微机原理x系列结构微处理器与.ppt
第 2 章 80 x86系列结构微处理器与8086,复习,（8A）H=（）D微处理器、微型计算机和微型计算机系统的区别是什么？奔腾系列的微处理器的字长是多少？后期进一步掌握：CPU的内部结构、程序的执行过程和寻址方式,第 2 章 80 x86系列结构微处理器与8086,本章讲述：2.1 80 x86系列微处理器是8086的延伸2.2 8086的功能结构2.3 8086微处理器的执行环境,2.1 80 x86系列微处理器是8086的延伸,功能扩展从16位扩展为32位，目前正向64位转移32位地址的寻址空间为4GB，大于主流计算机实际内存配置，尚有应用余地从实模式至保护模式实现操作系统核心程序和应用程序的严格隔离，多任务之间完全隔离虚拟内存：匀出一部分硬盘空间来充当内存使用。当内存耗尽时，电脑就会自动调用硬盘来充当内存,流水线：在CPU中把一条指令分解成多个可单独处理的操作，使每个操作在一个专门的硬件站（stage）上执行，这样一条指令需要顺序地经过流水线中多个站的处理才能完成，但是前后相连的几条指令可以依次流入流水线中，在多个站间重叠执行，因此可以实现指令的并行处理。,2.1 80 x86系列微处理器是8086的延伸,80 x86性能的提高：流水线、超标量与CACHE,2.1 80 x86系列微处理器是8086的延伸,五级流水线：PF(预取)：处理器从代码cache中预取指令D1(译码阶段1)：处理器对指令译码确定操作码和寻址信 息。D2(译码阶段2)：产生访问存储器的地址EX(执行)：处理器或者访问数据cache，或者利用ALU等功能单元计算结果WB(写回)：利用指令运行结果更新寄存器和标志寄存器,80 x86性能的提高：流水线、超标量与CACHE,2.1 80 x86系列微处理器是8086的延伸,80486的指令分PF、D1、D2、EX、WB五个操作步骤,0,1,2,3,4,5,6,8,7,时间,i1,i2,i3,i4,2.1 80 x86系列微处理器是8086的延伸,2、超标量：配置多个执行部件和指令译码电路，能同时执行多条指令。,Pentium由三个执行单元组织而成，一个执行浮点指令，另两个执行整型指令（U流水线和V流水线），这意味着Pentium同时可以执行三条指令,超标量,2.1 80 x86系列微处理器是8086的延伸,3、CACHE存储器的集成度和工作速度相对于CPU差一个数量级减少存储器中取指令和数据的时间，利用指令执行的局部性原理，把近期可能用到的指令与数据放在工作速度比存储器更高的缓存中,2.2 8086的功能结构,指令的执行过程取指令指令译码指令执行在指令执行时根据需要在存储器中存取操作数。在8位微处理器中指令都是直接从存储器中取出处理器串行工作,2.2 8086的功能结构,串行工作方式,1）CPU执行指令时总线处于空闲状态2）CPU访问存储器(存取数据或指令)时要等待总线操作的完成,时间,缺点：CPU无法全速运行解决：总线空闲时预取指令，使CPU需要指令时能立刻得到,2.2 8086的功能结构,从功能上来说分成两大部分，总线接口单元 BIU（Bus Interface Unit)和执行单元 EU（Execution Unit).BIU:负责与存储器接口，即8086与存储器之间的信息传送，都是由BIU负责进行的,即：(1)BIU从内存的指定部分取出指令，送至指令队列排队。(2)从内存的指定部分取出执行指令时所需的操作数，送至EU部分 EU:负责指令的执行,内部暂存器,IP,ES,SS,DS,CS,输入/输出控制电路,外部总线,执行部分控制电路,1 2 3 4 5 6,ALU,标志寄存器,AH AL,BH BL,CH CL,DH DL,SP,BP,SI,DI,通用寄存器,地址加法器,指令队列缓冲器,执行部件（EU),总线接口部件（BIU),16位,20位,16位,8位,2.2 8086的功能结构,AX BX CX DX,算术逻辑单元 负责各种算术和逻辑运算。地址加法器 将左移 4 位的段寄存器的内容与偏移地址相加，形成 20 位的物理地址，以便对 1 兆空间的存储器寻址。指令队列 指令队列中包含若干个（80866个）8 位寄存器，用于顺序存放从存储器中取出的指令，供执行单元执行。输入/输出控制电路 提供系统总线的控制信号，实现数据、地址和状态信息的分时传送。执行单元控制电路 控制、定时与状态逻辑电路。用于控制执行单元中各部件按指定的要求协调工作。,2.2 8086的功能结构,并行工作方式,BIU,8086微处理器的执行顺序,EU,8086的并行流水线操作,CPU包括两大部分：EU和BIUBIU不断地从存储器取指令送入IPQ，EU不断地从IPQ取出指令执行EU和BIU构成了一个简单的2工位流水线指令预取队列IPQ是实现流水线操作的关键（类似于工厂流水线的传送带）新型CPU将一条指令划分成更多的阶段，以便可以同时执行更多的指令例如，PIII为14个阶段，P4为20个阶段(超级流水线),2.3 8086微处理器的执行环境,AH AL BH BL CH CL DH DL,AX BX CX DX,SP BP SI DI,IP FLAG,CS DS SS ES,(A)累加器 基地址寄存器 计数器 数据寄存器,堆栈指针寄存器 基地址寄存器 源变址寄存器 目的变址寄存器,(PC)指令指针寄存器(PSW)状态标志寄存器,代码段寄存器 数据段寄存器 堆栈段寄存器 附加段寄存器,通用寄存器,控制寄存器,段寄存器,8位寄存器,16位寄存器,执行环境包括内存地址空间和各类寄存器,状态标志寄存器,进位标志C（Carry Flag）当结果的最高位产生一个进位或借位，则C=1，否则C=0。