第3章高档微处理器

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1、第3章 高档微处理器第3章高档微处理器3.1 概述3.2 80286CPU简介3.3 80386微处理器3.4 80486微处理器简介3.5 Pentium系列微处理器3.6 安腾处理器（Itanium）习题与思考题第3章 高档微处理器表3-1 高档微处理器的发展状况表处理器处理器主频主频（MHzMHz）晶体管晶体管数目数目寄存器寄存器数据数据总线总线地址地址空间空间CacheCache备注备注28612.513.4万16 GP1616MBNone286保护模式386DX2027.5万32 GP324GBNone386保护模式486 DX25120万32 GP/80 FPU324GBL1:8K

2、B内置X87处理器Pentium60310万32 GP/80 FPU644GBL1:16KB超标量流水线Pentium Pro200550万32 GP/80 FPU6464GBL1:16KBL2:256KB/512KBL2高速缓存Pentium 266700万32 GP/80 FPU64 MMX6464GBL1:32KBL2:256KB/512KB引入MMX指令集Pentium 500820万32 GP/80 FPU64MMX/128XMM6464GBL1:32KBL2:512KB引入SSE指令集128位寄存器Pentium 15004200万32 GP/80 FPU64 MMX/128 XM

3、M6464GBL1:32KB/L2:256KB引入SSE2指令集Pentium M16007700万32 GP/80 FPU64 MMX/128 XMM644GBL1:64KB/L2:1MB能源控制Pentium 超线程3.40 GHz1. 25亿32 GP/80 FPU64 MMX/128 XMM6464GBL1:64KB/L2:1MB超线程Intel Core Duo2.16 GHz 1.52亿32 GP/80 FPU64 MMX128 XMM644GB L1:64KB/L2:2MB双核Core Z Extreme2.93 GHz 2.91亿32,64GP/80 FPU64 MMX/128

4、 XMM12864GBL1:64KB/L2:4MB64位Itanium1.42GHz3.25亿64GP/80 FPU12816TBL1:32KB/L2:96KBL3:12MBEPIC技术主频越来越高，从主频越来越高，从4MHz4MHz发展到发展到3.8GHz3.8GHz集成数目从几万个发展集成数目从几万个发展到几亿个到几亿个寄存器位数从寄存器位数从1616位到位到6464位位数据总线从数据总线从1616位到位到128128位位寻址空间从寻址空间从1MB1MB到到16TB16TBCacheCache从无到有，到从无到有，到CacheCache的分级的分级MMXMMX技术、超线程技术双技术、超线程

5、技术双核技术等核技术等第3章 高档微处理器3.2 80286CPU简介简介80286内部结构图主要特点：主要特点：1.1.增加地址线到增加地址线到2424根，可寻址根，可寻址16MB16MB内存空间内存空间2.2.两种工作方式：实地址方式和虚地址保护方式；两种工作方式：实地址方式和虚地址保护方式；3.3.使用虚拟内存；使用虚拟内存；4.4.寻址方式更加丰富寻址方式更加丰富 （2424种）种）5.5.可以同时运行多个任务可以同时运行多个任务；6.6.三种类型中断：硬件中断、软件中断和异常中断；三种类型中断：硬件中断、软件中断和异常中断；7.7.增加了高级类指令、执行环境操作类指令和保护类指令增加

6、了高级类指令、执行环境操作类指令和保护类指令8.8.接口部件接口部件BIUBIU分成：总线部件分成：总线部件BUBU（Bus UnitBus Unit）地址部件地址部件AUAU和指令部件和指令部件IUIU第3章 高档微处理器3.3 80386微处理器微处理器 80386是32位微处理器, 分为80386SX 和80386DX两种型号。80386DX是标准32位微处理器，80386SX是“准32位”微处理器。80386有以下特点： 80386由6个逻辑单元组成，按流水线方式工作，运行速度4MIPS，与CPU之间的数据传输速度为32MB/S。多任务处理更容易，硬件支持多任务。硬件支持段式管理和页式

