微機(jī)原理及接口技術(shù)80486

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1、2021-10-251n8086微處理器按功能可分為執(zhí)行部件和總線接 口部件。n執(zhí)行部件負(fù)責(zé)指令執(zhí)行，它由寄存器、算邏部 件、標(biāo)志寄存器組成。n總線接口部件執(zhí)行所有的總線操作，如20位地 址形成、與主存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備交換數(shù)據(jù)。第一節(jié)第一節(jié) 8086微處理器微處理器 第二章 80X86微處理器2021-10-252DISIBPSPDLDHCLCHBLBHALAHDISIBPSPDLDHCLCHBLBHALAH算邏部件CSSSDSESCSSSDSES標(biāo)志寄存器執(zhí)行部件控制系統(tǒng)654321654321總線控制邏輯加法器8086微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)EUBIU數(shù)據(jù)20位地址指令隊(duì)列IP2021-10-2

2、53 地址總線傳輸?shù)刂沸畔?，用來尋址存?chǔ)器單元和I/O接口。地址總線”寬度”決定系統(tǒng)內(nèi)存的最大容量。 8086有20根地址線，可尋址1M內(nèi)存。 80486有32根地址線，可尋址4G內(nèi)存。 奔騰有64根地址線，可尋址內(nèi)存。 存儲(chǔ)容量單位 1TB=1024GB 1GB=1024MB 1MB=1024KB 1KB=1024字節(jié) 1字節(jié)=二進(jìn)制8位 微處理器的三總線2021-10-254 數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)，用來與存儲(chǔ)器單元和I/O接口交換數(shù)據(jù)。 8086/80286CPU內(nèi)/外數(shù)據(jù)線都是16位。 80386/80486CPU數(shù)據(jù)線是32位。奔騰CPU數(shù)據(jù)線是64位。 控制總線對于不同的CPU來講，其條

3、數(shù)是不一樣控制線向系統(tǒng)各部件發(fā)出(或接收)控制信號。的?？刂凭€向系統(tǒng)各部件發(fā)出(或接收)控制信號。2021-10-255通通用寄存器用寄存器 有有8個(gè)個(gè)16位通用寄存器位通用寄存器AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP。這些寄存器可以存放數(shù)據(jù)和。這些寄存器可以存放數(shù)據(jù)和地址，并能進(jìn)行地址，并能進(jìn)行16位運(yùn)算。其中位運(yùn)算。其中AX、BX、CX、DX的低位字節(jié)或高位字節(jié)也可作為獨(dú)立的的低位字節(jié)或高位字節(jié)也可作為獨(dú)立的8位寄位寄存器使用，低位字節(jié)的寄存器分別稱作存器使用，低位字節(jié)的寄存器分別稱作AL、BL、CL和和DL，高位字節(jié)的寄存器分別稱作，高位字節(jié)的寄存器分別稱作AH、BH、CH和和D

4、H。2021-10-256 段寄存器有4個(gè)16位段寄存器 CS、DS、ES、SS。段寄存器主要解決20位地址形成和程序中指令代碼與數(shù)據(jù)分開存放。此4個(gè)段寄存器名稱為代碼段、數(shù)據(jù)段、附加數(shù)據(jù)段、堆棧段。除CS是用于指示指令代碼的地址空間之外，其它段寄存器都用于指示數(shù)據(jù)的地址空間。 指令指針I(yè)P16位的IP總是保存著下一次將要從主存中取出指令的偏移地址，其值為該指令到所在段首址的字節(jié)距離2021-10-257 標(biāo)志寄存器FLAG16位標(biāo)志寄存器用來保存在一條指令執(zhí)行之后，CPU所處狀態(tài)的信息及運(yùn)算結(jié)果的特征。如有進(jìn)位/借位CF=1、運(yùn)算溢出OF=1、運(yùn)算結(jié)果為零ZF=1等9個(gè)標(biāo)志。2021-10-

5、258 二。8086的物理地址的形成的物理地址的形成 （段寄存器） （CS） （DS） （SS ） （ES）16偏移地址20位物理地址偏移地址由IP ，SP或?qū)ぶ贩绞教峁?021-10-259三。三。 80486 微處理器結(jié)構(gòu)框圖微處理器結(jié)構(gòu)框圖2021-10-2510n 基本部件n運(yùn)算部分：進(jìn)行定點(diǎn)運(yùn)算時(shí)需要算術(shù)邏輯運(yùn)算單元、移位器和寄存器組；進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)需要浮點(diǎn)運(yùn)算單元和浮點(diǎn)寄存器組。n高速緩存：用來存放最近運(yùn)行程序所需要的指令代碼和數(shù)據(jù)。減少訪問內(nèi)存次數(shù)從而提高CPU運(yùn)行速度。n存儲(chǔ)器段頁管理：為實(shí)現(xiàn)虛以存儲(chǔ)器而設(shè)置。n指令譯碼與控制：根據(jù)指令的信息產(chǎn)生微指令對CPU內(nèi)部進(jìn)行控制。n8

