第二章 Intel 系列微处理器

第一节 Intel 系列微处理器概述

第二节 80486 微处理器的体系结构 第三节 Pentium 微处理器的体系结构 ( 自学 )

一、 8086 ／ 8088 微处理器

8086 是标准 16 位微处理器，内外数据总线都为 16 位；

8088 是准 16 位微处理器，内数据总线为 16 位，外数据总线为 8位。

在 8086 ／ 8088 的设计中，引人了两个重要的概念：

指令流水线 存储器分段

第一节 Intel 系列微处理器概述

8086/8088 内部结构示意图

总线接口单元 BIU 由段寄存器（ CS 、 DS 、 SS 、 ES ）、指令指针寄存器（ IP ）、内部暂存器、指令队列、地址加法器及总线控制电路组成。它的主要作用是负责执行所有的“外部总线”操作。

指令队列主要使 8086/8088 的 EU 和 BIU 并行工作，取指令操作、分析指令操作重叠进行，从而形成了两级指令流水线结构。

执行单元 EU 由通用寄存器、运算数据寄存器、算术逻辑单元（ ALU ）及 EU 控制电路组成。它的主要作用是分析和执行指令。

对存储器分段的理解设有1000个座位 ,编号为 0-999(1)如果要找某个座位号的人,或把一个人安排到某个座位号去,可以直接给出这个座位号(0-999 之一 ),称为物理地址

(2)如果这 1000个座位不同区域坐不同年龄的人,如 0-99为老年人,100-199 坐中年人,200-299 坐青年人…就可以将这些座位分组:

0-99 第 0组的第 0个到第 99个100-199 第 1组的第 0个到第 99个200-299 第 2组的第 0个到第 99个 …这样 ,任何一个号就可以由组号和组内的相对偏移号确定,如 899为第 8组第 99个

实际号(物理地址)=组号 *100+偏移号 组号 :偏移号 称为逻辑地址

对存储器分段的理解(3)上面定义的组的长度(100)和组与组之间的间隔(100)相同 ,组间无重叠号,现在给出新的定义:组的长度仍为100,但组的间隔为10:

0-99 第 0组的第 0个到第99个10-109 第 1组的第 0个到第99个20-119 第 2组的第 0个到第99个 …900-999 第 90组的第 0个到第99个 这样 ,组之间就可以重叠,一个号可以属于不同的组,如11号可以是0组第 11个 ,也可以是1组第 1个其实际号(物理地址)仍可由组号和组内的相对偏移号确定实际号(物理地址)=组号 *10+偏移号 组号 :偏移号 称为逻辑地址,对一个物理地址,其逻辑地址不是唯一的.

对存储器分段的理解(3) 现在用十六进制思维方式 ,把一个组长度定义为 64K, 即 0:ffffH, 组之间的间隔为 16, 即 10h, 则

实际号 (物理地址 )=组号 *16+ 偏移号或 :实际号 (物理地址 )=组号 *10h+ 偏移号或 :实际号 (物理地址 )=组号左移 4位 +偏移号 这就是存储器分段的概念 ,组号就称为段地址 ,偏移号称为偏移地址 ,段地址 :偏移地址称为逻辑地址

编写程序时使用的是逻辑地址 ,此时 ,段地址和偏移地址分别用段寄存器和偏移地址寄存器给出 .

相应地 :每个座位就是一个存储单元 ,座位号就是存储单元的地址 ,座位上坐的人就是该存储单元存放的数据内容 ,存取 (访问 )一个存储单元必须要先给出定位该存储单元的地址 ,然后再读写数据 .

存储器分段示意图

段寄存器为 8086/8088 采用存储器分段管理提供了主要的硬件支持。 8086/8088 可寻址的存储器空间为 1MB 。通过分段管理，把 1MB 的物理存储空间分成若干逻辑段，每段最大为64KB 。段的起始单元地址叫段基址。

存储器的分段方式不是唯一的，各段之间可以连续、分离、部分重叠和完全重叠。这主要取决于对各个段寄存器的预置内容。一个具体的存储单元的物理地址，可以属于一个逻辑段，也可以同属于几个逻辑段。

8086/8088 的 4 个当前段分别称为：代码段、数据段、堆栈段、附加段

采用存储器分段管理后，存储器地址有物理地址和逻辑地址之分。 CPU 访问存储器时，地址总线 AB 上送出的是物理地址。 编程时则采用逻辑地址，逻辑地址有段基址和段内偏移地址两部分组成，两者都是 16位。

由 16 位逻辑地址变换为 20 位物理地址的关系如下：

物理地址 =段基址 *16+ 段内偏移

物理地址的生成是在 BIU 的地址加法器中完成的。

物理地址生成示意图

二、 80286 微处理器 80286 是一种增强微处理器型标准 16 位微处理器。与 8086/8088 相比，结构上的改进与性能上的提高主要体现在以下几个方面：

① 内部有执行单元（ EU ）、总线单元（ BU ）、指令单元（ IU ）和地址单元（ AU ） 4 个独立的部分并行操作，可实现 4级流水线作业，使数据吞吐率大大提高。