7、管理，易于实现虚拟存储系统。 硬件支持DEBUG功能，并可设置数据断点和ROM断点。 4级特权级别：0级的优先级最高，其次为1、2、3级。 具有自动总线功能，CPU读/写数据的宽度可以在32位和16位之间自由进行转换。 地址信号线扩充到32根，可以寻址4GB空间。 采用高性能协处理器80387，具备了很强的浮点运算能力和很高的运算速度。 在每条指令执行期间，CPU需要进行类型、内存越界等保护特性检查。 第3章 高档微处理器3.3 80386微处理器微处理器8038680386的逻辑部件：的逻辑部件： 80386内部分为三大部分：总线接口部件、中央处理部件和存储器管理部件。中央处理部件又分成指令

8、预取部件、指令译码部件和指令执行部件。第3章 高档微处理器3.3 80386微处理器微处理器1 1总线接口部件总线接口部件80386的总线接口部件BIU的作用和8086的BIU基本相同，控制进出CPU的所有数据、地址及控制信号。BIU中含有16字节指令预取队列。总线周期仅为2个时钟周期。第3章 高档微处理器3.3 80386微处理器微处理器2 2中央处理部件中央处理部件（1）指令预取部件 指令预取部件包括16字节的预取队列寄存器，可存放5条左右的指令。 指令代码预取不再由BIU负责，而是由一个独立的指令预取部件完成。当预取队列有空单元或发生一次控制转移时，预取部件便通过分页部件向BIU发出指令

9、预取请求。分页部件将预取指令指针送出的线性地址变为物理地址，再由BIU及系统总线从内存单元中预取指令代码，放入预取队列中。（2）指令译码部件 80386采用微程序控制技术，指令的执行过程实际是通过执行由微指令组成的微程序来实现的。所有指令对应的微程序存放在其内部的控制存储器中。指令译码部件从BIU的指令预取队列中取指令，将操作码译成与该指令操作码相对应的控制ROM的入口地址，存入译码指令队列中。该队列可容纳3条已译码指令。（3）执行部件 该部件从译码指令队列中取出已译码指令并执行完成所规定的操作。第3章 高档微处理器3.3 80386微处理器微处理器3 3存储器管理部件（存储器管理部件（MMU

10、MMU）存储器管理部件MMU（Memory Management Unit）分为分段部件和分页部件。其中分段部件用来实现逻辑地址到线性地址的转换，分页部件用来实现线性地址到物理地址的转换。若分页部件处于允许状态，则分页部件在操作系统的控制下，便产生线性地址到物理地址的转换；若分页部件处于禁止状态，线性地址即为物理地址。 第3章 高档微处理器4 48038680386指令流水线指令流水线3.3 80386微处理器微处理器总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件和存储器管理部件构成了80386CPU指令流水线。第3章 高档微处理器3.3 80386微处理器微处理器3.3.3 803863.3.3

11、80386内部寄存器内部寄存器80386寄存器组是8086寄存器组的超集。除了将原有寄存器扩展为32位外，还增加了许多新的寄存器，同时对段寄存器作了较大变动。原8086寄存器组16位扩展为32位寄存器新增寄存器第3章 高档微处理器1 1通用寄存器组通用寄存器组80386的通用寄存器为EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP及ESP。其低16位AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP可单独使用，AX、BX、CX、DX的高、低8位也可以单独使用。2 2段寄存器段寄存器80386增加了FS和GS两个新的段寄存器，在非实模式下段寄存器内容不再是段的基地址，而是指向全局与局部描述符表

12、的段选择子。在80386微机系统中编程，必须在存储器中建立四种系统表：（1）GDT全局描述符表共1个；（2）局部描述符表若干个；（3）IDT中断描述符表共1个；（4）TSS任务状态段若干个。第3章 高档微处理器3.3 80386微处理器微处理器描述符表描述符表描述符表分为全局描述符表GDT和局部描述符表LDT，容量64KB。存有若干种描述符，段描述符由8个字节组成，用来描述段的基地址、大小和属性，因此可存放8192个描述符。索引号用来指示段描述符在描述符表中位置索引号用来指示段描述符在描述符表中位置TI=0TI=0表示选择表示选择GDTGDT，TI=1TI=1表示选择表示选择LDTLDT申请者