6、0486外部地址線有32根，主存空間為4GB。數(shù)據(jù)線有32根，同時(shí)可訪問4個(gè)字節(jié)的內(nèi)存數(shù)據(jù)。2021-10-2511n 基本結(jié)構(gòu)寄存器n8個(gè)32位的通用寄存器，6個(gè)16位的段寄存器，1個(gè)32位的指令指針，1個(gè)32位的標(biāo)志寄存器n 80486的工作模式n80486有兩種工作模式，一種是實(shí)地址模式，一種是保護(hù)虛擬模式。n80486實(shí)地址模式與它的前輩16位的8086完全兼容，在8086和80286編寫的程序不需作任何修改，就可以在80486的實(shí)地址模式下運(yùn)行。n保護(hù)虛擬模式為多用戶操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供必要條件，在保護(hù)虛擬模式下，80486可為每一個(gè)任務(wù)提供4GB的物理空間，并允許程序在64TB的虛擬

7、空間內(nèi)運(yùn)行。n80486虛地址、線性地址和物理地址的關(guān)系圖：2021-10-2512 第二節(jié)第二節(jié) Intel80X86微處理器體系結(jié)構(gòu)微處理器體系結(jié)構(gòu)繼78年8086之后,Intel公司與81年推出了80286CPU,它也是16位微機(jī)，與8086向上兼容。 而在85年和89年，Intel又分別推出了80386和80486CPU，這兩者均為32位微處理器。 80286CPU是在8086的基礎(chǔ)上改進(jìn)和發(fā)展而來，其主要特色是： 1. 片內(nèi)具有存貯器管理和保護(hù)機(jī)構(gòu) 2. 正式的在存貯器中引入虛擬地址的概念 3. CPU內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)支持了CPU采用了快速的并行 流水線操作方式。 80286的這些特點(diǎn)

8、在的這些特點(diǎn)在80386/80486中體現(xiàn)的更加完善和進(jìn)中體現(xiàn)的更加完善和進(jìn)一優(yōu)化，而奔騰一優(yōu)化，而奔騰CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)又是在的內(nèi)部結(jié)構(gòu)又是在80486的基礎(chǔ)上的基礎(chǔ)上有更進(jìn)一步的發(fā)展。有更進(jìn)一步的發(fā)展。2021-10-251380X86的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 一。有關(guān)大型機(jī)的優(yōu)化的體系結(jié)構(gòu) 1。片內(nèi)集成有存貯器管理部件（MMU）可支持對存貯器進(jìn)行分頁管理：將指令指定的邏輯地址變換為線性地址。 （段長度可變，但不好管理。所以引入了分頁管理） 存貯器管理的具體含義： 80X86支持多任務(wù)、多道程序運(yùn)行，每個(gè)任務(wù)、每道程序均需占用一定字節(jié)的存貯空間，如何將有限的物理空間有效地分配給多個(gè)任務(wù)

9、即實(shí)現(xiàn)虛、實(shí)空間的轉(zhuǎn)換，這就是存貯器管理要解決的問題?？芍С謱Υ尜A器進(jìn)行分頁管理：將線性地址變換為物理地址。由OS進(jìn)行具體管理，但CPU內(nèi)部有硬件支持這種管理。2021-10-2514 可用于進(jìn)行快速的實(shí)、虛地址轉(zhuǎn)換 一個(gè)段R（選擇器） 2.片上設(shè)有高速緩沖寄存器/存儲(chǔ)器（CACHE） 對應(yīng)于一個(gè)64位（8個(gè)字節(jié)）的段描述符緩沖寄存器。 可用于暫時(shí)存放數(shù)據(jù)和指令于高速緩存中,以加快CPU執(zhí)行指令的速度。2021-10-2515 3。采用高速流水線結(jié)構(gòu) CPU由多個(gè)部件組成，各部件在CPU內(nèi)部分別同步的， 相互獨(dú)立 的并 行 操作。 （實(shí)現(xiàn)了高效的流水作業(yè)，避免了順序處理，最大限度地發(fā)揮了CPU

