微处理器及系统精选PPT.ppt
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1、关于微处理器及系统第1页,讲稿共90张,创作于星期六系统主要组成:n80868088由两个独立的处理部件组成:执行部件EU(Execution Unit)和总线接口部件BIU(Bus Interface Unit)n设置了指令预取队列,支持以流水方式执行指令 主要性能指标:n处理器字长:处理8位或16位的数据,时钟频率为48MHz n直接寻址的存储空间为1M字节(220)n中断源为256级,包括内部软件和外部硬件中断 n支持最小方式(单CPU)和最大方式(多CPU)工作)n独立的I/O端口地址寻址方式:I/O端口有64K个 2.1 80862.1 8086处理器处理器第2页,讲稿共90张,创作
2、于星期六1.2 1.2 微处理器内部结构微处理器内部结构第3页,讲稿共90张,创作于星期六BIU完成内外信息交换,即:取指令 传送数据 形成物理地址EU执行全部指令,即:指令译码 执行指令 向BIU传送偏移地址信息 管理通用寄存器和标志寄存器1.BIU与EU的主要功能第4页,讲稿共90张,创作于星期六BIU和EU并行操作示意图BIU BIU 取指令取指令1 1 取指令取指令2 2 取指令取指令3 3 取指令取指令4 4取指令取指令5 5 取指令取指令6 6EU EU 等待等待等待等待执行执行1 1执行执行2 2执行执行3 3执行执行4 4第5页,讲稿共90张,创作于星期六2.物理地址怎样形成?
3、物理地址物理地址=段地址段地址x16+偏移地址偏移地址例例:CS=FA00H,IP=0300H物理地址物理地址=FA000H+0300H =FA300H(逻辑地址:程序员使用的地址)第6页,讲稿共90张,创作于星期六CS=FA00H,IP=0300H物理地址物理地址=FA000H+0300H=FA300H代码段数据段堆栈段附加段FA000H(?)0300H第7页,讲稿共90张,创作于星期六通用寄存器通用寄存器 1.数据寄存器AX,BX,CX,DX AX作为累加器,在字(AL,AH字节)乘,除法运算中存放结果,I/O指令中传送数据.BX作为基址寄存器,CX作为计数寄存器(如循环、串操作)DX作为
4、数据寄存器 2.地址指针寄存器SP,BP SP:堆栈指针寄存器,BP:基址指针寄存器 3.变址寄存器SI,DI SI:源变址寄存器,DI:目的变址寄存器段寄存器段寄存器CS,DS,SS,ES CS:代码段寄存器 DS:数据段寄存器 SS:堆栈段寄存器 ES:附加段寄存器3.8086/80883.8086/8088内部寄存器内部寄存器8 8位位寄存器名寄存器名1616位位寄存器名寄存器名累加器累加器AXAX基址基址BXBX计数器计数器CXCX数据数据DXDX栈指针栈指针基址指针基址指针目标变址目标变址源变址源变址指令指针指令指针标志标志代码段代码段数据段数据段堆栈段堆栈段附加段附加段SISIDI
5、DIBPBPSPSPDH DL DH DL CH CLCH CLBH BLBH BLAH ALAH ALFLAGSFLAGSIPIPFSFSGSGSESESSSSSDSDSCSCS第8页,讲稿共90张,创作于星期六指令指针寄存器IP 存放预取指令的偏移地址.标志寄存器标志寄存器LAGSLAGS 记录算术和逻辑运算的一些状态标志记录算术和逻辑运算的一些状态标志.8086/80888086/8088内部寄存器内部寄存器1.1.控制标志控制标志(3(3个个):):DF,IF,TFDF,IF,TFDFDF(direction flag):(direction flag):方向标志方向标志.IFIF(i
6、nterrupt enable flag):(interrupt enable flag):中断允许标志中断允许标志TF(TF(trap flag):trap flag):跟踪跟踪(陷阱陷阱)标志标志第9页,讲稿共90张,创作于星期六CF CF 进进位位标标志志(Carry Carry FlagFlag):有有进进/借借位位为为1 1,无无进进借借位位为为0 0。另另循循环环指令也使指令也使CF=1CF=1。AFAF 辅辅助助进进位位标标志志(Auxiliary Auxiliary Carry Carry FlagFlag):低低4 4位位向向高高位位有有进进/借借位位(即第(即第3 3位向第
7、位向第4 4位进位)为位进位)为1 1,否则否则AF=0AF=0。PFPF 奇奇偶偶标标志志(Parity Parity FlagFlag):运运算算结结果果若若低低8 8位位所所含含1 1的的个个数数为为偶偶数数,则则PF=1PF=1,否则否则PF=0PF=0。ZFZF 全全零零标标志志(Zero Zero FlagFlag):当当运运算算结结果果使使有有效效位位数数的的各各位位全全为为零零时时ZF=1ZF=1,否则否则ZF=0ZF=0。SFSF 符符号号标标志志(Sign Sign FalgFalg):当当运运算算结结果果为为负负时时SF=1SF=1,否否则则SF=0SF=0。SFSF的的
