南京邮电大学微机接口与原理课件第2章.

微型计算机原理与接口技术第2章80X86微处理器2.2微处理器内部结构2.332位微处理器的工作模式2.1Intel处理器发展微型计算机原理与接口技术1.位和字节•位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单位时记作b•字节（byte）由8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BK是kelo的缩写，1K=1024=210；M是mega的缩写，1M=1024K=220；G是Giga的缩写，1G=1024M=230；T是tera的缩写，1T=1024G=240。微型计算机的常用术语10000101微型计算机原理与接口技术2.字长(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4位、8位、16位、32位和64位等等。半字节字节字双字03034707078F8F1017181F微型计算机的常用术语3.寻址能力指CPU能直接存取数据的内存地址的范围，它由CPU的地址总线的数目决定。微型计算机原理与接口技术4.主频主频也叫时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz。微型计算机的常用术语5.MIPSMIPS是MillionsofInstructionPerSecond的缩写，用来表示微处理器的性能----运算速度，每秒钟能执行多少百万条指令.6.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。•最早Intel4004的集成度为2250个晶体管，PentiumIII的集成度已经达到750万个晶体管以上，集成度提高了3000多倍。微型计算机原理与接口技术型号发布年分字长(位)晶体管(万个)数据总线宽度外部总线宽度主频寻址空间高速缓存80861978162.916164.771M无80881979162.91684.771M无28619821613.416166~2016M无38619863227.5323212~334G有486198932120323225~1004G8K奔腾199332310646460~1664G8K奔腾Pro1995325506464150~20064G8K256K奔21997327506464233~33364G32K512KItanium2000642.2亿64641G以上64G6M集成三级酷睿22006642.91亿64643.60G64G6M集成三级2.1Intel处理器发展微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术微处理器的基本功能模块:•总线接口单元BIU（寄存器组）•执行单元EU（运算器和控制器、寄存器组）2.2微处理器内部结构一.微处理器的内部结构微型计算机原理与接口技术8086/8088内部结构一.微处理器的内部结构内部暂存器IPESSSDSCS输入/输出控制电路外部总线执行部分控制电路123456∑ALU标志寄存器AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDI通用寄存器地址加法器指令队列缓冲器执行部件（EU)总线接口部件（BIU)16位20位16位8位AXBXCXDX微型计算机原理与接口技术物理地址加法器地址锁存器和驱动器预取协处理器接口总线控制数据收发6字节预取队列3译码指令指令队列指令译码器寄存器控制器ALU偏移量加法器段界检查段基址段容量NMIINTRERRORBUSY地址部件AU执行部件EU总线部件BU指令部件IU80286内部结构一.微处理器的内部结构微型计算机原理与接口技术•存储管理(分段和分页部件)•指令和数据流水线•指令和数据CACHE•指令预取•浮点处理•分支预测•并行计算•……微处理器的功能扩展模块:一.微处理器的内部结构微型计算机原理与接口技术分段部件分页部件总线接口部件3输入加法器描述符寄存器边界和属性PLA加法器页高速缓存器控制和属性高速缓存器请求优先权地址驱动器流水线/总线宽度控制器多路收发器保护测试部件桶形移位器加法器乘/除寄存器集译码和定序器控制ROM指令译码已译码指令队列预取器/边界检测器16字节指令队列32位有效地址总线32位ALU总线指令预取部件指令译码部件执行部件32位有效地址总线内部控制总线80386内部结构一.微处理器的内部结构微型计算机原理与接口技术桶形移位器寄存器文件ALU段管理部件描述符寄存器界限和属性PLA页管理部件转换后援缓冲器Cache管理部件8KBCache地址驱动器写缓冲器4×80数据总线收发器总线控制请求序列发生器成组总线控制总线宽度控制Cache控制奇偶校验生成和控制浮点运算部件浮点寄存器文件控制部件控制ROM指令译码器指令预取部件216B指令队列128232位数据总线32位线性地址32总线接口部件80486内部结构一.微处理器的内部结构微型计算机原理与接口技术Pentium采用了多项先进技术：•CISC和RISC相结合的技术•超标量流水线技术•分支预测技术一.微处理器的内部结构微型计算机原理与接口技术RISC和CISC：RISC（ReducedInstructionSetComputer），精简指令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成电路的芯片内制做出来CISC（ComplexInstructionSetComputer），复杂指令系统的计算机相对于RISC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一.微处理器的内部结构微型计算机原理与接口技术超标量流水线：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.Pentium有U、V两条整型流水线，一条浮点流水线。