微机ppt课件第2章.ppt

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1、第第2 2章章 80X86 80X86微处理器微处理器 Revision.Sep.2008 by Deng Yulong1.位和字节位和字节位（位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为是取值只能为0或或1的一个二进制数值位。位作为单位时记作的一个二进制数值位。位作为单位时记作b字节（字节（byte）由由8个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作单位。字节作为单位时记作BK是是kelo的缩写，的缩写，1K=1024=210；M是是mega的缩写，的缩写，1M

2、=1024K=220；G是是Giga的缩写，的缩写，1G=1024M=230；T是是tera的缩写，的缩写，1T=1024G=240。微型计算机的常用术语微型计算机的常用术语100001012.字长字长(数据宽度数据宽度)字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有器的字长有4位、位、8位、位、16位、位、32位和位和64位等等。位等等。3.寻址能力寻址能力 指指CPU能直接存取数据的内存地址的范围，它

3、由能直接存取数据的内存地址的范围，它由CPU的地址总线的数的地址总线的数目决定。目决定。4.主频主频主频也叫时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高主频也叫时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高表明微处理器运行越快，主频的单位是表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz。5.MIPSMIPS是是MillionsofInstructionPerSecond的缩写，用来表示微处的缩写，用来表示微处理器的性能理器的性能-运算速度，每秒钟能执行多少百万条指令运算速度，每秒钟能执行多少百万条指令.6.6.微处理器的集成度微处理器的集成度指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。指微处理器芯片上集成

4、的晶体管的密度。最早最早Intel4004的集成度为的集成度为2250个晶体管，个晶体管，PentiumIII的集成度已的集成度已经达到经达到750万个晶体管以上，集成度提高了万个晶体管以上，集成度提高了3000多倍。多倍。2.1 Intel 2.1 Intel 微处理器发展简况微处理器发展简况Intel4004晶体管数量晶体管数量:2300速度速度:108KHz1971年年:4004微处理器微处理器Busicom计算器计算器1972年年:8008微处理器微处理器晶体管数量晶体管数量:3500速度速度:200KHz1974年年:8080微处理器微处理器晶体管数量晶体管数量:6000速度速度:2

5、MHz1978年年:8086-8088微处理器微处理器晶体管数量晶体管数量:29000速度速度:5MHz、8MHz、10MHz采用英特尔采用英特尔8088处理器的处理器的IBMPC19811982年年:286微处理器微处理器晶体管数量晶体管数量:134,000速度速度:6MHz、8MHz、10MHz、12.5MHz1985年年:英特尔英特尔386微处理器微处理器晶体管数量晶体管数量:275,000速度速度:16MHz、20MHz、25MHz、33MHz1989年年:英特尔英特尔486DXCPU微处理器微处理器(首次采首次采用内建的数学协处理器用内建的数学协处理器)晶体管数量晶体管数量:120万

6、万速度速度:25MHz、33MHz、50MHz1993年年:英特尔英特尔奔腾奔腾处理器处理器晶体管数量晶体管数量:310万万速度速度:60MHz、66MHz1997年年:英特尔英特尔奔腾奔腾II处理器处理器(采采用了英特尔用了英特尔MMX技术技术)晶体管数量晶体管数量:750万万速度速度:200MHz、233MHz、266MHz、300MHz1999年年:英特尔英特尔奔腾奔腾III处理器处理器晶体管数量晶体管数量:950万万速度速度:650MHz至至1.2GHz奔腾奔腾III处理器处理器2000年年:英特尔英特尔奔腾奔腾4处理器处理器晶体管数量晶体管数量:4200万万速度速度:1.30、1.4

7、0、1.50、1.70、1.80奔腾奔腾4处理器处理器2001年年8月月:英特尔英特尔奔腾奔腾4处理器处理器达到达到2GHz里程碑里程碑2002年年11月月:含超线程含超线程(HT)技术的英特尔技术的英特尔奔腾奔腾4处理处理器器2003年年6月月:含超线程含超线程(HT)技术的英特尔技术的英特尔奔腾奔腾4处理器处理器3.2GHz闪亮登场。闪亮登场。2004年年6月月:支持超线程支持超线程(HT)技术的英特尔技术的英特尔奔腾奔腾4处理处理器主频突破器主频突破3.4GHz含超线程含超线程(HT)技术的英特尔技术的英特尔奔腾奔腾4处理器处理器3.2GHz2005年年4月月:英特尔的第一款双核处理器平