13、特权级别申请者特权级别第3章 高档微处理器描述符表描述符表3.3 80386微处理器微处理器当指令将一个16位的值赋给段选择器时，CPU将其索引号部分所对应的段描述符自动加载到描述符寄存器中。每个段描述符由三部分组成：基地址字段用来描述所对应段在物理存储器中的起始地址；边界字段用来描述所对应段的大小；属性字段用来描述所对应段的属性。第3章 高档微处理器3系统地址寄存器系统地址寄存器3.3 80386微处理器微处理器8038680386设置了设置了4 4个系统地址寄存器：个系统地址寄存器：GDTRGDTR、LDTRLDTR、IDTRIDTR和和TSSRTSSR（或称（或称TRTR），分别用来管理

14、四种系统表，即），分别用来管理四种系统表，即GDTGDT、LDTLDT、IDTIDT和和TSSTSS。GDTRGDTR和和LDTRLDTR为为4848位宽，而位宽，而IDTRIDTR和和TSSRTSSR为为8080位宽。位宽。（1 1）GDTRGDTR和和GDTGDT的关系的关系GDT是一个特殊段，所有任务共用，系统中只需建立一个，没有必要设置描述符，直接由GDTR决定它的基地址和大小。（2 2）IDTRIDTR和和IDTIDT的关系的关系IDT中存放中断门描述符/陷阱门描述符，系统只需建立一个。（3 3）LDTRLDTR和和LDTLDT的关系的关系一个任务需要建立一个LDT， LDT段描述由

15、选择器字段来选择，因此LDTR中需要有段选择器字段 。LDTR指出当前进程的LDT描述符在全局描述符表GDT中的位置。（4 4）TSSRTSSR和和TSSTSS的关系的关系和LDT一样，一个任务需要建立一个TSS。TSSR和TSS与IDTR和IDT的关系相类似。第3章 高档微处理器4指令指针、标志寄存器指令指针、标志寄存器（1 1）指令指针）指令指针指令指针EIP存放下一条指令的偏移量，该偏移量是相对于现行代码段（CS）基址的偏移。EIP的低16位称为IP，用于16位寻址。（2 2）标志寄存器）标志寄存器标志寄存器低12位与8086相同，新增加了四种标志。IOPL分4级：03，0级级别最高，3

16、级级别最低嵌套任务标志为1说明当前任务嵌套在另一个任务内恢复标志为1时，遇到断点或调试故障，继续执行下面的指令。在成功执行每条指令时，RF将自动被复位。虚拟8086模式标志，该位为1表示80386工作于虚拟86模式3.3 80386微处理器微处理器第3章 高档微处理器5控制寄存器控制寄存器80386内部有4个32位控制寄存器CR0CR3,用来保存各种全局性状态, CR0的低16位称为机器状态字MSW，格式如图所示。PE保护模式允许位，PE=1时CPU处在保护模式。MP协处理器监控位，MP=1表示有协处理器。EM仿真协控制位，EM=1表示用软件仿真协处理器。TS任务转换控制位，当任务转换时该位自

17、动地将该位置1。3.3 80386微处理器微处理器第3章 高档微处理器PGPGPEPE工作模式工作模式00实模式，与8086兼容01不分页保护模式，有分段但无分页10未定义11分页保护模式，即真正的保护模式 MP、EM和TS这3个控制位要组合起来进行考虑，MP和EM是不能一起处于置位状态的。ET=1协处理器是80387。PG分页使能控制位。PG=1，启动80386分页部件工作；PG=0，禁止分页部件工作。5控制寄存器控制寄存器3.3 80386微处理器微处理器CR1保留未用。CR2用来存放故障地址，称为页面故障线性地址寄存器。CR3用来存放表的起始地址，称为页目录表基址寄存器。第3章 高档微处

