第2章

80X86微處理器In

處理器發(fā)展微處理器

結構32位微處理器的工作模式1.

位和字節(jié)位（bit）是計算機所能表示的最小最基本的數(shù)據(jù)單位，它指的是取值只能為0或1的一個二進制數(shù)值位。位作為單位時記作b字節(jié)（byte）由8個位二進制位組成，通常用作計算

容量的單位。字節(jié)作為單位時記作BK是kelo的縮寫，

1K=1024=210；M是mega的縮寫，1M=1024K=220；G是Giga的縮寫，

1G=1024M=230；T是tera的縮寫，

1T=1024G=240。微型計算機的常用術語100001012.

字長(數(shù)據(jù)寬度)字長是微處理器一次可以直接處理的二進制數(shù)碼的位數(shù)，它通常取決于微處理器

通用寄存器的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。微處理器的字長有4位、8位、16位、32位和64位等等。半字節(jié)3

0字節(jié)7

43

0字雙字1F

1817

10F

87

03.

尋址能力指CPU能直接存取數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址的范圍，它由CPU的地址總線的數(shù)目決定。0F8

7微型計算機的常用術語4.主頻主頻也叫時鐘頻率，用來表示微處理器的運行速度，主頻越高表明微處理器運行越快，主頻的單位是MHz。MIPSMIPS是Millions

of

Instruction

Per

Second的縮寫，用來表示微處理器的性能----運算速度，每秒鐘能執(zhí)行多少百萬條指令.微處理器的集成度指微處理器

上集成的晶體管的密度。最早In 4004的集成度為2250個晶體管，Pentium

III的集成度已經(jīng)達到750萬個晶體管以上，集成度提高了3000多倍。微型計算機的常用術語型號發(fā)布年分字長(位)晶體管(萬個)數(shù)據(jù)總線寬度外部總線寬度主頻尋址空間高速緩存80861978162.916164.771M無80881979162.91684.771M無28619821613.416166~2016M無38619863227.5323212~334G有4863225~1004G8K奔騰6460~1664G8K奔騰Pro64150~20064G8K256K奔264233~33364G32K512KItanium2000642.2億64641G以上64G6M集成三級酷睿22006642.91億64643.60G64G6M集成三級2.1

In

處理器發(fā)展8086/8088結構一.微處理器的結構CSDSSSESIP暫存器輸入/輸出控制電路外部總線執(zhí)行部分控制電路123456∑ALU標志寄存器AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDI通用寄存器地址加法器指令隊列緩沖器執(zhí)行部件（EU)總線接口部件（BIU)16位20位16位8位AXBXCXDX管理(分段和分頁部件)指令和數(shù)據(jù)流水線指令和數(shù)據(jù)CACHE指令預取浮點處理分支并行計算……微處理器的功能擴展模塊:一.微處理器的

結構分段部件分頁部件總線接口部件3

輸入加法器描述符寄存器邊界和屬性PLA加法器頁高速緩存器控制和屬性高速緩存器請求優(yōu)先權地址驅(qū)動器流水線/總線寬度控制器多路收發(fā)器保護測試部件桶形移位器加法器乘/除寄存器集譯碼和定序器控制ROM指令譯碼已譯碼指令隊列預取器/邊界

檢測器16字節(jié)指令隊列32位有效地址總線32位ALU總線指令預取部件指令譯碼部件執(zhí)行部件32位有效地址總線控制總線80386結構一.微處理器的結構桶形移位器寄存器文件ALU段管理部件描述符寄存器界限和屬性PLA頁管理部件轉(zhuǎn)換后援緩沖器Cache管理部件8KBCache地址驅(qū)動器寫緩沖器4

