微機原理課程總結(jié)3章

1、第3章 從8086到Pentium系列微處理器的技術(shù)發(fā)展由于課時的關(guān)系，本章內(nèi)容一般作為自學(xué)或討論學(xué)習(xí)的內(nèi)容。但是，本章內(nèi)容對本課程學(xué)習(xí)的升華具有潛在的意義，故在此也進行提示。3.1分析教材內(nèi)容本章主要對80386 CPU,同時也對80486及Pentium微處理器的改進之處和特點進行簡單提示。3.1.1分析重點難點問題1. 80386微處理器1) 80386的特點及其體系結(jié)構(gòu)，請參見教科書P50-52，注意：硬件支持多任務(wù)處理。2) 80386引腳的功能，請參教科書見P53，注意：理解協(xié)處理器接口信號。3) 80386的寄存器組，請參見教科書P54-56，注意：掌握各寄存器的功能。4) 80

2、386的工作模式，請參見教科書P57，注意：理解三種模式，3種工作模式可以相互轉(zhuǎn)換。5) 80386中斷，請參見教科書P59-60，注意：80386的中斷管理機制在實模式和保護模式下是不同的。2. 80486微處理器1) 80486的主要特點，請參見教科書P60-61。2) 80486的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，請參見教科書P61-64。注意和80386的區(qū)別。3. Pentium微處理器1) Pentium體系結(jié)構(gòu)，請參見教科書P65-67，注意Pentium微處理器在486體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，還作了哪些增強性的改進。2) Pentium 微處理器，請參見教科書P68。注意其結(jié)構(gòu)上的特色。3) Pentium

3、微處理器，請參見教科書P69。注意其SSE指令。4) Pentium 微處理器，請參見教科書P69。注意其兩組獨立工作的ALU。3.1.2 典型例題解析本章例題主要從微處理機體系結(jié)構(gòu)和新的設(shè)計思想出發(fā)，以8086微處理機為基礎(chǔ)，把重點放在Pentium微處理機的新體系結(jié)構(gòu)和新的設(shè)計思想上。例如Pentium微處理機新體系結(jié)構(gòu)的特點？相對8048體系結(jié)構(gòu)有哪些增強點等？這些問題有助于提高計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的水平。有關(guān)這方面的問題，上節(jié)已很明確的寫出，在此不再贅述。3.2 教材習(xí)題解答1. 簡述80286的特點和保護模式的保護功能?！窘狻?0286的特點： CPU內(nèi)部分為四個處理部件：EU（執(zhí)行部件）

4、、AU（地址部件）、IU（指令部件）和BU（總線部件）。這四個處理部件可以并行的進行操作，提高了處理速度。 數(shù)據(jù)線和地址線完全分離。 在一個總線周期中， 當(dāng)有效數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上的時候，下一個總線周期的地址已經(jīng)送到地址總線，形成總線周期的流水作業(yè)。 具有“實地址模式”（Real Address Mode，簡稱為“實模式”）和“保護虛地址模式”（Protected Virtual Address Mode，簡稱為“保護模式”）”兩種工作模式。 能運行實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，支持存儲管理和保護功能。 實現(xiàn)了虛擬存儲管理。 與 80286 配合使用的數(shù)學(xué)協(xié)處理器是80287，它基本與8087相同，但適

5、應(yīng)80286 的兩種工作模式。保護模式體現(xiàn)了80286的特色，主要是對存儲器管理、虛擬存儲和對地址空間的保護。在保護模式下，可為每個任務(wù)提供多達1GB的虛擬存儲空間和保護機制，有力地支持了多用戶、多任務(wù)的操作。那些內(nèi)存裝不下的邏輯段，將以文件形式存在外存儲器中，當(dāng)處理器需要對它們進行存取操作時就會產(chǎn)生中斷，通過中斷服務(wù)程序把有關(guān)的程序或數(shù)據(jù)從外存儲器調(diào)入到內(nèi)存，從而滿足程序運行的需要。保護模式為不同程序設(shè)置了四個特權(quán)級別，可讓不同程序在不同的特權(quán)級別上運行。依靠這一機制，可支持系統(tǒng)程序和用戶程序的分離，并可進一步分離不同級別的系統(tǒng)程序，大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性。2. 簡述80386 的特點、