流水线：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。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，m级的流水线上就会有m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m倍。一.微处理器的内部结构微型计算机原理与接口技术•PF(预取)：处理器从代码cache中预取指令•D1(译码阶段1)：处理器对指令译码确定操作码和寻址信息。在这个阶段还进行指令的成对性检查和分支预测•D2(译码阶段2)：产生访问存储器的地址•EX(执行)：处理器或者访问数据cache，或者利用ALU、筒型移位器或其他功能单元计算结果•WB(写回)：利用指令运行结果更新寄存器和标志寄存器Pentium微处理器的五级超标量整数流水线一.微处理器的内部结构微型计算机原理与接口技术分支预测：所谓分支预测是指当遇到转移指令、CALL调用指令、RET返回指令、INTn中断指令等跳转指令时，指令预取单元能够较准确地判定是否转移取指。一.微处理器的内部结构微型计算机原理与接口技术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Pentium内部结构微型计算机原理与接口技术二、基本结构寄存器：486内部寄存器分为4类:基本结构寄存器浮点寄存器系统级寄存器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寄存器。(我们只介绍基本结构寄存器)微型计算机原理与接口技术AHAXALBHBXBLCHCXCLDHDXDLSPBPDISIIPFLAGSCSDSESSSFSGS32位名称EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI8位名称16位名称EIPEFLAGS名称累加器基址变址计数数据堆栈指针基址指针目的变址源变址指令指针标志代码数据附加堆栈32位16位注意：•286以下绿色区域不可用；•FS、GS无专用名称；微型计算机原理与接口技术•AX(accumulater)-----累加器•BX(Base)-----基址寄存器•CX(Count)-------计数器•DX(Data)-----数据寄存器AHAXALBHBXBLCHCXCLDHDXDLSPBPDISI32位名称EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI16位名称名称累加器基址变址计数数据堆栈指针基址指针目的变址源变址8位名称通用寄存器微型计算机原理与接口技术AX、BX、CX、DX共同特点：•既可作为16位寄存器来用又可作为两个8位寄存器（高、低位）来用；•都是用于暂存操作数，或是运算的中间结果或其它一些信息。指令＝操作码＋操作数AHAXALBHBXBLCHCXCLDHDXDLSPBPDISI32位名称EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI16位名称名称累加器基址变址计数数据堆栈指针基址指针目的变址源变址8位名称微型计算机原理与接口技术IP、SP、BP、SI、DI：为寻址存贮单元提供偏移地址。其中：•IP(InstructionPointer)-------指令指针AHAXALBHBXBLCHCXCLDHDXDLSPBPDISI32位名称EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI16位名称名称累加器基址变址计数数据堆栈指针基址指针目的变址源变址8位名称IP•SP(StackPointer)------堆栈指针•BP(BasePointer)------基址指针•SI(SourceIndex)------源变址寄存器•DI(DestinationIndex)------目的变址寄存器微型计算机原理与接口技术CS、DS、ES、SS------4个段寄存器，和偏移地址寄存器一起形成20位存储器物理地址，对存储器中存放的程序、数据、堆栈区域加以区别、寻址。•寻址程序(指令)：CS＋IP；•寻址数据：(DS或ES)＋(SI或DI、BX、BP)；•寻址堆栈：SS＋(SP或BP)具体用法在寻址方式中介绍CSDSESSSFSGS代码数据附加堆栈段寄存器微型计算机原理与接口技术标志寄存器FLAGS又称为程序状态字PSW，为16位寄存器，该寄存器主要有两个作用：•记录CPU运行结果状态标志；•提供控制标志。FLAGS各位含义如下：1514131211109876543210OFDFIFTFSFZFAFPFCFFLAGSEFLAGS标志寄存器标志寄存器微型计算机原理与接口技术根据功能，8086的标志可以分为两类：状态标志：表示前面的操作执行后，算术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SF、ZF、PF、CF、AF和OF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指令用于控制标志的设置和清除。有DF、IF、TF。微型计算机原理与接口技术三种工作模式：实地址模式(实模式)保护虚拟地址模式(保护模式)虚拟86模式2.332位微处理器的工作模式微型计算机原理与接口技术1.存储空间：物理空间(物理存储器地址空间）：程序的运行空间,即主存空间232=4G物理地址：物理空间486有32条地址线，内存最大容量4G。这4G字节称为物理存储器，每一单元的地址称为物理地址，其地址范围：0000,0000H~FFFF,FFFFH为物理存储空间。一、32位微处理器的地址空间微型计算机原理与接口技术虚拟空间(虚拟存储器地址空间):编程空间虚拟存储器是一项硬件和软件结合的技术。存储管理部件把主存(物理存储器)和辅存(磁盘)看作是一个整体，即虚拟存储器。允许编程空间为246=64T，程序员可在此地址范围内编