微机原理及应用

80286中的寄存器组与8086基本相同，所不同的 是标志寄存器增设了两个标志位，其格式如图3-2所 示。
15 14 13 12 11 NT IOPL 10 9 8 7 6 5 4 AF 3 2 PF 1 0 CF
OF DF IF TF SF ZF
图3-2 80286标志寄存器格式
IOPL为特权标志位，用来定义当前任务的特权 层。 NT为任务嵌套标志பைடு நூலகம்，NT为1，表示当前执行 的任务嵌套于另一个任务中，否则，NT为0。
定义 P=1，该段已在实存中，段基址和限值有效 P=0，该段未在实存中，段基址和限值无效 该段所具有的特权级（0～3） S=1，该段为代码段或数据段 S=0，该段为非代码段或数据段
TYPE
E=0，该段为数据段
ED=0，该段向上生长偏移地址≦限值 ED=1，该段向下生长偏移地址>限值 W=0，该段是不可写数据 W=1，该段是可写数据段
段选择字是由虚拟地址指示器直接提供的，其 格式如图3-5所示。其中，描述符表选择（TI）字段 用来定义当前使用哪一个描述符。描述符偏移地址 字段13位用来确定当前使用的描述符在描述符表中 的位置，可寻址8K个描述符。GDT及LDT共包含 16K描述符，每个描 述符又可定义64KB的 逻辑段。因此，80286 的最大虚拟存储空间 为1024KB。
图3-7 80386的内部结构
80386CPU共有7类寄存器，它们是通用寄存器、段 寄存器、指令寄存器、标志寄存器、控制寄存器、系统 地址寄存器、调试寄存器和测试寄存器。80386通用寄 存器是将80286的寄存器扩展为32位，用EAX、EBX、 ECX、EDX、ESI、EDI、EBP和ESP表示。这些寄存器 的低16位可用AX、BX、CX、DX、、SI、DI、BP和SP 表示，而且AX、BX、CX、DX都可分成两个8位寄存器 使用。指令寄存器和标志寄存器也扩展成32位，用EIP和 EFLAG表示，它们的低16位就是80286的IP和FLAGS， 并可独立使用。80386的FLAGS在80286的基础上又增 加了两个标志：虚拟8086方式VM和恢复标志RF。在 80386处于虚地址保护方式时，使VM=1，80386就进入 虚拟方式。RF标志用于断点和单步操作。80386还新增 加了两个段寄存器FS、GS和4个调试寄存器与测试寄存 器。
书名：微机原理及应用 ISBN：7-111-20689-4 作者：胡蔷 出版社：机械工业出版社 本书配有电子课件
第3章 80x86系列微处理器简介
内容提要：计算机发展到今天，微处理器可分为 七代。本章着重介绍各时代的CPU内部结构以及 CPU的工作原理及技术。 学习目标：重点掌握不同时代微处理器的结构和 存储器的管理以及不同时代微处理器的处理技术。
分代 第一代 第二代 第三代 第四代 第五代 第六代 P5 P6 代码 主要产品 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium MMX Pentium Pro 工作频率 4.77～8MHz 8～16MHz 16～50 MHz 33～100 MHz 60～200 MHz 166～233 MHz 150～200 MHz
DYPE
E=1，该段是代码段 C=0，当CPL≥DPL时，该代码段只能执行 C=1，无此要求
R=0，该段是不可读代码（只可执行） R=1，该段是可读代码段
A A=0，该段未被访问过 A=1，该段已被访问过
表3-2 段描述符访问权字节定义
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3．2 80386微处理器
3.2.1 80386的内部结构 图3-7是80386的内部结构，主要由总线接口单元 BIU、指令译码单元IDU（Instruction Decode Unit）、指 令预取单元IPU（Instruction Prefetch Unit）、执行单元 EU、段管理单元SU（Segment Unit）和页管理单元PU （Paging Unit）、控制单元CU（Control Unit）等七个 单元组成。把这七个单元分成CPU、存储器管理部件 （MMU）和总线接口部件（BIU）三部分。 存储器管理部件由段管理单元SU和页管理单元PU构 成。段管理单元负责完成逻辑地址到线性地址的转换， 而页管理单元负责将线性地址转换成物理地址，并将其 送到总线接口单元。