8、台包英特尔的第一款双核处理器平台包括采用英特尔括采用英特尔955X高速芯片组、主频为高速芯片组、主频为3.2GHz的英特尔的英特尔奔腾奔腾处理器至尊版处理器至尊版840。2005年年5月月:英特尔英特尔奔腾奔腾D处理器处理器奔腾奔腾处理器至尊版处理器至尊版奔腾奔腾D2006年年5月月:英特尔英特尔酷睿酷睿2双核处理器品牌隆重推出双核处理器品牌隆重推出英特尔英特尔酷睿酷睿2双核处理器包含双核处理器包含2.91亿个晶体管。亿个晶体管。全新处理器可实现高达全新处理器可实现高达40%的性能提升，其能效比最出的性能提升，其能效比最出色的英特尔色的英特尔奔腾奔腾处理器高出处理器高出40%英特尔英特尔酷睿酷

9、睿2双核处理器和英特尔双核处理器和英特尔酷睿酷睿至尊处至尊处理器理器型号型号发布发布年分年分字长字长(位位)晶体管晶体管(万个万个)数据总数据总线宽度线宽度外部总外部总线宽度线宽度主频主频寻址寻址空间空间高速高速缓存缓存80861978162.916164.771M无无80881979162.91684.771M无无28619821613.4161662016M无无38619863227.5323212334G有有4861989321203232251004G8K奔腾奔腾1993323106464601664G8K奔腾奔腾Pro199532550646415020064G8K256K奔奔219

10、9732750646423333364G32K512KItanium2000642.2亿亿64641G以上以上64G6M集集成三级成三级酷睿酷睿2 2006642.91亿亿 64643.60G64G6M集集成三级成三级2.2 322.2 32位微处理器内部结构位微处理器内部结构微处理器的基本功能模块微处理器的基本功能模块:总线接口单元总线接口单元BIU（寄存器组）（寄存器组）执行单元执行单元EU（运算器和控制器、寄存器组）（运算器和控制器、寄存器组）存储管理存储管理(分段和分页部件分段和分页部件)指令和数据流水线指令和数据流水线指令和数据指令和数据CACHE指令预取指令预取浮点处理浮点处理分支

11、预测分支预测并行计算并行计算微处理器的功能扩展模块微处理器的功能扩展模块:Pentium Pentium 采用了多项先进技术：采用了多项先进技术：CISCCISC和和RISCRISC相相结合的技术结合的技术 超标量流水线技术超标量流水线技术 分支预测技术分支预测技术RISC和和CISC：RISC（ReducedInstructionSetComputer），精简指令），精简指令系统的计算机系统的计算机提供数目较少、格式与功能简单、运行高效的指令提供数目较少、格式与功能简单、运行高效的指令追求的是计算机控制器实现简单，运行高速，更容易追求的是计算机控制器实现简单，运行高速，更容易在单块超大规模集

12、成电路的芯片内制做出来在单块超大规模集成电路的芯片内制做出来CISC（ComplexInstructionSetComputer），复杂指），复杂指令系统的计算机令系统的计算机相对于相对于RISC一词而提出来的一种说法一词而提出来的一种说法特点：指令条数多，格式多样，寻址方式复杂，每条特点：指令条数多，格式多样，寻址方式复杂，每条指令的功能强。汇编程序设计容易些，但计算机控制指令的功能强。汇编程序设计容易些，但计算机控制器的实现困难多，很多指令被使用的机会并不多器的实现困难多，很多指令被使用的机会并不多超标量流水线：超标量流水线：标量指单个量，一般的流水计算机因只有一条指令流水线，所以标量指单

13、个量，一般的流水计算机因只有一条指令流水线，所以称为标量流水计算机，所谓超标量是指其具有两条以上的指令流水线称为标量流水计算机，所谓超标量是指其具有两条以上的指令流水线.PentiumPentium有有有有U U、V V两条整型流水线，一条浮点流水线。两条整型流水线，一条浮点流水线。两条整型流水线，一条浮点流水线。两条整型流水线，一条浮点流水线。流水线：流水线：是一种使多条指令重叠操作的技术是一种使多条指令重叠操作的技术,是当代微处理器设计中的关键技术之一。是当代微处理器设计中的关键技术之一。把一条指令分解成若干个步骤来完成，在流水线上称为级，每级把一条指令分解成若干个步骤来完成，在流水线上称