8、值值就是有符号数的最高位就是有符号数的最高位(符号位符号位)。OF OF 溢溢出出标标志志(Overflow Overflow FlagFlag):当当运运算算结结果果超超出出了了机机器器所所能能表表示示的的范范围围时,则时,则OF=1OF=1,表示溢出,否则表示溢出,否则OF=0OF=0。状态标志状态标志(6(6个个)第10页,讲稿共90张,创作于星期六 4.8086/80884.8086/8088工作模式工作模式最最小小模模式式:指在系统中只有一个微处理器,系统中的所有总线控制信号都直接由8086/8088产生,因此整个系统中的控制线路最简单,对应这种工作模式称为最小模式。最最大大模模式式
9、:是相对于最小模式而言的,指系统中含有两个或两个以上微处理器,其中一个就是8086/8088为主处理器,其它都是协处理器。在8086/8088系统中与其配合的协处理器有数值运算协处理器8087和输入输出协处理器8089。处理器的最小定时单位,它由主频决定。模式由硬件决定模式由硬件决定:CPUCPU引脚引脚MN/MX_MN/MX_为为“1 1”高电平高电平,在最小模式在最小模式;为为“0 0”电平电平,在最大模式在最大模式.第11页,讲稿共90张,创作于星期六8284CLKRESETREADYMN/MXALEDENRDT/RIO/MWRRDHOLDHLDAIO/MINTRINTA地址锁存器数据收
10、发器控制总线数据总线地址总线+5VA.8086/8088A.8086/8088最小模式最小模式第12页,讲稿共90张,创作于星期六8284CLKRESETREADYMN/MXA19A8S0地址锁存器数据收发器控制总线数据总线地址总线8288总线控制器S1S2AD7AD0B.8086/8088B.8086/8088最最大大模式模式第13页,讲稿共90张,创作于星期六5.8086/80885.8086/8088引脚信号引脚信号80868088第14页,讲稿共90张,创作于星期六引脚引脚含义含义NMINMI为硬件中断源中不可屏蔽中断输入信号,上升沿有效。INTRINTR为硬件中断源中可屏蔽中断的输入
11、信号,高电平有效。所有外部调设备的中断源均接至中断控制器,通过中断控制器输出再接入INTR引脚。实现中断管理A19/S6A16/S3:地址/状态复用输出线。第15页,讲稿共90张,创作于星期六 S S0 0S7S7含义含义S7未定义S6始终为低S5与标志寄存器中的中断允许标志IF一致。S4、S3表示使用的段寄存器S2-、S1-、S0-组合确定最大模式下总线操作类型 (见P13)第16页,讲稿共90张,创作于星期六 QS1 QS1和和QS0QS0含义含义 QS1和QS0在最大模式下表示指令队列的使用情况第17页,讲稿共90张,创作于星期六 最小模式最小模式总线操作总线操作第18页,讲稿共90张,
12、创作于星期六 最大模式最大模式总线操作类型总线操作类型S2S1S0通过8288产生的信号具体操作状态有关指令示例000INTA发中断响应信号无001IORC读I/O接口 IN AL,DX010IOWC,AIOWC写I/O接口OUT DX,AL011无暂停NOP100MRDC取指令无101MRDC读内存MOV AX,1234H110MWTC,AMWC写内存MOV DI,CX111无无效状态无第19页,讲稿共90张,创作于星期六 6.总线周期的概念 总线周期:完成一次总线操作(存储器或I/O访问)所需的读/写机器周期。8086/8088一个基本总线周期包括4个时钟周期的时间。习惯称为4个状态,分别
13、记为T1、T2、T3和T4状态。T1T1状态状态:输出地址信息并锁存。T2T2状态状态:撤消地址,为传送数据作准备。T3T3状态状态:如果外部准备好,则数据稳定在总线上。T4T4状态状态:读写总线上的数据,总线周期结束。时钟周期:微处理器的最小定时单位,它由主频决定。指令周期:一条指令从取出到执行完毕所需要的时间。机器周期:完成一个独立的操作所需时间。第20页,讲稿共90张,创作于星期六 8086/80888086/8088总线时序(读)总线时序(读)T1T1T2T2T3T3TwTwT4T4地址输出地址输出(A19-A16)A19-A16)高:读内存高:读内存 低:读低:读I/OI/O状态输出
14、(状态输出(S6S6S3S3)地址输出地址输出(A15-A0)A15-A0)数据输入(数据输入(D15D15D0D0)BHEBHE输出输出S7S7(无意义)无意义)CLKCLKM/IOM/IOA19/S6-A19/S6-A16/S3A16/S3AD15-AD15-AD0AD0BHE/S7BHE/S7ALEALERDRDDT/RDT/RDENDEN80868086最小模式下的读总线周期最小模式下的读总线周期第21页,讲稿共90张,创作于星期六 总线时序(写)总线时序(写)8086最小模式下的写总线周期第22页,讲稿共90张,创作于星期六课堂提问:哪两种地址合成物理地址?下列合成物理地址是否正确?
