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1、第二章第二章 IntelIntel系列微处理器系列微处理器 第一节第一节 IntelIntel系列微处理器概述系列微处理器概述 第二节第二节 8048680486微处理器的体系结构微处理器的体系结构 第三节第三节 PentiumPentium微处理器的体系结构微处理器的体系结构(自学自学)一、一、808680868088 8088 微处理器微处理器 第一节第一节 IntelIntel系列微处理器概述系列微处理器概述 处理器处理器位数位数（字长）（字长）内部总内部总线位数线位数外部总线位外部总线位数数地址线位地址线位数数80868086161616161616202080888088161616
2、168 820208028680286161616161616242480386DX80386DX323232323232323280486804863232323232323232PentiumIVPentiumIV6464323264643636一、一、808680868088 8088 微处理器微处理器 在在8086808680888088的设计中，引入了两个重要的概念：的设计中，引入了两个重要的概念：指令流水线指令流水线 存储器分段存储器分段第一节第一节 IntelIntel系列微处理器概述系列微处理器概述 8086/80888086/8088内部结构示意图内部结构示意图总总线线接接口
3、口单单元元BIUBIU由由段段寄寄存存器器（CSCS、DSDS、SSSS、ESES）、指指令令指指针针寄寄存存器器（IPIP）、内内部部暂暂存存器器、指指令令队队列列、地地址址加加法法器器及及总总线线控控制制电电路路组组成成。它它的的主主要要作作用用是是负负责责执执行行所所有有的的“外外部部总总线线”操作操作。指指令令队队列列主主要要使使8086/80888086/8088的的EUEU和和BIUBIU并并行行工工作作，取取指指令令操操作作、分析指令操作重叠进行，从而形成了分析指令操作重叠进行，从而形成了两级两级指令流水线结构。指令流水线结构。执执行行单单元元EU EU 由由通通用用寄寄存存器器
4、、运运算算数数据据寄寄存存器器、算算术术逻逻辑辑单单元元（ALUALU）及及EUEU控控制制电电路路组组成成。它它的的主主要要作作用用是是分分析析和和执执行行指令指令。对存储器分段的理解对存储器分段的理解设有设有10001000个座位个座位,编号为编号为0-9990-999(1)(1)如果要找某个座位号的人如果要找某个座位号的人,或把一个人安排到某个座或把一个人安排到某个座位号去位号去,可以直接给出这个座位号可以直接给出这个座位号(0-999(0-999之一之一),),称为称为物理地址物理地址(2)(2)如果这如果这10001000个座位不同区域坐不同年龄的人个座位不同区域坐不同年龄的人,如如
5、0-0-9999为老年人为老年人,100-199,100-199坐中年人坐中年人,200-299,200-299坐青年人坐青年人就就可以将这些座位分组可以将这些座位分组:0-99 0-99 第第0 0组的第组的第0 0个到第个到第9999个个100-199 100-199 第第1 1组的第组的第0 0个到第个到第9999个个200-299 200-299 第第2 2组的第组的第0 0个到第个到第9999个个 这样这样,任何一个号就可以由任何一个号就可以由组号组号和组内的相对和组内的相对偏移号偏移号确确定定,如如899899为第为第8 8组第组第9999个个实际号实际号(物理地址物理地址)=组号
6、组号*100+100+偏移号偏移号 组号组号:偏移号偏移号 称为称为逻辑地址逻辑地址对存储器分段的理解对存储器分段的理解(3)(3)上面定义的组的长度上面定义的组的长度(100)(100)和组与组之间的间隔和组与组之间的间隔(100)(100)相同相同,组间无重叠号组间无重叠号,现在给出新的定义现在给出新的定义:组的长组的长度仍为度仍为100,100,但组的间隔为但组的间隔为10:10:0-99 0-99 第第0 0组的第组的第0 0个到第个到第9999个个10-109 10-109 第第1 1组的第组的第0 0个到第个到第9999个个20-119 20-119 第第2 2组的第组的第0 0个
7、到第个到第9999个个 900-999 900-999 第第9090组的第组的第0 0个到第个到第9999个个 这样这样,组之间就可以重叠组之间就可以重叠,一个号可以属于不同的组一个号可以属于不同的组,如如1111号可以是号可以是0 0组第组第1111个个,也可以是也可以是1 1组第组第1 1个个其其实际号实际号(物理地址物理地址)仍可由仍可由组号组号和组内的相对和组内的相对偏移号偏移号确确定定实际号实际号(物理地址物理地址)=组号组号*10+10+偏移号偏移号 组号组号:偏移号偏移号 称为称为逻辑地址逻辑地址,对一个对一个物理地址物理地址,其其逻辑逻辑地址地址不是唯一的不是唯一的.对存储器分
