第10章80X86的最新技术发展.ppt
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1、第10章 80X86的最新技术发展,Intel80X86处理器的发展 Intel8080 8位微处理器 Intel8085 高档8位微处理器指令比较完善,有了中断与DMA汇编、BASIC,FORTRAN、PL/M 后期配备CP/M操作系统 Intel8086 16位8086数据总线16位、地址总线20位 Intel8088 准16位外部数据总线8位,内部数据总线16位IBM PC、IBM PC/XT Intel80286、MC68010 高档16位数据总线16位,地址总线24位IBM PC/AT实地址模式、虚地址保护模式虚地址模式可寻址16MB物理地址和1GB的虚拟地址空间,Intel80X8
2、6处理器的发展(1),Intel80386 32位微处理器数据总线32位,地址总线32位实地址模式、虚地址保护模式、虚拟8086模式虚地址模式可寻址4GB(232)物理地址和64TB(246)的虚拟地址空间 Intel80486 32位微处理器80386+80387+8KB的Cache部分采用RISC技术、突发总线技术使用时钟倍频技术 Pentium(奔腾) 32位微处理器5级超标量结构、分支预测技术64条数据线、32条地址线常用指令硬件化,使用微程序设计 Pentium MMX(多能奔腾) 32位增加了57条MMX指令采用了SIMD技术,Intel80X86处理器的发展(2),Pentium
3、 Pro(高能奔腾) 32位64条数据线、36条地址线实现了动态执行技术(乱序执行) Pentium II(奔腾2) 32位微处理器Pentium Pro + MMX双独立总线结构 Pentium III(奔腾3) 32位微处理器增加了70条SSE指令首次内置序列号 Pentium 4 32位微处理器(非P6核心结构)超级管道技术增加了144条SSE2指令简单ALU运行在2倍的处理器核心频率下 Itanium 64位微处理器采用EPIC技术、RISC技术和CISC技术具有显示并行功能具有断定执行功能具有数据预装的功能采用三级高速缓存,Intel 微处理器发展图,现代微机发展的特点,微处理器性能
4、不断增强 微处理器支持芯片被高度集成 主板总线结构发生改变 保持向上兼容性 微机主板结构发生很大变化,10.1 80286的体系结构,Intel公司在80年代初推出了新的微处理器Intel 80286,这是一种具有存储器管理和保护机构的16位微处理器。 80286芯片采用68引脚四列直插式封装,时钟频率有8MHz和10MHz两种。 主要特点:1CPU内部有4个处理单元,可并行工作2支持存储器管理和保护功能,存储器管理功能可实现在实地址和保护虚地址方式下访问存储器,保护功能包括对存储器的合法操作,对任务实现特权级保护。3实现虚拟存储管理,80286的内部结构,80286在内部结构上比8086增加
5、了指令执行部件(IU),同时将8086中的总线接口部件分成总线部件(BU)、地址部件(AU)。 这样,80286的CPU有四个独立的处理元件:EU、AU、BU、IU,这四个部件并行地操作。,80286寄存器组,80286具有15个16位的寄存器组,可以分成三组:通用寄存器、段寄存器、状态和控制寄存器。其中通用寄存器和段寄存器与8086完全一样,而状态和控制寄存器中有3个专用寄存器,用来记录或控制80286的某些状态,包括状态标志寄存器(F)、指令指示器(IP)、机器状态字寄存器(MSW)。 (1)指令指示器IP。这个16位的寄存器用来指出下一条要执行的指令偏移地址。 (2)状态标志寄存器F。F
6、寄存器用来记录算术或逻辑运算类指令操作结果的性质,在进行I/O操作时,I/O所在的特权级,也由F寄存器来记录。 I/O特权标志IOPL(第12、13位):用来指定I/O操作时处于03特权级中的哪一级。 嵌套任务标志NT(第14位):用来表示当前执行的任务是否嵌套在另一个任务内。当NT=1时,表示当前任务被嵌套于另一个任务中,执行完该任务后,要返回到原来的任务中去。 (3)机器状态字寄存器MSW。MSW用来表示当前处理器所处的状态,目前只使用了它的低4位,其中一位用来使CPU进入虚地址保护方式,其他三位则起控制协处理器接口作用,其中,PE为保护方式允许位,用来启动微处理器工作方式,当PE=0,为
