1、第第2章章 16位和位和32位微處理器位微處理器 本章重點本章重點 : CPU的編程結構 標志寄存器的含義 CPU的操作時序 CPU的中斷分類和中斷向量 硬件中斷和軟件中斷的區別，軟件中斷的特點 80386 的功能部件 32位微型機的三種工作方式 本章重點：本章重點： 32位微型機中指令流水線和地址流水線和實現 32微型機中的兩級存儲管理 邏輯地址到線性地址的轉換 邏輯地址到物理地址的轉換 線性地址到物理地址的轉換 Pentium采用的CISC和RISC技術 分支預測技術的設計思想和實現方法 本章重點：本章重點： Pentium的技術特點 Pentium的主要部件 Pentium的主要信號 P

2、entium的總線狀態和總線周期 Itanium的主要新技術 教學建議：教學建議： 以8086為基礎，以80386 作過渡，以Pentium中的技術為重點。 本章用6學時，其中： 8086用 3學時 80386用 1學時 Pentium用 2學時 微處理器的性能指標：微處理器的性能指標： 字長 主頻 2.1 16位微處理器位微處理器80862.1.1 8086的編程結構的編程結構 從功能上，8086分為兩部分，即1.總線接口部件(bus interface unit，BIU)2.執行部件(execution unit，EU) 1. 總線接口部件總線接口部件總線接口部件負責與存儲器、I/O端口傳

3、送數據 ，由下列4部分組成： 4個段地址寄存器（CS、DS、ES、SS） 16位的指令指針寄存器 IP(Instruction Pointer) 20位的地址加法器 6字節的指令隊列緩沖器2. 執行部件執行部件 執行部件負責指令的執行 ，由下列4部分組成： 4個通用寄存器，即AX、BX、CX、DX； 4個專用寄存器，即基數指針寄存器BP（base pointer）堆棧指針寄存器SP(stack pointer)源變址寄存器SI(source index)目的變址寄存器DI(destination index)； 標志寄存器； 算術邏輯部件(arithmetic logic unit)。 標志寄

4、存器共有16位，其中7位未用，所用的各位含義如下： 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0OFDFIFTFSFZFAFPFCF根據功能，8086的標志可以分為兩類：1.狀態標志2.控制標志 狀態標志有6個，即SF、ZF、PF、CF、AF和OF 符號標志SF(sign flag ) 零標志ZF(zero flag) 奇偶標志PF(parity flag) 進位標志CF(carry flag) 輔助進位標志(auxiliary carry flag) 溢出標志(overflow flag) 控制標志有3個，即 方向標志DF(direction flag) 中斷允

5、許標志IF(interrupt enable flag) 跟蹤標志TF(trap flag)又稱為單步標志 3. 8086的總線周期的概念的總線周期的概念 典型的8086總線周期序列： T1狀態，發地址信息 T2狀態，總線的高4位輸出狀態信息 T3狀態，高4位 狀態信息，低16位 數據 T3之后，可能插入TW 在T4狀態，結束。2.1.2 8086的引腳信號和工作模式的引腳信號和工作模式 1. 最小模式和最大模式的概念最小模式和最大模式的概念 (1)最小模式: 在系統中只有一個微處理器。 (2)最大模式： 兩個或多個微處理器（主處理器、協處理器）2. 8086/8088的引腳信號和功能的引腳信

6、號和功能注意點： 8086/8088的數據線和地址線復用 8086有16根數據線 第21腳(RESET)為輸入復位信號 第22引腳為“準備好”(READY)信號 高4位地址和狀態線復用 各引腳信號： GND、V地和電源 AD15AD0地址/數據復用 A19/S6A16/S3 地址/狀態復用 BHE/S7 高8位數據總線允許/狀態復用 NMI非屏蔽中斷輸入 INTR可屏蔽中斷請求信號輸入 RD讀信號輸出 CLK時鐘輸入 RESET復位信號輸入 READY “準備好”信號輸入 TEST測試信號輸入 MN/MX最小和最大模式控制輸入 3. 最小模式最小模式 引腳信號： INTA中斷響應信號輸出 AL