8、段的理解对存储器分段的理解(3)(3)现在用十六进制思维方式现在用十六进制思维方式,把一个组长度定义为把一个组长度定义为64K,64K,即即0:ffffH,0:ffffH,组之间的间隔为组之间的间隔为16,16,即即10h,10h,则则 实际号实际号(物理地址物理地址)=组号组号*16+16+偏移号偏移号或或:实际号实际号(物理地址物理地址)=组号组号*10h+10h+偏移号偏移号或或:实际号实际号(物理地址物理地址)=组号组号左移左移4 4位位+偏移号偏移号 这就是这就是存储器分段存储器分段的概念的概念,组号组号就称为就称为段地址段地址,偏移号偏移号称为称为偏移地址偏移地址,段地址段地址:偏
9、移地址偏移地址称为称为逻辑地址逻辑地址编写程序时使用的是编写程序时使用的是逻辑地址逻辑地址,此时此时,段地址段地址和和偏移地址偏移地址分别用分别用段寄存器段寄存器和和偏移地址寄存器偏移地址寄存器给出给出.相应地相应地:每个座位就是一个每个座位就是一个存储单元存储单元,座位号就是存储单座位号就是存储单元的元的地址地址,座位上坐的人就是该存储单元存放的座位上坐的人就是该存储单元存放的数据数据内容内容,存取存取(访问访问)一个存储单元必须要先给出定位该一个存储单元必须要先给出定位该存储单元的存储单元的地址地址,然后再读写然后再读写数据数据.存储器分段示意图存储器分段示意图 段段寄寄存存器器为为808
10、6/80888086/8088采采用用存存储储器器分分段段管管理理提提供供了了主主要要的的硬硬件件支支持持。8086/80888086/8088可可寻寻址址的的存存储储器器空空间间为为1MB1MB。通通过过分分段段管管理理，把把1MB1MB的的物物理理存存储储空空间间分分成成若若干干逻逻辑辑段段，每每段段最最大大为为64KB64KB。段的起始单元地址叫段的起始单元地址叫段基址段基址。存存储储器器的的分分段段方方式式不不是是唯唯一一的的，各各段段之之间间可可以以连连续续、分分离离、部部分分重重叠叠和和完完全全重重叠叠。这这主主要要取取决决于于对对各各个个段段寄寄存存器器的的预预置置内内容容。一一
11、个个具具体体的的存存储储单单元元的的物物理理地地址址，可可以以属属于于一一个个逻逻辑辑段段，也可以同属于几个逻辑段。也可以同属于几个逻辑段。8086/80888086/8088的的4 4个个当当前前段段分分别别称称为为：代代码码段段、数数据据段段、堆堆栈栈段段、附加段附加段 采采用用存存储储器器分分段段管管理理后后，存存储储器器地地址址有有物物理理地地址址和和逻逻辑辑地地址址之分。之分。CPUCPU访问存储器访问存储器时，地址总线时，地址总线ABAB上送出的是上送出的是物理地址物理地址。编编程程时时则则采采用用逻逻辑辑地地址址，逻逻辑辑地地址址有有段段基基址址和和段段内内偏偏移移地址地址两部分
12、组成，两者都是两部分组成，两者都是1616位。位。由由1616位逻辑地址变换为位逻辑地址变换为2020位物理地址的关系如下：位物理地址的关系如下：物理地址物理地址=段基址段基址*16+16+段内偏移段内偏移 物理地址的生成是在物理地址的生成是在BIUBIU的地址加法器中完成的。的地址加法器中完成的。物理地址生成示意图物理地址生成示意图二、二、8028680286微处理器微处理器 8028680286是是一一种种增增强强微微处处理理器器型型标标准准1616位位微微处处理理器器。与与8086/80888086/8088相相比比，结结构构上上的的改改进进与与性性能能上上的的提提高高主主要要体体现现在
13、在以下几个方面：以下几个方面：内内部部有有执执行行单单元元（EUEU）、总总线线单单元元（BUBU）、指指令令单单元元（IUIU）和和地地址址单单元元（AUAU）4 4个个独独立立的的部部分分并并行行操操作作，可可实实现现4 4级流水线级流水线作业，使数据吞吐率大大提高。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。地址总线与数据总线完全分开使用。二、二、8028680286微处理器微处理器 存存储储空空间间有有两两种种工工作作方方式式：实实地地址址方方式式和和保保护护虚虚拟拟地地址址方方式式（保保护护方方式式）。实实地地址址方方式式有有1MB1MB的的空空间间；保保护护方方式式
