第二章 IA-32结构微处理器

8086 80286
0.129 0.134
16 16
1MB 16MB
无 无
80386DX
80486DX Pentium
1985
1989 1993
6.0
20 100
20
25 60
0.275
1.2 3.1
32
32 32
32
32 64
4GB
4GB 4GB
无
8KB L1 16KB L1
Pentium Pro
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自动化与电气工程系
2.2 IA－32微处理器的功能结构
2.2.3 80386微处理器
与8086/80286兼容,132个引脚，栅状阵列封装 （PGA),地址线32位,数据线32位.
一.主要性能:
1.灵活的32位微处理器:
8位,16位,32位数据类型 8个32位通用寄存,与8086/8088/80286寄存器兼容
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2.1 IA-32结构微处理器发展
微处理器地址与数据接口总线宽度
微处理器 首批生 产 时 间 1978 1982 性能 (MIPS ) 0.8 2.7 首 批 CPU 频 率 MHz 8 12.5 集成度 (百万) 寄存器 宽度 外部数 据总线 宽度 16 16 最 大 寻 址空间 内含高速 缓存大小
执行部件EU从指令队列取指 令，并执行。
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自动化与电气工程系
2.2 IA－32微处理器的功能结构
2.2.1 Intel 8086微处理器结构
一、总线接口部件
1、段寄存器 CS：16位的代码段寄存器，管理程序段 DS：16位的数据段寄存器，管理数据段。 ES：16位的扩展段（附加段）寄存器， 管理扩展段。 SS：16位的堆栈段寄存器，管理堆栈段。
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自动化与电气工程系
2.1 IA-32结构微处理器发展
1971年：发布Intel 4004，4位CPU 时钟：2.5~4MHZ 集成度：2000只晶体管/片 1973： Intel 8080:8位CPU 1978： Intel 8086/8088： 16位CPU 时钟：2.5~5MHZ 集成度：10000只晶体管/片 随后：80286：16位增强型CPU 1981年：推出IBMPC(Intel 8080CPU) 1981以来： 三十二位微处理器：80386、80486、 时钟：16~20MHZ， 集成度:15~50万管/片。
二、执行部件EU
1、 四个通用16位寄存器： AX、BX、CX、DX，每个16位寄存器可作8位寄 存器。 16位 8位 8位 AX → AH AL BX → BH BL CX → CH CL DX → DH DL
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自动化与电气工程系
2.2 IA－32微处理器的功能结构
2、 四个专用16位寄存器 二个指针寄存器
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自动化与电气工程系
2.2 IA－32微处理器的功能结构
三、总线接口单元和执行单元的动作管理
1、当8086的指令队列有两个空字节，BIU自动取指令到指 令队列中； 2、执行部件EU准备执行一条指令时，它从BIU的指令队列取 指令，然后执行； 3、指令队列已满，BIU与EU又无总线请求时,总线接口部件 进入空闲状态。 4、执行转移指令、调用指令、返回指令时，BIU自动清除指 令队 列，然后从新地址取指令，并立即送给EU，然后再从 新单元开始，从新填满队列机构。 8086CPU的特点：BIU与EU是分开的，取指令与执行指令可 以重叠。提高执行速度。
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2.2 IA－32微处理器的功能结构
2.2.2 Intel 80286 CPU
80286就是增强型16位微处理器，而386及486是 32位微处理器。 80286与8086向上兼容，它主要是为满足多用户 和多任务系统的需要而设计的，内部设有存储管 理部件和存储保护机构，能使用四个特权层支技 操作系统与任务的分离，而且能支持程序和数据 的保密。
SP：堆栈指针，其内容与堆栈段寄存器SS的内容相加， 提供堆栈操作地址。 BP：基址指针：构成段内偏移地址的一部分.
