32位微处理器.pptx
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1、第十一章第十一章 32位微处理器位微处理器 1.Pentium微处理器的外形和封装微处理器的外形和封装1993年开始推出,共生产三代:年开始推出,共生产三代:P5(Pentium 60/66)0.8 m,5V电压电压P54C(Pentium 75/90/100/120/133/150/166/200),0.6 m,3.8V电压电压P55C(Pentium MMX 166/200/233),0.35 m,2.8V电压电压集成度:集成度:310万晶体管万晶体管/片片第十一章第十一章 32位微处理器位微处理器 111 80386微处理器微处理器一一.80386的特点的特点:1.技术上技术上:流水线流
2、水线,虚拟存储器虚拟存储器,片内存储管理片内存储管理,存储器分段和分页存储器分段和分页 机构机构,四级保护机构四级保护机构;2.多任务多任务 多用户操作系统多用户操作系统,与与8086 80286兼容兼容;3.32条条DB和内部数据通道和内部数据通道(R ALU 内总线均为内总线均为32位位),可进行可进行8 16 32位数据处理位数据处理;4.寻址寻址:在实地址方式下在实地址方式下:232=4KMB(4GB)的物理空间的物理空间,在虚地址保护方式下在虚地址保护方式下:246=64MMB=64TB虚拟存储空间虚拟存储空间;5.M按段组织按段组织:一个段最长一个段最长=4KMB 即即:64TB虚
3、拟存储空间虚拟存储空间=16384段段;(即允许一个任务可包(即允许一个任务可包 含的含的 段)段)一一.80386的特点的特点:6.386芯片芯片:132条引脚封装条引脚封装,其耗散功率在其耗散功率在1.53.0W之间之间,时钟频率时钟频率=16MHZ,运行速度运行速度=3倍倍80286;7.三种工作方式三种工作方式:实地址方式实地址方式:即即386为一个高速的为一个高速的8086,目标代码与目标代码与 8086兼容兼容,寻址与寻址与8086相同相同;保护方式保护方式:虚拟存储空间虚拟存储空间,M按段页管理按段页管理,有四级保有四级保 护护 机构机构,寻址不同寻址不同;虚拟虚拟8086方式方
4、式:386像在实地址一样像在实地址一样,可执行可执行8086的应的应 用程序用程序,同时可运行同时可运行386的的 操作系统及操作系统及 程序程序.保护方式是最常用的保护方式是最常用的,最具特色的方式最具特色的方式,也称本性方式也称本性方式.8.硬件支持多任务硬件支持多任务,一条指令可以完成任务一条指令可以完成任务转换转换,转换时间在转换时间在17us内内.9.4级特权级级特权级,很强的抑制病毒感染的能力很强的抑制病毒感染的能力,在用户之间在用户之间用户和操作系统之间形成严用户和操作系统之间形成严格的隔离保护格的隔离保护.一一.80386的特点的特点:采用采用296引脚的引脚栅格阵列(引脚的引
5、脚栅格阵列(PGA)陶瓷封装技术)陶瓷封装技术 (386为为132引脚引脚)二二.80386的结构的结构6级流水线结构级流水线结构:1.总线接口部件总线接口部件(BIU):高速接口高速接口,产生产生AD DB CB信号信号,总线周期仅为总线周期仅为2个时钟周期个时钟周期;2.指令预取部件指令预取部件(IPU):16字节的预取队列寄存器字节的预取队列寄存器,约存放约存放 5条指令条指令;3.指令译码部件指令译码部件(IDU):对指令的操作码预译码对指令的操作码预译码,后送入后送入“已已 译码指令队列译码指令队列”中等待中等待EU执行执行;4.执行部件执行部件(EU):包括包括ALU R 桶形移位
6、桶形移位R和乘除硬和乘除硬 件件(64位位)保护测试部件保护测试部件 控制部件控制部件;二二.80386的结构的结构5.段管理部件段管理部件(SU):实现有效地址的计算实现有效地址的计算,完成从逻完成从逻 辑地址到线性地址的转换辑地址到线性地址的转换,且送且送 PU;(管理逻辑地址空间管理逻辑地址空间)6.页管理部件页管理部件(PU):完成从线性地址到物理地址的转完成从线性地址到物理地址的转 换换;(管理物理地址空间管理物理地址空间)规定规定:1页页=4KB 1段段=4KMB=4096MB=4GB (最大最大)1个任务个任务=16K段段 =16K*4KMB=64MMB=64TB(允许允许)三三