14、为级，每级都在一个时钟周期内完成各自的操作。这样每个时钟周期都可以启动都在一个时钟周期内完成各自的操作。这样每个时钟周期都可以启动一条指令，一条指令，m级的流水线上就会有级的流水线上就会有m条指令在同时执行。条指令在同时执行。流水线的性能比非流水线作业几乎提高了流水线的性能比非流水线作业几乎提高了m倍。倍。分支预测：分支预测：所谓分支预测是指当遇到转移指令、所谓分支预测是指当遇到转移指令、CALL调用指令、调用指令、RET返回指返回指令、令、INTn中断指令等跳转指令时，指令预取单元能够较准确地判中断指令等跳转指令时，指令预取单元能够较准确地判定定是否转移取指。是否转移取指。Pentium微处

15、理器内部结构微处理器内部结构预取缓冲存储器指令译码256控制ROM控制部件地址生成(U流水线)地址生成(V流水线)整数寄存器组ALU(U 流水线)ALU(V 流水线)筒型移位器8KB 数据Cache浮点部件控制寄存器组加法器除法器乘法器80808KB 代码Cache分支目标缓冲器预取地址指令指针转移校验和目标地址分页部件323232323232总线部件6464 位读总线64 位数据总线32 位地址总线控制TLBTLB32 位地址总线桶形移位器桶形移位器寄存器组寄存器组ALUALU3232运算部分运算部分 浮点运算单浮点运算单元（元（FPU)FPU)浮点浮点寄存器组寄存器组分段部件分段部件分页部

16、件分页部件线性地址线性地址存储管理部分存储管理部分微指令微指令 控制部分控制部分控制与保护控制与保护 部件部件控制控制ROMROM指令指令总线总线指指令令译译码码器器译码部分译码部分代码流代码流2424位位指令预取部分指令预取部分预取预取 2*16 2*16指令队列指令队列3232物理地址物理地址高高速速缓缓冲冲存存储储器器2020高速缓存高速缓存管理部件管理部件 8KB 8KBCacheCache128128线性地址总线线性地址总线3232数据总线数据总线64643232总线接口部分总线接口部分地址地址32323232数据数据3232数据数据 地址地址驱动器驱动器写缓冲器写缓冲器 4*80

17、4*80数据总线数据总线 收发器收发器控制控制总线总线D0D0D31D31 系统系统数据总线数据总线 系统系统控制总线控制总线 系统系统地址总线地址总线A2A2A31A31BE0BE0BE3BE38048680486微处理器内部结构微处理器内部结构 1.1.总线接口单元：总线接口单元：产产生生三三总总线线信信号号，进进行行存存储储器器和和I/OI/O端端口口的访问。的访问。一一.7.7个功能块：个功能块：地址驱动器地址驱动器写缓冲器写缓冲器 4*80 4*80 数据总线收发器数据总线收发器控制总线控制总线系统地址总线系统地址总线A2A2A31A31、BE0BE0BE3BE3 D0 D0D31D

18、31系统数据总线系统数据总线系统控制总线系统控制总线地址（地址（3232位）位）数据（数据（3232位）位）数据（数据（3232位）位）2.2.高速缓冲存储器高速缓冲存储器(CPU(CPU内部的内部的Cache)Cache)：存放从存储器中取出的最近要执行的指存放从存储器中取出的最近要执行的指令和数据，这样令和数据，这样CPUCPU就只需从就只需从CacheCache中取指令，中取指令，不必经常访问存储器了。不必经常访问存储器了。地址地址3232位位高速缓存高速缓存管理部件管理部件 8KB 8KBCacheCache数据数据3232位位地址地址3232位位128 128 预取指令预取指令C C

19、P PU U3.3.指令预取部分指令预取部分：32 32字节的先进先出的队列，它从字节的先进先出的队列，它从CacheCache中中取指令，供译码器译码。取指令，供译码器译码。预取预取 2*16 2*16指令队列指令队列代码流代码流2424位位指指令令译译码码器器128128CacheCache4.4.指令译码：指令译码：从指令预取队列中取指令机器码，翻译从指令预取队列中取指令机器码，翻译成微代码。成微代码。指指令令译译码码器器指令指令总线总线控制部分控制部分指指令令预预取取队队列列代码流代码流2424位位微指令微指令 运算部分运算部分 5.5.控制器控制器：控制器采用微程序设计，根据指令译码

20、控制器采用微程序设计，根据指令译码器送来的信息产生微指令，对运算器、存储器送来的信息产生微指令，对运算器、存储器管理部分器管理部分发出控制信号。发出控制信号。控制与保护控制与保护 部件部件控制控制ROMROM指指令令译译码码器器运算部分运算部分 存储管存储管理部分理部分微指令微指令 控制器控制器6.6.运算器：运算器：包括整数运算器和浮点运算器。包括整数运算器和浮点运算器。桶形移位器桶形移位器寄存器组寄存器组ALUALU浮点运算单元浮点运算单元（FPU)FPU)浮点浮点寄存器组寄存器组运运算算器器7.7.存储器管理部分：存储器管理部分：包括分段管理和分页管理二部分。包括分段管理和分页管理二部分

