南郵微機原理課件第2章

1、第2章 80X86微處理器,教材:第2章 80X86微處理器,,1. 位和字節(jié) 位（bit）是計算機所能表示的最小最基本的數(shù)據(jù)單位，它指的 是取值只能為0或1的一個二進制數(shù)值位。位作為單位時記作b 字節(jié)（byte）由8個位二進制位組成，通常用作計算存儲容量的 單位。字節(jié)作為單位時記作B K是kelo的縮寫， 1K=1024=210； M是mega的縮寫，1M=1024K=220； G是G

2、iga的縮寫， 1G=1024M=230； T是tera的縮寫， 1T=1024G=240。,微型計算機的常用術(shù)語,10000101,2. 字長(數(shù)據(jù)寬度) 字長是微處理器一次可以直接處理的二進制數(shù)碼的位數(shù)，它通常取 決于微處理器內(nèi)部通用寄存器的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。微處理 器的字長有4位、8位、16位、32位和64位等等。,微型計算機的常用術(shù)語,3. 尋址能力 指CPU能直接存取數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址的范

3、圍，它由CPU的地址總線的數(shù) 目決定。,4. 主頻 主頻也叫時鐘頻率，用來表示微處理器的運行速度，主頻越高 表明微處理器運行越快，主頻的單位是MHz。,微型計算機的常用術(shù)語,5. MIPS MIPS是Millions of Instruction Per Second的縮寫，用來表示微處理器的性能----運算速度，每秒鐘能執(zhí)行多少百萬條指令. 6.微處理器的集成度 指微處理器芯片上集成的晶體管的密度。 最早I

4、ntel 4004的集成度為2250個晶體管，Pentium III的集成度已 經(jīng)達到750萬個晶體管以上，集成度提高了3000多倍。,80X86 CPU介紹,,,,,,,,,,,,,,,微處理器的基本功能模塊:,總線接口單元 BIU（寄存器組）執(zhí)行單元 EU（運算器和控制器、寄存器組）,微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu),存儲管理(分段和分頁部件)指令和數(shù)據(jù)流水線指令和數(shù)據(jù)CACHE指令預取浮點處理分支預測并行計算……,微處理

5、器的功能擴展模塊:,Pentium 采用了多項先進技術(shù)： CISC和RISC相結(jié)合的技術(shù) 超標量流水線技術(shù) 分支預測技術(shù),RISC和CISC：RISC（Reduced Instruction Set Computer），精簡指令系統(tǒng)的計算機 提供數(shù)目較少、格式與功能簡單、運行高效的指令 追求的是計算機控制器實現(xiàn)簡單，運行高速，更容易在單塊超大規(guī)模集成電路的芯片內(nèi)制做出來CISC（Complex Instr

6、uction Set Computer），復雜指令系統(tǒng)的計算機 相對于RISC一詞而提出來的一種說法 特點：指令條數(shù)多，格式多樣，尋址方式復雜，每條指令的功能強。匯編程序設(shè)計容易些，但計算機控制器的實現(xiàn)困難多，很多指令被使用的機會并不多,超標量流水線： 標量指單個量，一般的流水計算機因只有一條指令流水線，所以 稱為標量流水計算機，所謂超標量是指其具有兩條以上的指令流水線. Pent

7、ium 有U、V兩條整型流水線，一條浮點流水線。,流水線： 是一種使多條指令重疊操作的技術(shù), 是當代微處理器設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)之一。 把一條指令分解成若干個步驟來完成，在流水線上稱為級，每級 都在一個時鐘周期內(nèi)完成各自的操作。這樣每個時鐘周期都可以啟動 一條指令，m級的流水線上就會有m條指令在同時執(zhí)行。 流水線的性能比非流水線作

8、業(yè)幾乎提高了m倍。,分支預測： 所謂分支預測是指當遇到轉(zhuǎn)移指令、CALL調(diào)用指令、RET返回指 令、INT n中斷指令等跳轉(zhuǎn)指令時，指令預取單元能夠較準確地判 定 是否轉(zhuǎn)移取指。,2.1 32位微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu),基本結(jié)構(gòu)寄存器： 486內(nèi)部寄存器分為4類:,基本結(jié)構(gòu)寄存器浮點寄存器系統(tǒng)級寄存器調(diào)試測試寄存器,應(yīng)用程序只能訪問基本結(jié)構(gòu)寄存器和浮點寄存器。(我們只介紹基本結(jié)構(gòu)寄存器),,32

9、位名稱,EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI,8位名稱,16位名稱,EIPEFLAGS,名稱累加器基址變址計數(shù)數(shù)據(jù)堆棧指針基址指針目的變址源變址,指令指針標志,代碼數(shù)據(jù)附加堆棧,32位,16位,,,,,,,,注意： 286以下綠色區(qū)域不可用； FS、GS 無專用名稱；,AX (accumulater)-----累加器 BX (Base)-----基址寄存器 CX (