×80數(shù)據(jù)總線收發(fā)器總線控制請求序列發(fā)生器成組總線控制總線寬度控制Cache

控制奇偶校驗生成和控制浮點運算部件浮點寄存器文件控制部件控制ROM指令譯碼器2

16B指令隊列128指令預取部件232

位數(shù)據(jù)總線32

位線性地址32總線接口部件80486結構一.微處理器的結構Pentium

采用了多項先進技術：CISC和RISC相結合的技術量流水線技術分支

技術一.微處理器的結構RISC和CISC：RISC（ReducedInstruction

Set

Computer），精簡指令系統(tǒng)的計算機提供數(shù)目較少、格式與功能簡單、運行高效的指令追求的是計算機控制器實現(xiàn)簡單，運行高速，更容易在單塊超大規(guī)模集成電路的 內(nèi)制做出來CISC（ComplexInstructionSet

Computer），復雜指令系統(tǒng)的計算機相對于RISC一詞而提出來的一種說法特點：指令條數(shù)多，格式多樣，尋址方式復雜，每條指令的功能強。匯編程序設計容易些，但計算機控制器的實現(xiàn)多，很多指令被使用的機會并不多一.微處理器的結構把一條指令分解成若干個步驟來完成，在流水線上稱為級，每級

都在一個時鐘周期內(nèi)完成各自的操作。這樣每個時鐘周期都可以啟動一條指令，m級的流水線上就會有m條指令在同時執(zhí)行。流水線的性能比非流水線作業(yè)幾乎提高了m倍。量流水線：標量指單個量，一般的流水計算機因只有一條指令流水線，所以稱為標量流水計算機，所謂

量是指其具有兩條以上的指令流水線.Pentium

有U、V兩條整型流水線，一條浮點流水線。流水線：操作的技術,

是當代微處理器設計中的 之一是一種使多條指令。一.微處理器的結構PF(預取)：處理器從代碼cache中預取指令D1(譯碼階段1)：處理器對指令譯碼確定操作碼和尋址信息。在這個階段還進行指令的成對性檢查和分支D2(譯碼階段2)：產(chǎn)生EX(執(zhí)行)：處理器或者器的地址數(shù)據(jù)cache，或者利用ALU、筒型移位器或其他功能單元計算結果WB(寫回)：利用指令運行結果更新寄存器和標志寄存器Pentium微處理器的五級

量整數(shù)流水線一.微處理器的結構分支：所謂分支是指當遇到轉(zhuǎn)移指令、CALL調(diào)用指令、RET返回指令、INTn中斷指令等跳轉(zhuǎn)指令時，指令預取單元能夠較準確地判定是否轉(zhuǎn)移取指。一.微處理器的結構預取緩沖器指令譯碼256控制ROM控制部件地址生成(U

流水線)地址生成(V

流水線)整數(shù)寄存器組ALU(U

流水線)ALU(V

流水線)筒型移位器8

KB

數(shù)據(jù)Cache浮點部件控制寄存器組加法器除法器乘法器80808

KB

代碼Cache分支目標緩沖器預取地址指令指針轉(zhuǎn)移校驗和目標地址分頁部件323232323232總線部件6464

位讀總線64

位數(shù)據(jù)總線32

位地址總線控制TLBTLB32

位地址總線Pentium結構二、基本結構寄存器：486

寄存器分為4類:基本結構寄存器浮點寄存器系統(tǒng)級寄存器調(diào)試測試寄存器應用程序只能

基本結構寄存器和浮點寄存器。(只介紹基本結構寄存器)AH

AXALBH

BX

BLCH

CXCLDH

DXDLSPBPDISIIPFLAGSCSDSESSSFSGS32位名稱EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI8位名稱16位名稱EIPEFLAGS名稱累加器

基址變址計數(shù)數(shù)據(jù)堆棧指針基址指針目的變址源變址指令指針標志代碼數(shù)據(jù)附加堆棧32位16位注意：286以下綠FS、GS

無域不可用；名稱；AX(accumulater)-----累加器BX(Base)-----基址寄存器CX(Count)-------計數(shù)器DX(Data)-----數(shù)據(jù)寄存器AH