7、.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:1.通用寄存器通用寄存器:8个个 ,均均32位位 在程序执行时暂时保存中间结果。在程序执行时暂时保存中间结果。在进行算术运算和逻辑运算时,通用寄存器任何一个在进行算术运算和逻辑运算时,通用寄存器任何一个都可以作为源操作数或目的操作数都可以作为源操作数或目的操作数A 累加器寄存器累加器寄存器B 基址寄存器基址寄存器C 计数寄存器计数寄存器D 数据寄存器数据寄存器例例:MOV ECX,12345678H MOV ECX,EDX三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:指针和变址寄存器指针和变址寄存器 ESP,EBP,ESI,EDI例例:MOV EA
8、X,ESP三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:例例:MOV EAX,BX+24 MOV DX,EAX+1500 MOV AX,BX+SI+50 MOV EAX,EDX+EBP+0FFFF000H三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:2.段寄存器段寄存器:6个个16位的位的;6个个64位的位的.CS 代码段代码段 SS 堆栈段堆栈段 DS 数据段数据段 ES 附加段附加段 FS 数据段数据段F GS数据段数据段G注注:在保护方式在保护方式 虚拟方式下虚拟方式下,各段寄存器各段寄存器(16位位)称为段选称为段选 择字择字,64位的则称为描述符位的则称为描述符 寄存器寄存器,它
9、们一一对应它们一一对应.但仍以但仍以CS,DS,ES,SS,FS,GS称称.三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:CSDSSSESFSGS程序员可见程序员可见访访问问权权限限访访问问权权限限基基址址界界限限01920515263段描述符高速缓冲寄存器(不可见)段描述符高速缓冲寄存器(不可见)三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:3.指令指针寄存器指令指针寄存器EIP:32位位,与与IP意义相同意义相同,为对为对CS的偏移地址的偏移地址.0151631EIP标志寄存器标志寄存器EF:32位位,低低12位是位是8086的的FR,低低16位是位是80286的的FR,低低18位是位
10、是80386的的FR.FLAGSEFLAGS同样同样,EIP EF均可用于均可用于16位位,(IP,FR)IP三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:EFLAGS31 17 16 15 14 13 12 11 0 VMRFNTIOPL保留保留1).IOPL标志标志:I/O特权级标志特权级标志.仅用于保护模式仅用于保护模式,表示表示I/O操作操作 处于处于03级特权中的哪一级级特权中的哪一级.00:特权级特权级0 01:-1 10:-2 11:-32).NT标志标志:任务嵌套标志任务嵌套标志.指出当前执行的任务是否嵌套于另指出当前执行的任务是否嵌套于另 一任务中一任务中.NT=1,表示嵌
11、套表示嵌套;NT=0,未嵌套未嵌套.NT也仅用于保护模式也仅用于保护模式,0或或1的置入由任务的控制转的置入由任务的控制转 移来实现移来实现.与与8086意义相同意义相同三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:3).VM标志标志:虚拟虚拟8086模式标志模式标志,VM=1,表示表示386在保护模式系统中已从保在保护模式系统中已从保 护模式转换为虚拟护模式转换为虚拟8086模式模式.VM由任务切换置由任务切换置1.PUSHF指令使指令使VM=0.4).RF标志标志:恢复标志恢复标志,用于在调试失败后用于在调试失败后,强迫程序恢强迫程序恢 复执行复执行.RF是配合调试寄存器的断点或单步操作
12、是配合调试寄存器的断点或单步操作 一起使用的一起使用的.在处理断点之前在处理断点之前,在两条指令之间对该位进行检查在两条指令之间对该位进行检查.当检查当检查RF=1时时,即使在下一条指令执行时遇到断点即使在下一条指令执行时遇到断点 或调试故障或调试故障,该故障也会被处理器该故障也会被处理器忽略忽略(即不产生异即不产生异 常中断常中断).三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:.在成功执行每一条指令后在成功执行每一条指令后,CPU将将RF自动清自动清0,准,准 备下一个断点中断。备下一个断点中断。.当接收到一个非调试故障的故障信号时当接收到一个非调试故障的故障信号时,CPU将将RF置置