7、实地址方式,PE=1,为虚地址方式。,机器状态寄存器MSW功能表,当执行RESET后,MSW被自动置成FFF0H,即将80286置成实地址方式。用LMSW和SMSW指令可在实地址方式装入和存储机器状态字存储器的内容。,80286的实地址与虚地址保护方式,1. 80826的实地址方式80826的实地址方式与8086工作方式基本相同。为了和8086兼容,80826的24根地址线中只有低20位A19A0有用,因此,在实地址方式可寻址空间为1MB。在实地址方式中,80826保留了两个固定的存储区域。在存储器高端0FFFF0H0FFFFFH保留的是系统初始化区。在存储器低端000000H0003FFH,
8、存放的是中断矢量表。 2. 80826虚地址保护方式80826在实地址方式下操作只相当于一个快速的8086,而在虚地址保护方式下操作才能充分发挥80286的作用。 在虚地址保护方式中,80826用实地址方式的功能和存储器管理、对虚拟存储器的支持以及对地址空间的保护合为一体,从而使80826能可靠地支持多用户系统。在虚地址保护方式中,80826的24根地址线A23A0全被用上,因此,可直接寻址的地址空间范围为16MB。80826通过集成在片内的保护机构,能给每个任务提供最大可达1000MB的虚拟存储空间。 虚拟地址保护方式的物理存储器也是由两部分组成的,即段基地址和段内偏移量。段基地址是24位的
9、,将段基地址和相应特征集合在一起形成一张表描述符表,存放在存储器的某一区域。于是,在虚地址保护方式下各段寄存器的内容,不再是段基地址而是一个参数,用这个参数从描述符表中取出相应的描述符,就找到了段基地址,与16位偏移量相加形成了所要寻址单元的物理地址。,10.2 80386的体系结构,Intel公司于1984年底推出高性能的32位微处理器Intel 80386,它是80826的扩充,从而形成由8086、80186、80286、80386组成的完整的86系列。 80386的最大特点是在CPU芯片上集成了一个存储器管理部件(MMU),可对246的虚拟存储空间和4千兆字节(232)的物理存储空间进行
10、分段和分页管理,段的最大空间为4千兆字节。 80386的时钟频率有16MHz和20MHz两种,每秒钟可持续执行三四百万条指令,性能为80286的三倍,已超过许多超级小型机的速度。,80386的内部结构,80386逻辑上由六个功能部件组成:总线接口部件、代码预取部件、指令译码部件、存储器管理部件、执行部件及控制部件。这六个功能部件采用流水线结构,这样可以同时处理多条指令,以减少程序实际执行时间。 总线接口部件完成在总线周期内对必要的信号线进行控制。在其他五个部件没有传送要求时,总线接口部件则执行从存储器预取指令的工作。 代码预取部件从存储器中以4个字节为单位预先取出指令,存放在16个字节的指令预
11、取队列中。 指令译码部件从代码预取部件中的预取队列里按顺序取出指令并译码。 执行部件与别的部件协同完成指令的功能。 存储器管理部件由分段部件和分页部件构成,分段部件将逻辑地址转换为线性地址,芯片上有一个段描述符高速缓冲寄存器,其中存有当前段的段描述符,它可加快这种转换。分页部件将线性地址转换为物理地址,在芯片中还有页描述符高速缓冲寄存器。它存放着页描述符。分页部件把物理总线地址接到总线接口部件,以执行存储器访问或I/O访问。,80386的内部结构框图,80386寄存器组(1),(1)通用寄存器80386有八个32位的通用寄存器:EAX、EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、ESI、EDI。为