AXALBH

BX

BLCH

CXCLDH

DXDLSPBPDISI32位名稱EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI8位名稱16位名稱名稱

累加器

基址變址計數(shù)數(shù)據(jù)堆棧指針基址指針目的變址源變址通用寄存器AX、BX、CX、DX

共同特點：既可作為16位寄存器來用又可作為兩個8位寄存器（高、低位）來用；都是用于暫存操作數(shù)，或是運算的中間結果或其它一些信息。指令＝操作碼＋操作數(shù)AH

AXALBH

BX

BLCH

CXCLDH

DXDLSPBPDISI32位名稱EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI8位名稱16位名稱名稱

累加器

基址變址計數(shù)數(shù)據(jù)堆棧指針基址指針目的變址源變址IP、SP、BP、SI、DI：為尋址存貯單元提供偏移地址。其中：IP(Instruction

Pointer)-------指令指針SP(Stack

Pointer)------堆棧指針BP(Base

Pointer)------基址指針SI(Source

Index)------源變址寄存器DI(Destination

Index)------目的變址寄存器AH

AXALBH

BX

BLCH

CXCLDH

DXDLSPBPDISI32位名稱EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI8位名稱16位名稱名稱

累加器

基址變址計數(shù)數(shù)據(jù)堆棧指針基址指針目的變址源變址IPCS、DS、ES、SS------4個段寄存器，和偏移地址寄存器一起形成20位器物理地址，對器中存放的程序、數(shù)據(jù)、堆棧區(qū)域加以區(qū)別、尋址。尋址程序(指令)：CS＋IP；尋址數(shù)據(jù)：(DS或ES)＋(SI或DI、BX、BP)；

尋址堆棧：SS＋(SP或BP)具體用法在尋址方式中介紹CSDSESSSFSGS代碼數(shù)據(jù)附加堆棧段寄存器標志寄存器FLAGS又稱為程序狀態(tài)字PSW，為16位寄存器，該寄存器主要有兩個作用：記錄CPU運行結果狀態(tài)標志；提供控制標志。FLAGS各位含義如下：OF DF

IF

TF

SF

ZF

AF

PF

CFFLAGSEFLAGS標志寄存器標志寄存器根據(jù)功能，8086的標志可以分為兩類：狀態(tài)標志：表示前面的操作執(zhí)行后，算術邏輯部件處在怎樣一種狀態(tài)，這種狀態(tài)會像某種先決條件一樣影響后面的操作。有SF、ZF、PF、CF、AF和OF控制標志：每個控制標志都對某一種特定的功能起控制作用。指令系統(tǒng)中有專門的指令用于控制標志的設置和清除。有DF、IF、TF。三種工作模式：實地址模式(實模式)保護虛擬地址模式(保護模式)虛擬86模式2.3

32位微處理器的工作模式1.空間：物理空間(物理

器地址空間）：程序的運行空間,即主存空間232=4G物理地址：物理空間486有32條地址線，內(nèi)存最大容量4G。這4G字節(jié)稱為物理器，每一單元的地址稱為物理地址，其地址范圍：0000,0000H~FFFF,FFFFH為物理空間。一、32位微處理器的地址空間虛擬空間(虛擬器地址空間):編程空間虛擬器是一項硬件和管理部件把主存(物理結合的技術。器)和輔存(磁盤)看作是一個整體，即虛擬器。允許編程空間為246=64T，程序員可在此地址范圍內(nèi)編程，程序可大大超過物理空間。該空間對應的地址稱為虛擬地址或邏輯地址。運行時，操作系統(tǒng)從虛擬空間取一部分程序載入物理器運行。當程序運行需要調(diào)用的程序和要

的數(shù)據(jù)不在物理器時，操作系統(tǒng)再把那一部分調(diào)入物理器.……數(shù)據(jù)的交換極快，程序察覺不到。虛擬地址

線性地址實模式：保護模式：空間僅分段，而不分頁；空間先分段，再分頁。分頁部件線性空間：當程序從虛擬空間調(diào)入物理空間時，要進行地址轉(zhuǎn)換。分段部件首先把虛擬地址(編程地址)轉(zhuǎn)換為線性地址,☆