18、理器6.调试寄存器和测试寄存器调试寄存器和测试寄存器80386有8个32位的调试寄存器DR7DR0。DR3DR0用来存放断点地址。DR5和DR4是Intel保留未作定义。DR6断点状态寄存器，存放所有引起类型l异常中断的事件标志。DR7为断点控制寄存器，高16位分成4个字段，分别用来规定4个断点的长度是一个字节还是4个字节以及引起断点的访问类型；低16位用来允许/禁止4个断点以及选择断点的条件。80386有2个转换旁路缓冲器的测试寄存器TR6和TR7。TR6为测试命令寄存器，存放测试时使用的标记信息和控制信息。TR7为测试数据寄存器，存放TLB测试的数据。3.3 80386微处理器微处理器第3

19、章 高档微处理器3.3.4 80386存储器管理 80386具有三种存储器管理模式：实地址模式、虚拟8086模式和保护模式。物理空间的分配和虚拟地址到物理地址的转换，通常是由操作系统完成的，80386系统结构中专门设置了用于实现虚拟存储技术的硬件机制。80386把虚拟地址空间分成不同性质的两部分：全局地址空间和局部地址空间。全局地址空间为所有任务共享；局部地址空间是每一个任务占有的独立地址空间，存放每个任务代码和数据。80386的段选择子字段是从全局描述符表GDT或局部描述符表LDT中选择一个段。虚拟存储器中可包含有214个段。由段选择器的T1位来决定全局地址空间或局部地址空间。3.3 803

20、86微处理器微处理器第3章 高档微处理器虚拟地址到物理地址的转换虚拟地址由段管理部件转换成线性地址，再由页管理部件将线性地址转换成物理地址。如不启用分页功能，线性地址直接作为物理地址。3.3 80386微处理器微处理器第3章 高档微处理器三种模式下的地址转换（1）实模式的地址转换（2）虚拟8086模式的地址转换增加了可选的分页功能3.3 80386微处理器微处理器第3章 高档微处理器3.4 80486微处理器微处理器80486是将80386和浮点数处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内组成的。总线接口部件高速缓冲部件指令预取部件指令译码部件控制部件整数部件分段部件和分页部件浮

21、点部件第3章 高档微处理器3.5 Pentium微处理器微处理器3.5.1 Pentium处理器的特点处理器的特点Pentium内部的主要寄存器是32位宽，故应认为它是一个32位微处理器。但它通向存储器的外部数据总线宽度为64位，每次总线可同时传输8字节数据。Pentium外部地址总线宽度是36位，但一般使用32位宽，故物理地址空间为4GB、虚拟地址空间为64TB。分页模式除与486相同支持4KB页面之外，还支持2MB和4MB页面。Pentium采用U，V两条指令线的超标量结构，内部有分立的8KB指令Cache和8KB数据Cache。Pentium属于CISC结构处理器。以CISC结构之身却能

22、实现超标量流水线，并且有分支目标缓冲器BTB方式的转移预测能力。第3章 高档微处理器3.5.2 Pentium工作原理工作原理3.5 Pentium微处理器微处理器总线部件存储管理部件数据缓冲部件浮点数部件整数部件U、V流水部件指令缓冲部件微指令ROM分支目标缓冲部件第3章 高档微处理器3.5.3 Pentium寄存器组寄存器组Pentium寄存器组中的通用寄存器组、段寄存器和指令指针与80386完全相同。下面就Pentium与80386不同的部分说明如下。3.5 Pentium微处理器微处理器1. 1. 标志寄存器标志寄存器AC：对准检查标志VIF：虚拟中断标志VIP：虚拟中断挂起标志ID：

