第 2 章 IA-32结构微处理器

4. 浮点支持 工程应用、图形处理、科学计算等要 求浮点支持（实数运算）。因此，自 80486芯片开始，在x86系列微处理器中 集成了x87（及其增强）浮点单元。
5. MMX技术 为支持多媒体技术的应用，如音乐合 成、语音合成。语音识别、音频和视频 压缩（编码）和解压缩（译码）、2D 和 3D 图形（包括 3D 结构映像）和流视频 等等。x86系列处理器中增加MMX技术及 相应的指令
16位，无论作为数的表示，它能表示 的数的范围是十分有限的。用16位作为 地址，它只能表示64KB，更是一个十分 小的地址范围，远远不能满足应用的需 要。因而，于1985年，Intel公司推出了 第一个32位的微处理器 -- 80386，开创 了微处理器的32位时代。目前，计算机 正从32位向64位转移，但主流仍是32位 机。
2.2 8086的功能结构
一、8086微处理器 1.内部结构 2.寄存器结构
GND AD14 AD13 AD12 AD11 AD10 AD9 AD8 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 NMI INTR CLK GND
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
到了奔腾处理器增加了第二个执行流水线 以达到超标量性能（两个已知的流水线u和v， 一起工作能实现每个时钟执行两条指令）。 Intel Pentium 4处理器是第一个基于Intel NetBurst微结构的处理器。Intel NetBurst微结 构是新的32bit微结构，它允许处理器能在比以 前的X86系列处理器更高的时钟速度和性能等 级上进行操作。Intel Pentium 4处理器有快速 的执行引擎、Hyper流水线技术与高级的动态 执行。使指令执行的并行性进一步提高，从而 做到在一个时钟周期中可以执行多条指令。
随着PC机的大量普及，随着硬件性能的迅 速提高。要求有能保护操作系统核心软件的多 任务操作系统。为使这样的操作系统能在微型 计算机系统中应用与普及，要求微处理器本身 为这样的操作系统提供支持。于是，从80286 开始，在80386中真正完善保护模式。在保护 模式下，程序运行于四个特权级。这样，可以 实现操作系统核心程序与应用程序的严格的隔 离。保护模式支持多任务机制，任务之间完全 隔离。
3. 片内存储管理单元 - MMU 32位地址，可寻址4GB物理地址。但大多 数PC机的物理内存配置远小于4GB。但应用程 序却需要庞大的地址空间。因此，在操作系统 中提供了虚拟存储器管理机制，而这要求硬件 支持。因而，在80386中提供了片内的MMU。 提供了4K页、页表等支持。 以上三点是80386相对于8086的主要功能 扩展。
128 位指令设计以支持媒体和科学应 用。由这些指令所用的向量操作数允许 应用程序在多个向量元素上并行操作。 元素能是整数（从字节至四字）或浮点 数（单精度或双精度）。算术运算产生 有符号的、无符号的和/或混合的结果。
2.1.2 8086性能的提高
x86系列系列芯片的发展的一个重要方面是 提高性能。 1. 利用流水线技术提高操作的并行性 提高性能的一个重要方面是利用超大规模 集成电路的工艺与制造技术提高芯片的主频。 即减少一个时钟周期的时间。提高性能的另一 重要方面是缩短执行指令的时钟周期数。在 8086中，利用流水线把取指令与执行指令重叠， 减少了等待取指令的时间，从而使大部分指令 的执行为四个时钟周期。
2.1 x86系列 微处理器是8086的延伸 如上章所述，x86系列结构微处理器 的增长基本上按摩尔定律发展，已经经 历许多代。但从使用者（包括程序员） 的角度来看，它是以8086处理器为基础， 是一个兼容的微处理器系列，是8086在 功能上和性能上的延伸。
2.1.1 8086功能的扩展
