微型计算机原理与接口技术
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• • • • 流水线：执行部件(EU)、总线部件(BU)、指令部件(IU)、地址部件(AU)；4级 地址总线和数据总线完全分开，分别设置16条数据线和24条地址线； 片内集成了存储器管理和保护功能部件，增加了实内存和引入“虚拟存储器”和 “虚拟地址” 的概念； 可以同时运行多个任务，80286提供了4个等级的特权系统，以支持任务与任务、 操作系统与任务之间的隔离；
(A0~A23)，有16MB (224=16MB)的内存寻址能力；引入虚拟存储器技术，利用外存 来模拟内存，可多达1GB (214· 216=1GB) ；在操作系统支持下利用片内存储管理功 能部件(段式存储器管理，段长216=64KB) ，将程序中设定的虚地址(30位)转换为 物理地址(24位)；在保护方式下实现多用户、多任务运行；
• 采用RISC技术，降低了每条指令所需的时钟数； • 采用突发总线传输方式，有效解决了存储器之间数据交换；
回写结果 地址生成
执行指令 取指令
指令译码
五级流水的工作情形
4.2.2 80386/80486的内部寄存器
• 80386/486 CPU中共有8类寄存器，可以归为4大类。
地址流水线部分 分段 分页
总线接口
执行
译码
取指 指令流水线部分
执行单元
Intel 80486在功能结构上与80386类似，
但更为合理、高效：
• 指令流水线增加到5级：取指令、译码1、译码2（地址生成）、 执行和回写结果；（平均每时钟周期执行一条指令）
• 内部集成浮点协处理器FPU（相当于增强型80387），专用于 所有浮点运算；
微型计算机原理与接口技术
（第八讲）
图4-2 8086/8088 CPU内部结构框图
20 位 地 址 运算器
通用寄 存器组
AH BH CH DH SP BP DI SI
AL BL CL DL
∑
16/8 位
专用 寄存 器组
CS DS SS ES IP
内部暂存器
总线 控制电路
外部 总线
16 位 ALU总线
80X86实地址方式是为了与8086 兼容而设置的方式
基号
段号
段内地址
段表
4.2 80386/80486微处理器
• • • • • 80386/80486 CPU体系结构 80386/80486的内部寄存器 80386/80486的工作方式 80386/80486的存储器管理 80386/80486的保护机制与任务装换
偏移地址 段寄存器
段起始地址
C0180H
偏移地址 FE7FH
16位段基址
0000
C018H C0180H ＋ FE7FH CFFFFH
……
64KB
地 址Βιβλιοθήκη Baidu运算器
CFFFFH 20位物理地址
xx
……
段末地址 图4-14 物理地址的形成 D017FH
4.1.7 80286微处理器简介
80286是继8086、80186，于1982年推出的一种高性能的16位微处理器， 主要改进之处如下：
WR IO/M INTA INTR
BHE
地址总线
8086 CPU
ALE A 16-A19 BHE 0 AD -AD15
STB
8282 OE
存储器
I/O接口
在最小模式系统 中，还需加入：
DEN
DT/R
T 8286 OE
数据总线
1片8284 3片8282
2片8286
图4-5 8086 CPU 最小方式下的系统配置
4.2 80386/80486微处理器
1985年及1989年Intel公司推出了与8086、80286相兼容的32位 微处理器80386、80486，其主要特点如下：
• 针对多用户、多任务应用设计的32位CPU，其寻址能力：物理内存 4GB(32位)、虚拟存储器空间可达64TB(46位)； • 80486的指令流水线增加到5级：预取指令、译码1、译码2（地址生成）、 执行、回写结果；总线接口支持动态数据宽度控制； • 具备更为先进的存储器管理部件(MMU)，可实现段式和段页式存储管理； • 可按实地址、保护虚拟地址以及虚拟8086等三种工作方式对存储器进行管 理，兼容8086功能； • 80486在80386基础上，集成了数值协处理器80387、8KB Cache，其指令 系统中包含了80387浮点指令；（80486=80386+80387+Cache）
BHE - Byte High Enable
a) 8086系统存储器结构 b) 8088系统存储器结构
图4-13 8086/8088系统存储器结构
• •
逻辑地址(32位)换算为物理地址(20位)的计算方法： 物理地址＝段基地址×16＋偏移地址 同一个逻辑段内，偏移地址可取值 0～FFFFH。
16位段基址
提示：理解386/486的关键是三条主线： 32位微处理器、虚拟存储器管理 和 三种工作方式。
4.2.1 80386/80486 CPU体系结构
Intel 80386 微处理器由三个部分组成。 • • 总线接口（指令流水线） ：总线接口部件、预取部件； 存储器管理（地址流水线）：分段部件（管理逻辑地址空间）、 分页部件（管理物理地址空间）； • 中央处理单元（执行部件）： 译码部件、数据处理部件（算术逻辑单元、 通用寄存器、专用乘/除法器、移位器）、控制逻辑部件、保护测试部件等； 其中，总线接口部件、指令译码部件、指令执行部件、存储器管理部件等 4个功能部件可以独立工作，从而加快指令执行速度（可以认为80386的指令 流水线为4级）。
地址部件AU
总线部件BU
执行部件EU
指令部件IU
80286 CPU的两种工作方式：
• 实地址方式(实方式) ：80286兼容了8086的全部功能，两者的软件目标代码是兼 容的；内存的物理地址仍为20位(A0~A19)，以分段的方式寻址1MB存储空间；(相 当于高速的8086)
• 保护虚拟地址方式(又称虚地址方式或保护方式) ：存储器物理地址为24位
运算寄存器 EU 控制电路
指令队列缓冲器 8 位
ALU 标志寄存器