7、E地址鎖存允許信號輸出 DEN數據允許信號 DT/R數據收發信號輸出 M/IO存儲器/輸入輸出控制信號輸出 WR寫信號輸出 HOLD總線保持請求信號輸入 HLDA總線保持響應信號輸出 8086在最小模式下的典型配置在最小模式下的典型配置 ：4. 最大模式最大模式 引腳信號： QS1、QS0指令隊列狀態信號輸出 S2#、S1#、S0#總線周期狀態信號輸出 LOCK#(lock)總線封鎖信號輸出 RQ#/GT1#、RQ#/GT0#總線請求信號輸入、總線授權信號輸出 8086在最大模式下的典型配置在最大模式下的典型配置 ：2.1.3 8086的操作和時序的操作和時序 8086的主要操作的主要操作:

8、系統的復位和啟動操作； 暫停操作； 總線操作； 中斷操作； 最小模式下的總線保持； 最大模式下的總線請求/允許。 1. 系統的復位和啟動操作系統的復位和啟動操作 2. 總線操作總線操作(1) 最小方式下的總線讀操作(2) 最小方式下的總線寫操作 (3) 最大模式下的總線讀操作(4) 最大模式下的總線寫操作 (1) 最小方式下的總線讀操作最小方式下的總線讀操作(2) 最小方式下的總線寫操作最小方式下的總線寫操作(3) 最大模式下的總線讀操作最大模式下的總線讀操作(4) 最大模式下的總線寫操作最大模式下的總線寫操作3.中斷操作和中斷系統中斷操作和中斷系統（1）8086的中斷分類的中斷分類 硬件中斷

9、 （非屏蔽中斷和可屏蔽中斷）軟件中斷8086/8088的中斷分類的中斷分類 ：(2) 中斷向量和中斷向量表中斷向量和中斷向量表 (3) 硬件中斷硬件中斷 NMI INTR(4) 硬件中斷的響應和時序硬件中斷的響應和時序 可屏蔽中斷的響應過程 ： 讀取中斷類型碼 將標志寄存器的值推入堆棧 把標志寄存器的IF和TF清零 將斷點保護到堆棧中。 尋找中斷向量，轉入中斷處理程序 中斷響應中斷響應 8086的中斷響應總線周期的中斷響應總線周期 ：非屏蔽中斷和可屏蔽中斷有兩點差別； TF是單步中斷標志 ； 在中斷響應后，又遇NMI； 結束時，返回斷點； 等待或串操作時，允許過程中進入中斷。 中斷響應用中斷響

10、應用2個總線周期個總線周期第1個總線周期，通知外設，CPU準備響應中斷；第2個總線周期，外設發送中斷類型碼(5) 中斷處理子程序中斷處理子程序 進一步保護中斷現場 開放中斷 中斷處理的具體內容 彈出堆棧指令 中斷返回指令(6) 軟件中斷軟件中斷 特點： 用一條指令進入中斷處理子程序，并且，中斷類型碼由指令提供。 不執行中斷響應總線周期，也不從數據總線讀取中斷類型碼。 不受中斷允許標志IF的影響 執行過程中可響應外部硬件中斷 軟件中斷沒有隨機性4. 最小模式下的總線保持最小模式下的總線保持利用HOLD和HLDA信號實現總線保持5. 最大模式下的總線請求最大模式下的總線請求/授權授權利用RQ#/G

11、T實現總線請求/授權2.1.4 8086的存儲器編址和的存儲器編址和I/O編址編址 1. 8086的存儲器編址的存儲器編址 CS、DS、SS和其他寄存器組合指向存儲單元的示意圖 ：2.2 32位微處理器位微處理器80386 2.2.1 80386的體系結構的體系結構 6個功能部件個功能部件 指令預取部件 指令譯碼部件 執行部件 分段部件分頁部件總線接口部件2.2.2 80386的三種工作方式的三種工作方式 80386有三種工作方式：實地址方式(real address mode)保護虛擬地址方式(protected virtual address mode)即保護方式虛擬8086方式(virt