10、Count)-------計數(shù)器 DX (Data)-----數(shù)據(jù)寄存器,,32位名稱,EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI,16位名稱,名稱累加器基址變址計數(shù)數(shù)據(jù)堆棧指針基址指針目的變址源變址,8位名稱,1.通用寄存器,AX、BX、CX、DX 共同特點：既可作為16位寄存器來用又可作為兩個8位寄存器（高、低位）來用；都是用于暫存操作數(shù)，或是運算的中間結(jié)果或其它一些信息。 指

11、令＝操作碼＋操作數(shù),,32位名稱,EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI,16位名稱,名稱累加器基址變址計數(shù)數(shù)據(jù)堆棧指針基址指針目的變址源變址,8位名稱,IP、SP、BP、SI、DI：為尋址存貯單元提供偏移地址。其中：IP (Instruction Pointer)-------指令指針,,32位名稱,EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI,16位名稱,名稱累加器基址

12、變址計數(shù)數(shù)據(jù)堆棧指針基址指針目的變址源變址,8位名稱,SP (Stack Pointer)------堆棧指針BP (Base Pointer)------基址指針SI (Source Index)------源變址寄存器DI (Destination Index)------目的變址寄存器,CS、DS、ES、SS------4個段寄存器，和偏移地址寄存器一起形成20位存儲器物理地址，對存儲器中存放的程序、數(shù)據(jù)、堆棧區(qū)

13、域加以區(qū)別、尋址。尋址程序(指令)：CS＋IP；尋址數(shù)據(jù)：(DS或ES)＋(SI或DI、BX、BP)；尋址堆棧：SS＋(SP或BP) 具體用法在尋址方式中介紹,代碼數(shù)據(jù)附加堆棧,標志寄存器FLAGS又稱為程序狀態(tài)字PSW，為16位寄存器，該寄存器主要有兩個作用：記錄CPU運行結(jié)果狀態(tài)標志；提供控制標志。 FLAGS各位含義如下：15 14 13 12 11 10 9 8 7

14、6 5 4 3 2 1 0 OF DF IF TF SF ZF AF PF CF,EFLAGS,標志寄存器,根據(jù)功能，8086的標志可以分為兩類： 狀態(tài)標志：表示前面的操作執(zhí)行后，算術(shù)邏輯部件處在怎樣一種狀態(tài)，這種狀態(tài)會像某種先決條件一樣影響后面的操作。有SF、ZF、PF、CF、AF和OF 控制標志：每個控制標志都對某一種特定的功能起控

15、制作用。指令系統(tǒng)中有專門的指令用于控制標志的設(shè)置和清除。有DF、 IF、 TF。,一. 32位微處理器工作模式,1.實模式的特點①加電、復位之后，486自動工作在實模式，系統(tǒng)在DOS管理下②在實模式下，486只能訪問第一個1M內(nèi)存(00000H~FFFFFH),實地址模式(實模式) 保護虛擬地址模式(保護模式) 虛擬86模式,2.2 32位微處理器的工作模式和地址空間,③ 存儲管理部件對存儲器只進行分段管理，沒有分

16、頁功能，每一邏輯段的最大容量為64K。在實模式下，段寄存器中存放段基址。,2.保護模式的特點:(僅作了解） 486工作在保護模式下，才能真正發(fā)揮它的設(shè)計能力。①在保護模式下，486支持多任務(wù)操作系統(tǒng)②在保護模式下，486可以訪問4G物理存儲空間③存儲管理部件中，對存儲器采用分段和分頁管理,操作系統(tǒng)核心,系統(tǒng)服務(wù)及接口,應(yīng)用程序,,,,,0級,1級,2級,3級,,,關(guān)于保護機制：,高級別的程序可以訪問同級或低級的數(shù)據(jù)段，反

17、之則不行,3.虛擬86模式（僅作了解）: 虛擬86模式是保護模式下的一種特殊工作模式,可運行實模式程序。 在操作系統(tǒng)管理下,486可以分時地運行多個實模式程序。 例如：有3個任務(wù),操作系統(tǒng)為每一個任務(wù)分配1ms,每通過1ms就發(fā)生一次任務(wù)切換,從宏觀上看系統(tǒng)是在執(zhí)行多個任務(wù)。,,1.存儲空間： 物理空間(物理存儲器地址空間）： 程序的運行空間,即主存空間,232=4G 物理 地址： 物