13、1,即忽略该故障,不产生中断。,即忽略该故障,不产生中断。4.控制寄存器控制寄存器:4个个,均均32位位.CR0 CR1 CR2 CR3.供操作系统用供操作系统用.用于保存机器的各种全局性状态用于保存机器的各种全局性状态,以指挥系以指挥系 统所有任务的运行统所有任务的运行.三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:1).CR0:控制寄存器控制寄存器0:CR0的低的低4位组成机器状态字(位组成机器状态字(MSW):):保护允许位保护允许位 PE:0实模式;实模式;1保护模式保护模式 协处理器位协处理器位 MP:1(系统有数学协处理器系统有数学
14、协处理器)仿真协处理器位仿真协处理器位 EM:1(要求软件仿真要求软件仿真)任务切换位任务切换位TS:任务切换,切换任务时自动设置任务切换,切换任务时自动设置CR0中的中的PG位设置为位设置为1,表示允许分页,表示允许分页,即分页部件可工作即分页部件可工作.三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:2).CR2:页面故障线性地址寄存器页面故障线性地址寄存器:用于报告出错信息用于报告出错信息.当发生页异常时当发生页异常时,CPU把引起异常的把引起异常的32位线性地位线性地 址址 CR2中中;操作系统中的页异常处理程序通过检查操作系统中的页异常处理程序通过检查CR2的的 内容内容,可知线性地
15、址空间中的哪一页引起页故障可知线性地址空间中的哪一页引起页故障.3).CR3:页组目录基址寄存器页组目录基址寄存器:用于存放用于存放页目录表页目录表的物的物 理基地址理基地址.页目录表的基地址是以页目录表的基地址是以4KB为边界为边界,即低即低12位位 为为0 CR3的低的低12位为位为0,高高20位有效位有效.三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:存储器分页机制:存储器分页机制:CR0中的中的PG位设置为位设置为1,表示允许分页,表示允许分页CR3包含页目录基址,指向页目录的开头包含页目录基址,指向页目录的开头如果发生缺页,则将发生缺页的地址保存在如果发生缺页,则将发生缺页的地址保
16、存在CR2中中 11 0000000000000000000000000几个概念几个概念:1.描述符描述符(Descriptor):描述存储器段的属性的一个描述存储器段的属性的一个8字节的数据结构。字节的数据结构。2.描述符表描述符表:描述符表由描述符顺序排列组成,占内存一定描述符表由描述符顺序排列组成,占内存一定的区域,由系统地址寄存器(的区域,由系统地址寄存器(GDTR、IDTR、LDTR)指示其在物理存储器中的位置和大小指示其在物理存储器中的位置和大小 描述符表有三种:描述符表有三种:全局描述符表全局描述符表GDT 中断描述符表中断描述符表IDT 局部描述符表局部描述符表LDT空间的定义
17、空间的定义:一个任务占用的空间称一个任务占用的空间称局部空间局部空间,多个任多个任务共同占用的空间称务共同占用的空间称全局空间全局空间.如如:被各个任务共同调用的子程序和公被各个任务共同调用的子程序和公 共数据共数据,就放在全局空间中就放在全局空间中.局部空间只是某个任务可访问的局部空间只是某个任务可访问的M空间空间,而而全局空间是所有任务都能访问的全局空间是所有任务都能访问的M空间空间.一个任务由多段组成一个任务由多段组成.局部空间是相互隔离的局部空间是相互隔离的.三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:5.系统地址寄存器系统地址寄存器:4:4个个 2 2个系统地址寄存器个系统地址寄
18、存器:GDTR,IDTR:GDTR,IDTR 1).1).GDTR:GDTR:全局描述符表寄存器全局描述符表寄存器(48(48位位).).存放全局描述符表存放全局描述符表(GDT)(GDT)的的3232位线性基地址和位线性基地址和1616位限值位限值.即即GDTR在物理存储器地址空间中定义全局描述符表在物理存储器地址空间中定义全局描述符表GDT0151647GDTRBASELIMITBASE指示指示GDT在物理存储器中开始的位置在物理存储器中开始的位置LIMIT规定规定GDT的界限的界限LIMIT有有16位,从而位,从而GDT最大最大65536个字节,个字节,能够容纳能够容纳65536/8=8
19、192个描述符个描述符三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:例例:(GDTR)=001000000FFFH,求,求GDT在物理存储器中在物理存储器中的起始地址,结束地址,表的大小,表中可以存放多的起始地址,结束地址,表的大小,表中可以存放多少个描述符?少个描述符?解解:GDT的起始地址为的起始地址为00100000H结束地址为结束地址为00100000H+0FFFH=00100FFFH表的大小为表的大小为0FFFH+1=4096字节字节表中可以存放表中可以存放4096/8=512个描述符个描述符三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:2).2).IDTR:IDTR:中断描述符
