從8086到Pentium系列微處理器.ppt

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從8086到Pentium系列微處理器的技術(shù)發(fā)展,第 3 章,,3.1 80286微處理器簡(jiǎn)介 3.2 80386微處理器 3.3 80486微處理器簡(jiǎn)介 3.4 Pentium微處理器簡(jiǎn)介,,,,,3.1.1 80286的特點(diǎn)及相對(duì)8086體系結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)點(diǎn),80286微處理器簡(jiǎn)介,3.1,●將8086的BIU分成了AU、IU和BU 3個(gè)部件。 ●數(shù)據(jù)線和地址線完全分離 ●具有“實(shí)地址模式” 和“保護(hù)虛地址模式”兩種工作模式 ●能運(yùn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，支持存儲(chǔ)管理和保護(hù)功能 ●實(shí)現(xiàn)了虛擬存儲(chǔ)管理 ●與 80286 配合使用的80287可以80286 的兩種工作模式,,,3.1.1 80286的保護(hù)模式,,當(dāng)80286工作于實(shí)模式時(shí)，它的24根地址線中只有低20位地址有效， 其尋址空間和尋址方法與8086完全相同。對(duì)于程序員來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于8086的最大模式系統(tǒng)，寄存器結(jié)構(gòu)和尋址方式與 8086 相同。不同的是 20 位地址總線和 16 位數(shù)據(jù)總線不再分時(shí)復(fù)用芯片的引腳，并且增加了某些新指令。8086的應(yīng)用程序不需要修改就可以移到該方式下運(yùn)行，但是運(yùn)行速度更快。,3.1.1 80286的保護(hù)模式,,保護(hù)模式體現(xiàn)了80286的特色，主要是對(duì)存儲(chǔ)器管理、虛擬存儲(chǔ)和對(duì)地址空間的保護(hù)。雖然80286的實(shí)存地址空間只有16MB，但在保護(hù)模式下，可為每個(gè)任務(wù)提供多達(dá)1GB的虛擬存儲(chǔ)空間和保護(hù)機(jī)制，有力地支持了多用戶、多任務(wù)的操作。在保護(hù)模式下，80286的存儲(chǔ)管理仍然分段進(jìn)行，每個(gè)邏輯段的最大長(zhǎng)度為64KB，但每個(gè)任務(wù)可使用的邏輯空間卻高達(dá)1GB。,80386 微處理器,● 80386 的特點(diǎn)： ● 80386是全32位結(jié)構(gòu)，它的外部數(shù)據(jù)總線和內(nèi)部數(shù)據(jù)通道，包括寄存器、ALU和內(nèi)部總線都是32位的，提供32位的存儲(chǔ)空間尋址能力和32位的外部總線接口單元，能靈活處理8位、16位、32位3種數(shù)據(jù)類型 ● 80386 有 3 種工作模式：實(shí)模式、虛擬86模式、386的保護(hù)模式 ● 80386的硬件結(jié)構(gòu)可分成6個(gè)邏輯單元，它們以流水線方式工作。其硬件設(shè)計(jì)有支持段頁(yè)式存儲(chǔ)管理部件，易于實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng) ● 80386硬件支持多任務(wù)處理，用一條指令就可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。 ● 80386設(shè)置了4級(jí)特權(quán)級(jí),3.2.1 80386的特點(diǎn)及其體系結(jié)構(gòu),3.2,,,● 80386 的體系結(jié)構(gòu) ● 總線接口部件（BIU）是80386與外界的接口，它通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線將外部部件與80386連接起來(lái)，完成對(duì)存儲(chǔ)器和I/O端口的訪問(wèn)、80386與80387數(shù)學(xué)協(xié)處理器的協(xié)調(diào)等功能。 ● 中央處理部件（CPU）包括指令預(yù)取部件（IPU）、指令譯碼部件（IDU）和執(zhí)行部件（EU）。 ● 存儲(chǔ)管理部件（MMU）包括段管理部件（SU）和頁(yè)管理部件（PU），它們的功能是實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的段、頁(yè)式管理，從而實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器系統(tǒng)和多任務(wù)處理。