微機原理第2章課件

1、第第2章章 微處理器微處理器 本章重點本章重點 : CPU的編程結(jié)構(gòu) 各個寄存器的含義 CPU的主要引腳 CPU的操作時序 CPU的中斷分類和中斷向量 邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換 硬件中斷和軟件中斷的區(qū)別，軟件中斷的特點 32位微型機的三種工作方式 微型機中的兩級存儲管理微處理器的性能指標：微處理器的性能指標： 字長 主頻 2.1 16位微處理器位微處理器80862.1.1 8086的編程結(jié)構(gòu)的編程結(jié)構(gòu) 從功能上，8086分為兩部分，即1.總線接口部件(bus interface unit，BIU)2.執(zhí)行部件(execution unit，EU) 1. 總線接口部件總線接口部件總線接口部件負責(zé)

2、與存儲器、I/O端口傳送數(shù)據(jù) ，由下列4部分組成： 4個段地址寄存器（CS、DS、ES、SS） 16位的指令指針寄存器 IP(Instruction Pointer) 20位的地址加法器 6字節(jié)的指令隊列緩沖器2. 執(zhí)行部件執(zhí)行部件 執(zhí)行部件負責(zé)指令的執(zhí)行 ，由下列4部分組成： 4個通用寄存器，即AX、BX、CX、DX； 4個專用寄存器，即 基數(shù)指針寄存器 BP（base pointer） 堆棧指針寄存器 SP (stack pointer) 源變址寄存器 SI (source index) 目的變址寄存器 DI (destination index)； 標志寄存器； 算術(shù)邏輯部件ALU(ar

3、ithmetic logic unit)。 標志寄存器共有16位，其中7位未用，所用的各位含義如下： 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 OFDFIFTFSFZF AF PF CF根據(jù)功能，8086的標志可以分為兩類：1.狀態(tài)標志2.控制標志 狀態(tài)標志有6個，即SF、ZF、PF、CF、AF和OF 符號標志SF(sign flag ) 零標志 ZF(zero flag) 奇偶標志PF(parity flag) 進位標志CF(carry flag) 輔助進位標志AF(auxiliary carry flag) 溢出標志OF(overflow flag) 控制

4、標志有3個，即 方向標志DF(direction flag) 中斷允許標志IF(interrupt enable flag) 跟蹤標志TF(trap flag)又稱為單步標志 3. 8086的總線周期的概念的總線周期的概念 典型的8086總線周期序列： T1狀態(tài)，發(fā)地址信息 T2狀態(tài)，總線的高4位輸出狀態(tài)信息 T3狀態(tài)，高4位 狀態(tài)信息，低16位數(shù)據(jù) T3之后，可能插入TW 在T4狀態(tài)，結(jié)束。2.1.2 8086的引腳信號和工作模式的引腳信號和工作模式 1. 最小模式和最大模式的概念最小模式和最大模式的概念 (1)最小模式: 在系統(tǒng)中只有一個微處理器。(2)最大模式： 兩個或多個微處理器（主處

5、理器、協(xié)處理器）2. 8086/8088的引腳信號和功能的引腳信號和功能注意點： 8086/8088的數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用 8086有16根數(shù)據(jù)線 第21腳(RESET)為輸入復(fù)位信號 第22引腳為“準備好”(READY)信號 高4位地址和狀態(tài)線復(fù)用 各引腳信號 GND、V地和電源 AD15AD0地址/數(shù)據(jù)復(fù)用 A19/S6A16/S3 地址/狀態(tài)復(fù)用 BHE/S7 高8位數(shù)據(jù)總線允許/狀態(tài) 復(fù)用 NMI非屏蔽中斷輸入 INTR可屏蔽中斷請求信號輸入 RD讀信號輸出 CLK時鐘輸入 RESET復(fù)位信號輸入 READY “準備好”信號輸入 TEST 測試信號輸入 MN/MX最小和最大模式控制輸入

6、3. 最小模式最小模式 引腳信號： INTA 中斷響應(yīng)信號輸出 ALE地址鎖存允許信號輸出 DEN數(shù)據(jù)允許信號 DT/R 數(shù)據(jù)收發(fā)信號輸出 M/IO存儲器/輸入輸出控制信號輸出 WR寫信號輸出 HOLD總線保持請求信號輸入 HLDA總線保持響應(yīng)信號輸出 8086在最小模式下的典型配置在最小模式下的典型配置 ：4. 最大模式最大模式 引腳信號： QS1、QS0指令隊列狀態(tài)信號輸出 S2、S1、S0 總線周期狀態(tài)信號輸出 LOCK (lock)總線封鎖信號輸出 RQ/GT1、RQ/GT0總線請求信號輸入、總線授權(quán)信號輸出 8086在最大模式下的典型配置在最大模式下的典型配置 ：2.1.3 8086