21、。分段部件分段部件分页部件分页部件线性地址线性地址存储器管理部分存储器管理部分二二.基本结构寄存器：基本结构寄存器：80X86 80X86内部寄存器分为内部寄存器分为4 4类类:H基本结构寄存器基本结构寄存器H浮点寄存器浮点寄存器H系统级寄存器系统级寄存器H调试测试寄存器调试测试寄存器应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点寄存器。寄存器。(我们只介绍基本结构寄存器我们只介绍基本结构寄存器)1.1.通用寄存器通用寄存器D31D16D15D8D7D0AHAXALEAXBHBXBLEBXCHCXCLECXDHDXDLEDXSPESPBPEBPDIEDISIESIH位

22、序：左为高位，右为低位位序：左为高位，右为低位H AHAH、ALAL是是AXAX的高的高/低低8 8位，位，AXAX又是又是EAXEAX的低的低1616位，设：位，设：EAX=12345678HEAX=12345678H 则：则：AX=5678HAX=5678H，AH=56HAH=56H，AL=78HAL=78H 反之，当反之，当89H89HAHAH，90H90HALAL后后 则：则：AX=8990HAX=8990H，EAX=12348990H EAX=12348990H H汇编助记符汇编助记符:32 32位寄存器的汇编助记符为位寄存器的汇编助记符为 EAXEAXEDXEDX、ESIESI、E

23、DIEDI、EBPEBP1616位寄存器的汇编助记符为位寄存器的汇编助记符为 AX AXDXDX、SISI、DIDI、BPBP8 8位寄存器的汇编助记符为位寄存器的汇编助记符为AHAH、ALAL、BHBH、BLBL、CHCH、CLCL、DHDH、DL DL 2.2.段寄存器：段寄存器：D D15 15 D D0 0 CS CS 代码段寄存器代码段寄存器 SS SS 堆栈段寄存器堆栈段寄存器 DS DS 数据段寄存器数据段寄存器 ES ES 附加数据段附加数据段(附加段附加段)寄存器寄存器 FS FS 附加数据段附加数据段(附加段附加段)寄存器寄存器 GS GS 附加数据段附加数据段(附加段附加

24、段)寄存器寄存器 3.3.指针寄存器指针寄存器D31D16D15D0IPEIP指令指针寄存器：指令指针寄存器：3232位称为位称为EIPEIP，低，低1616位为位为IPIP作用：存放指令单元的偏移地址作用：存放指令单元的偏移地址4.4.标志寄存器（标志寄存器（EFLAGSEFLAGS）：为为3232位，存放两类标志位，存放两类标志:状态标志和控制标志。状态标志和控制标志。D31D16D15D0 其中其中FLAGSFLAGS为为1616位寄存器位寄存器(D15D0)(D15D0)(详细内容在后继课程中介绍详细内容在后继课程中介绍)状态标志：表示前面的操作执行后，算术状态标志：表示前面的操作执行

25、后，算术逻辑部件处在怎样一种状态，这种状态会逻辑部件处在怎样一种状态，这种状态会像某种先决条件一样影响后面的操作。有像某种先决条件一样影响后面的操作。有SF、ZF、PF、CF、AF和和OF控制标志：每个控制标志都对某一种特定控制标志：每个控制标志都对某一种特定的功能起控制作用。指令系统中有专门的的功能起控制作用。指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除。有指令用于控制标志的设置和清除。有DF、IF、TF。2.3 322.3 32位微处理器的外部引脚位微处理器的外部引脚 1.数据线及控制信号数据线及控制信号数据线：数据线：D63D0共共64位位奇偶校验信号：奇偶校验信号：DP7DP0,每个

26、字每个字节产生节产生1个校验位个校验位读校验错：读校验错：PCHK2.2.地址线及控制信号地址线及控制信号A31A3：高高3030位地址线位地址线BE7BE0：字节允许信号（存储体选中信号）字节允许信号（存储体选中信号）外围电路对外围电路对BE7BE0译码以产生译码以产生A2A0信号信号3.3.系统控制信号系统控制信号时钟输入时钟输入CLK可屏蔽中断请求可屏蔽中断请求INTR非屏蔽中断请求非屏蔽中断请求NMI系统复位信号系统复位信号RESET系统复位后，程序运行的地址为系统复位后，程序运行的地址为:FFFFFFF0H实模式实模式CS:F000H,IP:0FFF0H 系统时钟系统时钟是微处理器内