12、了与8086系列微处理器兼容,各寄存器的低16位部分可作为16位寄器存器使用,这时分别指定为AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI和DI。前四个寄器的低16位又可分作高8位和低8位,作为8位寄器使用。 (2)段寄存器80386有六个16位段寄存器:CS、DS、SS、ES、FS和GS。其中CS为代码段、SS为堆栈段、其余为数据段。段寄存器主要在实地址方式时存放段基地址,在保护方式时,它作为保存段描述符的选择器。 (3)专用寄存器80386有两个32位专用寄存器:指令指针(EIP)和标志寄存器(EFLAGS)。 EIP的低16位称为IP,用于执行8086的指令。 EFLAGS的低16位和8028
13、6的状态标志寄存器完全相同,新增加的两个标志位在高16位中。其中VM用于控制方式转移,当VM=1时,从保护方式转换到虚拟8086方式;当VM=0时,恢复保护方式。RF是恢复标志,当指令执行结束时,RF=0;执行过程中发生中断时,RF=1。因此,在页变换后需检查RF标志,若RF=1,则再执行该指令;若RF=0时,则从下一条指令开始执行。,80386寄存器组(2),(4)控制寄存器80386有四个32位的控制寄存器:CR0CR3。 CR0是机器状态寄存器,各位的含义如表3.2.1所示。PG为分页允许位,指示是否使用分页。EF、EM、MP位控制了与协处理器的接口,TS进行任务切换。PG、PE组合后设
14、置操作方式,用来控制80386的工作方式。 CR1是Intel公司的保留寄存器。 CR2是页故障线性地址寄存器,保存最后发生页故障的线性地址。 CR3是页目录地址寄存器,用来保存页表的基地址。 (5)系统地址寄存器80386有四个系统地址寄存器:GDTR、IDTR、LDTR和TR。 GDTR为全局描述符表寄存器,用来保存GDT的32位线性基地址和16位界限值。IDTR为中断描述符表寄存器,用来保存IDT的32位线性基地址和16位界限值。LDTR为局部描述符表寄存器,用来保存LDT的16位选择器的值。TR为任务状态寄存器,用来保存TS的16位选择器的值。这四个寄存器在保护方式时都可使用,但在实地
15、址时只能访问GDTR和IDTR。 (6)调试寄存器80386有八个32位调试寄存器DR0DR7,用于调试功能。DR0DR3设定四个断点线性地址。DR6是调试状态寄存器,保存断点的当前状态,DR7是调试控制寄存器,设置断点并指示中断结果,DR4和DR5保留,供Intel公司使用。,80386工作方式,三种工作方式1. 实地址方式2. 保护虚地址方式3. 虚拟8086方式实地址方式与虚拟8086方式的区别,10.3 80486的体系结构,80486是Intel公司于1989年推出的32位高档微处理器,它在80386的基础上作了一些改进。简单地说,80486芯片相当于一片80386加上一片80387
16、(数学协处理器),再加上8KB的内片快速缓存(Cache)。 80486完全拥有80386的所有功能,诸如页式存储管理、段式存储管理、DEBUG功能,自测试功能、三种工作模式、多任务、流水线指令执行方式和32位整数算术逻辑运算,等等。 80486完全和80386兼容,目标码一级也兼容。在软件上,80486实际上和80386一样,区别主要表现在底层硬件实现上的不同。80486可以用于高档微机和工作站,它的属性能使它在DOS、OS/2、Windows和UNIX系统上得到广泛的应用。,80486特点,(1)80486在Intel CPU的历史上首次采用了RISC技术,常用指令仅需一个时钟周期便可完成
17、。 (2)80486采用了突发总线(Burst Bus)同RAM进行高速数据交换。 通常CPU同RAM交换数据时,是取得一个地址,交换一个数据,再取得一个地址,交换一个数据,而采用突发总线后,每取得一个地址,则这个地址及其后地址的数据都一起进行交换。 (3)80486 CPU将数学协处理器和Cache及Cache控制器一起集成到片内,极大的提高了CPU的处理速度。 随着CPU工作时钟的提高,一般动态RAM芯片的存取速度相对较低,不能跟上快速CPU的速度,致使CPU出现等待状态。为此,在80386系统中,采用在主机板上设置高速缓冲存贮器(Cache RAM)的方法,是CPU在大多数情况下能够快速
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