7、的操作和時序的操作和時序 8086的主要操作的主要操作: 系統(tǒng)的復(fù)位和啟動操作； 暫停操作； 總線操作； 中斷操作； 最小模式下的總線保持； 最大模式下的總線請求/允許。 1. 系統(tǒng)的復(fù)位和啟動操作系統(tǒng)的復(fù)位和啟動操作 2. 總線操作總線操作(1) 最小方式下的總線讀操作(2) 最小方式下的總線寫操作 (3) 最大模式下的總線讀操作(4) 最大模式下的總線寫操作 (1) 最小方式下的總線讀操作最小方式下的總線讀操作(2) 最小方式下的總線寫操作最小方式下的總線寫操作(3) 最大模式下的總線讀操作最大模式下的總線讀操作(4) 最大模式下的總線寫操作最大模式下的總線寫操作3 中斷操作和中斷系統(tǒng)中斷

8、操作和中斷系統(tǒng)（1）8086的中斷分類的中斷分類 硬件中斷 （非屏蔽中斷和可屏蔽中斷）軟件中斷8086/8088的中斷分類的中斷分類 ：(2) 中斷向量和中斷向量表中斷向量和中斷向量表 (3) 硬件中斷硬件中斷 NMI INTR(4) 硬件中斷的響應(yīng)和時序硬件中斷的響應(yīng)和時序 可屏蔽中斷的響應(yīng)過程 ： 讀取中斷類型碼 將標志寄存器的值推入堆棧 把標志寄存器的IF和TF清零 將斷點保護到堆棧中。 尋找中斷向量，轉(zhuǎn)入中斷處理程序 中斷響應(yīng)中斷響應(yīng) 8086的中斷響應(yīng)總線周期的中斷響應(yīng)總線周期 ：非屏蔽中斷和可屏蔽中斷有兩點差別； TF是單步中斷標志 ； 在中斷響應(yīng)后，又遇NMI； 結(jié)束時，返回斷點

9、； 等待或串操作時，允許過程中進入中斷。 中斷響應(yīng)用中斷響應(yīng)用2個總線周期個總線周期第1個總線周期，通知外設(shè)，CPU準備響應(yīng)中斷；第2個總線周期，外設(shè)發(fā)送中斷類型碼(5) 中斷處理子程序中斷處理子程序 進一步保護中斷現(xiàn)場 開放中斷 中斷處理的具體內(nèi)容 彈出堆棧指令 中斷返回指令(6) 軟件中斷軟件中斷 特點： 用一條指令進入中斷處理子程序，并且，中斷類型碼由指令提供。 不執(zhí)行中斷響應(yīng)總線周期，也不從數(shù)據(jù)總線讀取中斷類型碼。 不受中斷允許標志IF的影響 執(zhí)行過程中可響應(yīng)外部硬件中斷 軟件中斷沒有隨機性4. 最小模式下的總線保持最小模式下的總線保持利用HOLD和HLDA信號實現(xiàn)總線保持5. 最大模

10、式下的總線請求最大模式下的總線請求/授權(quán)授權(quán)利用RQ#/GT實現(xiàn)總線請求/授權(quán)2.1.4 8086的存儲器編址和的存儲器編址和I/O編址編址 1. 8086的存儲器編址的存儲器編址 CS、DS、SS和其他寄存器組合指向存儲單元的示意圖 ：2.2 32位微處理器位微處理器80386 2.2.1 80386的體系結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu) 6個功能部件個功能部件 指令預(yù)取部件 指令譯碼部件 執(zhí)行部件 分段部件分頁部件總線接口部件2.2.2 80386的三種工作方式的三種工作方式 80386有三種工作方式：實地址方式(real address mode)保護虛擬地址方式(protected virtual ad

