令中用作隐含计数器。例：例：MOV CX , 8 AGAIN: LOOP AGAIN ；CX-1(CX),结果结果 0转转AGAINDXData可以可以作为数据寄存器使用。作为

24、数据寄存器使用。一般在一般在双字长乘除法运算时双字长乘除法运算时，把把DX和和AX组合在一起存放一个双字组合在一起存放一个双字长长(32位位)数，数，DX用来存放高用来存放高16位位; 对某些对某些I/O操作操作DX可用来存放可用来存放I/O的端口地的端口地址（址（口地址口地址 256）。）。 例：例：MUL BX ; (AX) (BX)(DX)(AX) 例例:IN AL , DX第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器通用寄存器通用寄存器222022-6-12专用寄存器专用寄存器：SP、BP、SI、DI 四个四个16位寄存器。位寄存器。 作用：作用：以字以字(16位位)为单位在运算

25、过程中存放操作数地址，为单位在运算过程中存放操作数地址， 经常用以在经常用以在段内寻址时提供偏移地址段内寻址时提供偏移地址,本身不能形成独立的本身不能形成独立的地址码地址码(20位位)。 段起始地址段起始地址 段内偏移地址段内偏移地址 段地址段地址 :只取段起始地址高只取段起始地址高16位值。位值。 偏移地址偏移地址:指在段内某内存单元物理地址相对段起始地址的偏移值。指在段内某内存单元物理地址相对段起始地址的偏移值。 第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器专用寄存器专用寄存器232022-6-12 SP stack pointer 堆栈指针寄存器堆栈指针寄存器 用来用来指示当前堆栈

26、指示当前堆栈栈顶栈顶的偏移地址的偏移地址, 必须必须与与SS段寄存器段寄存器联合使用联合使用确定实际地址。确定实际地址。 堆栈和指针堆栈和指针如下页图所示如下页图所示。 BP base pointer 基址指针寄存器基址指针寄存器 可以可以与与SS寄存器联合使用来确定寄存器联合使用来确定堆栈段堆栈段中中某一某一存储器单元地址，存储器单元地址，在某些间接寻址中，用来存放在某些间接寻址中，用来存放堆栈堆栈段内偏移地址段内偏移地址 。 变址寄存器变址寄存器(SI 、 DI) 使用场合：常用于变址寻址方式中的地址运算。使用场合：常用于变址寻址方式中的地址运算。 SI Source Index Regi

27、ster 源变址寄存器。源变址寄存器。 DI Destination Index 的变址寄存器的变址寄存器。 一般与一般与DS联用，用来确定联用，用来确定数据段数据段中某一存储单元的地址，中某一存储单元的地址， SI , DI具有自动增量和自动减量功能具有自动增量和自动减量功能. 例：例：MOV AX, SI第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器通用寄存器通用寄存器242022-6-12 堆栈和指针堆栈和指针 设设: ( SS )=3F00H,(SP)=0060H堆栈和指针如下图堆栈和指针如下图：.a1a1a0a0栈底栈底4EFFFH4EFFFH3F060H3F060H(SP)=0

28、060H(SP)=0060H3F000H3F000H(SS)=(SS)=3F00H3F00H.第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器252022-6-12OFOFDFDFIFIFTFTFSFSFZFZFAFAFPFPF 0 015152 24 45 56 67 78 89 91010 CF（Carry Flag）进位标志进位标志 CF=1：记录运算时记录运算时从最高有效位产生进位值。从最高有效位产生进位值。CF=0：记录运算时：记录运算时从最高有效位不产生进位值从最高有效位不产生进位值。CFCFq状态标志状态标志: 用来记录程序中运行结果的用来记录程序中运行结果的状态信息状态信息作

29、为后续条件转移指令作为后续条件转移指令 的转移控制条件。的转移控制条件。称为条件码。称为条件码。 条件码包括条件码包括6位：位：CF 、 PF 、 AF 、 ZF 、 SF 、 OF 。 FLAG寄存器：寄存器： 16位位, 两个字节两个字节。由状态标志、控制标志构成。由状态标志、控制标志构成。第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器FLAG寄存器寄存器262022-6-12OFOFDFDFIFIFTFTFSFSFZFZF 0 015152 24 45 56 67 78 89 91010CFCFPFPF PF (Parity Flag) 奇偶标志奇偶标志 PF=1: 结果操作数结果操