27、部与外部操作的同步时基信是微处理器内部与外部操作的同步时基信号，由时钟（号，由时钟（CLK）输入信号来提供。）输入信号来提供。时钟周期：时钟周期：T状态：就是指时钟周期状态：就是指时钟周期CLKTM/IOM/IO：=1,=1,表明该总线周期表明该总线周期,CPU,CPU与存储器交换信息与存储器交换信息 =0,=0,表明该总线周期表明该总线周期,CPU,CPU与与I/OI/O接口交换信息接口交换信息W/RW/R：=1,=1,表明该总线周期表明该总线周期,CPU,CPU进行写操作进行写操作 =0,=0,表明该总线周期表明该总线周期,CPU,CPU进行读操作进行读操作D/C D/C：=1,=1,表明

28、该总线周期表明该总线周期,传输的是数据传输的是数据 =0,=0,表明该总线周期表明该总线周期,传输的是指令代码传输的是指令代码 这三个信号的组合，决定了当前总线周期所要完这三个信号的组合，决定了当前总线周期所要完成的操作。成的操作。4.4.总线周期定义信号总线周期定义信号(输出输出)“周期周期”是一段时间是一段时间CPU通过总线与存储器、通过总线与存储器、I/O交换一个数据所交换一个数据所需要的时间称为总线周期。需要的时间称为总线周期。5.5.总线仲裁信号总线仲裁信号(1)HOLD(1)HOLD：总线保持请求（输入）总线保持请求（输入）(2)HLDA(2)HLDA：总线保持响应（输出）总线保持

29、响应（输出）ABDBCBX86DMAC高速高速I/OI/O接口接口HOLDHOLDHLDAHLDA系统中，除了系统中，除了X86X86之外，还有之外，还有DMACDMAC，通常情况下，通常情况下，由由X86X86控制三总线，若系统与高速外设交换信息，则由控制三总线，若系统与高速外设交换信息，则由DMADMA控制器来控制三总线。控制器来控制三总线。首先，由首先，由DMACDMAC发出发出“总线保持请求总线保持请求”，X86X86检测检测HOLDHOLD有效后，在当前总线周期结束后，与三总线脱离，有效后，在当前总线周期结束后，与三总线脱离，处于处于“总线保持状态总线保持状态”，然后通过，然后通过H

30、DLAHDLA向向DMACDMAC发出发出总线保持响应信号，通知总线保持响应信号，通知DMACDMAC接管三总线。接管三总线。BREQBREQ：总线请求总线请求(输出输出)X86 X86控制三总线进行操作时控制三总线进行操作时,BREQBREQ一直有效。一直有效。BOFFBOFF：总线占用总线占用(输入输入)外电路使外电路使BOFFBOFF有效后，有效后，X86X86在当前总线周期的当在当前总线周期的当前时钟周期结束后，立即与三总线脱离。前时钟周期结束后，立即与三总线脱离。这是外部电路强行占用总线的手段，它与这是外部电路强行占用总线的手段，它与HOLDHOLD的区的区别在于：别在于：BOFFB

31、OFF无需得到无需得到CPUCPU的响应。的响应。2.4 322.4 32位微处理器的地址空间和工作模式位微处理器的地址空间和工作模式 一、一、32位微处理器的地址空间位微处理器的地址空间地址空间分为地址空间分为存储空间存储空间和和I/O空间空间1.1.存储空间存储空间：H 物物理理空空间间(物物理理存存储储器器地地址址空空间间):):程程序序的的运运行行空间。空间。2 23232=4G=4G 物理物理 地址：地址：物物 理理 空空 间间 486 486有有3232条地址线，条地址线，内存最大容量内存最大容量4G4G。这。这4G4G字字节称为物理存储器，每一节称为物理存储器，每一单元的地址称为

32、物理地址，单元的地址称为物理地址，其地址范围其地址范围0000,0000H0000,0000HFFFF,FFFFHFFFF,FFFFH为物理存储空间。为物理存储空间。H 虚拟空间虚拟空间(虚拟存储器地址空间虚拟存储器地址空间):):编程空间编程空间 虚拟存储器是一项硬件和软件结合的技术。虚拟存储器是一项硬件和软件结合的技术。存存储储管管理理部部件件把把主主存存(物物理理存存储储器器)和和辅辅存存(磁磁盘盘)看看作作是是一一个个整整体体，即即虚虚拟拟存存储储器器。486486允允许许虚虚拟拟存存储储器器容容量量最最大大为为2 24646=64T=64T，即即程程序序员员可可在在此此地地址址范范围

