第10章 80X86的最新技术发展 ntel80X86处理器的发展 Intel8080一8位微处理器 Intel8085一高档8位微处理器 指令比较完善，有了中断与DMA 汇编、BASIC,FORTRAN、PLM 后期配备CPM操作系统 Intel8086-16位 8086数据总线16位、地址总线20位 Intel8088准16位 外部数据总线8位，内部数据总线16位 IBM PC、IBMPC/XT Intel880286、MC68010一高档16位 数据总线16位，地址总线24位 IBM PC/AT 实地址模式、虚地址保护模式 虚地址模式可寻址16MB物理地址和1GB的虚拟地址 空间 Ji Lin University China COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 第10章 80X86的最新技术发展 Intel80X86处理器的发展 • Intel8080 — 8位微处理器 • Intel8085 — 高档8位微处理器 指令比较完善，有了中断与DMA 汇编、BASIC，FORTRAN、PL/M 后期配备CP/M操作系统 • Intel8086—16位 8086数据总线16位、地址总线20位 • Intel8088 — 准16位 外部数据总线8位，内部数据总线16位 IBM PC、IBM PC/XT • Intel80286、MC68010 — 高档16位 数据总线16位，地址总线24位 IBM PC/AT 实地址模式、虚地址保护模式 虚地址模式可寻址16MB物理地址和1GB的虚拟地址 空间
Intel80X86处理器的发展（1) Intels80386一32位微处理器 数据总线32位，地址总线32位 实地址模式、虚地址保护模式、虚拟8086模式 虚地址模式可寻址4GB(232)物理地址和64TB(24的虚 拟地址空间 Intel80486一32位微处理器 80386+80387+8KB的Cache 部分采用RISC技术、突发总线技术 使用时钟倍频技术 Pentium(奔腾)一32位微处理器 5级超标量结构、分支预测技术 64条数据线、32条地址线 树本 常用指令硬件化，使用微程序设计 Pentium MMX（多能奔腾)一32位 增加了57条MX指令 采用了SIMD技术 Ji Lin University China COMPUTER SCIENCE山DY室CHNOLOGY
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY Intel80X86处理器的发展（1） • Intel80386 — 32位微处理器 数据总线32位，地址总线32位 实地址模式、虚地址保护模式、虚拟8086模式 虚地址模式可寻址4GB(232)物理地址和64TB(246)的虚 拟地址空间 • Intel80486 — 32位微处理器 80386+80387+8KB的Cache 部分采用RISC技术、突发总线技术 使用时钟倍频技术 • Pentium（奔腾）—32位微处理器 5级超标量结构、分支预测技术 64条数据线、32条地址线 常用指令硬件化，使用微程序设计 • Pentium MMX（多能奔腾）— 32位 增加了57条MMX指令 采用了SIMD技术
Intel80X86处理器的发展(2) 上 Pentium Pro(高能奔腾)一32位 64条数据线、36条地址线 实现了动态执行技术（乱序执行） PentiumⅡ（奔腾2）一32位微处理器 Pentium Pro+MMX 双独立总线结构 Pentium III(奔腾3) 2位微处理器 增加了70条SSE指令 首次内置序列号 Pentium4一32位微处理器（非P6核心结构） 超级管道技术 增加了144条SSE2指令 简单ALU运行在2倍的处理器核心频率下 Itanium一64位微处理器 采用EPIC技术、RISC技术和CISC技术 具有显示并行功能 具有断定执行功能 具有数据预装的功能 采用三级高速缓存 Ji Lin University China COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY Intel80X86处理器的发展（2） • Pentium Pro（高能奔腾）— 32位 64条数据线、36条地址线 实现了动态执行技术(乱序执行) • Pentium II（奔腾2）—32位微处理器 Pentium Pro + MMX 双独立总线结构 • Pentium III（奔腾3）— 32位微处理器 增加了70条SSE指令 首次内置序列号 • Pentium 4 — 32位微处理器(非P6核心结构) 超级管道技术 增加了144条SSE2指令 简单ALU运行在2倍的处理器核心频率下 • Itanium — 64位微处理器 采用EPIC技术、RISC技术和CISC技术 具有显示并行功能 具有断定执行功能 具有数据预装的功能 采用三级高速缓存
Intel微处理器发展图 Intel Confidential Introducing the Foundation for the IntelR Pentium 4 Processor Intel Ne8urst型 Micro-Architecture Visual Today Internet P6 Micro-Architecture Visual Computing P5 Micro-Architecture Inter NetBurst Multimedia Micro-Architecture designed to deliver 486 Micro-architecture Windows user appreciated performance gains Time inte Copin1e2四0tC=m的 Ji Lin University China COMPUTER SCIENCE山DY里CHNOLOGY
