微机原理第2章-3学分

1、第二章Intel系列微处理器 教学目标介绍80 x86微处理器的体系结构、工作方式、引脚功能及Pentium微处理器的体系结构 学习要求Intel80 x86系列微处理器内部 结构的特点，工作方式及方式转换，常用引脚功能的特点。 讲授内容第二章Intel系列微处理器第一节Intel系列微处理器概述 第二节理器的体系结构第三节Pentium微处理器的体系结构第一节Intel系列微处理器概述一、80868088微处理器8086 是标准16位微处理器，内外数据总线都为16位；8088 是准16 位微处理器，内数据总线为16位，外部数据总线为8位。80868088 除了外部数据位数及与此相关的部分逻辑

2、稍有不同外，内部结构和基本性 能相同，指令系统完全兼容。在80868088的设计中，引人了两个重要的概念： 指令流水线存储器分段这两个概念在以后升级的INTEL系列微处理器中一直被沿用和发展。正 是这两个概念的引入，使80868088 与原来的8位微处理器相比，在运行速度、处理能力和对存储空间访问等性能方面有很大提高。 8086/8088内部结构示意图执行单元EU 由通用寄存器、运算数据暂存器、算术逻辑单元（ALU）及EU 控制电路组成。它的主要作用是分析和执行指令，即EU控制电路从指令队 列取出指令代码，经译码，发出相应的控制信号；数据在ALU中进行运 算；运算过程及结果的某些特征保留在标志

3、寄存器（EFLAGS）中。总线接口单元IU由段寄存器（CS、DS、SS、ES）、指令指针寄存器（IP）、内部暂存器、指令队列、地址加法器及总线控制电路组成。它的主要作用是负责执行所有的“外部总线”操作，即当EU从指令队列中取走指令时，BIU即从内存中取出后续的指令代码放入队列中；当EU需要数据时，BIU根据EU输出的地址，从指定的内存单元或外设中取出数据供EU使用；当运算结束时，BIU将运算结果送给指定的内存单元或外设。段寄存器CS、DS、ES、SS1MB0000H段寄存器中存放的是16位的段基址；偏移量存放于有关寄存器中。段寄存器中存放的是16位的段基址；偏移量存放于有关寄存器中。FFFFH

4、 0000H1一 个 实际地址也称物理 一 个 实际地址也称物理 的物理地址由段基 址和偏移量构成。2FFFFH0000HFFFFFH指令的物理地址段基址16偏移量CSIP例如：CS=2530H，IP=4200H，则目标指令的存放地址为：2530H164200H=25300H4200H=29500H例如：DS=2000H，SI=0250H，则目标数据的存放地址为： 2000H160250H=20000H20位地址加法器指令队列主要使8086/8088的EU和BIU并行工作，取指令操作、分析指令操作重叠进行，从而形成了两级指令流水线结构，减少了CPU为取指令而必须 等待的时间，提高了CPU的利用

5、率，加快了整机运行速度，也降低了对存储 器存取速度的要求。二、80286微处理器80286是一种增强型标准16位微处理器。与8086/8088相比，结构上的 改进与性能上的提高主要体现在以下几个方面： 内部有执行单元（EU）、总线单元（BU）、指令单元（IU）和地址单元（AU）4个独立的部分并行操作，可实现4级流水线作业，使数据吞吐 率大大提高。地址总线与数据总线完全分开使用。存储空间有两种工作方式：实地址方式和保护虚拟地址方式（保 护方式）。实地址方式有1MB的空间；保护方式有16MB的空间。在保护方式下，4个段寄存器装入的不再是段基址，而是指向段 描述符表中某个段描述符的索引值，称为段选择

6、符。（1）实地址方式（又称8086方式）存储器的物理地址由段基址和段内偏移量组成。（2）保护虚拟地址方式（保护方式）段寄存器80286的主要优点体现在该方式下，它增强了多用户、多任务系统所必须的任务转换功能、虚拟存储器管理功能和多种保护功能，不仅运算速度大为提高，而且支持多用户、多任务操作。存储器的物理地址由段基址和段内偏移量组成。段描述符三、80386/80486微处理器80386/80486是针对多用户和多任务的应用而推出的32位微处理器， 与80286相比，它在结构和性能上的主要特点如下： 内部寄存器数量明显增加，它具有全32位数据处理能力，还可以进行64位的数据运算。片内存储管理部件可