溢出标志O（Overflow Flag）在算术运算中，带符号数的运算结果超出了8位或16位 带符号数能表达的范围，则O=1，否则O=0。8位（字节）运算-128+127 16位（字）运算-32768+32767 符号标志S（Sign Flag）结果的最高位（D15或D7）为1，则S=1，否则 S=0。零标志Z（Zero Flag）若运算的结果为0，则Z=1，否则Z=0。奇偶标志P（Parity Flag）若结果中1的个数为偶数，则P=1，否则，P=0。辅助进位标志A（Auxitiary Flag）在字节操作时，由低半字节(第3位)向高半字节，字操作时低字节向高字节有进位或借位，则A=1，否则A=0。方向 标志（Direction Flag）D=1，串操作时地址自动减量，D=0，串操作时地址自 动增量。中断允许标志（Interruptenable Flag）I=1，则允许CPU接收外部的中断请求，I=0，则屏蔽外部中断请求。追踪标志（Trace Flag）T=1，使处理进入单步方式，以便于调试。,例：两个带符号数 64 h,64 h 相加。0 1 1 0 0 1 0 0+0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0,O=1（运算结果超过127）；S=1；（符号标志）Z=0；（是否为0）A=0；（辅助进位标志）P=0；（奇偶标志）C=0。（进位、借位标志）,三、存储器组织1.存储器分段 8086有20条地址线，它的直接寻址能力为 220=1M，所以在一个8086组成的系统中，可以有多达1M字节的存储器，这1M字节在逻辑上可以组成一个线性矩阵，地址从00000到FFFFF。给定一个20位的地址，就可以从中取出所需的指令和数据。在8086内部，ALU 能进行16位的运算，有关地址寄存器如：IP、SP、BX、BP、SI、DI等都是16位的，因而对地址的运算也只能是16位。其寻址的范围最多是216=64K。在8086中怎样形成这20位的地址呢？分段！将内存的1M字节以64K为范围，分成若干段；在8086中设置4个段寄存器CS、DS、SS、ES，在寻址一个具体的内存单元（物理地址）时，由一个段寄存器中保存的16位基地址，加上由IP（或SP，或BP，或BX，或SI，或DI）中保存的、可由CPU处理的16位偏移量，来形成20位的物理地址。在形成物理地址时，地址加法器将段寄存器中的16位数左移4位，然后与16位偏移地址相加，形成20位的物理地址。,三、存储器组织,当前可寻址的存储器段（堆栈段和附加段重叠）,存储器单元地址的表示,（1）偏移地址以16位二进制数表示某段内存储器 单元的地址。,（2）逻辑地址以段地址与偏移地址同时表示某存 储器单元的地址。,（3）物理地址表示某存储器单元的实际接线地址。即表示存储器单元的唯一地址。,存储器单元物理地址的计算,偏移地址：IP（指令指针）SP（堆栈指示器）BX（基址指针）BP（基数指示器）SI（源变址寄存器）DI（目的源变址寄存器）,段地址：CS（代码段段寄存器）DS（数据段段寄存器）SS（堆栈段段寄存器）ES（附加段段寄存器）,举例:,（1）计算存储器单元11A7：D870的物理地址。,存储器单元的逻辑地址 11A7：D870,段地址 偏移地址,物理地址=（11A7H 10H）+D870H,=11A70H+D870H,=1F2E0H,（2）已知某数据段段地址为121AH，请写出该数据段 首、末单元的物理地址。,首物理地址=（121A 10H）+0000H=121A0H,该段最大存储容量为64K（216=10000H）,末物理地址=首物理地址+（216-1）,=121A0H+FFFFH,数据段段地址（DS）=121AH,=2219FH,1 1 A 7 0 H+D 8 7 0 H 1 F 2 E 0 H,1 2 1 A 0 H+F F F F H 2 2 1 9 F H,20,220=FFFFF h+1,00000 h00001 h00002 h00003 h,FFFFE hFFFFF h,16,216=FFFF h+1,10000 h10001 h10002 h1FFFE h1FFFF h,10000 h10001 h1FFFF h,1000:0000 h1000:0001 h1000:0002 h1000:FFFE h1000:FFFF h,注意：1M空间可以分成若干段，每段最多64K字节地址空间；每段的起始地址必须能被16整除；各段之间可以重叠。物理地址与逻辑地址 逻辑地址程序中编排的地址，由段地址和段内偏移地址 组成；物理地址信息、数据在存储器中实际存放的地址。,三、存储器组织,第2章 作业,补充：执行下面的运算后，FLAGS中各状态标志是什么值？5439H+456AH 习题P42：2.7；2.9；2.14；2.16,