二个16位变址寄存器:
SI:（Source Index）：SI含有源地址意思,产生有效 地址或实际地址的偏移量。 DI:（Destination Index）：DI含有目的意思, 产生有效地址或实际地址的偏移量。
2.2 IA－32微处理器的功能结构
8086的内部结构－成两部分:
2.2.1 Intel 8086微处理器结构（重点）
总线接口部件BIU: 总线接口单元BIU，负责CPU与存储器之间的信息传 送。 执行部件EU: 执行单元EU从指令队列中取出指令并执行。
特点：
取指令和执行指令分开进行，提高了速度。
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物理地址：A0000 H ~ AFFFF H
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2.2 IA－32微处理器的功能结构
4、6字节的指令队列 指令队列共六字节，总线接口部件BIU从内存 取指令，取来的总是放在指令队列中。 执行部件EU从指令队列取指令，并执行。
提问：
8086的总线接口部件有那几部分组成?
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自动化与电气工程系
2.2 IA－32微处理器的功能结构
状态标志位
进位标志CF: 运算结果有进位,CF=1,否则CF=0; 奇偶校验标志PF:操作结果中，1的个数为偶数，则P＝1 辅助进位标志AF: 零标志ZF: 结果为零,ZF=1;否则CF=0; 符号标志SF: 与运算结果的最高位相同; 溢出标志OF:
第二章 IA-32结构微处理器
主要内容 2.1 IA-32结构微处理器发展 2.2 IA－32微处理器的功能结构 2.2.1 Intel 8086微处理器结构 2.2.2 Intel 80286 CPU 2.2.3 80386微处理器 2.2.4 80486微处理器 2.2.5 Pentium 2.3 IA－32结构微处理器的执行环境 2.3.1 操作模式 2.3.2 基本执行环境概要 本章小节 本章思考题
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2.2 IA－32微处理器的功能结构
四、8086存储器组织
8086：20条地址线，直接访问1MB的存 储空间。 物理地址为：00000H—FFFFFH。20M. 1、8086的存储器组织(p42)
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自动化与电气工程系
2.2 IA－32微处理器的功能结构
2、物理地址的产生：
32KB L1 512KB L2
MIPS每秒百万条指令 5
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2.1 IA-32结构微处理器发展
1993年以来：32位机 Pentium——划时代的微处理器投入使用. 时钟：60~150MHZ，集成度310万只/管以上
Intel微处理器：形成IA－32结构
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2.2 IA－32微处理器的功能结构
Pentium II
1995
440
200
5.5
32
64
64GB
16KB L1 256KB 或 512KB L2
32KB L1 256KB 或 512KB L2
1997
466
266
7
32
64
64GB
Pentium III
Pentium IV 注:
1999
2000
1000
500
1000
8.2
32
64
64GB
自动化与电气工程系
通用 寄存 器
AH BH CH DH
AL BL CL DL SP BP SI DI
通用寄存器 四个专用寄存器
地址 加法 器
∑
20位
SP：堆栈指针 CS BP：基址指针： DS SI: 源变址寄存器 SS ES DI:目的源变址寄存器
IP 算术逻辑单元ALU： 内部暂存器
16位
输入/输出 控制电路 外 部 总 线
8086,80186,80286的全部寄存器
8个32位通用寄存器 EAX,EBX,ECX,EDX,ESI,EDI,EBP,ESP 6个段寄存器,段描述符寄存器6个 指令指针:EIP(32位) 标志寄存器:32位,比80286增加2个标志(2位) 控制寄存器3个(操作系统用) 系统地址寄存器4个 调试寄存器6个和测试寄存器2个
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本章重点
8086CPU结构，原理 Intel 80286—80486微处理器特点
本章难点
8086CPU结构 32位处理器流水线结构
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2.1 IA-32结构微处理器发展
2.1 IA-32结构微处理器发展 从8086CPU到奔4CPU形成： IA(Intel Architecture)结构 IA结构的最重要成就：1978年建立的目标程序 仍然可以在IA－32结构系列的CPU上运行。
16位 主要是加法器。大部分指令 的执行由加法器完成。 标志寄存器：
执行部分 16位字利用了9位。 控制电路 ALU
8位
12 3 4 5 6
指令队列缓冲器
标志寄存器
执行部件 （EU) 总线接口部件 （BIU)
图2－1 Intel 8086微处理器结构
20位地址加法器
16位的指令指针寄存器IP： 6字节的指令队列 四个段寄存器：CS、DS、SS、ES IP中的内容是下一条指令 指令队列共六字节，总线接 CS管理代码段;DS管理数据段 对现行代码段基地址的偏移量， 口部件BIU从内存取指令， SS管理堆栈段;ES管理附加段. 取来的总是放在指令队列中；
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2.2 IA－32微处理器的功能结构
1.80286的实地址方式
在实地址方式,80286与8086目标地址兼容，可寻 址1M字节的存储空间。 80286相当于一个快速的8086; 中断与8086是一样,最多允许256个中断向量
2.80286的保护虚地址方式
80286的保护虚地址方式是80286的特色. 可满足多用户多任务系统的要求. 直接寻址的实存空间扩大为16M字节（224)， 80286在保护虚地址方式下, 80286的最大虚存空 间1GB.