10、的性能，是總線利用率達(dá)到最佳狀態(tài)。 指令流水線技術(shù)：總線接口、指令予取 、指令予譯碼。 地址流水線技術(shù)： 采用流水線地址尋址 兩個(gè)連續(xù)的總線 周期部分重疊。 超標(biāo)量流水線技術(shù):多條指令并行執(zhí)行。 BIU 總線接口部件 EU 執(zhí)行部件 SU 段管理部件 CPU 代碼予取部件 PU 頁管理部件 IDU 指令譯碼部件2021-10-2516二、80X86是靈活的全32位微處理器（MP VP） 數(shù)據(jù)總線DB32位 可處理8位、16位和32位數(shù)據(jù)類型， 通用 寄存器及操作數(shù)為32位。 支持動(dòng)態(tài)總線寬度控制（動(dòng)態(tài)切換16/32位數(shù)據(jù)總線）通過引腳 BS16， 由 外部送來信號通知80X86總線改變情況：

11、0 以16位數(shù)據(jù)總線操作 1 以32位數(shù)據(jù)總線操作2021-10-2517三、具有對存貯器及特權(quán)層的保護(hù)功能 CPU內(nèi)部具有保護(hù)機(jī)構(gòu)： 1。對特權(quán)層的保護(hù)功能：禁止程序的非法操作如：向代碼段進(jìn)行寫入操作，訪問段限以外的存貯區(qū)域等。 2。對特權(quán)層的保護(hù)功能：特權(quán)層分為4級：0級1級2級3級OS核系統(tǒng)服務(wù)程序應(yīng)用服務(wù)程序應(yīng)用程序應(yīng)用程序2021-10-2518四、80X86有大的存貯器空間： 實(shí)地址空間 可直接尋址的地址空間為2 =4千兆（4GB） 虛擬存貯空間 可直接尋址的地址空間為2 =64MM字節(jié) （14+32= 2 =64MM）46 32 80286 68條 AB： 24條 DB：16條

12、80486 168條 AB： 32條 DB： 32條 Pentium 273條 AB： 32條 DB： 32條462021-10-2519 2 80X86的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 80X86CPU由多個(gè)部件構(gòu)成多個(gè)部件在CPU內(nèi)部分別同步 獨(dú)立并行地進(jìn)行操作，避免了順序處理，實(shí)現(xiàn)了高效的流水化作業(yè)，最大限度地發(fā)揮了CPU的性能，使總線的利用率達(dá)到最佳狀態(tài)。一、80X86的內(nèi)部各部件及其功能2021-10-2520二、80X86的內(nèi)部寄存器 1。通用RD31 D0EAXEBXECXEDXESPEBPESIEDI“E” Expand 8086的16位 通用R擴(kuò)展為32位，他們可 以按8 位、16位和32位使用。

13、2021-10-2521CSDSSSESFSGS80386新增加了兩個(gè)數(shù)據(jù)段，以滿足程序和任務(wù)對多數(shù)據(jù)段的需要。程序不可訪問 （64位）注意：在進(jìn)行8位或16位R運(yùn)算操作時(shí)，只影響FR中的相應(yīng)位，如8位加法進(jìn)行，起進(jìn)位不是送到第19位，而是送到FR中的CF位。 1。段位置：由16位的段R和64位的描述符在高速緩沖寄存器中構(gòu)成。 高速緩沖寄器（16位）2021-10-2522FRIPEFREIPCPU可以使用它的低16位/32位。3.標(biāo)志寄存器 （EFR） 4。指令指示器（EIP） 31 15 0 31 15 02021-10-2523關(guān)于標(biāo)志R（32位） 8086比8位微機(jī)，增加了3個(gè)控制標(biāo)志

14、和1個(gè)算術(shù)運(yùn)算標(biāo)志： 分別為DF、IF和OF。 80286比8086又增加了2個(gè)控制標(biāo)志： NT 嵌套（14位） NE 1 表示當(dāng)前任務(wù)嵌套于另一任務(wù)中，執(zhí)行 完當(dāng)前任務(wù)后需返回原任務(wù)。 0 表示無效。 有IOPL 特權(quán)標(biāo)志（位12、13） 用以指定I/O操作處于03特權(quán)層中的那一層。 80386、80486公使用了15個(gè)標(biāo)志，占用16位（IOPL占2位） 2021-10-2524 31 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0AC VM RF NT IP PL OF DF IF TFSFIFAF DF CS AF D4S CF D0S