7、实现段页式存储管理，比80286可提供更大的虚拟 存储空间和物理存储空间。 比80286新增了一种保护模式下的工作方式，即虚拟8086方式。80486增加到6级指令流水线。 提供了32位外部总线接口，最大数据传输速率显著提高。 运算速度大大加快。四、Pentium微处理器Pentium是一种高性能的64位微处理器，它对80486作了下列重大的改进： 采用超标量体系结构，内含两条指令流水线。内置的浮点运算部件采用超流水线技术。增加了分支指令预测。内置了指令和数据两个独立的超流水线技术。采用64位外部数据总线。引入了大型计算机中采用的内部错误检测、功能冗余校验和错误报告等自诊断功能。进行了更多的可

8、测性设计。提供了独特的性能监察功能，以利于软、硬件产品的优化和升级。提供了灵活的存储器页面管理功能。第二节80486微处理器的体系结构一、80486的体系结构特点80486是32位高性能处理器，它以提高性能和面向多处理器系统结构为主要目标，它具有如下的特点： 80486采用的是单倍的时钟频率，即在80486CPU的CLK端输入的外部时钟 频率就是其内部处理器的工作时钟频率。内部包含有8K字节的指令/数据合用型高速缓存器。内部包含了相当于增强型80387功能的浮点协处理器。对使用频率较高的基本指令，由原来的微代码控制改为硬件逻辑直接控制，并在指令执行单元采用了RISC技术和流水线技术。采用了突发

9、式总线传输方式。内部数据总线的宽度有32位、64位等多种，并分别用于不同单元之间的数据通路对某些内部寄存器中部分位的内容进行了变动和增加。面向多处理器结构，在总线接口部件上增加了总线监视功能，增加了支持多机操作的指令。二、80486的内部结构与内部寄存器1.内部结构外部DB指令译码单元指令预取单元高速缓存单元总线接口单元（32位）指令译码单元指令预取单元高速缓存单元总线接口单元外部AB（32位） 内部控制线 内部DB（64位）物理地址页管理单元执行单元页管理单元执行单元段管理单元浮点运算单元浮点运算单元逻辑地址80486内部结构示意图2.指令流水线80486的流水线工作示意图3.内部寄存器1）

10、通用寄存器有8个32位的EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP、ESP；它们的低16位可以单独访问被命名为： AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP。其中AX、BX、CX、DX还可以分别分成两个8位寄存器：AH、AL、BH、BL、CH、 CL、DH、DL。指令指针寄存器（EIP）EIP用于保存下一条待预取指令相对于代码段基址的偏移量。它的低16位可以单独访问，称之为IP标志寄存器（EFLAGS）：32位标志寄存器（EFLAGS）中包含三种标志：状态标志（S）、控制标志（C）和系统标志（X）。状态标志（S）：反映指令执行过程及结果的状态。控制标志（C）：它仅含一个标志DF

11、，用于控制串操作指令的地址改变方向。系统标志（X）：它用于控制I/O、屏蔽中断、调试、任务转换和控制保护 方式与虚拟8086方式间的转换。段寄存器：80486有6个段寄存器（CS、SS、DS、ES、FS、GS），用于决定程序使用存储器区域块。其中CS指明当前的代码段；SS指明当前的堆栈段；DS、ES、FS和GS指明当前的4个数据段。三、80486的三种工作方式及相互转换112380486的三种工作方式转换四、80486常用的外部引脚信号地址总线引脚、数据总线引脚、控制总线引脚由地址信号A31A2 和字节选通信号BE3BE0,组合成32条地址线80486寻址4GB的I/O地址空间D31D0完成32位的数据传送、16位的数据传送、 8位的数据传送。BS8、