12、ual 8086 mode) 實地址方式和虛擬實地址方式和虛擬8086方式區別方式區別 單任務和多任務問題尋址空間問題內存劃分問題2.2.3 寄存器寄存器 1. 通用寄存器通用寄存器 8個32位通用寄存器， EAX EBX ECX EDX ESI EDI EBP ESP2. 指令指針寄存器（指令指針寄存器（EIP）和標志寄存器和標志寄存器 （EFLAGS）3. 段寄存器和段描述符寄存器段寄存器和段描述符寄存器 4. 控制寄存器控制寄存器 CR0 CR2 CR3CR0的含義：的含義：5.系統地址寄存器系統地址寄存器 系統地址寄存器有4個: GDTR全局描述符表寄存器 IDTR 中斷描述符表寄存器

13、 TR任務狀態寄存器 .LDTR局部描述符表寄存器4個系統地址寄存器的結構個系統地址寄存器的結構 ：6.調試寄存器和測試寄存器調試寄存器和測試寄存器 調試寄存器： DR0DR7測試寄存器： 測試命令寄存器：TR6 數據寄存器：TR732位位CPU的調試寄存器的調試寄存器 ：2.2.4 指令流水線和地址流水線指令流水線和地址流水線 1. 指令流水線構成：指令流水線構成： 總線接口部件 指令預取部件 指令譯碼部件 執行部件2. 地址流水線組成地址流水線組成 分段部件 分頁部件 總線接口部件3種地址：種地址：邏輯地址線性地址物理地址2.2.5 80386的虛擬存儲機制和片內兩級存儲管理的虛擬存儲機制

14、和片內兩級存儲管理 (1) 虛擬儲存技術虛擬儲存技術 虛擬存儲器機制的組成： 主存儲器 輔助存儲器 存儲管理部件虛擬存儲器分類： 段式虛擬存儲器 頁式虛擬存儲器(2) 片內兩級存儲管理片內兩級存儲管理1分段管理分段管理 采用描述符表的優點 ： 可以大大擴展存儲空間。 可以實現虛擬存儲。 可以實現多任務隔離。 80386有兩類段，即 非系統段 系統段 (1) 非系統段描述符非系統段描述符 非系統段：代碼段、數據段（堆棧段）非系統段描述符的格式和含義非系統段描述符的格式和含義 ：(2) 系統段描述符系統段描述符 系統段描述符的格式和含義系統段描述符的格式和含義 ：段選擇子的含義和功能段選擇子的含義

15、和功能 ：從邏輯地址到線性地址的轉換從邏輯地址到線性地址的轉換 ：從邏輯地址到物理地址的轉換從邏輯地址到物理地址的轉換 ：2.分頁管理分頁管理 分頁部件用兩個表實現地址轉換： 頁組目錄項表 頁表 線性地址到物理地址的轉換線性地址到物理地址的轉換 線性地址轉換為物理地址的例子線性地址轉換為物理地址的例子 3.轉換檢測緩沖器轉換檢測緩沖器TLB 轉換檢測緩沖器TLB的功能 :轉換檢測緩沖器轉換檢測緩沖器TLB的工作原理的工作原理 2.2.6 80386的中斷的中斷 80386下列情況下引起中斷： 外設送中斷請求信號。 CPU或協處理器產生異常。 執行INT指令。 2.2.7 80386的信號和總線