23、识别标志第3章 高档微处理器2. 2. 系统级寄存器组系统级寄存器组3.5 Pentium微处理器微处理器系统级寄存器组:GDTR、IDTR、LDTR、TR控制寄存器CR0、 CR1、CR2、CR3、CR4第3章 高档微处理器 （1）中断（Interrupt） 可屏蔽中断可屏蔽中断：CPU的INTR引脚收到有效信号，如果Pentium标志寄存器IF位为1则引发中断，否则信号在CPU内被屏蔽。其执行特点如图所示。 非屏蔽中断：CPU的NMI引脚收到有效信号而引发的中断，这类中断不能被阻止。 3.5.5 Pentium中断管理中断管理3.5 Pentium微处理器微处理器（2）异常（excepti

24、on）执行异常：CPU试图执行一条指令的过程中出现错误、故障等不正常条件而引发的异常中断执行软件中断指令。第3章 高档微处理器2. 2. 中断处理中断处理保护模式为32位寻址，中断描述符表IDT每一表项对应一个中断向量号，表项称为中断门描述符，陷阱门描述符以及任务门描述符。门描述符为8字节长，对应256个中断向量号，因此，IDT表长为2KB。中断向量号乘以8作为访问IDT的偏移, 32位偏移量装入EIP，16位的段值被装入CS寄存器。3.5 Pentium微处理器微处理器第3章 高档微处理器3.6 Itanium处理器处理器Itanium处理器整数运算器的数量从4个增加到6个，存取单元（Loa

25、d/Store Unit）能够分别执行存取命令，运算器同时可执行的命令数就增加到了11个。流水线（Pump line）的级数减少到8级。1 1硬件特点硬件特点（1）“显性并行指令计算”（EPIC）技术实现每时钟周期高达20次运算。 （2）733MHz和800MHz主频。（3）64位数据总线（以及8位ECC）（4）“机器检查体系”（MCA）、高速缓存和系统总线纠错码（ECC）。（5）设计提供了先进的错误检测、纠正和处理能力。（6）系统管理特性，如热传感装置。（7）硬件内建IA-32指令二进制兼容性。（8）海量寄存器资源。（9）增强版低电压AGTL+信号技术。（10）专用的边缘电源接头为处理器和高

26、速缓存设备提供单独电压提高信号的完整性。第3章 高档微处理器2 2 性能特点性能特点（1）一体化的2MB或4MB集成三级高速缓存。（2）高度并行的流水线硬件，8级流水线。（3）两个整数单元和两个内存单元，每个时钟周期能够执行4条ALU指令。（4）浮点（FP）计算单元包含两个以82位运算数运行的FMAC（浮点相乘累积）单元。（5）两个额外的FP多媒体单元，每个单元能够执行两条单精度FP运算。（6）44位物理内存寻址能力。可寻址16TB的内存空间。3.6 Itanium处理器处理器第3章 高档微处理器（7）两层数据转换后备缓冲器（DTLB）DTLB1（全部相关联）中有32个条目；（8）“显性并行指

27、令集计算”（EPIC）技术，通过最大限度地发挥硬件和软件的协同作用，提高了指令级并行运算能力。（9）并行运算：使编译器能够为处理器提供更多信息，确保处理器能够持续并行执行多项运算，进而提供更高的性能和可扩展性。（10）增强的延迟事务处理能力，提高总线效率。（11）增强的“机器检查体系结构”（MCA）使处理器、固件和OS能够协同工作进行纠错，减少故障时间。3.6 Itanium处理器处理器第3章 高档微处理器习题与思考题习题与思考题1什么是虚拟存储器？其作用是什么？80386/80486的虚拟存储器容量最大有多少？2何为RISC技术？与CISC相比其主要特点是什么？380386/80486有哪三种工作模式？各有何特点？4什么叫流水线技术和超标量、超流水线技术？5什么叫高速缓冲存储器技术？微机采用这种技术的根本目的是什么？6试比较实模式和虚拟8086模式的异同。780386的逻辑地址、物理地址和线性地址分别指什么？它们的寻址能力分别为多少？8保护模式下的保护是何含义？该工作模式下主要进行哪几方面的保护功能？9说明Pentium中断处理的过程。10说明Pentium的EFLAGS新增位：VIF、VIP、ID的含义。11说明Pentium PC 的先进结构。