,3.2.1 80386的特點(diǎn)及其體系結(jié)構(gòu),,● 80386有132個(gè)引腳，其中20條用作VCC，21條用作GND，34條地址線，32條數(shù)據(jù)線，17條控制線，其余8個(gè)引腳未用。,3.2.2 80386引腳的功能,數(shù)據(jù)線D31～D0和總線寬度控制信號(hào) BS16 地址線A31～A2和字節(jié)控制信號(hào)BE0～BE3 協(xié)處理器接口信號(hào) PEREQ 、BUSY、ERROR 其他信號(hào) D/C、NA、ADS 其余如W/R、M/IO、INTR、NMI、HOLD、HLDA、RESET、CLK等信號(hào)與8086的同名信號(hào)相似,,,,,,,,,,,,,● 80386 共有34個(gè)寄存器，按功能可分為：,3.2.3 80386的寄存器組,通用寄存器 段寄存器 段描述符寄存器 狀態(tài)和控制寄存器 系統(tǒng)地址寄存器 調(diào)試寄存器 測(cè)試寄存器,,,通用寄存器,六個(gè)16位段寄存器如下：,段寄存器,● 8個(gè)通用寄存器和8086通用寄存器相同，只擴(kuò)展到32位，寄存器名字前加一個(gè)字符E，即：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EBP、ESP，仍然支持8位和16位操作，用法和8086系統(tǒng)相同。,CS代碼段寄存器,DS數(shù)據(jù)段寄存器,SS堆棧段寄存器,ES、FS、GS為三個(gè)附加段寄存器,,,,,段描述符寄存器,● 64位的段描述符寄存器對(duì)程序員是不可見(jiàn)的。為了加快對(duì)內(nèi)存中描述符表的查詢速度，在段選擇符內(nèi)容裝入時(shí)，段描述符同時(shí)裝入段描述符寄存器。,狀態(tài)和控制寄存器,標(biāo)識(shí)寄存器EFLAGS 指令指針寄存器EIP 四個(gè)控制寄存器CR0~CR3,,,它由,組成,,,系統(tǒng)地址寄存器,● 80386 為調(diào)試提供了硬件支持。 芯片內(nèi)設(shè)有DR0~DR7八個(gè)調(diào)試寄存器。,● 80386 有四個(gè)系統(tǒng)地址寄存器,GDTR IDTR TR LDTR,調(diào)試寄存器,測(cè)試寄存器,● 80386 有 8 個(gè) 32 位的測(cè)試寄存器。,,,,1.實(shí)模式,2.保護(hù)模式,3.虛擬86模式,80386 的工作模式,3.2.4,,,,,80386加電啟動(dòng)或復(fù)位后自動(dòng)進(jìn)入這一模式。實(shí)模式主要功能是初始化80386，為建立保護(hù)模式做準(zhǔn)備。在實(shí)模式下，80386的工作方式與 8086 相似，可保持80386與8086兼容 。,保護(hù)模式是80386最常用的工作模式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多任務(wù)、多道程序的復(fù)雜管理。 在保護(hù)模式下，采用虛擬存儲(chǔ)器的概念，存儲(chǔ)空間可使用虛擬地址空間、線性地址空間、物理地址空間。,在虛擬86模式下，不用虛擬地址的概念，存儲(chǔ)器尋址機(jī)制與8086相同。但存儲(chǔ)管理機(jī)制與8086不同，它把1MB的存儲(chǔ)空間分為256個(gè)頁(yè)面，每頁(yè)4KB。當(dāng)多道程序同時(shí)運(yùn)行時(shí)，可將多個(gè)任務(wù)分別轉(zhuǎn)換到物理存儲(chǔ)器的不同存儲(chǔ)位置，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)同時(shí)運(yùn)行。,80386的存儲(chǔ)管理,1.邏輯地址與段選擇符,圖3-6 段選擇符的格式,2 1 0,2.段描述符的格式及保護(hù)功能,3.分頁(yè)存儲(chǔ)管理及保護(hù),3.2.5,,,,,圖 3-7 段描述符,DPL,類型,31,0,0,+4,字節(jié)地址,圖 3-8 頁(yè)目錄描述符和頁(yè)表描述符格式,31 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,頁(yè)目錄 描述符,31 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,頁(yè) 表 描述符,●與8086相同，80386系統(tǒng)也可以處理256種類型的中斷源，中斷類型號(hào)也為0～255號(hào)。引起80386中斷的中斷源也可分為硬件中斷和軟件中斷，其中，硬件中斷是指外部設(shè)備通過(guò)INTR或NMI引腳向80386請(qǐng)求的中斷，軟件中斷是指由于80386執(zhí)行INT指令或CPU在執(zhí)行指令時(shí)產(chǎn)生異常故障或協(xié)處理器執(zhí)行指令時(shí)產(chǎn)生異常故障引起的中斷。,3.2.6,80386 中斷,● 80386的中斷管理機(jī)制在實(shí)模式和保護(hù)模式下是不同的。