1、第3章 從8086到Pentium系列微處理器的技術發展由于課時的關系，本章內容一般作為自學或討論學習的內容。但是，本章內容對本課程學習的升華具有潛在的意義，故在此也進行提示。3.1分析教材內容本章主要對80386 CPU,同時也對80486及Pentium微處理器的改進之處和特點進行簡單提示。3.1.1分析重點難點問題1. 80386微處理器1) 80386的特點及其體系結構，請參見教科書P50-52，注意：硬件支持多任務處理。2) 80386引腳的功能，請參教科書見P53，注意：理解協處理器接口信號。3) 80386的寄存器組，請參見教科書P54-56，注意：掌握各寄存器的功能。4) 80

2、386的工作模式，請參見教科書P57，注意：理解三種模式，3種工作模式可以相互轉換。5) 80386中斷，請參見教科書P59-60，注意：80386的中斷管理機制在實模式和保護模式下是不同的。2. 80486微處理器1) 80486的主要特點，請參見教科書P60-61。2) 80486的內部結構，請參見教科書P61-64。注意和80386的區別。3. Pentium微處理器1) Pentium體系結構，請參見教科書P65-67，注意Pentium微處理器在486體系結構基礎上，還作了哪些增強性的改進。2) Pentium 微處理器，請參見教科書P68。注意其結構上的特色。3) Pentium

3、微處理器，請參見教科書P69。注意其SSE指令。4) Pentium 微處理器，請參見教科書P69。注意其兩組獨立工作的ALU。3.1.2 典型例題解析本章例題主要從微處理機體系結構和新的設計思想出發，以8086微處理機為基礎，把重點放在Pentium微處理機的新體系結構和新的設計思想上。例如Pentium微處理機新體系結構的特點？相對8048體系結構有哪些增強點等？這些問題有助于提高計算機系統結構的水平。有關這方面的問題，上節已很明確的寫出，在此不再贅述。3.2 教材習題解答1. 簡述80286的特點和保護模式的保護功能。【解】80286的特點： CPU內部分為四個處理部件：EU（執行部件）

4、、AU（地址部件）、IU（指令部件）和BU（總線部件）。這四個處理部件可以并行的進行操作，提高了處理速度。 數據線和地址線完全分離。 在一個總線周期中， 當有效數據出現在數據總線上的時候，下一個總線周期的地址已經送到地址總線，形成總線周期的流水作業。 具有“實地址模式”（Real Address Mode，簡稱為“實模式”）和“保護虛地址模式”（Protected Virtual Address Mode，簡稱為“保護模式”）”兩種工作模式。 能運行實時多任務操作系統，支持存儲管理和保護功能。 實現了虛擬存儲管理。 與 80286 配合使用的數學協處理器是80287，它基本與8087相同，但適

5、應80286 的兩種工作模式。保護模式體現了80286的特色，主要是對存儲器管理、虛擬存儲和對地址空間的保護。在保護模式下，可為每個任務提供多達1GB的虛擬存儲空間和保護機制，有力地支持了多用戶、多任務的操作。那些內存裝不下的邏輯段，將以文件形式存在外存儲器中，當處理器需要對它們進行存取操作時就會產生中斷，通過中斷服務程序把有關的程序或數據從外存儲器調入到內存，從而滿足程序運行的需要。保護模式為不同程序設置了四個特權級別，可讓不同程序在不同的特權級別上運行。依靠這一機制，可支持系統程序和用戶程序的分離，并可進一步分離不同級別的系統程序，大大提高了系統運行的可靠性。2. 簡述80386 的特點、

6、80386引腳與8086的區別。【解】80386 的特點：80386是全32位結構，它的外部數據總線和內部數據通道，包括寄存器、ALU和內部總線都是32位的。80386 有 3 種工作模式：實模式、虛擬86模式、386的保護模式。80386的硬件結構可分成6個邏輯單元，它們以流水線方式工作，運行速度可達4MIPS。其硬件設計有支持段頁式存儲管理部件，易于實現虛擬存儲系統。在保護模式下的分段尋址體系，與操作系統相配合可以組成虛擬存儲器系統，一個任務的最大虛擬空間可達246=64 TB。80386硬件支持多任務處理，用一條指令就可以實現任務切換。80386設置了4級特權級，按優先順序依次為0級、1