14、有有16MB16MB的空间。的空间。在在保保护护方方式式下下，4 4个个段段寄寄存存器器装装入入的的不不再再是是段段基基址址，而而是指向段描述符表中某个段描述符的索引值，称为是指向段描述符表中某个段描述符的索引值，称为段选择符段选择符。三、三、80386/8048680386/80486微处理器微处理器 80386/8048680386/80486是是针针对对多多用用户户和和多多任任务务的的应应用用而而推推出出的的3232位位微处理器，与微处理器，与8028680286相比，它在结构和性能上的主要特点如下：相比，它在结构和性能上的主要特点如下：内内部部寄寄存存器器数数量量明明显显增增加加，它它
15、具具有有全全3232位位数数据据处处理理能能力力，还可以进行还可以进行6464位的数据运算。位的数据运算。片片内内存存储储管管理理部部件件可可实实现现段段页页式式存存储储管管理理，比比8028680286可可提提供供更大的虚拟存储空间和物理存储空间。更大的虚拟存储空间和物理存储空间。三、三、80386/8048680386/80486微处理器微处理器 比比8028680286新新增增了了一一种种保保护护模模式式下下的的工工作作方方式式，即即虚虚拟拟80868086方式。方式。8048680486增加到增加到6 6级级指令流水线。指令流水线。提供了提供了3232位位外部总线接口，最大数据传输速率
16、显著提高。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。运算速度大大加快。各种模式下物理地址生成各种模式下物理地址生成 各种模式下段长与容量各种模式下段长与容量 说说明明:8028680286保保护护模模式式,段段描描述述符符4848位位:24:24位位段段基基址址,16,16位位段段边边 界界,8,8位访问权限位访问权限8048680486保保护护模模式式,段段描描述述符符6464位位:32:32位位段段基基址址,20,20位位段段边边界界,12,12位属性位属性第二节第二节 8048680486微处理器的体系结构微处理器的体系结构 一、一、8048680486的流水线的流水线
17、8048680486的流水线工作示意图的流水线工作示意图1 1）基本寄存器）基本寄存器 通用寄存器通用寄存器 指令指针寄存器指令指针寄存器 （EIPEIP）有有8 8个个3232位位的的EAXEAX、EBXEBX、ECXECX、EDXEDX、ESIESI、EDIEDI、EBPEBP、ESPESP；它它们们的的低低1616位位可可以以单单独独访访问问被被命命名名为为：AXAX、BXBX、CXCX、DXDX、SISI、DIDI、BPBP、SPSP。其其中中AXAX、BXBX、CXCX、DXDX还还可可以以分分别别分分成成两个两个8 8位寄存器：位寄存器：AHAH、ALAL、BHBH、BLBL、CH
18、CH、CLCL、DHDH、DLDL。EIPEIP用用于于保保存存下下一一条条待待预预取取指指令令相相对对于于代代码码段段基基址址的的偏偏移量。它的低移量。它的低1616位可以单独访问，称之为位可以单独访问，称之为IPIP二、二、8048680486的内部寄存器的内部寄存器 1 1）基本寄存器）基本寄存器 标志寄存器标志寄存器 （EFLAGSEFLAGS）：）：3232位位标标志志寄寄存存器器 （EFLAGSEFLAGS）中中包包含含三三种种标标志志：状状态态标标志志（S S）、）、控制标志控制标志（C C）和和系统标志系统标志（X X）。）。状态标志（状态标志（S S）：）：反映指令执行过程及
19、结果的状态。反映指令执行过程及结果的状态。控控制制标标志志（C C）：它它仅仅含含一一个个标标志志DFDF，用用于于控控制制串串操操作作指指令令的地址改变方向。的地址改变方向。系系统统标标志志（X X）：它它用用于于控控制制I/OI/O、屏屏蔽蔽中中断断、调调试试、任任务务转转换换和和控控制制保保护护方方式式与与虚虚拟拟80868086方方式式间间的的转换。转换。1 1）基本寄存器）基本寄存器 段寄存器段寄存器：8048680486有有6 6个个段段寄寄存存器器（CSCS、SSSS、DSDS、ESES、FSFS、GSGS），用用于于决决定定程程序序使使用用存存储储器器区区域域块块。其其中中CS
20、CS指指明明当当前前的的代代码码段段；SSSS指指明明当前的堆栈段当前的堆栈段；DSDS、ESES、FSFS和和GSGS指明当前的指明当前的4 4个个数据段数据段。在在保保护护方方式式下下，8048680486段段的的长长度度可可以以在在1M1M字字节节到到4G4G字字节节之之间变化；而在实地址方式下，段的长度最大为间变化；而在实地址方式下，段的长度最大为64KB64KB。基本寄存器示意图基本寄存器示意图 2)2)系统级寄存器系统级寄存器 系系统统级级寄寄存存器器包包括括4 4个个控控制制寄寄存存器器和和4 4个个系系统统地地址址寄寄存存器器。这些寄存器只能由在这些寄存器只能由在特权级特权级0
