清华大学微机原理第2章

第2章16位和32位微处理器教学建议，本章重点为•8086的编程结构，尤其是寄存器组；•8086标志寄存器各个标志的含义；•8086的读写时序、总线操作和中断机制；•Pentium的先进技术；•Pentium的工作方式；•Pentium的原理结构、寄存器组和描述符；•Pentium的主要信号；•Pentium的总线状态；•Pentium的中断机制和中断描述符表；•Pentium的段页两级保护机制。微处理器的性能指标①字长②主频图2.18086的编程结构1．总线接口部件①4个段地址寄存器，CS16位的代码段寄存器DS16位的数据段寄存器ES16位的附加段寄存器SS16位的堆栈段寄存器②16位的指令指针寄存器IP③20位的地址加法器④6字节的指令队列缓冲器2.执行部件•4个通用寄存器，即AX、BX、CX、DX•4个专用寄存器，即BP、SP、SI、DI•标志寄存器•算术逻辑部件标志寄存器；根据功能，分为两类•状态标志•控制标志状态标志•SF•ZF•PF•CF•AF•OF控制标志•DF•IF•TF3.8086的总线周期的概念4个时钟周期，•T1状态•T2状态•T3状态•T状态•T4状态图2.2典型的8086总线周期序列最小模式和最大模式的概念•最小模式•最大模式两个协处理器•数值运算协处理器8087•输入/输出协处理器80898086的引脚信号和功能注意下列几点：①8086的数据线和地址线是复用的，②8086可用高8位传送1字节，也可用低8位传送1个字节，还可一次传送1个字③RESET是系统复位信号8086的引脚引脚信号①GND、VCC地和电源②AD15～AD0地址/数据复用引脚，双向工作③A19/S6～A16/S3地址/状态复用引脚，输出④BHE＃/S7高8位数据总线允许/状态复用引脚，输出⑤NMI非屏蔽中断引脚,输入⑥INTR可屏蔽中断请求信号,输入⑦RD＃读信号，输出⑧CLK)时钟，输入⑨RESET(reset)复位信号，输入⑩READY(ready)“准备好”信号，输入⑾TEST＃(test)测试信号，输入⑿MN/MX＃最小和最大模式控制信号，输入最小模式最小模式信号①INTA＃中断响应信号，输出②ALE地址锁存允许信号，输出③DEN＃数据允许信号，输出④DT/R＃数据收发信号，输出⑤M/IO＃存储器/输入/输出控制信号，输出⑥WR＃(write)写信号，输出⑦HOLD和HLDA总线保持请求信号和总线保持响应信号最小模式配置图最小模式连接特点：•MN/MX＃端接+5V•时钟发生器•地址锁存器•存储器和外设较多时，需要总线收发器M/IO、RD、WR信号的关系图2.58284A和8086的连接最大模式（QS1、QS0指令队列状态信号）S2#、S1#、S0#总线周期状态信号最大模式下的典型配置总线控制器8288的连接微型机系统主要操作①系统的复位和启动操作；②暂停操作；③总线操作；④中断操作；⑤最小模式下的总线保持；⑥最大模式下的总线请求/允许。系统的复位和启动操作•CS=FFFFH•IP＝0000H复位操作的时序。总线读操作写操作时序中断操作和中断系统两大类：•硬件中断；•软件中断。8086的中断分类中断向量和中断向量表硬件中断•NMI•INTR硬件中断的响应和时序•从数据总线上读取中断类型码，将其存入内部暂存器。•将标志寄存器的值推入堆栈。•把标志寄存器的中断允许标志IF和跟踪标志TF清零。•将断点保护到堆栈中。•找到中断向量，转入相应的中断处理子程序8086对中断的响应中断响应要用两个总线周期。可屏蔽中断时，CPU执行的总线时序：•第1步，执行2个中断响应总线周期•第2步，执行1个总线写周期•第3步，将标志寄存器的中断允许标志IF和单步标志TF置成0•第4步，执行1个总线写周期•第5步，执行1个总线写周期•第6步，执行1个总线读周期•第7步，执行1个总线读周期中断处理子程序•保护中断现场。•设置中断允许标志IF来开放中断•中断处理的具体内容•恢复寄存器•中断返回指令软件中断的特点①中断类型码由指令提供。②不执行中断响应总线周期。③不受中断允许标志IF的影响④执行软件中断时，对外部硬件中断请求的反映不同于硬件中断⑤软件中断没有随机性最小模式下的总线保持总线保持请求/保持响应时序最大模式下的总线请求/授权最大模式下的总线请求/允许/释放时序8086的存储器编址8086系统中存储器物理地址的计算方法复位后FFFF+0000———————FFFF0图2.18CS、DS、SS和其他寄存器组合指向存储单元的示意图存储器中，有几个部分的用处是固定的：①00000～003FFH②B0000H～B0F9FH③B8000H～BBF3FH④FFFF0H～FFFFFH8086的I/O编址•8086允许有65535(64K)个8位的I/O端口对I/O端口，可用两种方式进行编址：•和存储器统一编址•I/O独立编址32位微处理器Pentium的先进技术1.先进的体系结构2．CISC和RISC相结合的技术3.超标量流水线技术4.先进的分支预测技术指令流水线的组成•总线接口部件、•指令预取部件、•指令译码部件•执行部件Pentium的三种工作方式，•实地址方式•保护方式•虚拟8086方式实地址方式的特点①寻址机构、存储器管理、中断处理机构均和8086一样。