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY Intel 微处理器发展图
现代微机发展的特点 上 微处理器性能不断增强 微处理器支持芯片被高度集成 主板总线结构发生改变 保持向上兼容性 微机主板结构发生很大变化 Ji Lin University China COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 现代微机发展的特点 • 微处理器性能不断增强 • 微处理器支持芯片被高度集成 • 主板总线结构发生改变 • 保持向上兼容性 • 微机主板结构发生很大变化
10.180286的体系结构 Intel公司在80年代初推出了新的微处理器 Intel 80286,这是一种具有存储器管理和保护机构的16位微处 理器。 80286芯片采用68引脚四列直插式封装，时钟频率有 8MHz和10MHz两种。 主要特点： 1.CPU内部有4个处理单元，可并行工作 2.支持存储器管理和保护功能，存储器管理功能可 实现在实地址和保护虚地址方式下访问存储器，保护功能 包括对存储器的合法操作，对任务实现特权级保护。 3.实现虚拟存储管理 i Lin University China CpTE型CIENCE AND T厘CHNDOLOGY
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 10.1 80286的体系结构 • Intel公司在80年代初推出了新的微处理器——Intel 80286，这是一种具有存储器管理和保护机构的16位微处 理器。 • 80286芯片采用68引脚四列直插式封装，时钟频率有 8MHz和10MHz两种。 • 主要特点： 1．CPU内部有4个处理单元，可并行工作 2．支持存储器管理和保护功能，存储器管理功能可 实现在实地址和保护虚地址方式下访问存储器，保护功能 包括对存储器的合法操作，对任务实现特权级保护。 3．实现虚拟存储管理
80286的内部结构 上 80286在内部结构上比8086增加了指令执行部件（①U),同 时将8086中的总线接口部件分成总线部件(BU)、地址部件 (AU)。 这样，80286的CPU有四个独立的处理元件：EU、AU、BU、 IU,这四个部件并行地操作。 地址单元AU 总线单元BU 地址加法器 地址驱动器 A23-0,BHE,M/IO 偏移 段基址 预取器 协处理器接口 量加 段大小 总线控制 总线信号 法器 段限检查 总线缓冲器 D15-0 6字节预取队列 寄存器 ALU 指令译码器 控制器 3条已被译码的指令队列 执行单元EU 指令单元U Ji Lin University China COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 80286的内部结构 • 80286在内部结构上比8086增加了指令执行部件(IU)，同 时将8086中的总线接口部件分成总线部件(BU)、地址部件 (AU)。 • 这样，80286的CPU有四个独立的处理元件：EU、AU、BU、 IU，这四个部件并行地操作。 地址单元 AU 总线单元 BU 地址加法器 地址驱动器 A23-0, BHE, M/IO 段基址 预取器 协处理器接口 段大小 总线控制 总线信号 偏移 量加 法器 段限检查 总线缓冲器 D15-0 6 字节预取队列 寄存器 ALU 指令译码器 控制器 3 条已被译码的指令队列 执行单元 EU 指令单元 IU
80286寄存器组 80286具有15个16位的寄存器组，可以分成三组：通用寄存器、 段寄存器、状态和控制寄存器。其中通用寄存器和段寄存器与 8086完全，一样，而状态和控制寄存器中有3个专用寄存器，用来 记录或控制80286的某些状态，包括状态标志寄存器(F)、指令 指示器IP)、机器状态字寄存器(MSW)。 （1)指令指示器1P。这个16位的寄存器用来指出下一条要执行 的指令偏移地址。 (2)状态标志寄存器F。F寄存器用来记录算术或逻辑运算类指 令操作结果的性质，在进行1/O操作时，1/O所在的特权级，也由 F寄存器来记录。 1/0特权标志10PL(第12、13位)：用来指定I/0操作时处于0~3 4 特权级中的哪一级。 嵌套任务标志NT(第14位)：用来表示当前执行的任务是否嵌套 在另一个任务内。当NT=1时，表示当前任务被嵌套于另一个任 务中，执行完该任务后，要返回到原来的任务中去。 (3)机器状态字寄存器MSW。MSW用来表示当前处理器所处 的状态，目前只使用了它的低4位，其中一位用来使CPU进入虚 地址保护方式，其他三位则起控制协处理器接口作用，其中，PE 为保护方式允许位，用来启动微处理器工作方式，当PE=0,为 卖地址方式，PE=1,为虚地址方式。 Ji Lin University China CPI/E2 CENCE AND/里C是OG