33、围内内编编程程，程程序序可可大大大大超超过过物物理理空空间间。运运行行时时，操操作作系系统统从从虚虚拟拟空空间间取取一一部部分分程程序序载载入入物物理理存存储储器器运运行行。当当程程序序运运行行需需要要调调用用的的程程序序和和要要访访问问的的数数据据不不在在物物理理存存储储器器时时，操操作作系系统统再再把把那那一一部部分分调调入入物物理理存存储储器器.数据的交换极快，程序察觉不到。数据的交换极快，程序察觉不到。线性地址线性地址实模式：存储空间仅分段，而不分页；实模式：存储空间仅分段，而不分页；保护模式：存储空间先分段，再分页。保护模式：存储空间先分段，再分页。H 线性空间：线性空间：当程序从虚

34、拟空间调入物理空间时，要进行地址转当程序从虚拟空间调入物理空间时，要进行地址转换。换。分段部件首先把虚拟地址分段部件首先把虚拟地址(编程地址编程地址)转换为线性地址转换为线性地址,如果不分页的话，线性地址就是物理地址；如果不分页的话，线性地址就是物理地址；如果分页的话，则由分页部件把线性地址转换如果分页的话，则由分页部件把线性地址转换为物理地址。为物理地址。虚拟地址虚拟地址不分页不分页物理地址物理地址分段部件分段部件分页部件分页部件HI/OI/O地址空间与存储空间地址空间与存储空间不重叠不重叠 CPUCPU有有一一条条控控制制线线M/IOM/IO，在在硬硬件件设设计计上上用用M/IO=1M/I

35、O=1，参参与与存存储储器器寻寻址址，用用M/IO=0M/IO=0参参与与I/OI/O寻址寻址。H 从从PC/XTPC/XTPentiumPentium，基于基于IntelIntel微处理器的微处理器的系统机，实际上只使用低系统机，实际上只使用低1010位地址线，寻址位地址线，寻址2 21010=1024=1024个个I/OI/O端口。端口。2.I/O2.I/O空间空间:486 486利用低利用低1616位地址线访问位地址线访问I/OI/O端口，所端口，所以以I/OI/O端口最多有端口最多有2 21616=64K=64K，I/OI/O地址空间为地址空间为0000H0000HFFFFHFFFFH

36、。注意：注意：I/OI/O地址空间不分段地址空间不分段一一.实模式的特点：实模式的特点：加加电电、复复位位之之后后，486486自自动动工工作作在在实实模模式式，系统在系统在DOSDOS管理下管理下在在实实模模式式下下，486486只只能能访访问问第第一一个个1M1M内内存存(00000H(00000HFFFFFH)FFFFFH)486486有有3 3种工作模式种工作模式:H实地址模式实地址模式(实模式实模式)H保护虚拟地址模式保护虚拟地址模式(保护模式保护模式)H虚拟虚拟80868086模式模式二、二、32位微处理器的工作模式位微处理器的工作模式存存储储管管理理部部件件对对存存储储器器只只进

37、进行行分分段段管管理理，没没有有分页功能，每一逻辑段的最大容量为分页功能，每一逻辑段的最大容量为64K64K。在实模式下，段寄存器中存放段基址在实模式下，段寄存器中存放段基址。二二.保护模式的特点保护模式的特点:486 486工作在保护模式下，才能真正发挥它的工作在保护模式下，才能真正发挥它的设计能力。设计能力。在保护模式下，在保护模式下，486486支持多任务操作系统支持多任务操作系统在保护模式下，在保护模式下，486486可以访问可以访问4G4G物理存储空间物理存储空间存储管理部件中，对存储器采用分段和分页存储管理部件中，对存储器采用分段和分页管理管理H关于关于“虚拟存储虚拟存储”的概念：

38、的概念：存储管理部件把主存存储管理部件把主存(物理存储器物理存储器)和辅存和辅存(磁盘磁盘)看成一个整体。允许编程空间为看成一个整体。允许编程空间为2 24646=64T=64T，即程序的体积可以大大超过物理存储空间。即程序的体积可以大大超过物理存储空间。操操作作系系统统基基于于存存储储管管理理部部件件，先先把把程程序序的的一一部部分分装装入入内内存存运运行行，当当程程序序要要访访问问的的那那一一部部分分不不在在物物理理存存储储器器的的时时候候，再再从从磁磁盘盘调调入入，这这种种存存储储交交换换过过程程极极快快，用用户户是是察察觉觉不不到到的的，于于是是用用户户可可以以放放心心的的在在64T6

