從8086到Pentium系列微處理器的技術(shù)發(fā)展,第 3 章,3.1 80286微處理器簡介 3.2 80386微處理器 3.3 80486微處理器簡介 3.4 Pentium微處理器簡介,3.1.1 80286的特點及相對8086體系結(jié)構(gòu)的增強點,80286微處理器簡介,3.1,將8086的BIU分成了AU、IU和BU 3個部件。 數(shù)據(jù)線和地址線完全分離 具有“實地址模式” 和“保護虛地址模式”兩種工作模式 能運行實時多任務操作系統(tǒng)，支持存儲管理和保護功能 實現(xiàn)了虛擬存儲管理 與 80286 配合使用的80287可以80286 的兩種工作模式,3.1.1 80286的保護模式,當80286工作于實模式時，它的24根地址線中只有低20位地址有效， 其尋址空間和尋址方法與8086完全相同。對于程序員來說，相當于8086的最大模式系統(tǒng)，寄存器結(jié)構(gòu)和尋址方式與 8086 相同。不同的是 20 位地址總線和 16 位數(shù)據(jù)總線不再分時復用芯片的引腳，并且增加了某些新指令。8086的應用程序不需要修改就可以移到該方式下運行，但是運行速度更快。,3.1.1 80286的保護模式,保護模式體現(xiàn)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。雖然80286的實存地址空間只有16MB，但在保護模式下，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。在保護模式下，80286的存儲管理仍然分段進行，每個邏輯段的最大長度為64KB，但每個任務可使用的邏輯空間卻高達1GB。,80386 微處理器, 80386 的特點： 80386是全32位結(jié)構(gòu)，它的外部數(shù)據(jù)總線和內(nèi)部數(shù)據(jù)通道，包括寄存器、ALU和內(nèi)部總線都是32位的，提供32位的存儲空間尋址能力和32位的外部總線接口單元，能靈活處理8位、16位、32位3種數(shù)據(jù)類型 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(jié)構(gòu)可分成6個邏輯單元，它們以流水線方式工作。其硬件設計有支持段頁式存儲管理部件，易于實現(xiàn)虛擬存儲系統(tǒng) 80386硬件支持多任務處理，用一條指令就可以實現(xiàn)任務切換。 80386設置了4級特權(quán)級,3.2.1 80386的特點及其體系結(jié)構(gòu),3.2, 80386 的體系結(jié)構(gòu) 總線接口部件（BIU）是80386與外界的接口，它通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線將外部部件與80386連接起來，完成對存儲器和I/O端口的訪問、80386與80387數(shù)學協(xié)處理器的協(xié)調(diào)等功能。 中央處理部件（CPU）包括指令預取部件（IPU）、指令譯碼部件（IDU）和執(zhí)行部件（EU）。 存儲管理部件（MMU）包括段管理部件（SU）和頁管理部件（PU），它們的功能是實現(xiàn)存儲器的段、頁式管理，從而實現(xiàn)虛擬存儲器系統(tǒng)和多任務處理。,3.2.1 80386的特點及其體系結(jié)構(gòu), 80386有132個引腳，其中20條用作VCC，21條用作GND，34條地址線，32條數(shù)據(jù)線，17條控制線，其余8個引腳未用。,3.2.2 80386引腳的功能,數(shù)據(jù)線D31D0和總線寬度控制信號 BS16 地址線A31A2和字節(jié)控制信號BE0BE3 協(xié)處理器接口信號 PEREQ 、BUSY、ERROR 其他信號 D/C、NA、ADS 其余如W/R、M/IO、INTR、NMI、HOLD、HLDA、RESET、CLK等信號與8086的同名信號相似, 80386 共有34個寄存器，按功能可分為：,3.2.3 80386的寄存器組,通用寄存器 段寄存器 段描述符寄存器 狀態(tài)和控制寄存器 系統(tǒng)地址寄存器 調(diào)試寄存器 測試寄存器,通用寄存器,六個16位段寄存器如下：,段寄存器, 8個通用寄存器和8086通用寄存器相同，只擴展到32位，寄存器名字前加一個字符E，即：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EBP、ESP，仍然支持8位和16位操作，用法和8086系統(tǒng)相同。,CS代碼段寄存器,DS數(shù)據(jù)段寄存器,SS堆棧段寄存器,ES、FS、GS為三個附加段寄存器,段描述符寄存器, 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(nèi)存中描述符表的查詢速度，在段選擇符內(nèi)容裝入時，段描述符同時裝入段描述符寄存器。,狀態(tài)和控制寄存器,標識寄存器EFLAGS 指令指針寄存器EIP 四個控制寄存器CR0CR3,它由,組成,系統(tǒng)地址寄存器, 80386 為調(diào)試提供了硬件支持。 芯片內(nèi)設有DR0DR7八個調(diào)試寄存器。, 80386 有四個系統(tǒng)地址寄存器,GDTR IDTR TR LDTR,調(diào)試寄存器,測試寄存器, 80386 有 8 個 32 位的測試寄存器。,1.實模式,2.保護模式,3.