15、 PF D2S SF D7S IF D6C DF D10C IF D9S OF D11X TF D8X NT D14X IOPL D12X RF D16X VM D17X AC D188080所用標(biāo)志8086所用標(biāo)志80286所用標(biāo)志80386所用標(biāo)志80486所用標(biāo)志所有標(biāo)志位分為三類：S 狀態(tài)標(biāo)志C 控制標(biāo)志X系統(tǒng)標(biāo)志2021-10-2525 4 。 系統(tǒng)表R： 用于進(jìn)行從虛擬地址向?qū)嶋H物理地址的轉(zhuǎn)換。 1。功能： 主要用于在保護(hù)模式下，管理 4個(gè)系統(tǒng)表，這4個(gè)系統(tǒng)表為： GDT（Global Descriptor Table)全局描述符表 LDT（Local Descriptor Tab

16、le)局部描述符表 IDT（Interrupt Descriptor Table)中斷描述符表 TSS（Task State Segment)任務(wù)狀態(tài)段 2021-10-2526 系統(tǒng)地址R：表R為 GDTR GDT LDTR 分別用來指定 LDT 的大小在M中的位 IDIR IDT 置。 TR 用以指定TSS任務(wù)狀態(tài)段，只用來存放 任務(wù)環(huán)境的，其在M中的位置和大小 由TR指定。 其中： GDTR和IDTR共48位：32位的表基地址字段+16位的表 邊界字段。 31 0 15 0表基址表限2021-10-2527 可在實(shí)模式方式下，通過編程對GDTR和IDTR加載，以實(shí)現(xiàn)對GDT和IDT在保護(hù)

17、方式下的初始化操作。 15 0 15 0 31 0 15 0 選擇器字段 屬性字段 表基址字段 邊界字段LDTR和TSR共80位：32位的表基址字段+20位的邊界字段 +12位的訪問權(quán)字段 +16位的選擇器字段。 對對LDTR和和TR的說明的說明： 這兩個(gè)寄存器只能在保護(hù)方式下使用。 在保護(hù)模式下程序可訪問字段僅限于段選擇器字段， 即只能用指令加載段選擇器。2021-10-2528 用LLDT和LT指令可設(shè)置成改變相應(yīng)的選擇器字段，依選擇器字段可 從全局描述符表中找到指定的基地址描述符和任務(wù)狀態(tài)段描述符，在將描述符中的32位段基址和16位的段限及16位的屬性字段加載到 LDTR和TR的64位高

18、速緩沖寄存器中。 2021-10-25295?？刂芌（CR0CR3）（32位）（8086CPU中無） 其中：CR1 備用 CR3 用于提供頁目錄的基地址 CR2 用于提供頁故障線性地址。 CR0 其低16位與80286CPU中一樣，是機(jī)器狀態(tài)字R。 CR0功能：作為MSW用以表示比FLAG對CPU 影響更大的標(biāo)志，這些標(biāo)志反映了系統(tǒng) 的工作狀態(tài)。2021-10-2530CR0的控制位分為如下五大類： 1。與CPU工作模式有關(guān)的控制位PG（分頁）、PG（置CPU為 虛 擬地址保護(hù)方式） 2。與CPU片內(nèi)的CACHE有關(guān)的控制位：CE、WT 3。與協(xié)處理器或浮點(diǎn)運(yùn)算部件有關(guān)的控制位：TS、EM、M

19、P NE。 4。對唯控制位：AM 5。頁的寫保護(hù)控制位：WP 2021-10-2531實(shí)模式REALPROTECTED保護(hù)模式VIRTUAL虛擬8086 LMSW指令修改CR0指令RRESET位好修改CR0的PE=0的PE位=1通過中斷執(zhí)行IRETD指令RESET信號RESET對CPU復(fù)位 三種模式之間的轉(zhuǎn)換見圖：Intel80X86微處器有三種工作模式： 實(shí)模式、保護(hù)模式和虛擬86模式2021-10-25324 . 80X86的存貯器布局 一、布局要點(diǎn) 1、80X86的存貯器有三種工作方式： 實(shí)地址方式 虛地址保護(hù)方式 虛擬86模式 所以其地址空間分為：物理存貯空間和虛擬存貯空間 實(shí)際物理地

20、址空間是 CPU可直接訪問存貯空間，其 存貯空間范圍由CPU的地址總線位數(shù)決定。虛擬存貯空間即程序占有的存貯空間，其存貯量由CPU的體系結(jié)構(gòu)確定。2021-10-2533 任務(wù)N 任務(wù)N-1 任務(wù)X（虛擬虛擬空間） 由磁盤等外 存支撐 任務(wù)1 任務(wù)2存貯器管理部件物理地物理地 址空間址空間 ROR .RAM 任務(wù)XD15 D2 D1 D0 46： 索引值 TI RPL 偏移 2、二者存貯空間示意圖如下： 每個(gè)任務(wù)使用64TB字節(jié)的存貯空間(2 )索引值TIRPL32位偏移地址462021-10-2534 3、存貯空間的劃分： 在實(shí)模式下：與8086相同，以64KB為一個(gè)邏輯地址段，段長度固定。