16、狀態的信號和總線狀態 1. 80386的信號的信號 2. 80386的總線周期的總線周期 80386的總線周期： 寫總線周期 中斷響應周期 暫停和停機周期(1) 讀寫總線周期讀寫總線周期 80386的完整的總線狀態圖的完整的總線狀態圖 :(2) 中斷響應周期中斷響應周期 (3) 暫停周期和停機周期暫停周期和停機周期 2.3 32位微處理器位微處理器Pentium2.3.1 Pentium采用的先進技術采用的先進技術 1 CISC技術和技術和RISC技術技術CISCCISC技術技術的特點的特點RISCRISC技術的特點技術的特點2 超標量流水線技術超標量流水線技術超標量超標量的含義的含義超標量超

17、標量的實現前提的實現前提3 分支預測技術分支預測技術 分支規律分支規律 MOV DX，100；取填色矩形右上角像素點的y坐標AAA ：MOV CX，200；取填色矩形右上角像素點的x坐標BBB： MOV AL，04 ；在AL中設置紅色對應的值04H MOV AH，0CH；在AH中設置對應寫像素的功能碼 INT 10H ；在指定的像素位置填上指寫顏色 DEC CX ；x坐標左移一個像素點 JNZ BBB ；繼續對下一個點操作 DEC DX ；橫向填完一行再對下一行操作 JNL AAA ；如未結束則繼續 HLT ；如填好則結束分支預測的方法分支預測的方法采用Cache動態預測2.3.2 Penti

18、um的技術特點的技術特點 64位數據總線 互相獨立的指令Cache和數據Cache 常用指令用硬件來實現。 增加系統管理方式SMM。 2.3.3 Pentium的原理結構的原理結構 1. Pentium的主要部件的主要部件 總線接口部件 U流水線和V流水線 指令Cache 數據Cache 指令預取部件 指令譯碼器 浮點處理部件FPU 分支目標緩沖器BTB 控制ROM 寄存器組 2. 原理結構原理結構 2.3.4 Pentium的寄存器的寄存器 Pentium的寄存器分為如下幾類： 基本寄存器組 通用寄存器， 指令寄存器， 標志寄存器， 段寄存器； 系統寄存器組 地址寄存器， 調試寄存器， 控制

19、寄存器， 模式寄存器； 浮點寄存器組 數據寄存器 標記字寄存器 狀態寄存器 控制字寄存器 指令指針寄存器和數據指針寄存器 1. 基本寄存器組基本寄存器組 標志寄存器 :2. 系統寄存器組系統寄存器組 控制寄存器 :3. 浮點寄存器組浮點寄存器組 Pentium的的FPU狀態寄存器狀態寄存器 Pentium的的FPU控制字寄存器控制字寄存器 2.3.5 Pentium的主要信號的主要信號 1. 地址線及控制信號地址線及控制信號 A31A3地址線 AP地址的偶校驗碼位 ADS#地址狀態輸出信號 A20M# A20以上的地址線屏蔽信號 APCHK#地址校驗出錯信號2. 數據線及控制信號數據線及控制信

20、號 D63D0數據線 BE7#BE0#字節允許信號 DP7DP0奇偶校驗信號 PCHK#讀校驗出錯 PEN#奇偶校驗允許信號3. 總線周期控制信號總線周期控制信號 D/C#數據/控制信號 M/IO#存儲器和I/O訪問信號 W/R#讀寫信號 LOCK#總線封鎖信號 BRDY#突發就緒信號 NA#下一個地址有效信號 SCYC分割周期信號4. Cache控制信號控制信號 CACHE#Cache控制信號 EADS#外部地址有效信號 KEN#Cache允許信號 FLUSH#Cache擦除信號 AHOLD地址保持/請求信號 PCDCache禁止信號 PWT片外Cache的控制信號 WB/WT#片內Cache回寫/通寫選擇信號 HIT#和HITM#Cache命中信號和命中Cache的狀態信號 INV無效請求信號 5. 系統控制信號系統控制信號 INTR可屏蔽中斷請求信號 NMI非屏蔽中斷請求信號 RESET系統復位信號 INIT初始化信號 CLK系統時鐘信號 6. 總線仲裁信號總線仲裁信號 HO