7、級、2級、3級，前3級用于操作系統程序，后1級用于用戶程序。80386引腳與8086的區別見表3-1。表3-1 80386引腳與8086的區別8086CPU80386CPU共有40個引腳共有132個引腳16條地址/數據復用線4條地址線34條地址線32條數據線在總線寬度控制信號的控制下，可實現16位或32位數據傳送。字節控制信號協處理器接口信號(1) PEREQ：協處理器向80386發出的請求信號，有效時表示協處理器請求與存儲器之間傳送數據。80386響應該請求后，將按照指令的要求控制對存儲器的讀寫。(2) ：協處理器向80386發出的狀態信號，有效時表示協處理器正在執行指令，處于忙狀態，暫時不

8、能接受新的指令。(3)：協處理器向80386發出的狀態信號，有效時表示協處理器出錯。80386在檢測到信號后，將轉到錯誤處理子程序來處理該類錯誤。(1) ：數據/控制信號，輸出，表示當前是數據傳送周期還是控制周期。(2) ：“下一個地址”請求信號，輸入，有效時則允許地址流水線進行操作。(3)：地址狀態信號，三態輸出，類似于8086的ALE信號。3. 簡述80386 CPU寄存器的組成、特點及作用。【解】80386共有34個寄存器，按功能可分為：通用寄存器、段寄存器、狀態和控制寄存器、系統地址寄存器、調試寄存器及測試寄存器。80386的8個通用寄存器和8086通用寄存器相同，只是擴展到32位，分

9、別是：EAX（累加器）、EBX（基址寄存器）、ECX（計數寄存器）、EDX（數據寄存器，在I/O指令中可用作端口地址寄存器，乘除指令中用作輔助累加器）、ESI（源變址寄存器）、EDI（目的變址寄存器）、EBP（基址指針寄存器）、ESP（堆棧指針寄存器）80386的6個段寄存器分別是：CS代碼段寄存器，DS數據段寄存器，SS堆棧段寄存器，ES、FS、GS為三個附加段寄存器。在實方式下，段寄存器的用法和8086系統相同，只是增加了兩個附加段寄存器FS、GS。在保護方式下，段寄存器稱為段選擇符，與描述符配合實現段尋址。64位的段描述符寄存器對程序員是不可見的。為了加快對內存中描述符表的查詢速度，在段

10、選擇符內容裝入時，段描述符同時裝入段描述符寄存器。這樣，只要段選擇符內容不變，就不需要到內存中查描述符表，從而加快了段地址尋址的速度。描述符寄存器的內容包括段基地址、段限和段屬性。段限指出本段的實際長度，與段屬性一起主要用于段保護，防止不同任務進入不該進入的段進行操作。80386的狀態和控制寄存器由標志寄存器EFLAGS、指令指針寄存器EIP和四個控制寄存器CR0CR3組成。80386有四個系統地址寄存器，用來保護操作系統需要的保護信息和地址轉換表信息，定義目前正在執行任務的環境、地址空間和中斷向量空間。80386為調試提供了硬件支持。芯片內設有DR0DR7 八個調試寄存器，調試寄存器主要為系

11、統程序設計人員準備。80386有8個32位的測試寄存器。其中TR0TR5保留備用。TR6TR7用于控制對轉換后備緩沖器（TLB）中RAM和CAM（內容可尋址寄存器）的測試。TR6是測試命令寄存器。TR7為測試數據寄存器，其中保存測試結果的狀態。4. 簡述80386的三種工作模式的特點和異同。【解】80386 有 3 種工作模式：實地址模式（簡稱為實模式），保護虛擬地址模式（簡稱為保護模式），虛擬8086模式（簡稱為虛擬86模式）。實模式：80386加電啟動或復位后自動進入這一模式。實模式主要功能是初始化80386，為建立保護模式做準備。在實模式下，80386的工作方式與 8086 相似，可保持

12、80386與8086兼容：地址總線仍為 20 位，不用虛擬地址的概念，存儲器最大容量仍為1MB，其尋址機制、存儲器管理均與8086相同；數據總線為32 位，數據總線與地址總線是相互獨立的，內部寄存器主要作為 16 位使用，操作數默認長度是16位，也可以按 32 位使用，這時要在指令加上越權訪問前綴；中斷處理結構與8086相同；80386具有4級特權級，程序運行在最高級（0級）上，除少數幾條指令外，80386的絕大部分指令均可在實模式下執行。保護模式：保護模式是80386最常用的工作模式，通常在80386加電啟動或復位后首先進入實模式，完成初始化工作后立即進入保護模式。所謂保護，主要是對存儲器的