如果不分頁的話，線性地址就是物理地址；☆

如果分頁的話，則由分頁部件把線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址。不分頁物理地址分段部件486利用低16位地址線 I/O端口，所以I/O端口最多有216=64K，I/O地址空間為0000H～FFFFH。注意：I/O地址空間不分段I/O地址空間與

空間不CPU有一條控制線M/IO，在硬件設計上用M/IO=1，參與存儲器尋址，用M/IO=0參與I/O尋址。從PC/XT～Pentium，基于In

微處理器的系統(tǒng)機，實際上只使用低10位地址線，尋址210=1024個I/O端口。2.I/O空間:二、實地址模式1、特點①加電、復位之后，486自動工作在實模式，系統(tǒng)在DOS管理下②在實模式下，486只能 第一個1M內(nèi)存(00000H~FFFFFH)③

管理部件對

器只進行分段管理，沒有分頁功能，每一邏輯段的最大容量為64K。④在實模式下，段寄存器中存放段基址。2、實模式下,物理地址的形成（重要）（1）

器的分段管理:把1M字節(jié)的

器分為任意數(shù)量的段，其中每一段長度64K（216)字節(jié)。段的起始地址的高16位地址稱為該段的段基址。段內(nèi)再由16位二進制數(shù)尋址，段內(nèi)尋址的16位二進制數(shù)地址是存貯單元到段起始地址的距離，稱為偏移地址。1FFFFH10000H12345H2345H段基址：偏移量一(1000H：2345H)個邏(64KB)輯段16位段地址16位段內(nèi)偏移量位段地址位物理地址地址加法器段寄存器偏移地址寄存器左移位0位段寄存器位物理地址+15

016位偏移地址例：設某存貯單元段基址=1000H,偏移量=2345H則物理地址為：10000H＋

2345H12345H單元物理地址為12345H,邏輯地址為1000H:2345H在一個邏輯段中,各單元的段基址是相同的偏移地址是該單元相對于段首的地址偏移量所有段都是起始于16字節(jié)的邊界?！獋€邏輯段10000H12345H存貯器中的每個存貯單元都可以用兩個形式的地址來表示：物理地址和邏輯地址。物理地址是指1MB存貯區(qū)域中的某一單元地址，地址信息是20位的二進制代碼，以16進制表示是00000H~FFFFFH中的一個單元，CPU

存貯器時，地址總線上送出的是物理地址。編制程序，則采用邏輯地址。邏輯地址由段基址和偏移量組成。邏輯地址需由程序員在編程時給出段基址：指明由哪個段寄存器給出即可偏移地址：由程序員在程序中給出具體值注意：物理地址是唯一的，不同的邏輯地址可得到相同的物理地址。如：2000H：0200H2010H：0100H——20200H——20200H邏輯段段基址存放在……偏移地址存放在……代碼段CSIP堆棧段SSSP數(shù)據(jù)段DS根據(jù)不同的尋址方式選擇BX、SI、DI附加段ES/FS/GS（2）各邏輯段物理地址的形成(以16位尋址為例):在實模式下,段寄存器存放相應邏輯段的段基址代碼段：CS*24+IP=指令單元的物理地址一條指令的一個字節(jié)取出后，IP自動加1，指向下一字節(jié)。堆棧段：SS*24+SP=棧頂單元的物理地址數(shù)據(jù)段：DS*24+偏移地址=數(shù)據(jù)單元的物理地址實模式下20位物理地址的形成實模式下20位物理地址的形成（3）段寄存器和指針寄存器的初值CS、IP的初值：由操作系統(tǒng)賦值SS、SP的初值：①由程序員賦值②由操作系統(tǒng)自動賦值DS/ES/FS/GS