15、是发生在取指令或执行指令?1.CS:SP 2.DS:DI 3.DS:IP 4.SS:SP计算下列物理地址:1.1000H:1234H=?2.A200H:12CFH=?3.A000H:?=A0123H4.?:CD21H=32D21H第23页,讲稿共90张,创作于星期六8048680486微处理器微处理器 特点:特点:采用精简RISC指令技术芯片含有8K内部CACHE芯片含有80387协处理器采用猝发式总线技术性能:性能:外部数据、地址总线:32位最大工作频率:133M流水线:5级逻辑地址空间:64T物理地址空间:4G第24页,讲稿共90张,创作于星期六8048680486的内部结构的内部结构 寄
16、存器组ALU段控制 管理 PLA页控制管理 TLBCACHE管理 8K浮点运算FPU控制部件ROM指令译码指令队列地址驱动数据缓冲数据收发总线控制第25页,讲稿共90张,创作于星期六ALU:定点数运算和逻辑运算部件(80386)FPU:浮点数运算部件(80387协处理器)PLA、TLB:面向多用户(虚地址)的存储器段管理和页管理部件CACHE:高速缓存其它与8086/8088部分相同 指令码流:CACHE(或内存)、指令队列、指令译码。物理地址:段址+偏址、由段管理产生线性地址。线性地址由页管理产生物理地址。数据流:CACHE(或内存)、直接进入运算器。8048680486的内部结构的内部结构
17、 第26页,讲稿共90张,创作于星期六 80 804 48686寄存器结构寄存器结构第27页,讲稿共90张,创作于星期六寄存器特点寄存器特点1.通用寄存器和标志寄存器都扩展到32位,在原16位基础上前面加E。数据寄存器可进行8位、16位和32位操作。2.段寄存器仍为16位,但增加两个数据段寄存器FS和GS3.增加三个控制寄存器CR0、CR2和CR3(无CR1)。4.系统地址寄存器与80286类似。第28页,讲稿共90张,创作于星期六系统表寄存器系统表寄存器GDTR全局描述表寄存器LDTR局部描述表寄存器IDIR中断描述表寄存器TR任务寄存器功能:在保护模式下分别指出对应的描述表在存储器中的起始
18、地址及占存储单元数。第29页,讲稿共90张,创作于星期六GDTRGDTR与与GDTGDT表表GDTR长度为48位的寄存器。其中32位用作指出表在存储器中的基地址,16位为该表所占的主存空间的大小。它们分别被称为基址字段和边界字段 基址字段 边界字段 主存描述符1描述符2描述符N015031GDTRGDTGDT表第30页,讲稿共90张,创作于星期六标志寄存器VMVM 虚拟方式位:在保护方式下,VM=1使80386工作在虚拟8086方式。VM位只能在保护方式下由IRET指令(当前特权级=0)或在任何特权级下由任务切换设置使VM=1而进入虚拟8086方式。RFRF 恢复标志:RF标志位与调试寄存器的
19、断点或单步操作一起使用。当调试失败后,利用RF标志(使RF=1)强迫使程序恢复执行,当程序顺序执行时该标志位自动清0(RF=0)。第31页,讲稿共90张,创作于星期六2.4 2.4 8038680386PentiumPentium三种工作模式三种工作模式 1.1.实地址模式实地址模式 系统启动后,80386/486自动进入实地址方式。在此方式下,采用类似于8086的体系结构,80386/486在实地址方式下的主要特点如下:寻址方式、存储器管理、中断处理与8086一样.操作数默认长度为16位,但允许访问32位寄存器(在指令前加前缀)。不用虚拟地址,最大地址范围仍限于1MB,只采用分段方式,每段最
20、大64KB。80386的4特权级,在实地址方式下,程序在最高级0级上执行,80386指令集除少数指令外,绝大多数指令在实地址方式下都有效。存储器中保留两个固定的区域,一个是初始化程序区FFFF0HFFFFFH,另一个为中断向量表00000H003FFH。第32页,讲稿共90张,创作于星期六10000H00000H10000H1F000H1FFFFHF000H段寄存器:CS,SS,DS,ES偏移:(IP,BP,BX,DI,SI)逻辑地址:1000H:F000H物理地址=1000H*16+F000H=1F000H实地址模式实地址模式最大地址范围最大地址范围:1:1MBMB每段每段最大最大6464K