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 80286寄存器组 • 80286具有15个16位的寄存器组，可以分成三组：通用寄存器、 段寄存器、状态和控制寄存器。其中通用寄存器和段寄存器与 8086完全一样，而状态和控制寄存器中有3个专用寄存器，用来 记录或控制80286的某些状态，包括状态标志寄存器(F)、指令 指示器(IP)、机器状态字寄存器(MSW)。 • （1）指令指示器IP。这个16位的寄存器用来指出下一条要执行 的指令偏移地址。 • （2）状态标志寄存器F。F寄存器用来记录算术或逻辑运算类指 令操作结果的性质，在进行I/O操作时，I/O所在的特权级，也由 F寄存器来记录。 • I/O特权标志IOPL(第12、13位)：用来指定I/O操作时处于0～3 特权级中的哪一级。 • 嵌套任务标志NT(第14位)：用来表示当前执行的任务是否嵌套 在另一个任务内。当NT=1时，表示当前任务被嵌套于另一个任 务中，执行完该任务后，要返回到原来的任务中去。 • （3）机器状态字寄存器MSW。MSW用来表示当前处理器所处 的状态，目前只使用了它的低4位，其中一位用来使CPU进入虚 地址保护方式，其他三位则起控制协处理器接口作用，其中，PE 为保护方式允许位，用来启动微处理器工作方式，当PE=0，为 实地址方式，PE=1，为虚地址方式
机器状态寄存器MSW功能表 位 名称 功能 0 PE 保护方式允许，把80286置于保护方式，并且除RESET外，不能被消除。 MP 监督协处理器：允许WAIT指令引起“协处理器不存在异常。” 2 EM 仿真协处理器：当$C指令允许仿真一个协处理器时，将引起“协处理器不存在异常”。 任务转换：表示下一条若使用协处理器指令时，将会引起异常，允许用软件测试当 3 TS 前协处理器处理的上、下文是否属于当前任务。 ● 当执行RESET后，MSW被自动置成FFF0H,即将80286 置成实地址方式。用LMSW和SMSW指令可在实地址方 式装入和存储机器状态字存储器的内容。 Ji Lin University China COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 机器状态寄存器MSW功能表 • 当执行RESET后，MSW被自动置成FFF0H，即将80286 置成实地址方式。用LMSW和SMSW指令可在实地址方 式装入和存储机器状态字存储器的内容。 表3.1.1 机器状态寄存器功能表 位 名称 功能 0 PE 保护方式允许，把80286置于保护方式，并且除RESET外，不能被消除。 1 MP 监督协处理器：允许WAIT指令引起“协处理器不存在异常。” 2 EM 仿真协处理器：当ESC指令允许仿真一个协处理器时，将引起“协处理器不存在异常”。 3 TS 任务转换：表示下一条若使用协处理器指令时，将会引起异常，允许用软件测试当 前协处理器处理的上、下文是否属于当前任务
80286的实地址与虚地址正保护万 式 ● 1.80826的实地址方式 80826的实地址方式与8086工作方式 基本相同。为了和8086兼容，80826的24根地址线中只有低20 位A1g~A有用，因此，在实地址方式可寻址空间为1MB。在实 地址方式中，80826保留了两个固定的存储区域。在存储器高端 OFFFFOH~OFFFFFH保留的是系统初始化区。在存储器低端 000000H~0003FFH,存放的是中断矢量表。 ● 2.80826虚地址保护方式，80826在实地址方式下操作只相当 于一个快速的8086，而在虚地址保护方式下操作才能充分发挥 80286的作用。 在虚地址保护方式中，80826用实地址方式的功能和存储器管理、 对虚拟存储器的支持以及对地址空间的保护合为一体，从而使 80826能可靠地支持多用户系统。在虚地址保护方式中，80826 的24根地址线A23,~A全被用上，因此，可直接寻址的地址空间 范围为16MB。,80826通过集成在片内的保护机构，能给每个任 务提供最大可达1000MB的虚拟存储空间。 虚拟地址保护方式的物理存储器也是由两部分组成的，即段基地 址和段内偏移量。段基地址是24位的，将段基地址和相应特征集 醇簣起成张表一描述符表存放在存储器的果二区 在虚地址保护方式下各段寄存器的内容，不再是段基地址 而是 个参数，用这个参数从描述符表中取出相应的描述符，就 找到了 段基地址，与16位偏移量相加形成了所要寻址单元的物理 地址。 Ji Lin University China
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 80286的实地址与虚地址保护方 式 • 1. 80826 80826的实地址方式与8086工作方式 基本相同。为了和8086兼容，80826的24根地址线中只有低20 位A19～A0有用，因此，在实地址方式可寻址空间为1MB。在实 地址方式中，80826保留了两个固定的存储区域。在存储器高端 0FFFF0H～0FFFFFH保留的是系统初始化区。在存储器低端 000000H～0003FFH，存放的是中断矢量表。 • 2. 80826 80826在实地址方式下操作只相当 于一个快速的8086，而在虚地址保护方式下操作才能充分发挥 80286的作用。 • 在虚地址保护方式中，80826用实地址方式的功能和存储器管理、 对虚拟存储器的支持以及对地址空间的保护合为一体，从而使 80826能可靠地支持多用户系统。在虚地址保护方式中，80826 的24根地址线A23～A0全被用上，因此，可直接寻址的地址空间 范围为16MB。80826通过集成在片内的保护机构，能给每个任 务提供最大可达1000MB的虚拟存储空间。 • 虚拟地址保护方式的物理存储器也是由两部分组成的，即段基地 址和段内偏移量。段基地址是24位的，将段基地址和相应特征集 合在一起形成一张表——描述符表，存放在存储器的某一区域。 于是，在虚地址保护方式下各段寄存器的内容，不再是段基地址 而是一个参数，用这个参数从描述符表中取出相应的描述符，就 找到了段基地址，与16位偏移量相加形成了所要寻址单元的物理 地址