30、作数低低8位中有偶数个位中有偶数个1。PF=0: 结果操作数结果操作数低低8位中有奇数个位中有奇数个1。用来为机器中传送信息时可能产生代码出现情况提供检验条件。用来为机器中传送信息时可能产生代码出现情况提供检验条件。 AFAF AF（Auxiliary Carry Flag）辅助进位标志辅助进位标志 AF=1：记录运算时记录运算时第第3位（半个字节）产生进位值。位（半个字节）产生进位值。 AF=0：记录运算时记录运算时第第3位（半个字节）不产生进位值。位（半个字节）不产生进位值。第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器FLAG寄存器寄存器272022-6-12DFDFIFIFTFTF

31、AFAFPFPF 0 015152 24 45 56 67 78 89 91010CFCF ZFZFSFSF SF（Sign Flag）符号标志符号标志 SF=1：记录运算结果的：记录运算结果的符号为负符号为负。 SF=0：记录运算结果的：记录运算结果的符号为正。符号为正。 OF（Overflow Flag）溢出标志（一般指补码溢出）溢出标志（一般指补码溢出） OF=1：在运算过程中操作数超过了机器表示的范围称为：在运算过程中操作数超过了机器表示的范围称为溢出溢出。 OF=0：在运算过程操作数未超过机器能表示范围称为在运算过程操作数未超过机器能表示范围称为 不溢出。不溢出。 OFOF ZF（Z

32、ero Flag）零标志零标志 ZF=1：运算结果：运算结果为为0。 ZF=0：运算结果运算结果不为不为0。第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器FLAG寄存器寄存器282022-6-12标志标志: 运算结果最高位为运算结果最高位为1， SF=1 ； 运算结果本身不为运算结果本身不为0， ZF=0 ； 最高位向前无进位，最高位向前无进位， CF=0 次高位向最高位产生进位次高位向最高位产生进位,而最高位向前没有进位，而最高位向前没有进位， OF=1 ； 结果低结果低8位含偶数个位含偶数个1， PF=1 ； 第三位向第四位有进位第三位向第四位有进位, AF=1 。 在绝大多数情况下，

33、一次运算后并不影响所有标志，在绝大多数情况下，一次运算后并不影响所有标志， 程序也并不需要对所有的标志作全面的关注。程序也并不需要对所有的标志作全面的关注。 一般只是在一般只是在某些操作某些操作后后,对其中对其中某个标志某个标志进行检测。进行检测。例例1：执行两个数的加法，分析对标志位的影响。：执行两个数的加法，分析对标志位的影响。0 01 10 01 10 00 00 00 01 11 11 10 00 01 11 10 00 01 10 00 00 01 10 01 10 01 11 10 01 10 01 10 0+ +1 11 10 00 00 01 10 01 11 10 00 01

34、 11 10 00 01 1AF=1AF=1OF=1OF=1第二章第二章 16位和位和32位微处理器位微处理器292022-6-12OFOFDFDFIFIFSFSFZFZFAFAFPFPF0 015152 24 45 56 67 78 89 91010CFCFq 控制标志控制标志: 对控制标志位进行设置后对控制标志位进行设置后, 对其后的操作起控制作用。对其后的操作起控制作用。 控制标志位包括控制标志位包括3位位: TF、 IF 、 DF 。 跟踪（陷阱）标志跟踪（陷阱）标志TF、中断标志、中断标志IF 、方向标志、方向标志 DF 。 TF (Trap Flag) 跟踪跟踪(陷阱陷阱)标志位标志位 TF=1 ,每执行一条指令后，自动产生一次内部中断，每执行一条指令后，自动产生一次内部中断， 使使CPU处于单步执行指令工作方式，便于进行程序调试，处于单步执行指令工作方式，便于进行程序调试， 用户能检查程序。用户