微型计算机原理与接口技术第二版-刘彦文 等-第2章-2

2.2.2 80386微处理器 1985年，Intel公司首次生产出32位结构的80386 微处理器，它有32位片外数据总线和32位地址总 线，直接寻址能力为4GB，内部寄存器与内部数 据总线都是32位，但段寄存器仍为16位。80386 首次将32位的寄存器组引入80X86体系中，它们 都能够用于数值计算和寻址操作。每个32位寄存 器的低半部分与8086、80286的16位寄存器具有 相同的含义。
2) Pentium Pro/Ⅱ/Ⅲ微处理器 Intel公司于1995年推出了Pentium Pro，随后又推出了 PentiumⅡ和PentiumⅢ。Pentium Pro内部具有三条大 规模流水线，能够超前预测、超顺序执行，在每个CPU 时钟内可以执行三条指令。 Pentium Pro/Ⅱ/Ⅲ微处理器主要分成三大部分：顺序 处理的前端部件，超顺序处理的微处理器内核，顺序处 理器退回部件。在PentiumⅡCPU中有12级流水线，指 令在每一级所用的时间只有Pentium中的33%。 PentiumⅡ和Pentium Ⅲ采用了Pentium Pro内核，并融 合了多媒体MMX处理技术，增加了多媒体处理指令，整 体处理能力进一步加强。
2. Pentium对寄存器的扩展 1) EFLAGS标志寄存器 EFLAGS标志寄存器增加了VIF、VIP 2位，以控 制Pentium虚拟8086模式扩充部分的虚拟中断， 增加了一个附加ID位，表示允许软件测试微处理 器ID指令读取标识码与否，如图2.25(p46)所示。 另外，标志寄存器位1、3、5、15、22~31是 Intel保留的，其余14个标志的含义与80486相同， 参考图2.23(p43)。
2. 80486微处理器的寄存器结构 80486与80386在结构上基本一致，其编程所使 用的寄存器大部分是相同的，只是对标志寄存器 和控制寄存器进行了扩展，以适应80486性能上 的改进。 80486扩展后的标志寄存器EFLAGS，如图2.23 所示（p43），只比80386多一位(D18位)AC，为 地址对齐检查位。 80486在80386基础上扩展后的控制寄存器 CR0(如图2.24所示)，比80386的CR0增加了5位标 志位，即CE、WT、AM、WP和NE，并改进了一 个标志MP。
(3) 80386的段描述符缓冲寄存器 每个任务都有自己的若干个段描述符，当段寄存 器装入段选择符后，段描述符由微处理器的硬件 自动装入段描述符缓冲寄存器中，无需用户操作。
4) 描述符表与描述符表寄存器 80386段基址是由一个8个字节的段描述符所确 定的。相关的段描述符存放在内存的某个区域， 称为描述符表，80386有三种类型的描述符表： 全局描述符表(GDT)、局部描述符表(LDT)和中 断描述符表(IDT)。
80386微处理器有6个段寄存器：代码段CS、数 据段DS、堆栈段SS和3个附加数据段ES、FS和 GS寄存器。一个程序可以拥有多个段，在运行 程序之前，必须先给它们分配地址，加载相应的 段寄存器。
3) 80386的段描述符及段描述符缓冲寄存器 (1) 80386的段描述符 段描述符由2个双字即64位组成，用来提供段的 基址、段长、段类型以及当前特权级等段的信息。 图2.20(p39)是段描述符结构图。 (2) 描述符表 段描述符集中存放在描述符表中。描述符表的长 度是可变的，表的最大容量为1024个段描述符， 共占用8192个字节如图2.21(p40)所示。
第2章 80X86微处理器结构(2)
2.2 80X86微处理器
1982年，Intel公司推出80X86系列的第二代微处 理器80286。它具有虚拟存储、特权保护和任务 管理等功能。1985年，Intel的32位微处理器 80386面市，在体系结构设计上进行了改变和创 新。此后，又相继推出了80486、Pentium、 Pentium Pro、PentiumⅡ、PentiumⅢ、 PentiumⅣ等80X86系列高档微处理器。
2) 控制寄存器 CR0中新增加了2位，一位是CD(Cache Disable) 标志位，当CD=0时，表示缺失(misses)将引起 Cache填充，使用新数据去填充；CD=1不填充。 另一位是NW(Not Write throug)标志位，当 NW=1时，数据Cache被禁止Cache写通。 CR1～CR3同80386和80486。 Pentium定义了一个新控制寄存器CR4，CR4包含 了一些允许对Intel 80486结构作某些扩充的位。 CR4中第31～7位Intel保留。
1) 通用寄存器 80386中有8个32位的通用寄存器，如图2.18所 示。这些通用寄存器是8086、80286的16位通用 寄存器的扩展，命名为EAX、EBX、ECX、EDX、 ESI、EDI、EBP和ESP。 每一个寄存器都可以存 放数据或地址，可以存放8、16和32位数据操作 数，也可以存放16位和32位的地址操作数。