②操作数默认长度为16位。③存储器容量最大为1MB，采用分段方式，每段大小固定为64KB。④存储器中保留两个固定区域•FFFF0H～FFFFFH，•00000～003FFH。保护方式的特点①存储器用逻辑地址空间、线性地址空间和物理地址空间三种方式来描述。②映像机制使逻辑地址空间大大超过实际的内存空间③既能进行16位运算，也能进行32位运算。虚拟8086方式特点①可以执行8086的应用程序。②段寄存器的用法和实地址方式时一样，即段寄存器内容左移4位加上偏移量为线性地址。③存储器寻址空间为1MB，在分段基础上又分页，每页4KB。实地址方式和虚拟8086方式区别：①多任务问题②寻址空间问题。③内存管理问题Pentium的原理结构•总线接口部件•U流水线和V流水线•数据Cache•指令Cache•指令预取部件•指令译码器•控制ROM•分支目标缓冲器BTB•控制部件•浮点处理部件FPU•分段部件和分页部件•寄存器组总线接口部件完成如下总线功能①地址驱动和传输。②数据驱动。③数据总线宽度控制。④数据缓冲。⑤总线操作的控制功能⑥奇/偶校验告示功能⑦Cache操作控制Pentium的主要部件和原理结构•2.6Pentium的寄存器和相关机制Pentium的寄存器组Pentium的寄存器组包括①基本寄存器组。②系统寄存器组；③浮点寄存器组基本寄存器组•通用寄存器•指令指针寄存器和标志寄存器标志寄存器段寄存器和描述符以及保护方式的寻址机制三种描述符表•全局描述符表GDT•局部描述符表LDT•中断描述符表IDT图2.26保护方式下段地址的产生段选择子包含3个部分的内容l描述符表指示标志TIl描述符索引DIl请求特权级RPL保护方式下段地址的产生系统地址寄存器包括•GDTR•IDTR•TR•LDTR图2.274个系统地址寄存器的结构控制寄存器调试寄存器状态寄存器控制字寄存器Pentium的主要信号Pentium的主要信号1.地址线及控制信号lA31～A3地址线。lAP地址的偶校验码位。lADS#地址状态输出信号。lA20M#A20以上的地址线屏蔽信号。lAPCHK#地址校验出错信号。•Pentium的主要信号2.数据线及控制信号lD63～D0数据线。lBE7#～BE0#字节允许信号。lDP7～DP0奇/偶校验信号。lPCHK#读校验出错。lPEN#奇/偶校验允许信号。Pentium的主要信号3.总线周期控制信号lD/C#数据/控制信号。lM/IO#存储器和I/O访问信号lW/R#读/写信号。lLOCK#总线封锁信号lBRDY#突发就绪信号lNA#下一个地址有效信号。lSCYC分割周期信号。Pentium的主要信号4.Cache控制信号lCACHE#Cache控制信号。lEADS#外部地址有效信号。lKEN#Cache允许信号。lFLUSH#Cache擦除信号。lAHOLD地址保持/请求信号。lPCDCache禁止信号。lPWT片外Cache的控制信号。lWB/WT#片内Cache回写/通写选择信号lHIT#和HITM#Cache命中信号和命中Cache的状态信号lINV无效请求信号Pentium的主要信号5.系统控制信号•INTR•NMI•RESET•CLK•INITPentium的主要信号•6．总线仲裁信号•HOLD•HLDA•BREQ•BOFF＃Pentium的主要信号•7.检测与处理信号lBUSCHK#lFERR#lIGNNE#lFRCMC#lIERR#Pentium的主要信号8.系统管理模式信号•SMI#•SMIACT#Pentium的主要信号9．测试信号lTCKlTDIlTDOlTMSlTRST#Pentium的主要信号10．跟踪和检查信号lBP3～BP0lPM1～PM0lBT3～BT0lIU和IVlIBTlR/S#lPRDYPentium的几种总线状态•T1状态•T2状态•T12状态•T2P状态•TD状态•Ti状态总线状态之间的转换Pentium的总线周期1)非流水线式读/写周期2)流水线式读/写周期3)突发式读/写周期非流水线式读/写周期流水线式读/写周期突发式读/写周期Pentium的中断机制仍为两大类–硬件中断–软件中断异常和中断异常分为三类•故障•陷阱•异常终止Pentium的保留中断中断类型号含义中断类型号含义0123456789除数为0中断单步中断非屏蔽中断断点中断溢出中断BOUND指令故障中断无效操作码中断浮点部件不可用中断双故障中断保留1011121314151617..3132～255无效任务状态段中断段不存在中断堆栈异常中断一般保护中断页故障中断保留浮点错误中断对准检查中断保留可屏蔽中断中断描述符的通用格式中断向量和中断描述符Pentium的段页两级保护机制•存储器的段级保护•存储器的页级保护存储器的段级保护（1）段类型提供读/写保护（2）界限和粒度提供范围保护（3）特权级对操作系统和驱动程序提供保护存储器的页级保护•(1)页的特权级提供页保护•(2)标志R/W提供页面写保护Itanium微处理器的特点①可拥有三级Cache。Itanium②多个执行部件和多个通道。③数量众多的寄存器。④采用完全并行指令计算。⑤采用新机制的分支预测技术。