② 地址总线与数据总线完全分开使用。

二、 80286 微处理器

③ 存储空间有两种工作方式：实地址方式和保护虚拟地址方式（保护方式）。实地址方式有 1MB 的空间；保护方式有 16MB 的空间。

④ 在保护方式下， 4个段寄存器装入的不再是段基址，而是指向段描述符表中某个段描述符的索引值，称为段选择符。

三、 80386/80486 微处理器

80386/80486 是针对多用户和多任务的应用而推出的 32位微处理器，与 80286 相比，它在结构和性能上的主要特点如下：

① 内部寄存器数量明显增加，它具有全 32 位数据处理能力，还可以进行 64位的数据运算。

②片内存储管理部件可实现段页式存储管理，比 80286 可提供更大的虚拟存储空间和物理存储空间。

三、 80386/80486 微处理器

③ 比 80286 新增了一种保护模式下的工作方式，即虚拟8086 方式。

④ 80486增加到 6级指令流水线。

⑤ 提供了 32 位外部总线接口，最大数据传输速率显著提高。

⑥ 运算速度大大加快。

各种模式下物理地址生成

各种模式下段长与容量

说明 : 80286保护模式 ,段描述符 48 位 :24 位段基址 ,16 位段边 界 ,8 位访问权限

80486保护模式 , 段描述符 64 位 :32 位段基址 ,20 位段边 界 ,12 位属性

第二节 80486 微处理器的体系结构

一、 80486 的流水线

80486 的流水线工作示意图

1 ）基本寄存器 ① 通用寄存器

② 指令指针寄存器 （ EIP ）

有 8 个 32 位的 EAX、 EBX、 ECX、 EDX、 ESI 、 EDI 、EBP 、 ESP ；它们的低 16 位可以单独访问被命名为： AX、BX、 CX、 DX、 SI 、 DI 、 BP 、 SP 。其中 AX、 BX、 CX、DX 还可以分别分成两个 8位寄存器： AH 、 AL 、 BH 、 BL 、CH 、 CL 、 DH 、 DL 。

EIP 用于保存下一条待预取指令相对于代码段基址的偏移量。它的低 16 位可以单独访问，称之为 IP

二、 80486 的内部寄存器

1 ）基本寄存器

③ 标志寄存器 （ EFLAGS ）： 32 位标志寄存器 （ EFLAGS ）中包含三种标志：状态标志（ S）、控制标志（ C）和系统标志（ X）。

状态标志（ S）：反映指令执行过程及结果的状态。

控制标志（ C）：它仅含一个标志 DF，用于控制串操作指令的地址改变方向。

系统标志（ X）：它用于控制 I/O、屏蔽中断、调试、任务转 换和控制保护方式与虚拟 8086 方式间的

转换。

1 ）基本寄存器

④ 段寄存器：

80486 有 6 个段寄存器（ CS 、 SS 、 DS 、 ES 、 FS 、 GS ），用于决定程序使用存储器区域块。其中 CS 指明当前的代码段；SS指明当前的堆栈段； DS、 ES 、 FS 和 GS 指明当前的 4个数据段。 在保护方式下， 80486 段的长度可以在 1M 字节到 4G 字节之间变化；而在实地址方式下，段的长度最大为 64KB 。

基本寄存器示意图

2) 系统级寄存器 系统级寄存器包括 4 个控制寄存器和 4个系统地址寄存器。这些寄存器只能由在特权级 0上运行的程序访问。

4 个控制寄存器的作用是存放全局特性的机器状态，控制片内 Cache 、 FPU 和分段、分页单元的工作。各个控制寄存器都是 32位。

① 控制寄存器

② 系统地址寄存器 系统地址寄存器只在保护方式下使用，所以又叫保护方式寄存器。 80486 用 4 个寄存器把在保护方式下常用的数据基地址、界限和其他属性保存起来，以确保其快速性。

全局描述符表寄存器（ GDTR48 位）和局部描述符表寄存器（ LDTR80位）分别用来存放 GDT和 LDT的 32位线性基地址等内容。

中断描述符表寄存器（ IDTR）用来存放中断描述符表的基址和界限。

任务寄存器 TR用来存放任务状态段（ TTS ）的基址、界限和其它属性。

③ 调试和测试寄存器

80486 提供了 8 个 32 位的可编程寄存器来支持调试功能。它还定义了 5个测试寄存器，测试寄存器实际上并不是 80486 体系结构的标准部分，只是为了增强系统的可测性而引入的附加硬件。

④ 浮点寄存器

13 个浮点寄存器， 8 个 80 位浮点数据寄存器用作固定寄存器组或硬件堆栈， 1个 16 位标记字寄存器用来标记每个数据寄存器的内容，1 个 16 位控制寄存器用于提供 FPU 的若干处理选择项， 1 个 16 位状态寄存器用于反映 FPU 的总状态， 2 个 48 位的指令、数据指针寄存器的作用是为用户编写错误处理程序提供指令、数据指针。

80486 的 FPU 中包含有：

三、 80486 的三种工作方式及相互转换

（ 1）实地址方式： 它的工作原理与 8086基本相同，主要区别是 80486能借助操作数长度前缀，处理 32 位数据，且增加了两个数据段寄存器 FS 和 GS ，提高了运行速度。

（ 2 ）保护虚地址方式：

它引入了虚拟存储器的概念。 CPU 可访问的物理存储空间为 4GB ，程序可用的虚拟地址空间为 64TB 。段的长度在启动页功能时是 4GB ，不启动页功能时是 1MB 。可支持多用户和单用户的多任务操作，并对各任务提供了多方面的保护机制。

三、 80486 的三种工作方式及相互转换

（ 3 ）虚拟 8086 方式：

它是一种既有保护功能又能执行 8086代码的工作方式，可以说是保护方式的一种子方式。工作原理与保护虚拟地址方式下相同，但是程序指定的逻辑地址解释与 8086 相同，即可以和实地址方式下一样执行 8086 的应用程序。

三、 80486 的三种工作方式及相互转换

80486 的三种工作方式和相互转换示意图

四、 80486 的外部引脚信号