39、4T空空间间安安排排程程序序，仿仿佛佛计计算算机机真真有有那么大的内存一样。那么大的内存一样。H关于保护机制：关于保护机制：486486有有一一套套复复杂杂的的保保护护机机制制，系系统统定定义义了了4 4个个“特权级特权级”。操操作作系系统统的的核核心心特特权权级级最最高高，应应用用程程序序的的特特权权级级最最低低。并并规规定定，高高级级别别的的程程序序可可以以访访问问同同级级或或低低级级的的数数据据段段，反反之之则则不不行，应用程序只能访问自身的数据段。行，应用程序只能访问自身的数据段。保保护护模模式式下下，段段寄寄存存器器存存放放的的不不是是段段基址而是段选择符。基址而是段选择符。操作系统

40、核心操作系统核心系统服务及接口系统服务及接口应用程序应用程序0级级1级级2级级3级级保护机制图示：保护机制图示：高级别的程序可以访问同级或低级的数据段，反之则不行高级别的程序可以访问同级或低级的数据段，反之则不行三三.虚拟虚拟8686模式模式:虚拟虚拟8686模式是保护模式下的一种特殊工模式是保护模式下的一种特殊工作模式作模式,可运行实模式程序。可运行实模式程序。在操作系统管理下在操作系统管理下,486,486可以分时地运行可以分时地运行多个实模式程序多个实模式程序(因为因为:在虚拟在虚拟8686模式下模式下,486,486认为段寄存器中存放的不是选择符而是段基认为段寄存器中存放的不是选择符而

41、是段基址址!)!)例如有例如有3 3个任务个任务,操作系统为每一个任务操作系统为每一个任务分配分配1ms,1ms,每通过每通过1ms1ms就发生一次任务切换就发生一次任务切换,从从 宏观上看系统是在执行多个任务宏观上看系统是在执行多个任务,联机打印联机打印程序就使用程序就使用“分时技术分时技术”。打印程序只能在。打印程序只能在DOSDOS环境下运行环境下运行,占用系统占用系统10%10%的时间。的时间。四四.实模式下实模式下,物理地址的形成物理地址的形成1.1.存储器的分段管理存储器的分段管理:我们把我们把1M字节的存储器字节的存储器分为任意数量的段，其中分为任意数量的段，其中每一段长度每一段

42、长度64K（216)字字节。段的起始地址的高节。段的起始地址的高16位地址称为该段的位地址称为该段的段基址段基址。段内再由段内再由16位二进制数寻位二进制数寻址，段内寻址的址，段内寻址的16位二进位二进制数地址是存贮单元到段制数地址是存贮单元到段起始地址的距离，称为起始地址的距离，称为偏偏移地址移地址。一一个个逻逻辑辑段段 1FFFFH1FFFFH 10000H10000H12345H2345H(64KB)段基址：段基址：偏移量偏移量(1000H：2345H)16位段地址位段地址16位段内偏移量位段内偏移量16位段地址位段地址000020位物理地址位物理地址地址加法器地址加法器段寄存器段寄存器

43、偏移地址寄存器偏移地址寄存器左移左移4位位15 016位段寄存器位段寄存器000020位物理地址位物理地址19 0+15 016位偏移地址位偏移地址实模式下实模式下20位物理地址的形成过程位物理地址的形成过程例：设某存贮单元例：设某存贮单元段基址段基址=1000H,偏移量偏移量=2345H=2345H则物理地址为：则物理地址为：10000H 10000H 2345H 2345H12345H单元物理地址为单元物理地址为12345H,12345H,逻辑地址为逻辑地址为 1000H:2345H 1000H:2345H H 在一个逻辑段中在一个逻辑段中,各单元的段基址是相同的各单元的段基址是相同的H

44、偏移地址是该单元相对于段首的地址偏移量偏移地址是该单元相对于段首的地址偏移量一一个个逻逻辑辑段段 10000H10000H12345H12345H 存贮器中的每个存贮单元都可以用两个形式的地址来表存贮器中的每个存贮单元都可以用两个形式的地址来表示：示：物理地址和物理地址和逻辑逻辑地址地址。物理地址是指。物理地址是指1MB1MB存贮区域中的某存贮区域中的某一单元地址，地址信息是一单元地址，地址信息是2020位的二进制代码，以位的二进制代码，以1616进制表示进制表示是是00000HFFFFFH00000HFFFFFH中的一个单元，中的一个单元，CPUCPU访问存贮器时，地址总访问存贮器时，地址总