,,80486微處理器簡(jiǎn)介,3.3.1 80486 的主要特點(diǎn),兼容性。 全32位的整數(shù)處理器。 獨(dú)立的32位地址、數(shù)據(jù)總線，可直接尋址4GB的物理地址空間。 單時(shí)鐘周期執(zhí)行。 片上浮點(diǎn)處理單元支持32位、64位和80位的浮點(diǎn)運(yùn)算，在二進(jìn)制上與8087、80287、80387兼容。 片上存儲(chǔ)管理單元。,3.3,7. 帶有高速緩存支持系統(tǒng)的片上高速緩存。 8. 外部CACHE控制。 指令流水線。 成組周期（Burst Cycle）。 寫緩沖器。 總線背關(guān)（Bus Backoff）。 指令重新執(zhí)行。 總線寬度動(dòng)態(tài)可變。,,,,,,80486的內(nèi)部結(jié)構(gòu),圖3-11 80486的內(nèi)部流水線,3.3.2,,總線接口單元,●總線接口單元用于數(shù)據(jù)傳輸、指令預(yù)取和處理其內(nèi)部單元 與外部系統(tǒng)的控制功能。,地址收發(fā)和驅(qū)動(dòng)。 數(shù)據(jù)總線收發(fā)。 總線寬度控制。 寫緩沖。 總線周期和總線控制。 奇偶性的產(chǎn)生和控制。 CACHE 控制。,2.,3.指令預(yù)取單元 4.高速緩沖（CACHE）單元 5. 指令譯碼單元 6.控制單元 7.整數(shù)（數(shù)據(jù)通路）單元 8.浮點(diǎn)單元 9.分段單元 10.分頁(yè)單元,,Pentium微處理器簡(jiǎn)介,3.4.1 Pentium體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),●單靠增加芯片的集成度還不足以提高CPU的整體性能。為此，Intel在Pentium的設(shè)計(jì)中采用了新的體系結(jié)構(gòu)。圖3-12,Pentium新型體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可以歸納為以下四個(gè)方面:,超標(biāo)量流水線 獨(dú)立的指令CACHE 和數(shù)據(jù)CACHE 重新設(shè)計(jì)的浮點(diǎn)單元 分支預(yù)測(cè),3.4,,,,超標(biāo)量流水線,圖3-13 Pentium 超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu),,獨(dú)立的指令CACHE 和數(shù)據(jù)CACHE,圖 3-14 雙路CACHE結(jié)構(gòu),32B線寬 有回寫,,重新設(shè)計(jì)的浮點(diǎn)單元,,,,,指令CACHE,指令預(yù)取,指令解碼,BTB,,,,,,圖 3-15 Pentium 的 BTB 機(jī)制,,Pentium相對(duì)486體系結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)點(diǎn),●除了以上幾個(gè)特點(diǎn)外，Pentium微處理器在486體系結(jié)構(gòu) 基礎(chǔ)上，還作了一些增強(qiáng)型的改進(jìn)，歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：,工作頻率提高 指令固化 頁(yè)尺寸增加 增強(qiáng)的微指令 增強(qiáng)的總線,3.4.2,,,Pentium Ⅱ 微處理器,3.4.3,,Pentium Ⅲ 微處理器,3.4.4,,Pentium 4 微處理器,3.4.5,,,小結(jié),3.2 80386 微處理器,3.2.1 80386的特點(diǎn)及其體系結(jié)構(gòu),2.5.2 80386 引腳的功能,2.5.3 80386的寄存器組,2.5.4 80386 的工作模式,3.3 80486微處理器簡(jiǎn)介,3.3.1 80486 的主要特點(diǎn),3.3.2 80486的內(nèi)部結(jié)構(gòu),3.4 Pentium微處理器簡(jiǎn)介,3.4.1 Pentium體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),3.4.2 相對(duì)486體系結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)點(diǎn),3.1 80286 微處理器簡(jiǎn)介,3.1.1 80286的特點(diǎn)及相對(duì)8086體系結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)點(diǎn),3.1.2 80286的保護(hù)模式,3.2.5 80386 的存儲(chǔ)管理,3.2.6 80386 中斷,3.4.3 Pentium Ⅱ 微處理器,3.4.4 Pentium Ⅲ 微處理器,3.4.5 Pentium 4 微處理器,,