2.较大的存储空间
4GB(232)物理空间 64TB(64兆兆字节）虚拟空间 存储器的分段结构,一个段可达4GB
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2.2 IA－32微处理器的功能结构
3.集成的存储管理部件 支持虚拟存储器 可选择的片内分页机构 与80286完全兼容 4.目标码与8086完全兼容 5.片内高速缓冲存储器 6.指令流水线结构 7.时钟12MHZ/16MHZ 8.完整的系统开发支持工具 软件:C.P/LM 汇编生成工具
控制标志位
跟踪标志TF: CPU按跟踪方式执行指令; 中断允许标志IF: IF=1,允许可屏蔽中断; 方向标志DF:
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自动化与电气工程系
提问：
8086/8088内部有哪些通用寄存器？ 8086的执行部件有什么功能?由那几部分组成? 8086CPU状态标志和控制标志又何不同?程序中 是怎样利用这两类标志的? 8086的状态标志和控 制标志分别有哪些?
16×段地址+偏移地址=物理地址 例：DS=1000H， 20H 10000 12H + 501A 1501A 1501AH单元的内容为20H
1501AH
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自动化与电气工程系
提问：
存储器的逻辑地址由哪几部分组成？存储器的物 理地址是怎样形成的？ 一个具有20位地址线的CPU，其最大物理地址为 多少？
…...
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自动化与电气工程系
二、80386的功能结构
总线接口部件BIU 指令预取部件IPU 指令译码部件IDU 存储器管理部件MMU 分页部件PU 分段部件SU 指令执行部件EU
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2.2 IA－32微处理器的功能结构
三.80386的寄存器结构
寄存器:7类,32个寄存器,包括全部
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2.2 IA－32微处理器的功能结构
四.80386的工作方式
1.80386的实地址方式 80386上电或复位时,处于实地址方式,与8086兼容 寻址机构、存储器管理与中断处理机构与8086一样, 寻址空间1MB, 256个中断向量 操作数默认长度为16位，但允许访问80386的32位 寄存器组，在使用时指令中要加上前缀以表示越权 存取。 存储器中保留两个固定区域，一个为初始化程序区： FFFF0~FFFFFH，另一个为中断向量区 00000~003FFH。 80386具有4个特权级，实地址方式下，程序在最 高级（0级）上执行。
3、 16位算术逻辑单元ALU：
主要是加法器。大部分指令的执行由加法器完成。
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2.2 IA－32微处理器的功能结构
4、 标志寄存器PSW：16位字利用了9位。
15 14 13
12 11 10 9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
OF DF IF TF SF ZF
标志分两类：
AF
PF
CF
状态标志（6位）：反映刚刚完成的操作结果情况。 控制标志（3位）：在某些指令操作中起控制作用。
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2.2 IA－32微处理器的功能结构
2. 16位的指令指针寄存器IP： IP中的内容是下一条指令对现行代码段基地址 的偏移量，与段寄存器CS的内容相加，形成取 指令的物理地址。
3、20位地址加法器 例：CS=A000H，代码段可寻址的空间？ CS左移四位： A000 0 H IP的内容：0000H ~ FFFF H