微型计算机原理与应用课件 09

1、1,微型计算机原理及应用,中南大学 中国水利水电出版社,2,第9章 从8086/8088到Pentium的技术变迁 9.1 80286CPU 80286是继8086/8088之后推出的一种增强型标准16位微处理器。与8086/8088相比，它在结构上有很大改进，性能上有明显提高。这主要体现在以下几个方面： （1）80286内部有执行单元EU（Execution Unit）、地址单元AU（Address Unit）、指令单元IU（Instruction Unit）和总线单元BU（Bus Unit）4个独立的部件并行操作，可实现4级流水线作业，提高了吞吐率，加快了处理速度。 （2）80286的地址总线和数据总线完全分开，不再像8086/8088那样采用数据总线和低16位/8位地址线分时复用方式，具有独立的数据线16条、地址线24条。,3,（3）80286是第一个具有多任务处理指令而又与8086兼容的芯片。它提供了许多新指令及专用保护方式使处理器在各种任务间快速而方便地切换。 （4）80286的存储器管理可以实现在实地址和保护虚地址两种方式下访问存储器。无论在哪一种方式下，80286的存储空

2、间仍采用分段管理，每段最大长度仍为64KB。但是，在这两种方式下，24条地址线（A23A0）的使用情况不同。 （5）80286提供了4个等级的特权系统和3种形式的保护机构，以实现操作系统与任务之间、任务与任务之间、任务内程序与数据之间的相互隔离与保护。特权系统和保护机构保证了虚址空间到实址空间的安全转换。,4,9.2 80386CPU 80386是针对多用户和多任务的应用而推出的32位微处理器。它和8086/8088/80286在目标代码级保持了完全的兼容性。与80286相比，80386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，除80286具有的各种寄存器外，还有若干控制寄存器、调试寄存器和测试寄存器，而且寄存器的容量都扩充到了32位，因此80386是第一个真正具有全32位数据处理能力的微处理器。 （2）80386内部由总线接口单元、指令预取单元、指令译码单元、指令执行单元、段管理单元和页管理单元6个独立的部件组成。这些部件可以独立并行操作，构成6级流水线结构，使处理器在同一时间内可以进行指令的执行、预取、译码、存储器管理和访问等工作。处理过程的流水机制使80386

3、处理器的性能有了很大的提高，运算速度大大加快。80386的时钟有16MHz、20MHz、25MHz和33MHz等多种，在16MHz时钟下，执行速度达34MIPS，总线上的数据传送速度为32MB/s。,5,（3）片内存储器管理机制可实现段式、页式或段页式存储管理，比80286可提供更大的虚拟存储空间（246B，即64TB）和物理存储空间（232B，即4GB）。 （4）80386新增了一种保护模式下的工作方式，即虚拟8086方式。这种方式允许在受保护的和分页的系统中运行8086的软件。因此，80386共有三种工作方式：实地址方式、保护虚地址方式和保护虚拟8086方式（简称虚拟8086方式）。 （5）提供了32位外部总线接口，最大数据传输率显著提高。总线接口支持动态数据宽度控制，能自动地在16位和32位数据总线之间进行切换，以适应不同位数的存储器和I/O设备。,6,9.3 80486CPU 80486与80386相比也作了很多改进，其特点主要表现在以下几点： （1）80486采用的是单倍时钟频率，即在80486CPU的CLK端输入的外部时钟频率就是其内部处理器的工作时钟频率，因此可大大增加电

4、路的稳定性。 （2）在指令单元采用RISC技术和流水线技术，减少了不规则的控制部分，而且将使用频度较高的基本指令由原来的微代码控制改为硬件逻辑直接控制，从而使执行指令的时钟数大大减少，可变长指令的译码时间大大缩短，大部分基本指令可在一个时钟周期完成，平均指令执行速度达到1.2条指令/时钟。 （3）内含8KB的高速缓存（Cache），用于对频繁访问的指令和数据实现快速的混合存放，高速缓存系统截取80486对内存的访问。,7,（4）80486芯片内包含了相当于增强型80387功能的浮点协处理器（FPU）。与386系统中外置的80387芯片相比，其浮点处理速度提高了35倍。 （5）与80386相比，80486内部数据总线的宽度并不都只限于32位，而是有32位、64位和128位多种，分别用于不同单元之间的数据通路，对于加快数据传输速度、缩短指令执行时间也有重要作用。 （6）采用了突发（Burst）式总线传输方式，使系统取得一个地址后，与该地址相关的一组数据都可以进行输入/输出，有效地解决了CPU与存储器之间的数据交换问题。 （7）面向多处理器结构，在总线接口部件上增加了总线监视功能，以保证构成

5、多机系统时的高速缓存一致性；增加了支持多机操作的指令。 （8）对某些内部寄存器（如控制寄存器）中的部分位的内容进行了变动和增加。,8,9.4 Pentium CPU 与80486相比，Pentium有以下重要改进： （1）超标量结构和超级流水线技术。Pentium微处理器内设两条指令流水线，即“U”流水线和“V”流水线。 （2）高性能的浮点运算单元。 （3）独立的指令Cache和数据Cache，支持多处理器系统。Pentium微处理器内置了16KB的L1级超高速缓冲存储器，8KB用于数据，8KB用于代码，这样可以避免预取指令和数据发生争用总线的情况，有利于改善处理器的性能。 （4）分支指令的预测。 （5）指令固化。 （6）增强的64位外部数据总线。 （7）具有保护内部数据安全性的功能。 （8）灵活的存储器页面管理。 （9）更多的可测性设计。,9,9.5 80386/80486/Pentium多任务与多用户系统 9.5.1 80386多任务与多用户系统 9.5.2 80486多任务与多用户系统 80486也是Intel的第一个内部包含数字协处理器的CPU，并在80x86系列中首次使用了R