6、80386引腳與8086的區(qū)別?！窘狻?0386 的特點：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。80386 有 3 種工作模式：實模式、虛擬86模式、386的保護模式。80386的硬件結(jié)構(gòu)可分成6個邏輯單元，它們以流水線方式工作，運行速度可達4MIPS。其硬件設(shè)計有支持段頁式存儲管理部件，易于實現(xiàn)虛擬存儲系統(tǒng)。在保護模式下的分段尋址體系，與操作系統(tǒng)相配合可以組成虛擬存儲器系統(tǒng)，一個任務(wù)的最大虛擬空間可達246=64 TB。80386硬件支持多任務(wù)處理，用一條指令就可以實現(xiàn)任務(wù)切換。80386設(shè)置了4級特權(quán)級，按優(yōu)先順序依次為0級、1

7、級、2級、3級，前3級用于操作系統(tǒng)程序，后1級用于用戶程序。80386引腳與8086的區(qū)別見表3-1。表3-1 80386引腳與8086的區(qū)別8086CPU80386CPU共有40個引腳共有132個引腳16條地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線4條地址線34條地址線32條數(shù)據(jù)線在總線寬度控制信號的控制下，可實現(xiàn)16位或32位數(shù)據(jù)傳送。字節(jié)控制信號協(xié)處理器接口信號(1) PEREQ：協(xié)處理器向80386發(fā)出的請求信號，有效時表示協(xié)處理器請求與存儲器之間傳送數(shù)據(jù)。80386響應(yīng)該請求后，將按照指令的要求控制對存儲器的讀寫。(2) ：協(xié)處理器向80386發(fā)出的狀態(tài)信號，有效時表示協(xié)處理器正在執(zhí)行指令，處于忙狀態(tài)，暫時不

8、能接受新的指令。(3)：協(xié)處理器向80386發(fā)出的狀態(tài)信號，有效時表示協(xié)處理器出錯。80386在檢測到信號后，將轉(zhuǎn)到錯誤處理子程序來處理該類錯誤。(1) ：數(shù)據(jù)/控制信號，輸出，表示當(dāng)前是數(shù)據(jù)傳送周期還是控制周期。(2) ：“下一個地址”請求信號，輸入，有效時則允許地址流水線進行操作。(3)：地址狀態(tài)信號，三態(tài)輸出，類似于8086的ALE信號。3. 簡述80386 CPU寄存器的組成、特點及作用?！窘狻?0386共有34個寄存器，按功能可分為：通用寄存器、段寄存器、狀態(tài)和控制寄存器、系統(tǒng)地址寄存器、調(diào)試寄存器及測試寄存器。80386的8個通用寄存器和8086通用寄存器相同，只是擴展到32位，分

9、別是：EAX（累加器）、EBX（基址寄存器）、ECX（計數(shù)寄存器）、EDX（數(shù)據(jù)寄存器，在I/O指令中可用作端口地址寄存器，乘除指令中用作輔助累加器）、ESI（源變址寄存器）、EDI（目的變址寄存器）、EBP（基址指針寄存器）、ESP（堆棧指針寄存器）80386的6個段寄存器分別是：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為三個附加段寄存器。在實方式下，段寄存器的用法和8086系統(tǒng)相同，只是增加了兩個附加段寄存器FS、GS。在保護方式下，段寄存器稱為段選擇符，與描述符配合實現(xiàn)段尋址。64位的段描述符寄存器對程序員是不可見的。為了加快對內(nèi)存中描述符表的查詢速度，在段