21、 0上运行的程序访问。上运行的程序访问。4 4个个控控制制寄寄存存器器的的作作用用是是存存放放全全局局特特性性的的机机器器状状态态，控控制制片片内内CacheCache、FPUFPU和和分分段段、分分页页单单元元的的工工作作。各各个个控控制制寄寄存存器都是器都是3232位。位。控制寄存器控制寄存器 系统地址寄存器系统地址寄存器 系系统统地地址址寄寄存存器器只只在在保保护护方方式式下下使使用用，所所以以又又叫叫保保护护方方式式寄寄存存器器。8048680486用用4 4个个寄寄存存器器把把在在保保护护方方式式下下常常用用的的数数据据基基地地址址、界界限限和和其其他他属属性性保保存起来，以确保其快
22、速性。存起来，以确保其快速性。全全局局描描述述符符表表寄寄存存器器（GDTR48GDTR48位位）和和局局部部描描述述符符表表寄寄存存器器（LDTR80LDTR80位位）分别用来存放分别用来存放GDTGDT和和LDTLDT的的3232位线性基地址等内容。位线性基地址等内容。中断描述符表寄存器中断描述符表寄存器（IDTRIDTR）用来存放中断描述符表的基址和界限。用来存放中断描述符表的基址和界限。任务寄存器任务寄存器TRTR用来存放任务状态段（用来存放任务状态段（TTSTTS）的基址、界限和其它属性。的基址、界限和其它属性。调试和测试寄存器调试和测试寄存器 8048680486提提供供了了8 8
23、个个3232位位的的可可编编程程寄寄存存器器来来支支持持调调试试功功能能。它它还还定定义义了了5 5个个测测试试寄寄存存器器，测测试试寄寄存存器器实实际际上上并并不不是是8048680486体体系系结结构构的的标标准准部部分分，只只是为了增强系统的可测性而引入的附加硬件。是为了增强系统的可测性而引入的附加硬件。浮点寄存器浮点寄存器 1313个个浮浮点点寄寄存存器器，8 8个个8080位位浮浮点点数数据据寄寄存存器器用用作作固固定定寄寄存存器器组组或或硬硬件件堆堆栈栈，1 1个个1616位位标标记记字字寄寄存存器器用用来来标标记记每每个个数数据据寄寄存存器器的的内内容容，1 1个个1616位位控
24、控制制寄寄存存器器用用于于提提供供FPUFPU的的若若干干处处理理选选择择项项，1 1个个1616位位状状态态寄寄存存器器用用于于反反映映FPUFPU的的总总状状态态，2 2个个4848位位的的指指令令、数数据据指指针针寄寄存存器器的的作作用用是是为为用户编写错误处理程序提供指令、数据指针。用户编写错误处理程序提供指令、数据指针。8048680486的的FPUFPU中包含有：中包含有：三、三、8048680486的三种工作方式及相互转换的三种工作方式及相互转换 （1 1）实地址方式：）实地址方式：它它的的工工作作原原理理与与80868086基基本本相相同同，主主要要区区别别是是80486804
25、86能能借借助助操操作作数数长长度度前前缀缀，处处理理3232位位数数据据，且且增增加加了了两两个个数数据据段段寄寄存存器器FSFS和和GSGS，提高了运行速度。提高了运行速度。（2 2）保护虚地址方式：）保护虚地址方式：它它引引入入了了虚虚拟拟存存储储器器的的概概念念。CPUCPU可可访访问问的的物物理理存存储储空空间间为为4GB4GB，程程序序可可用用的的虚虚拟拟地地址址空空间间为为64TB64TB。段段的的长长度度在在启启动动页页功功能能时时是是4GB4GB，不不启启动动页页功功能能时时是是1MB1MB。可可支支持持多多用用户户和和单单用用户户的多任务操作，并对各任务提供了多方面的保护机
26、制。的多任务操作，并对各任务提供了多方面的保护机制。三、三、8048680486的三种工作方式及相互转换的三种工作方式及相互转换 （3 3）虚拟）虚拟80868086方式：方式：它它是是一一种种既既有有保保护护功功能能又又能能执执行行80868086代代码码的的工工作作方方式式，可可以以说说是是保保护护方方式式的的一一种种子子方方式式。工工作作原原理理与与保保护护虚虚拟拟地地址址方方式式下下相相同同，但但是是程程序序指指定定的的逻逻辑辑地地址址解解释释与与80868086相相同同，即即可以和实地址方式下一样执行可以和实地址方式下一样执行80868086的应用程序。的应用程序。三、三、8048680486的三种工作方式及相互转换的三种工作方式及相互转换 8048680486的三种工作方式和相互转换示意图的三种工作方式和相互转换示意图 四、四、8048680486的外部引脚信号的外部引脚信号