21、 在虛地址保護(hù)模式下：啟動(dòng)頁功能時(shí)，一個(gè)邏輯段最大可分為2的32次 方個(gè)字節(jié)。 不啟動(dòng)頁功能時(shí)，一個(gè)邏輯段最大可分為2的20 次方字節(jié)。 4、CPU在執(zhí)行指令時(shí)，對存貯器操作數(shù)所在實(shí)際物理地址的求法： 段基址+偏移地址=PA（32位） 段基址的提供： 虛擬86模式：實(shí)地址方式 由段R提供 虛地址保護(hù)模式 由段選擇器索引段2021-10-2535 二、虛地址保護(hù)方式 1、從實(shí)地址向虛地址保護(hù)模式的轉(zhuǎn)換 使用“LMSW”指令置位控制寄存器CR。的D。位以后（即 PE位被置為“1”），由CPU內(nèi)部的MMU（存儲(chǔ)器管理部件）自 動(dòng)完成轉(zhuǎn)換。 由實(shí)地址 虛擬地址2021-10-2536 2、虛地址保護(hù)方

22、式下CPU進(jìn)行存貯器尋址時(shí)所采取的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 采用了段選擇器與描述符的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使尋址過程有了一個(gè)間接層，為80386內(nèi)部的MMU和保護(hù)機(jī)構(gòu)有了一個(gè)活動(dòng)的空間，使多任務(wù)在80X86中運(yùn)行方便、靈活、可靠。（1）80X86的段選擇器 即8086中的段寄存器，亦是16位，由三個(gè)字段組成： D15 D3 D2 D1 D0索引值 TI RPL 14位2021-10-2537 指令操作：AX： 段R：FS XX選擇器字段描述符描述表 描述符緩存器 M（2）段選擇器的加載及加載的具體操作 即段R的初始化操作 例：指令：MOV FS，AX； 2021-10-2538 （3）80X86的段R的構(gòu)成 15 0

23、63 0 段選擇器 屬性 段基址 段邊界 描述符變速緩沖存貯器2021-10-2539 二、80X86在虛擬方式下的尋址過程：示意圖見下頁2021-10-2540段描述符GDT段描述符LDT基地址邊界描述符高速緩沖器描述符索引號段選擇器TITI=0TI=1M基地址邊界1532 1 0段選擇器和描述符緩沖器作用段選擇器和描述符緩沖器作用2021-10-2541 分頁物理地址15 031 0段選地址偏移地址31 0線性地址31 000000000HFFFFFFFFH000000000FFF屬性段基地址段邊界段邊界80X86在虛擬模式下的地址變換實(shí)存空間2021-10-2542 線性地址31 0目錄

24、引索值 頁表引索值 頁內(nèi)偏移量31 22 21 12 11 0 頁表基址 頁表項(xiàng)頁基址 31 0實(shí)存B頁基址CR3 X X 00 031 12 11 0（+）（+） 三、頁管理部件功能： 1、允許分頁時(shí)，線性地址與物理地址的轉(zhuǎn)換過程 條件（1）當(dāng)將CR0控制寄存器中的第31位PG置位時(shí)，則頁功能有效。 （2）由CR3提供頁表目錄基地址。2021-10-2543n 用戶按段址和偏址組成48位虛地址存儲(chǔ)空間編程。n 程序運(yùn)行前CPU將所有的段值生成段表保存在主存中，每個(gè)段值對應(yīng)段表中一個(gè)段表項(xiàng)，主要描述本段基值、段長度和本段訪問權(quán)限。n 程序運(yùn)行時(shí)由當(dāng)前段對應(yīng)的段表項(xiàng)與偏移地址生成32位的線性地址。n 由32位線性地址的高位生成的頁表保存在主存中，其虛頁號大小與主存實(shí)際頁號大小相同。n 程序運(yùn)行到某頁號程序位置時(shí)在頁表中查詢，若此頁不在主存則根據(jù)一定算法將輔存中虛頁調(diào)入主存置換成實(shí)頁號，若此頁已在主存則按實(shí)頁號和頁內(nèi)偏址進(jìn)行處理。80486虛擬存儲(chǔ)器管理過程：2021-10-2544 2、從線性地址、物理地址實(shí)例： CR3 5000H15 0 0000BX X XH03000X X XH0000010010 0000110100 00000101011031 22 21 12 11 0 頁表50+48H (+)0B0DOH （+）3000000H 56H(+)