11、dress mode)即保護方式虛擬8086方式(virtual 8086 mode) 實地址方式和虛擬實地址方式和虛擬8086方式區(qū)別方式區(qū)別 單任務(wù)和多任務(wù)問題尋址空間問題內(nèi)存劃分問題2.2.3 寄存器寄存器 1. 通用寄存器通用寄存器 8個32位通用寄存器， EAX EBX ECX EDX ESI EDI EBP ESP2. 指令指針寄存器（指令指針寄存器（EIP）和標志寄存器和標志寄存器 （EFLAGS）3. 段寄存器和段描述符寄存器段寄存器和段描述符寄存器 4. 控制寄存器控制寄存器 CR0 CR2 CR3CR0的含義：的含義：5. 系統(tǒng)地址寄存器系統(tǒng)地址寄存器 系統(tǒng)地址寄存器有4個

12、: GDTR全局描述符表寄存器 IDTR 中斷描述符表寄存器 TR任務(wù)狀態(tài)寄存器 .LDTR局部描述符表寄存器4個系統(tǒng)地址寄存器的結(jié)構(gòu)個系統(tǒng)地址寄存器的結(jié)構(gòu) ：6. 調(diào)試寄存器和測試寄存器調(diào)試寄存器和測試寄存器 調(diào)試寄存器： DR0DR7測試寄存器： 測試命令寄存器：TR6 數(shù)據(jù)寄存器：TR732位位CPU的調(diào)試寄存器的調(diào)試寄存器 ：2.2.4 指令流水線和地址流水線指令流水線和地址流水線 1. 指令流水線構(gòu)成：指令流水線構(gòu)成： 總線接口部件 指令預(yù)取部件 指令譯碼部件 執(zhí)行部件2. 地址流水線組成地址流水線組成 分段部件 分頁部件 總線接口部件3種地址：種地址：邏輯地址線性地址物理地址2.2

13、.5 80386的虛擬存儲機制和片內(nèi)兩級存儲管理的虛擬存儲機制和片內(nèi)兩級存儲管理 (1) 虛擬儲存技術(shù)虛擬儲存技術(shù) 虛擬存儲器機制的組成： 主存儲器 輔助存儲器 存儲管理部件虛擬存儲器分類： 段式虛擬存儲器 頁式虛擬存儲器(2) 片內(nèi)兩級存儲管理片內(nèi)兩級存儲管理1 分段管理分段管理 采用描述符表的優(yōu)點 ： 可以大大擴展存儲空間。 可以實現(xiàn)虛擬存儲。 可以實現(xiàn)多任務(wù)隔離。 80386有兩類段，即 非系統(tǒng)段 系統(tǒng)段 (1) 非系統(tǒng)段描述符非系統(tǒng)段描述符 非系統(tǒng)段：代碼段、數(shù)據(jù)段（堆棧段）非系統(tǒng)段描述符的格式和含義非系統(tǒng)段描述符的格式和含義 ：(2) 系統(tǒng)段描述符系統(tǒng)段描述符 系統(tǒng)段描述符的格式和含

14、義系統(tǒng)段描述符的格式和含義 ：段選擇子的含義和功能段選擇子的含義和功能 ：從邏輯地址到線性地址的轉(zhuǎn)換從邏輯地址到線性地址的轉(zhuǎn)換 ：從邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換從邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換 ：2. 分頁管理分頁管理 分頁部件用兩個表實現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換： 頁組目錄項表 頁表 線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換 線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的例子線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的例子 3. 轉(zhuǎn)換檢測緩沖器轉(zhuǎn)換檢測緩沖器TLB 轉(zhuǎn)換檢測緩沖器TLB的功能 :轉(zhuǎn)換檢測緩沖器轉(zhuǎn)換檢測緩沖器TLB的工作原理的工作原理 2.2.6 80386的中斷的中斷 80386下列情況下引起中斷： 外設(shè)送中斷請求信號。 CPU或協(xié)處

15、理器產(chǎn)生異常。 執(zhí)行INT指令。 2.2.7 80386的信號和總線狀態(tài)的信號和總線狀態(tài) 1. 80386的信號的信號 2. 80386的總線周期的總線周期 80386的總線周期： 寫總線周期 中斷響應(yīng)周期 暫停和停機周期(1) 讀寫總線周期讀寫總線周期 80386的完整的總線狀態(tài)圖的完整的總線狀態(tài)圖 :(2) 中斷響應(yīng)周期中斷響應(yīng)周期 (3) 暫停周期和停機周期暫停周期和停機周期 2.3 32位微處理器位微處理器Pentium2.3.1 Pentium采用的先進技術(shù)采用的先進技術(shù) 1 CISC技術(shù)和技術(shù)和RISC技術(shù)技術(shù)CISCCISC技術(shù)的特點技術(shù)的特點RISCRISC技術(shù)的特點技術(shù)的特點