21、BKB第33页,讲稿共90张,创作于星期六2.2.保护地址模式保护地址模式 所谓保护是指在执行多任务操作时,对不同任务使用的虚拟存储器空间进行完全的隔离,保护每个任务顺利执行。在保护方式下,80386/486具有如下特点:1存储器采用虚拟地址空间、线性地址空间和物理地址空间三种方式来描述。2强大的寻址空间。在保护方式下,可以寻址的空间大至64TB(246)(虚拟地址)。3使用4级保护功能,可实现程序与程序、用户与用户、用户与操作系统之间的隔离和保护,为多任务操作系统提供优化支持。4在保护方式下,80386/486既可以进行16位操作,又可进行32位操作。第34页,讲稿共90张,创作于星期六3.
22、虚拟虚拟80868086方式方式 所所谓谓虚虚拟拟80868086模模式式是是指指一一个个多多任任务务的的环环境境,即即模模拟拟多多个个80868086的的工工作作方方式式。虚虚拟拟80868086方方式式的的主主要特点如下:要特点如下:1 1可执行原来采用可执行原来采用80868086书写的应用程序书写的应用程序 。2 2段寄存器的用法与实地址方式一样。段寄存器的用法与实地址方式一样。3 3可可以以使使用用分分页页方方式式,将将1 1MBMB分分为为256256个个页页面面,每页每页4 4KBKB。4 4在在虚虚拟拟80868086方方式式中中,应应用用程程序序在在最最低低特特权权级级3 3
23、级级上上运运行行,因因此此8038680386指指令令系系统统中中的的特特权权指指令令不不能能使使用。用。第35页,讲稿共90张,创作于星期六4.4.实地址模式实地址模式与与V V8686模式模式区别区别1 1内内存存管管理理方方式式不不同同:实实地地址址方方式式只只采采用用分分段段管管理理,而而不不采用分页管理,而采用分页管理,而虚拟虚拟80868086方式既分段又分页方式既分段又分页。2 2存存储储空空间间不不同同:实实地地址址下下的的最最大大寻寻址址空空间间为为1 1MBMB,而而虚虚拟拟80868086方方式式下下每每个个任任务务尽尽管管最最大大1 1MBMB,但但可可以以在在整整个个
24、内内存存空空间间浮动,因此浮动,因此V86V86方式实际寻址空间为方式实际寻址空间为4 4GBGB。3 3保保护护机机制制不不同同:实实地地址址方方式式下下无无保保护护机机制制,而而虚虚拟拟80868086方方式式既既可可以以运运行行80868086程程序序,又又支支持持多多任任务务操操作作,这这就就解解决决了了8028680286保保护护方方式式既既要要维维持持保保护护机机制制,又又要要运运行行80868086程程序序的的矛矛盾盾。如如在在Windows Windows 下多次双击下多次双击MS-DOSMS-DOS即运行多个即运行多个DOSDOS程序(程序(80868086程序)。程序)。第
25、36页,讲稿共90张,创作于星期六4.三种地址描述方法1.线性地址空间:指示由段转换得到地址232字节=4GB2.物理地址空间:指示实际内存地址232字节=4GB3.虚拟地址空间:指示通过所有段描述符描述的整个地址空间(包括超出物理地址的部分)段描述符个数 最大段大小=214 232字节=246字节=6464TBTB 第37页,讲稿共90张,创作于星期六 保护方式下80386物理地址形成分为两步进行,首先将48位逻辑地址转换成32位线性地址,再将32位线性地址转换成32位物理地址。分段:将逻辑地址转换成线性地址的过程称为分段,由分段部件SU完成。(分段的方法与80286通过描述符寻找段基地址方
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