20、表寄存器中断描述符表寄存器(48(48位位)存放中断描述符表存放中断描述符表(IDT)(IDT)的的3232位线性基地址和位线性基地址和 1616位限值位限值.即即:IDTR:IDTR在物理存储器地址空间中定义中断描述符表在物理存储器地址空间中定义中断描述符表IDT.M M系统中只有一个系统中只有一个GDTGDT和和IDTIDT 无需通过选择字来选择描述符表无需通过选择字来选择描述符表 故故 只有只有GDTRGDTR和和IDTR.IDTR.即即 由由GDTR(IDTR)GDTR(IDTR)确定表中的描述符项确定表中的描述符项,去寻址存储器系去寻址存储器系 统地址统地址.0151647IDTRB
21、ASELIMIT三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:47 16 15 032位线性基地址位线性基地址 16位界限值位界限值32位线性基地址位线性基地址 16位界限值位界限值GDTRIDTR三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:2个系统段寄存器个系统段寄存器:LDTR,TR1).LDTR:局部局部描述符表寄存器描述符表寄存器(16(16位位)存放选择局部描述符表存放选择局部描述符表LDTLDT的的1616位段选择字位段选择字.LDTR-64 LDTR-64位的局部描述符寄存器位的局部描述符寄存器.对应对应16位的位的LDTR并不直接定义并不直接定义LDT,它只是一个指向,它
22、只是一个指向GDT中中LDT描述符的选择符。描述符的选择符。如果如果LDTR中装入了选择字,相应的描述符将从中装入了选择字,相应的描述符将从GDT中中读出并装入局部描述符表高速缓冲寄存器。将该描述读出并装入局部描述符表高速缓冲寄存器。将该描述符装入高速缓冲寄存器就为当前任务创建了一个符装入高速缓冲寄存器就为当前任务创建了一个LDTLDT是定义任务用到的局部存储器地址空间是定义任务用到的局部存储器地址空间释义释义:1).保护方式保护方式:一个任务一个任务 属于自己的属于自己的LDT,多任务系统中多任务系统中,有多个有多个LDT.2).每张每张LDT由一个描述符来描述由一个描述符来描述.该描述符该
23、描述符 放在放在GDT中中.3).任务初始化和任务切换时任务初始化和任务切换时,对应任务的选对应任务的选 择字装入择字装入LDTR,CPU据此指向据此指向GDT的一的一 项项,得到该任务的描述符得到该任务的描述符,并装入描述符寄并装入描述符寄 存器中存器中.4).386有有3张描述符表张描述符表:全局全局:GDT(1个个)局部局部:LDT 中段中段:IDT(1个个):为中断设计为中断设计,指向指向256个中断子程序个中断子程序 入口地址的中断描述符入口地址的中断描述符.三张表均放在三张表均放在M中中,其位置分别由其位置分别由 GDTR,LDTR,IDTR定义定义定义了系统中使用的所有段定义了系
24、统中使用的所有段GDTRGDTBASELIMITLDT描述符描述符LDTRLDT基址基址界限界限32位位16位位LDT描述符高速缓冲描述符高速缓冲寄存器(不可见)寄存器(不可见)三三.80386CPU的内部寄存器的内部寄存器:2).TR:TR:任务寄存器任务寄存器(16(16位位)存放选择当前任务所对应的任务状态段存放选择当前任务所对应的任务状态段TSSTSS的的 1616位选择字位选择字.TR-64 TR-64位的局部描述符寄存器位的局部描述符寄存器.存放存放16位的选择符,指示全局描述符表中任务状态段位的选择符,指示全局描述符表中任务状态段(TSS)描述符的位置)描述符的位置当选择符装入当
25、选择符装入TR时,相应的时,相应的TSS描述符自动从存储器中读描述符自动从存储器中读出并装入任务描述符缓冲寄存器。该描述符定义了一个出并装入任务描述符缓冲寄存器。该描述符定义了一个称为称为任务状态段(任务状态段(TSS)的存储块。每个任务都有)的存储块。每个任务都有TSS,TSS包含启动任务所必需的信息。包含启动任务所必需的信息。TSS最大最大64K字节字节释义释义:1).TSS是一种固定的段是一种固定的段(104个字节个字节),包含了一个任务包含了一个任务 的全部信息以及允许嵌套任务联系的信息的全部信息以及允许嵌套任务联系的信息.2).TSS描述符描述符所描述的所描述的TSS段不包含数据和代
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