1. 80386微处理器内部结构 80386内部由6个能并行操作的功能部件组成， 即总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件、 指令执行部件、分段部件和分页部件。这些部件 按流水线结构设计，指令的预取、译码、执行等 步骤由对应的部件并行处理。处理器可同时执行 多条指令，提高了CPU的处理速度。
1) 总线接口部件 2) 指令预取部件、指令译码部件和指令执行部件 tium的工作模式 Pentium微处理器具有以下4种工作模式。 (1) 实地址模式(real address mode)。 (2) 保护虚拟地址模式(protected virtual address mode)。 (3) 虚拟8086模式(virtual 8086 mode)。 (4) 系统管理模式(system management mode)。
5) 控制寄存器 80386内部有3个32位的控制寄存器CR0、CR2、 CR3，CR１未定义。这些控制寄存器用来保存机 器的各种全局性状态，这些状态影响系统所有任 务的运行。它们主要提供给操作系统使用。 6) 指令指针寄存器和标志寄存器 (1) EIP：指令指针寄存器，32位。用于存放下 一条将要执行的指令的地址偏移量，寻址范围为 4GB。 (2) EFLAGS：标志寄存器。由原来的16位扩展 到32位，80386只使用了其中的14位。
2.2.1 80286微处理器 1. 80286微处理器内部结构 考虑到8086取指速度过慢，除了EU执行部件外， 80286内部结构中的总线接口部件又细分成地址 部件AU、指令部件IU和总线部件BU。这四个部 件能够并行工作，构成了取指令、指令译码和指 令执行重叠进行的流水线工作方式，提高了 80286的处理速度。
3. 80386微处理器的引脚信号 80386芯片共有132条引脚，包括32条数据总线， 32条地址总线以及17条控制信号线和其他信号线 等。与80286相比，除数据总线和地址总线的条 数分别由16条、24条增加到32条外，还多了几 个控制信号。与80286控制信号名称相同的那些 控制信号，与80286的含义也相同。
2.2.3 80486微处理器 80486的80486DX和80486SX，区别在于 80486SX片内没有集成浮点处理部件，80486DX 片内集成了浮点处理部件。 1. 80486微处理器的内部结构 Intel公司于1989年生产出80486微处理器。其基 础结构等同于80386，在寄存器组、寻址方式、 存储器管理、数据类型方面完全相同。
3. 80486的引脚信号 80486输入输出信号引脚类似于80386，但有些 信号不同，80486的引脚共168条。
2.2.4 Pentium微处理器 1. Pentium系列微处理器的结构特点 Pentium微处理器是一个拥有32位寄存器、64位 数据总线、36位地址总线、高性能浮点处理部件 的高性能微处理器，具有两条相对独立的指令并 行执行流水线，即“U”流水线和“V”流水线。在 这二条流水线中，有些处理部件是共用的，有些 是分开的。
在Pentium CPU中，总容量增加到16KB的第一级 Cache L1，分成8KB的指令Cache和8KB的数据 Cache，使取指与取数据可以并行操作。 片内还引入了分支预测表进行分支预测，用于提 高循环结构的执行性能。另外通过扩展使虚拟 8086模式更加有效，允许进行4MB和4KB的两种 方式分页。主寄存器组依然是32位，但内部的数 据通道为128位和256位，从而加速了内部的数 据传输；能够进行突发传输的外部数据总线被增 加到64位。
80286的内部结构是基于8086的，内部结构全部 为16位，即所有寄存器与总线都是16位的。地址 总线、数据总线、控制总线完全分开。24位地址 总线A23～A0，16位独立的数据总线D15～D0提高 了数据总线的传输能力。同时，80286将主频提 高到8～10MHz，从而使80286的性能比8086有 了较大的提高。
在U流水线中可以执行所有的整数和浮点指令， 在V流水线中可以执行简单的整数指令和一条异 常的FXCH指令。每条流水线都有自己独立的地 址生成逻辑、算术逻辑部件和数据高速缓存接口。 通过这两条流水线，微处理器能够在每个时钟周 期执行两条整数指令，或在每个时钟周期执行一 条浮点指令。如果两条浮点指令中有一条FXCH 指令，那么，在一个时钟周期可以执行两条浮点 指令。
在80286中，首次引入了80X86系列关于存储器 管理的保护模式，这种新的存储器管理模式将段 寄存器的内容当作选择器或者指向描述符表的指 针，由描述符表提供24位的物理基本地址(简称 基地址)、允许访问的最大物理内存空间为16MB。
2. 80286微处理器寄存器结构 1) 80286的寄存器组 与8086一样，80286有8个16位的通用寄存器和4 个段寄存器、1个指令指针寄存器IP，用途和含 义与8086的寄存器一样。 2) 80286标志寄存器 除了与8086一样的9个标志位外(参考图2.2)， 80286增加了2个标志，占3位，它们主要用于保 护模式 .
3) 机器状态字 机器状态字MSW如图2.17所示(p35)。 PE：保护允许位。 MP：协处理器监控位。 EM：模拟协处理器位。 TS：任务切换位。 除以上描述的寄存器外，还有任务寄存器TR和 描述符表寄存器GDTR、LDTR和IDTR。