3.2.2 80386的存储器管理 80386/80486的存储器管理部件MMU的组成和功能 大致相同。都支持下列功能： 虚拟存储：用它支持分段分页的虚拟存储。 保护功能：实现任务间和特权级的数据和代码保护。 由于80386/80486的虚拟存储空间最大可到64KGB （246），几乎可谓无限大存储容量，这就给使用大容量 的辅助存储器（例如光盘）创造了条件。
3.1.2 80286的存储器管理 80286、80386、80486等CPU组成的微型计算机 大多配置了4~16MB的内存，有的还配置了64MB的存 储器，Pentium系列计算机已经配置到512MB或更高的 内存。 1.实地址方式 实地址方式是80286~80486最基本的工作方式，与 8086工作方式基本相同，寻址范围只能在1MB范围内， 故不能管理和使用扩展存储器。复位时，启动地址为 FFFF0H，在此地址安排一个跳转指令，进入上电自检 和自举程序。另外，保留0~003FFH的中断向量区。可 以认为该方式只使用低20位地址线，寻址1MB。 DEBUG调试程序只能在实地址方式下使用。
表
3-1 Intel CPU
公 司 系 列 分 代
Pentium Ⅱ
Pentium Ⅲ Pentium 4 第七代 P7 Itanium
233～450 MHz
450～1300MHz 1.4～3.06GMz 800 MHz～1.4GMz
3.1.1 80286的内部结构
图3-1 80286内部结构
图3-1是80286的内部结构图，主要有四部分组成，由 地址单元AU（Address Unit）、总线单元BU (Bus Unit)、 指令单元IU (Instruction Unit)和执行单元EU（Excution Unit）等4部分组成，80286将8086中的总线接口单元BIU 分成了地址单元AU、总线单元BU、指令单元IU三部分。 这4部分是并行操作的，这样大大提高了CPU的工作速度， 其系统的整体性能比8086提高了6倍。 总线接口单元（BU）：地址锁存和驱动部件、扩展接口、 总线控制器、数据收发器、指令预取队列等。 指令单元（IU）：指令译码器、译码指令队列等部件。 执行单元（EU）：控制器、算术逻辑运算部件、寄存器 组等。 地址单元（AU）：偏移地址部件、段地址界限检查部件、 段基址部件、物理地址生成部件等。
3. 80286存储器管理
80286可在实地址及保护虚拟地址两种方式下访问存 储器。 在实地址方式下，用A19~A0位直接寻址1MB存储器 空间，20位地址的形成方式与8086完全相同。这时 A23~A20无效。 在保护地址方式下，采用虚拟存储器系统可直接实存 储器地址达16MB。这时A23~A20位地址线有效。而虚拟 存储器地址可达1000MB（230）。 80286在保护虚拟地址方式时，采用32位虚地址指示 器寻址，包含16位段选择字和16位偏移地址。其中，偏 移地址的功能与实地址方式相同，而16位段选择字为进 入存储器中一个描述符表的参数。从这个描述符表中可 得到24位段基地址，将它与16位偏移地址相加，形成访 问存储器的24位物理地址，其实现过程如图3-3所示。
80286的描述符表由描述符组成， 每个描述符指向存储器中的一个逻辑 段。MMU是以描述符为基础进行管 理。80386设置三个描述符表：全局 描述符表GDT、局部描述符表LDT及 中断描述符表IDT。对应这三个描述 符表，在CPU中设置三对寄存器，每 一对寄存器存放一个描述符表的基地 址及极限值。基地址寄存器用来存放 该描述符表的首地址，而限值寄存器 用来存放它的最大字节数。对于全局 描述符表及局部描述符表最多可存放 8K个描述符，对于中断描述符表来 说，由于系统中只允许定义256种类 型的中断，所以只需要存放256个描 述符。这三个描述符表在内存中的分 配如图3-4所示。