10、選擇符內(nèi)容裝入時，段描述符同時裝入段描述符寄存器。這樣，只要段選擇符內(nèi)容不變，就不需要到內(nèi)存中查描述符表，從而加快了段地址尋址的速度。描述符寄存器的內(nèi)容包括段基地址、段限和段屬性。段限指出本段的實際長度，與段屬性一起主要用于段保護，防止不同任務(wù)進入不該進入的段進行操作。80386的狀態(tài)和控制寄存器由標志寄存器EFLAGS、指令指針寄存器EIP和四個控制寄存器CR0CR3組成。80386有四個系統(tǒng)地址寄存器，用來保護操作系統(tǒng)需要的保護信息和地址轉(zhuǎn)換表信息，定義目前正在執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境、地址空間和中斷向量空間。80386為調(diào)試提供了硬件支持。芯片內(nèi)設(shè)有DR0DR7 八個調(diào)試寄存器，調(diào)試寄存器主要為系

11、統(tǒng)程序設(shè)計人員準備。80386有8個32位的測試寄存器。其中TR0TR5保留備用。TR6TR7用于控制對轉(zhuǎn)換后備緩沖器（TLB）中RAM和CAM（內(nèi)容可尋址寄存器）的測試。TR6是測試命令寄存器。TR7為測試數(shù)據(jù)寄存器，其中保存測試結(jié)果的狀態(tài)。4. 簡述80386的三種工作模式的特點和異同?！窘狻?0386 有 3 種工作模式：實地址模式（簡稱為實模式），保護虛擬地址模式（簡稱為保護模式），虛擬8086模式（簡稱為虛擬86模式）。實模式：80386加電啟動或復(fù)位后自動進入這一模式。實模式主要功能是初始化80386，為建立保護模式做準備。在實模式下，80386的工作方式與 8086 相似，可保持

12、80386與8086兼容：地址總線仍為 20 位，不用虛擬地址的概念，存儲器最大容量仍為1MB，其尋址機制、存儲器管理均與8086相同；數(shù)據(jù)總線為32 位，數(shù)據(jù)總線與地址總線是相互獨立的，內(nèi)部寄存器主要作為 16 位使用，操作數(shù)默認長度是16位，也可以按 32 位使用，這時要在指令加上越權(quán)訪問前綴；中斷處理結(jié)構(gòu)與8086相同；80386具有4級特權(quán)級，程序運行在最高級（0級）上，除少數(shù)幾條指令外，80386的絕大部分指令均可在實模式下執(zhí)行。保護模式：保護模式是80386最常用的工作模式，通常在80386加電啟動或復(fù)位后首先進入實模式，完成初始化工作后立即進入保護模式。所謂保護，主要是對存儲器的

13、保護，即對存儲器中存放的程序和數(shù)據(jù)的保護。80386運行在保護模式下，可實現(xiàn)對多任務(wù)、多道程序的復(fù)雜管理，也只有在保護模式下，80386才能夠真正發(fā)揮其強大的功能。在保護模式下，采用虛擬存儲器的概念，存儲空間可使用虛擬地址空間、線性地址空間、物理地址空間。通過存儲器管理部件，操作系統(tǒng)可以將磁盤等外存設(shè)備映射到內(nèi)存，使程序員可使用的邏輯地址空間大大超過實際內(nèi)存的物理地址空間。程序指令的操作數(shù)和段內(nèi)的偏移地址都是32位，地址總線也是32位，物理地址空間為232B=4GB，但對內(nèi)存單元的訪問要通過一種稱為描述符的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)才能實現(xiàn)。80386具有4級特權(quán)級，可實現(xiàn)程序與程序之間、用戶程序與操作系統(tǒng)之間

14、的隔離和保護，為多任務(wù)操作系統(tǒng)提供了有效的支持虛擬86模式：在虛擬86模式下，不用虛擬地址的概念，存儲器最大容量仍為1MB，其尋址機制與8086相同。但存儲管理機制與8086不同，它把1MB的存儲空間分為256個頁面，每頁4KB。這時，當(dāng)多道程序同時運行時，可以使其中的一個或多個任務(wù)使用虛擬86模式，并使某一個任務(wù)占用存儲器的某些頁面，而另一個任務(wù)占用存儲器的另外一些頁面，這樣就可將多個任務(wù)分別轉(zhuǎn)換到物理存儲器的不同存儲位置，實現(xiàn)了多任務(wù)同時運行。在虛擬86模式下，程序運行在最低特權(quán)級（3級）上，這時80386的一些特權(quán)指令是不能使用的。80386的上述3種工作模式可以相互轉(zhuǎn)換。在實模式下，通