16、2 超標量流水線技術(shù)超標量流水線技術(shù)超標量的含義超標量的含義超標量的實現(xiàn)前提超標量的實現(xiàn)前提3 分支預(yù)測技術(shù)分支預(yù)測技術(shù) 分支規(guī)律分支規(guī)律 MOV DX，100；取填色矩形右上角像素點的y坐標AAA ：MOV CX，200；取填色矩形右上角像素點的x坐標BBB： MOV AL，04 ；在AL中設(shè)置紅色對應(yīng)的值04H MOV AH，0CH；在AH中設(shè)置對應(yīng)寫像素的功能碼 INT 10H ；在指定的像素位置填上指寫顏色 DEC CX ；x坐標左移一個像素點 JNZ BBB ；繼續(xù)對下一個點操作 DEC DX ；橫向填完一行再對下一行操作 JNL AAA ；如未結(jié)束則繼續(xù) HLT ；如填好則結(jié)束分支

17、預(yù)測的方法分支預(yù)測的方法采用Cache動態(tài)預(yù)測2.3.2 Pentium的技術(shù)特點的技術(shù)特點 64位數(shù)據(jù)總線 互相獨立的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache 常用指令用硬件來實現(xiàn)。 增加系統(tǒng)管理方式SMM。 2.3.3 Pentium的原理結(jié)構(gòu)的原理結(jié)構(gòu) 1. Pentium的主要部件的主要部件 總線接口部件 U流水線和V流水線 指令Cache 數(shù)據(jù)Cache 指令預(yù)取部件 指令譯碼器 浮點處理部件FPU 分支目標緩沖器BTB 控制ROM 寄存器組 2. 原理結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu) 2.3.4 Pentium的寄存器的寄存器 Pentium的寄存器分為如下幾類： 基本寄存器組 通用寄存器， 指令寄存器， 標志

18、寄存器， 段寄存器； 系統(tǒng)寄存器組 地址寄存器， 調(diào)試寄存器， 控制寄存器， 模式寄存器； 浮點寄存器組 數(shù)據(jù)寄存器 標記字寄存器 狀態(tài)寄存器 控制字寄存器 指令指針寄存器和數(shù)據(jù)指針寄存器 1. 基本寄存器組基本寄存器組 標志寄存器 :2. 系統(tǒng)寄存器組系統(tǒng)寄存器組 控制寄存器 :3. 浮點寄存器組浮點寄存器組 Pentium的的FPU狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器 Pentium的的FPU控制字寄存器控制字寄存器 2.3.5 Pentium的主要信號的主要信號 1. 地址線及控制信號地址線及控制信號 A31A3地址線 AP地址的偶校驗碼位 ADS#地址狀態(tài)輸出信號 A20M# A20以上的地址線屏蔽信

19、號 APCHK#地址校驗出錯信號2. 數(shù)據(jù)線及控制信號數(shù)據(jù)線及控制信號 D63D0數(shù)據(jù)線 BE7#BE0#字節(jié)允許信號 DP7DP0奇偶校驗信號 PCHK#讀校驗出錯 PEN#奇偶校驗允許信號3. 總線周期控制信號總線周期控制信號 D/C#數(shù)據(jù)/控制信號 M/IO#存儲器和I/O訪問信號 W/R#讀寫信號 LOCK#總線封鎖信號 BRDY#突發(fā)就緒信號 NA#下一個地址有效信號 SCYC分割周期信號4. Cache控制信號控制信號 CACHE#Cache控制信號 EADS#外部地址有效信號 KEN#Cache允許信號 FLUSH#Cache擦除信號 AHOLD地址保持/請求信號 PCDCache禁止信號 PWT片外Cache的控制信號 WB/WT#片內(nèi)Cache回寫/通寫選擇信號 HIT#和HITM#Cache命中信號和命中Cache的狀態(tài)信號 INV無效請求信號 5. 系統(tǒng)控制信號系統(tǒng)控制信號 INTR可屏蔽中斷請求信號 NMI非屏蔽中斷請求信號 RESET系統(tǒng)復(fù)位信號 INIT初始化信號 CLK系統(tǒng)時鐘信號 6. 總線仲裁信號總線仲裁信號 HOLD總線請求信號 HLDA總線請求響應(yīng)信號 BREQ總