18、 理 空 間,486有32條地址線，內(nèi)存最大容量4G。這4G字節(jié)稱為物理存儲器，每一單元的地址稱為物理地址，其地址范圍：0000,0000H~FFFF,FFFFH為物理存儲空間。,二. 32位微處理器的地址空間,虛擬空間(虛擬存儲器地址空間):編程空間 虛擬存儲器是一項硬件和軟件結(jié)合的技術(shù)。 存儲管理部件把主存(物理存儲器)和輔存(磁盤)看作是一個整體，即虛擬存儲器。允許編程空

19、間為246=64T，程序員可在此地址范圍內(nèi)編程，程序可大大超過物理空間。該空間對應(yīng)的地址稱為虛擬地址或邏輯地址。運行時，操作系統(tǒng)從虛擬空間取一部分程序載入物理存儲器運行。當程序運行需要調(diào)用的程序和要訪問的數(shù)據(jù)不在物理存儲器時，操作系統(tǒng)再把那一部分調(diào)入物理存儲器.……數(shù)據(jù)的交換極快，程序察覺不到。,線性地址,實模式：存儲空間僅分段，而不分頁；保護模式：存儲空間先分段，再分頁。,,線性空間：,當程序從虛擬空間調(diào)入物理空間時，要進行地址轉(zhuǎn)換

20、。,分段部件首先把虛擬地址(編程地址)轉(zhuǎn)換為線性地址,,☆　如果不分頁的話，線性地址就是物理地址；,☆　如果分頁的話，則由分頁部件把線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址。,虛擬地址,物理地址,從PC/XT～Pentium，基于Intel微處理器的系統(tǒng)機，實際上只使用低10位地址線，尋址210=1024個I/O端口。,2. I/O空間: 486利用低16位地址線訪問I/O端口，所以I/O端口最多有216=64K，I/O地址空間為0000H～F

21、FFFH。注意：I/O地址空間不分段,三.  實模式下,物理地址的形成（重要）1.存儲器的分段管理:,我們把1M字節(jié)的存儲器分為任意數(shù)量的段，其中每一段長度64K（216)字節(jié)。段的起始地址的高16位地址稱為該段的段基址。段內(nèi)再由16位二進制數(shù)尋址，段內(nèi)尋址的16位二進制數(shù)地址是存貯單元到段起始地址的距離，稱為偏移地址。,一個邏輯段,1FFFFH,10000H,,,,,,,,,,,,,,,12345H,,2345H,,

22、,(64KB),段基址：偏移量,(1000H：2345H),0000,實模式下20位物理地址的形成,例：設(shè)某存貯單元 段基址=1000H,偏移量=2345H則物理地址為： 10000H ＋ 2345H 12345H,,,單元物理地址為12345H,

23、 邏輯地址為 1000H:2345H,在一個邏輯段中,各單元的段基址是相同的 偏移地址是該單元相對于段首的地址偏移量,存貯器中的每個存貯單元都可以用兩個形式的地址來表示：物理地址和邏輯地址。物理地址是指1MB存貯區(qū)域中的某一單元地址，地址信息是20位的二進制代碼，以16進制表示是00000H~FFFFFH中的一個單元，CPU訪問存貯器時，地址總線上送出的是物理地址。編制程序，則采用邏輯地址。邏輯地址

24、由段基址和偏移量組成。,所有段都是起始于16字節(jié)的邊界。,邏輯地址需由程序員在編程時給出段 基 址：指明由哪個段寄存器給出即可偏移地址：由程序員在程序中給出具體值,注意： 物理地址是唯一的，不同的邏輯地址可得到相同的物理地址。 如： 2000H：0200H —— 20200H 2010H：0100H —— 20200H,實模式下20位物理地址的形成,2.各邏輯段物理地址的形成(以1

25、6位尋址為例):在實模式下,段寄存器存放相應(yīng)邏輯段的段基址,代碼段：CS*24+IP =指令單元的物理地址一條指令的一個字節(jié)取出后，IP自動加1，指向下一字節(jié)。堆棧段：SS*24+SP =棧頂單元的物理地址數(shù)據(jù)段：DS*24+偏移地址 =數(shù)據(jù)單元的物理地址,實模式下20位物理地址的形成,實模式下20位物理地址的形成,3．段寄存器和指針寄存器的初值CS、IP的初值：由操作系統(tǒng)賦值,DS/ES/FS/GS的初值：由程序員賦值。,S

26、S、SP的初值：①由程序員賦值 ②由操作系統(tǒng)自動賦值,BX/SI/DI/BP的初值：由程序員賦值。,第2章 學習重點,1.了解X86內(nèi)部主要功能塊的簡單作用2.掌握基本結(jié)構(gòu)寄存器中的通用寄存器、段寄存器、指針寄存器的結(jié)構(gòu)、名稱、匯編助記符3.掌握32位微處理器工作模式中的實模式的特點，了解保護模式的工作特點4.掌握實模式下存儲器各個邏輯段的物理地址的形成方法，以及CS、IP，SS、SP，DS、ES各寄