6、ISC（精简指令集）技术，从而提升了每时钟周期执行指令的速度。80486还采用了突发总线方式，大大提高了处理器与内存的数据交换速度。由于这些改进，80486的性能比带有80387数学协处理器的80386快了4倍多。,10,9.5.3 Pentium多任务与多用户系统 Pentium处理器集成了310万个晶体管，最初推出的初始频率为60MHz、66MHz，后来提升到200MHz以上。,11,9.6 80386/80486/Pentium微机系统 在微处理器发展的同时，不少厂家正在从事外围芯片改进工作，其特点是将若干个外围芯片电路集成在一个芯片内，形成微处理器配套芯片。例如VLSI Technology公司的VL82C310/VL82C311芯片用在基于286或386SX的微机系统中，在一个芯片内集成了下列外围电路：两个82C37DMA控制器、两个82C59可编程中断控制器、82C54可编程定时器、82284时钟与Ready生成器、82288总线控制器和地址/数据总线控制逻辑、存储器控制、刷新形成逻辑和刷新/DMA仲裁器。为此可以用少量芯片构成微机系统，为设计、生产兼容机提供了方便。,12

7、,9.7 80386/80486/Pentium的指令系统及汇编语言编程 1实地址方式下的32位微处理器指令系统 8086的目标代码程序可以不加修改地在8086以上的32位微处理器的实地址方式下正常运行，但是32位微处理器的硬件结构扩充和增加了许多指令。 （1）32位微处理器提供了32位寄存器，支持32位地址寻址，可以使用32位偏移量来进行存储器寻址，可以使用32位通用寄存器EAX、EBA、ECX、EDX、ESI、EDI、ESP和EBP作为基地址寄存器和变址寄存器（除ESP）。32位微处理器在实地址方式下的物理地址最多有21位有效位可在000000H1FFFEFH范围内寻址（因为32位微处理器实际上使用32位地址访问存储器）。例如，要访问FFFFH:FFFFH内存单元，在8086系统中，CPU计算物理地址得10FFEFH，舍弃最高位“1”，访问0FFEFH单元，而在32位系统中，CPU计算物理地址得10FFEFH，即访问10FFEFH内存单元,13,（2）扩大了原有的指令工作范围，这些指令有： 1）LFS reg, mem：将指令mem装入reg和FS，reg可以是16位，也可以是32

8、位。 2）LGS reg, mem：将指针mem装入reg和FS，reg可以是16位，也可以是32位。 3）LSS reg, mem：将指针mem装入reg和SS，reg可以是16位，也可以是32位。 4）JECXZ dest：ECX=0，转移到dest指出的目的地址。 5）PUSH FS、PUSH GS、POP FS和POP GS：FS和GS寄存器进栈、出栈指令。 6）PUSH/PUSHAD：将全部通用寄存器进栈，进栈次序为：AX、CX、DX、BX、SP、BP、SI、DI/EAX、ECX、EDX、EBX、ESP、EBP、ESI、EDI。 7）POPA/POPAD：从堆栈弹出全部通用寄存器，弹出次序与PUSHA/PUSHAD相反。 8）PUSHFD：将EFLAGS进栈。 9）POPFD：从堆栈弹出EFLAGS。 10）PUSH imm：imm为立即数，该指令可将立即数进栈，imm可以是data8、data16、data32，若为data8，则符号扩展。,14,232位微处理器扩充指令 80386以上的微处理器还扩展了某些指令功能，这些指令有： （1）IMUL dest, srcl, s

9、rc2：立即数乘法指令，dest为reg16，srcl为reg16、mem16，src2为data8、data16。 功能：destsrc1（被乘数）* src2（乘数）。 注意：结果只能是16位。 （2）CDQ：EAX中的双字扩展为EAX:EAX中的四字。 （3）CWDE：将AX中的字扩展为EAX的双字。 （4）SAL/SHL/SAR/SHR dest, count：dest是位移对象，可为reg或mem；count是位移对象，可为data8或CL。,15,（5）RCL/RCR/ROL/ROR dest, count：dest和count要求同SAL。 （6）SHLD dest, src, count：双精度左移指令，使双精度量左移产生一个单精度量，dest可以是reg或mem，src为reg，count为data8或CL。 功能：dest左移count次，移出位送CF，右端空出位用src的高位部分填补，src不变。 （7）SHRD dest,src,count：双精度右移指令，dest、src、count要求同SHLD指令，功能为右移，类似SHLD。 （8）MOVSD/CMPSD/LODSD/STOSD/SCASD：这5条串操作指令实现了32位数据的串操作，源地址为DS:ESI或EXA，目的操作数为ES:EDI或EXA，功能同MOVSB/CMPSB/ LODSB/STOB/SCASB，并按DF值自动修改ESI/EDI指针。,16,（9）INS dest, DX：从I/O端口输入串到存储器。其中，dest为mem规定ES:EDI/DI DX，按DF值修改EDI/DI指针。 （10）INSB/INSW/INSD：功能同INS，传送单位由助记符中的B/W/D指定为字节/字/双字。 INS/INSB/INSW/INSD指令可以采用REP前缀。 （11）OUT DX, src：src为mem规定DS:ESI/SI，DX存放输出端口地址。功能为DXDS:ESI/SI，按DF值修改ESI/SI指针。 （12）OUTSB/OUTSW/OUTSD：功能同OUTS，传送单位由助记符中的B/W/D指定为字节/字/双字。 OUTSB/OUTSW/OUTSD指令可采用REF前缀。 （13）LOOPDW dest：CXCX-1，CX0转移到dest（以“标号”标识）的目的地址。,

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