虛擬86模式,80386 的工作模式,3.2.4,80386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80386與8086兼容 。,保護模式是80386最常用的工作模式，可實現(xiàn)對多任務、多道程序的復雜管理。 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。,在虛擬86模式下，不用虛擬地址的概念，存儲器尋址機制與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。當多道程序同時運行時，可將多個任務分別轉(zhuǎn)換到物理存儲器的不同存儲位置，實現(xiàn)了多任務同時運行。,80386的存儲管理,1.邏輯地址與段選擇符,圖3-6 段選擇符的格式,2 1 0,2.段描述符的格式及保護功能,3.分頁存儲管理及保護,3.2.5,圖 3-7 段描述符,DPL,類型,31,0,0,+4,字節(jié)地址,圖 3-8 頁目錄描述符和頁表描述符格式,31 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,頁目錄 描述符,31 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,頁 表 描述符,與8086相同，80386系統(tǒng)也可以處理256種類型的中斷源，中斷類型號也為0255號。引起80386中斷的中斷源也可分為硬件中斷和軟件中斷，其中，硬件中斷是指外部設備通過INTR或NMI引腳向80386請求的中斷，軟件中斷是指由于80386執(zhí)行INT指令或CPU在執(zhí)行指令時產(chǎn)生異常故障或協(xié)處理器執(zhí)行指令時產(chǎn)生異常故障引起的中斷。,3.2.6,80386 中斷, 80386的中斷管理機制在實模式和保護模式下是不同的。,80486微處理器簡介,3.3.1 80486 的主要特點,兼容性。 全32位的整數(shù)處理器。 獨立的32位地址、數(shù)據(jù)總線，可直接尋址4GB的物理地址空間。 單時鐘周期執(zhí)行。 片上浮點處理單元支持32位、64位和80位的浮點運算，在二進制上與8087、80287、80387兼容。 片上存儲管理單元。,3.3,7. 帶有高速緩存支持系統(tǒng)的片上高速緩存。 8. 外部CACHE控制。 指令流水線。 成組周期（Burst Cycle）。 寫緩沖器。 總線背關(guān)（Bus Backoff）。 指令重新執(zhí)行。 總線寬度動態(tài)可變。,80486的內(nèi)部結(jié)構(gòu),圖3-11 80486的內(nèi)部流水線,3.3.2,總線接口單元,總線接口單元用于數(shù)據(jù)傳輸、指令預取和處理其內(nèi)部單元 與外部系統(tǒng)的控制功能。,地址收發(fā)和驅(qū)動。 數(shù)據(jù)總線收發(fā)。 總線寬度控制。 寫緩沖。 總線周期和總線控制。 奇偶性的產(chǎn)生和控制。 CACHE 控制。,2.,3.指令預取單元 4.高速緩沖（CACHE）單元 5. 指令譯碼單元 6.控制單元 7.整數(shù)（數(shù)據(jù)通路）單元 8.浮點單元 9.分段單元 10.分頁單元,Pentium微處理器簡介,3.4.1 Pentium體系結(jié)構(gòu)的特點,單靠增加芯片的集成度還不足以提高CPU的整體性能。為此，Intel在Pentium的設計中采用了新的體系結(jié)構(gòu)。圖3-12,Pentium新型體系結(jié)構(gòu)的特點可以歸納為以下四個方面:,超標量流水線 獨立的指令CACHE 和數(shù)據(jù)CACHE 重新設計的浮點單元 分支預測,3.4,超標量流水線,圖3-13 Pentium 超標量流水線結(jié)構(gòu),獨立的指令CACHE 和數(shù)據(jù)CACHE,圖 3-14 雙路CACHE結(jié)構(gòu),32B線寬 有回寫,重新設計的浮點單元,指令CACHE,指令預取,指令解碼,BTB,圖 3-15 Pentium 的 BTB 機制,Pentium相對486體系結(jié)構(gòu)的增強點,除了以上幾個特點外，Pentium微處理器在486體系結(jié)構(gòu) 基礎(chǔ)上，還作了一些增強型的改進，歸結(jié)為以下幾點：,工作頻率提高 指令固化 頁尺寸增加 增強的微指令 增強的總線,3.4.2,Pentium 微處理器,3.4.3,Pentium 微處理器,3.4.4,Pentium 4 微處理器,3.4.5,小結(jié),3.2 80386 微處理器,3.2.1 80386的特點及其體系結(jié)構(gòu),2.5.2 80386 引腳的功能,2.5.3 80386的寄存器組,2.5.4 80386 的工作模式,3.3 80486微處理器簡介,3.3.1 80486 的主要特點,3.3.2 80486的內(nèi)部結(jié)構(gòu),3.4 Pentium微處理器簡介,3.4.1 Pentium體系結(jié)構(gòu)的特點,3.4.2 相對486體系結(jié)構(gòu)的增強點,3.1 80286 微處理器簡介,3.1.1 80286的特點及相對8086體系結(jié)構(gòu)的增強點,3.1.2 80286的保護模式,3.2.5 80386 的存儲管理,3.2.6 80386 中斷,3.4.3 Pentium 微處理器,3.4.4 Pentium 微處理器,3.4.5 Pentium 4 微處理器,