1 2 3 4 5 6
执行部件（ EU ）
总线接口部件（ BIU ）
指令的一般执行过程： 取指令 -> 指令译码 -> 读取操作数 -> 执行指令 -> 存放结果
Vcc
Vcc
MN/MX RD
CLK
8284
时钟 发生器
READY RESET
(A0~A23)，有16MB (224=16MB)的内存寻址能力；引入虚拟存储器技术，利用外存 来模拟内存，可多达1GB (214· 216=1GB) ；在操作系统支持下利用片内存储管理功 能部件(段式存储器管理，段长216=64KB) ，将程序中设定的虚地址(30位)转换为 物理地址(24位)；在保护方式下实现多用户、多任务运行；
• 采用RISC技术，降低了每条指令所需的时钟数； • 采用突发总线传输方式，有效解决了存储器之间数据交换；
回写结果 地址生成
执行指令 取指令
指令译码
五级流水的工作情形
4.2.2 80386/80486的内部寄存器
• 80386/486 CPU中共有8类寄存器，可以归为4大类。
地址流水线部分 分段 分页
总线接口
执行
译码
取指 指令流水线部分
执行单元
Intel 80486在功能结构上与80386类似，
但更为合理、高效：
• 指令流水线增加到5级：取指令、译码1、译码2（地址生成）、 执行和回写结果；（平均每时钟周期执行一条指令）
• 内部集成浮点协处理器FPU（相当于增强型80387），专用于 所有浮点运算；
微型计算机原理与接口技术
（第八讲）
图4-2 8086/8088 CPU内部结构框图
20 位 地 址 运算器
通用寄 存器组
AH BH CH DH SP BP DI SI
AL BL CL DL
∑
16/8 位
专用 寄存 器组
CS DS SS ES IP
内部暂存器
总线 控制电路
外部 总线
16 位 ALU总线
80X86实地址方式是为了与8086 兼容而设置的方式
基号
段号
段内地址
段表
4.2 80386/80486微处理器
• • • • • 80386/80486 CPU体系结构 80386/80486的内部寄存器 80386/80486的工作方式 80386/80486的存储器管理 80386/80486的保护机制与任务装换
偏移地址 段寄存器
段起始地址
C0180H
偏移地址 FE7FH
16位段基址
0000
C018H C0180H ＋ FE7FH CFFFFH
……
64KB
地 址Βιβλιοθήκη Baidu运算器
CFFFFH 20位物理地址
xx
……
段末地址 图4-14 物理地址的形成 D017FH
4.1.7 80286微处理器简介
80286是继8086、80186，于1982年推出的一种高性能的16位微处理器， 主要改进之处如下：
WR IO/M INTA INTR
BHE
地址总线
8086 CPU
ALE A 16-A19 BHE 0 AD -AD15
STB
8282 OE
存储器
I/O接口
在最小模式系统 中，还需加入：
DEN
DT/R
T 8286 OE
数据总线
1片8284 3片8282
2片8286
图4-5 8086 CPU 最小方式下的系统配置
4.2 80386/80486微处理器
1985年及1989年Intel公司推出了与8086、80286相兼容的32位 微处理器80386、80486，其主要特点如下：
• 针对多用户、多任务应用设计的32位CPU，其寻址能力：物理内存 4GB(32位)、虚拟存储器空间可达64TB(46位)； • 80486的指令流水线增加到5级：预取指令、译码1、译码2（地址生成）、 执行、回写结果；总线接口支持动态数据宽度控制； • 具备更为先进的存储器管理部件(MMU)，可实现段式和段页式存储管理； • 可按实地址、保护虚拟地址以及虚拟8086等三种工作方式对存储器进行管 理，兼容8086功能； • 80486在80386基础上，集成了数值协处理器80387、8KB Cache，其指令 系统中包含了80387浮点指令；（80486=80386+80387+Cache）
BHE - Byte High Enable
a) 8086系统存储器结构 b) 8088系统存储器结构
图4-13 8086/8088系统存储器结构
• •
逻辑地址(32位)换算为物理地址(20位)的计算方法： 物理地址＝段基地址×16＋偏移地址 同一个逻辑段内，偏移地址可取值 0～FFFFH。
16位段基址
提示：理解386/486的关键是三条主线： 32位微处理器、虚拟存储器管理 和 三种工作方式。
4.2.1 80386/80486 CPU体系结构
Intel 80386 微处理器由三个部分组成。 • • 总线接口（指令流水线） ：总线接口部件、预取部件； 存储器管理（地址流水线）：分段部件（管理逻辑地址空间）、 分页部件（管理物理地址空间）； • 中央处理单元（执行部件）： 译码部件、数据处理部件（算术逻辑单元、 通用寄存器、专用乘/除法器、移位器）、控制逻辑部件、保护测试部件等； 其中，总线接口部件、指令译码部件、指令执行部件、存储器管理部件等 4个功能部件可以独立工作，从而加快指令执行速度（可以认为80386的指令 流水线为4级）。
地址部件AU
总线部件BU
执行部件EU
指令部件IU
80286 CPU的两种工作方式：
• 实地址方式(实方式) ：80286兼容了8086的全部功能，两者的软件目标代码是兼 容的；内存的物理地址仍为20位(A0~A19)，以分段的方式寻址1MB存储空间；(相 当于高速的8086)
• 保护虚拟地址方式(又称虚地址方式或保护方式) ：存储器物理地址为24位
运算寄存器 EU 控制电路
指令队列缓冲器 8 位
ALU 标志寄存器
1 2 3 4 5 6
执行部件（ EU ）
总线接口部件（ BIU ）
指令的一般执行过程： 取指令 -> 指令译码 -> 读取操作数 -> 执行指令 -> 存放结果
Vcc
Vcc
MN/MX RD
CLK
8284
时钟 发生器
READY RESET