虚拟存储器由存储器管理机制以及一个大容量的快 速硬盘存储器或光盘支持。在程序运行时，只把虚拟地 址空间的一小部分映射到主存储器，其余部分则仍存储 在磁盘上。当访问存储器的范围发生变化时，再把虚拟 存储器的对应部分从磁盘调入内存。虚拟存储器的另外 一部分，也能从主存储器送回到硬盘上。 虚拟存储器地址是一种概念性的逻辑地址，并非实 际物理地址。虚拟存储系统是在存储体系层次结构（辅 存—内存—高速缓存）基础上，通过存储器管理部件 MMU，进行虚拟地址和实地址自动变换而实现的，对 每个编程者是透明的，编址空间很大。
2.虚地址保护方式 在实地址方式下工作的80286~80486相当于快速的 8086，并未发挥这些高性能CPU的作用。而这些CPU的 特点是能可靠地支持多用户系统，即使是单用户，也可以 支持多任务操作，这就要求采用新的存储器管理机制—— 虚地址保护方式。 虚地址存储器（Virtual Memory）是为满足拥护对存 储空间不断扩大而提出的。如果用扩大内存的方法，造价 高且利用率低。采用虚拟存储器，圆满地解决了这个问题。 虚拟存储器是一种技术，它提供比物理存储器大得多 的存储空间，使编程人员在写程序时，不用考虑计算机的 实际容量，可以写出比任何实际配置的物理存储器都大很 多的程序。
1．存储器管理机制 80386使用的是分段和分页管理，它们都是使用驻 留在存储器中的各种表格，规定各自的转换函数。这些 表格只允许操作系统进行访问，而应用程序不能对其修 改。这样，操作系统为每个任务维护一套各自不同的转 换表格，其结果是每一任务有不同的虚拟地址空间，并 使各任务彼此隔离开来，以便完成多任务分时操作。 80386先使用段机制，把包含两个部分的虚拟地址 空间转换为一个地址空间的地址，这一中间地址空间称 为线性地址空间，其地址称为线性地址。然而再用分页 机制把线性地址转换为物理地址，如图3-8所示。
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第3章 80x86系列微处理器简介
本章目录
3.1 80286微处理器 3.2 80386微处理器 3.3 80486微处理器 3.4 Pentium微处理器 小结
3．1 80286微处理器
80286、80386、80486、pentium系列的CPU成为 80x86系列。一般将CPU产品分为七代，如表3-1所示。
指令在CPU内部形成两个队列。一个是6B的预取队列，另一 个是指令队列。预取队列包括在总线部件中，只要队列中空出2个 字节，BU就会去访问存储器读出后续指令来填充指令队列。 80286的地址部件中设置两个地址加法器，一个用来计算偏 移地址值（16位），另一个用来计算24位的物理地址。 80286CPU有14个寄存器:AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、 DI、IP、FLAG、CS、DS、SS、和ES。这些寄存器的功能在实 地址方式下与8086的寄存器完全一样。还有一个16位的机器状态 字MSW（Machine Status Word）寄存器，它只定义了低4位PE、 MP、EM和TS，其中最低位是保护方式允许位PE，当该位被置1 时，CPU将转移到保护方式，允许给段实施保护；若PE被清0， 则CPU返回到实地址方式工作。MP是监视协处理器控制位，当 MP为1时，表示有协处理器；否则，表示没有协处理器。EM是仿 真协处理器控制位。当MP为1时，表示用软件仿真协处理器，而 这时CPU遇到浮点指令，则产生故障中断7；如EM为0，浮点指令 将被执行。TS是任务转换控制位。每当进行任务转换时，由CPU 自动将TS置1。在CPU复位时，MSW被置为FFF0H。
描述符用来存放执行存储管理和保护的有关信息， 如图3-6。每个描述符占用8个字节，由四部分组成：16 位段限值用来限制各逻辑段的长度不超过64KB，24位 段基地址用来指向该段的首地址，8位访问权字节用来 定义该段的有关特性，还有两个字节备用。段描述符访 问权字节定义如表3-2。
字段名 P DPL S