45、线上送出的是物理地址。编制程序，则采用逻辑地址。逻辑线上送出的是物理地址。编制程序，则采用逻辑地址。逻辑地址由段基址和偏移量组成。地址由段基址和偏移量组成。逻辑地址需由程序员在编程时给出逻辑地址需由程序员在编程时给出段段基基址：指明由哪个段寄存器给出即可址：指明由哪个段寄存器给出即可偏移地址：由程序员在程序中给出具体值偏移地址：由程序员在程序中给出具体值注意：注意：物理地址是唯一的，不同的逻辑地址可得到相同的物理地址是唯一的，不同的逻辑地址可得到相同的物理地址。物理地址。如：如：2000H：0200H20200H2010H：0100H20200H2.2.各逻辑段物理地址的形成各逻辑段物理地址的

46、形成(以以1616位寻址为例位寻址为例):在实模式下在实模式下,段寄存器存放相应逻辑段的段基址段寄存器存放相应逻辑段的段基址 代码段：代码段：CS*2CS*24 4+IP=+IP=指令单元的物理地址指令单元的物理地址一条指令的一个字节取出后，一条指令的一个字节取出后，IPIP自动加自动加1 1，指向，指向下一字节。下一字节。堆栈段：堆栈段：SS*2SS*24 4+SP=+SP=栈顶单元的物理地址栈顶单元的物理地址数据段：数据段：DS*2DS*24 4+偏移地址偏移地址=数据单元的物理地址数据单元的物理地址逻辑段逻辑段 段基址存放在段基址存放在 偏移地址存放在偏移地址存放在 代码段代码段 CS

47、IP CS IP 堆栈段堆栈段 SS SP SS SP数据段数据段 DS DS 根据不同的寻址方式根据不同的寻址方式附加段附加段 ES/FS/GS ES/FS/GS 选择选择BXBX、SISI、DIDI3 3段寄存器的初值段寄存器的初值CSCS、IPIP的初值：由操作系统赋值的初值：由操作系统赋值DS/ES/FS/GSDS/ES/FS/GS的初值：由程序员赋值。的初值：由程序员赋值。SSSS、SPSP的初值：的初值：由程序员赋值由程序员赋值 由操作系统自动赋值由操作系统自动赋值BX/SI/DI/BPBX/SI/DI/BP的初值：由程序员赋值。的初值：由程序员赋值。2.5 322.5 32位微处

48、理器的典型时序位微处理器的典型时序 T1CLKT3T2T48086总线周期总线周期总线周期定义的操作总线周期定义的操作总线周期定义的操作总线周期定义的操作M/IOD/CW/R操作操作000中断中断001中止中止/专用周期专用周期010I/OI/O读读011I/OI/O写写100微代码读微代码读101保留保留110存储器读存储器读111存储器写存储器写总线控制信号总线控制信号(ADS,RDY)(ADS,RDY)与与32位微处理器典型时序位微处理器典型时序(教材教材P.36)HADSADS：地址选通信号地址选通信号(输出输出)该信号由该信号由1 1 0 0，表明地址线和总线定义表明地址线和总线定义

49、信号信号(M/IO,W/R,D/CM/IO,W/R,D/C)均为有效可用。均为有效可用。HLOCKLOCK：总线锁定信号总线锁定信号LOCK=0LOCK=0，通知外围电路，不允许外部信号打断当通知外围电路，不允许外部信号打断当前的总线周期。当一条指令有前的总线周期。当一条指令有.LOCKLOCK前缀时，该引脚前缀时，该引脚输出为输出为0 0。HRDYRDY：准备就绪信号准备就绪信号(输入输入)该信号由外电路产生该信号由外电路产生486486RDY=0RDY=0，表明外部电路表明外部电路(存储器存储器、I/OI/O接口接口)已经做好已经做好数据数据W/RW/R的准备，能在规定时间内完成数据的读写

50、。的准备，能在规定时间内完成数据的读写。RDY=1RDY=1，表明存储器或表明存储器或I/OI/O不能在规定时间内完成数不能在规定时间内完成数据的读据的读/写，请写，请CPUCPU延长总线周期。延长总线周期。以下为以下为X86X86的基本总线周期时序图（以的基本总线周期时序图（以pentiumpentium为例为例)CLKADSADDRM/IO、D/CW/RRDYD0D31PCHK读读读读写写Pentium非流水线式读写周期时序图非流水线式读写周期时序图(无等待无等待)T1T2T1T2T1T2CLKADSBE0BE3A2A31M/IO、D/CW/RRDYD0D31读读写写有等待状态总线周期有等