15、過LMSW或數(shù)據(jù)傳送指令，將控制寄存器CR0的第0位（即PE，允許保護控制位）置為1，即可進入保護模式。通過數(shù)據(jù)傳送指令，將PE置為0，即可從保護模式返回到實模式。在保護模式下，通過執(zhí)行IRETD指令或進行任務(wù)轉(zhuǎn)換，可以進入虛擬86模式。通過中斷操作，可以從虛擬86模式轉(zhuǎn)換到保護模式。5. 什么是邏輯地址和物理地址，邏輯地址、線性地址和物理地址三者之間的關(guān)系是什么？【解】邏輯地址：用戶程序中所使用的地址稱為邏輯地址。物理地址：完成存儲器單元或I/O端口尋址的實際地址。程序提供的邏輯地址，包括偏移地址和段選擇符兩部分。邏輯地址由兩部分組成：低32位為偏移地址，可指向4GB空間中的任何地址；高16

16、位為選擇符，指向段描述符表（段描述符表由操作系統(tǒng)管理）的一個表項，即一個段描述符。段描述符給出一個段基地址，該段基址與偏移地址相加，產(chǎn)生線性地址。當(dāng)不采用分頁機制時，該線性地址就可用作存儲器的物理地址，即出現(xiàn)在地址總線上的地址。當(dāng)采用分頁機制時，線性地址通過分頁機構(gòu)再轉(zhuǎn)換成物理地址。6. 簡述80486 CPU 的組成及各部分的作用?！窘狻?86微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括九個功能單元，這些單元是：總線接口單元、高速緩存（CACHE）、指令預(yù)取單元、指令譯碼單元、控制單元、整數(shù)和數(shù)據(jù)通路單元、浮點單元、分段單元和分頁單元等?？偩€接口單元用于數(shù)據(jù)傳輸、指令預(yù)取和處理器內(nèi)部單元與外部系統(tǒng)的控制功能。CA

17、CHE單元存儲當(dāng)前讀入的指令、操作數(shù)及其它數(shù)據(jù)的副本。指令預(yù)取單元：當(dāng)指令執(zhí)行中不使用總線周期時，指令預(yù)取單元就通過總線接口單元預(yù)取指令。指令譯碼單元從指令預(yù)取單元接受指令，將其譯碼成低級控制信號和微代碼入口指針。控制單元的功能是解釋指令字和從譯碼單元獲得的微代碼入口指針。整數(shù)（數(shù)據(jù)通路）單元：數(shù)據(jù)在整數(shù)單元中存儲并完成386處理器指令及幾條新增指令的所有算術(shù)邏輯運算。浮點單元執(zhí)行協(xié)處理器387同樣的指令組。分段單元將程序發(fā)出的邏輯地址轉(zhuǎn)換成線性地址，并將此線性地址發(fā)向分頁單元和CACHE。分頁單元用把程序和數(shù)據(jù)一部分存在存儲器中、一部分存在磁盤上的方法，能夠存取的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)遠大于實際的物理空間

18、。7. Pentium 微處理器采用了哪些新的技術(shù)和結(jié)構(gòu)？【解】Pentium新型體系結(jié)構(gòu)的特點可以歸納為以下四個方面：(1) 超標量流水線超標量流水線（Superscalar）設(shè)計是Pentium處理器技術(shù)的核心。它由U與V兩條指令流水線構(gòu)成。每條流水線都擁有自己的ALU、地址生成電路和數(shù)據(jù)CACHE的接口。這種流水線結(jié)構(gòu)允許Pentium在單個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行兩條整數(shù)指令，比相同頻率的486DX CPU性能提高了一倍。(2) 獨立的指令CACHE和數(shù)據(jù)CACHEPentium片內(nèi)有兩個8K CACHE B，一個作為指令CACHE，另一個作為數(shù)據(jù)CACHE，即雙路CACHE結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)分別使用不同