13、保護，即對存儲器中存放的程序和數據的保護。80386運行在保護模式下，可實現對多任務、多道程序的復雜管理，也只有在保護模式下，80386才能夠真正發揮其強大的功能。在保護模式下，采用虛擬存儲器的概念，存儲空間可使用虛擬地址空間、線性地址空間、物理地址空間。通過存儲器管理部件，操作系統可以將磁盤等外存設備映射到內存，使程序員可使用的邏輯地址空間大大超過實際內存的物理地址空間。程序指令的操作數和段內的偏移地址都是32位，地址總線也是32位，物理地址空間為232B=4GB，但對內存單元的訪問要通過一種稱為描述符的數據結構才能實現。80386具有4級特權級，可實現程序與程序之間、用戶程序與操作系統之間

14、的隔離和保護，為多任務操作系統提供了有效的支持虛擬86模式：在虛擬86模式下，不用虛擬地址的概念，存儲器最大容量仍為1MB，其尋址機制與8086相同。但存儲管理機制與8086不同，它把1MB的存儲空間分為256個頁面，每頁4KB。這時，當多道程序同時運行時，可以使其中的一個或多個任務使用虛擬86模式，并使某一個任務占用存儲器的某些頁面，而另一個任務占用存儲器的另外一些頁面，這樣就可將多個任務分別轉換到物理存儲器的不同存儲位置，實現了多任務同時運行。在虛擬86模式下，程序運行在最低特權級（3級）上，這時80386的一些特權指令是不能使用的。80386的上述3種工作模式可以相互轉換。在實模式下，通

15、過LMSW或數據傳送指令，將控制寄存器CR0的第0位（即PE，允許保護控制位）置為1，即可進入保護模式。通過數據傳送指令，將PE置為0，即可從保護模式返回到實模式。在保護模式下，通過執行IRETD指令或進行任務轉換，可以進入虛擬86模式。通過中斷操作，可以從虛擬86模式轉換到保護模式。5. 什么是邏輯地址和物理地址，邏輯地址、線性地址和物理地址三者之間的關系是什么？【解】邏輯地址：用戶程序中所使用的地址稱為邏輯地址。物理地址：完成存儲器單元或I/O端口尋址的實際地址。程序提供的邏輯地址，包括偏移地址和段選擇符兩部分。邏輯地址由兩部分組成：低32位為偏移地址，可指向4GB空間中的任何地址；高16

16、位為選擇符，指向段描述符表（段描述符表由操作系統管理）的一個表項，即一個段描述符。段描述符給出一個段基地址，該段基址與偏移地址相加，產生線性地址。當不采用分頁機制時，該線性地址就可用作存儲器的物理地址，即出現在地址總線上的地址。當采用分頁機制時，線性地址通過分頁機構再轉換成物理地址。6. 簡述80486 CPU 的組成及各部分的作用。【解】486微處理器的內部結構包括九個功能單元，這些單元是：總線接口單元、高速緩存（CACHE）、指令預取單元、指令譯碼單元、控制單元、整數和數據通路單元、浮點單元、分段單元和分頁單元等。總線接口單元用于數據傳輸、指令預取和處理器內部單元與外部系統的控制功能。CA

17、CHE單元存儲當前讀入的指令、操作數及其它數據的副本。指令預取單元：當指令執行中不使用總線周期時，指令預取單元就通過總線接口單元預取指令。指令譯碼單元從指令預取單元接受指令，將其譯碼成低級控制信號和微代碼入口指針。控制單元的功能是解釋指令字和從譯碼單元獲得的微代碼入口指針。整數（數據通路）單元：數據在整數單元中存儲并完成386處理器指令及幾條新增指令的所有算術邏輯運算。浮點單元執行協處理器387同樣的指令組。分段單元將程序發出的邏輯地址轉換成線性地址，并將此線性地址發向分頁單元和CACHE。分頁單元用把程序和數據一部分存在存儲器中、一部分存在磁盤上的方法，能夠存取的數據結構遠大于實際的物理空間

18、。7. Pentium 微處理器采用了哪些新的技術和結構？【解】Pentium新型體系結構的特點可以歸納為以下四個方面：(1) 超標量流水線超標量流水線（Superscalar）設計是Pentium處理器技術的核心。它由U與V兩條指令流水線構成。每條流水線都擁有自己的ALU、地址生成電路和數據CACHE的接口。這種流水線結構允許Pentium在單個時鐘周期內執行兩條整數指令，比相同頻率的486DX CPU性能提高了一倍。(2) 獨立的指令CACHE和數據CACHEPentium片內有兩個8K CACHE B，一個作為指令CACHE，另一個作為數據CACHE，即雙路CACHE結構，指令和數據分別使用不同