1. 从16位扩展为32位 8086是16位微处理器。它的内部寄存器 的主体是16位的。它的主要用于存放操 作数的数据寄存器是16位的。它的主要 的用作为地址指针的指针寄存器也是16 位的。依赖分段机制，用20位段基地址 加上16位的偏移量形成了20位的地址， 以寻址1MB的物理地址。
(3 )．二点说明
指令队列
8086 的指令队列为6个字节, 8088 的指令队列为4个字节。 不论是8086还是8088都会在执行指令的同时从内存中取下一条或 几条指令，取来的指令放在指令队列中，使 BIU 具有预取指令的 功能，是一种先进先出（FIFO）的数据结构。
指令执行顺序
顺序指令执行：指令队列存放紧接在执行指令后面的那一条指令。
分两部分： 1、总线接口单元 BIU（Bus Interface Unit）
2、执行部件 EU （Execution Unit）
20 位 地址加法 通用 寄存器 AH BH CH DH SP BP DI SI 16 位
运算寄存器 执行部分
AL BL CL DL
16 位 CS DS SS ES IP
2. 从实模式至保护模式 当1981年，IBM公司刚推出IBM-PC时， 主频是5MHz，内存是64KB-128KB，没 有硬盘，只有单面单密度的软盘，到了 PC/XT，才有10MB硬盘。在这样的硬件 资源下，采用的操作系统是PC-DOS （MS-DOS）。这是单用户、单任务的磁 盘操作系统。操作系统本身没有程序隔 离、没有保护。这是DOS遭受病毒泛滥 的内因。
40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21
VCC (5V) AD15 A16/S3 A17/S4 A18/S5 A19/S6 BHE/S7 MN/MX RD HOLD (RQ/GT0) HLDA (RQ/GT1) WR M/IO DT/R DEN ALE INTA TEST READY RESET (LOCK) (S2) (S1) (S0) (QS0) (QS1)
CPU执行指令时，要配合执行部件从指定的内存单元 或者外设端口中取数据，将数据传送给执行部件； 或把执行部件的操作结果传送给指定的M或I/O口。
（2）．组成 4 个段地址寄存器（CS、DS、ES、SS），
16位指令指针寄存器IP，
20位的地址加法器(16d段地址+偏移地址＝物理地址),
6. 流SIMD扩展（SSE） 自Pentium III处理器开始，在x86系 列微处理器中引进了流SIMD（单指令多 数据）扩展（SSE）技术。SSE扩展把由 Intel MMX引进的SIMD执行模式扩展为 新的128位XMM寄存器和能在包装的单精 度浮点数上执行SIMD操作。
奔腾4处理器又进一步扩展为流SIMD 扩展2（SSE2）： — 用144条新指令扩展Intel MMX技 术和SSE扩展，它包括支持： • 128位SIMD整数算术操作。 • 128位SIMD双精度浮点操作。
内部暂存器
输入/输出 控制电路
外部 总线
ALU
标志
控制电路
8位
1 2 3 4 5 6 指令队列 缓冲器 总线接口部件（BIU）
执行部件（EU）
8086编程结构
1、总线接口单元 BIU（Bus Interface Unit）
（1）．功能：负责与 M、I/O 端口传送数据。 具体讲：
总线接口部件要从内存 取指令送到指令队列；
执行转移指令：BIU 清除指令队列中的内容，从新的地址取入指 令，立即送往执行单元，然后再从新单元开始重 新填满队列。
2、EU （Execution Unit）执行单元
（1）、 功能：负责指令执行。 （2）、 组成：
4个通用寄存器：AX、BX、CX、DX 4个专用寄存器：BP、SP、SI、DI， 标志寄存器（FLAGS）： 9个标志位，其中6个条件标志位用于存放结果状态， 算术逻辑单元： 16 位加法器，用于对寄存器和指令操作数进行算术或逻辑运算， EU 控制系统： 接受从总线接口单元的指令队列中取来的指令代码， 对其译码和向 EU 内各有关部分发出时序命令信号， 协调执行指令规定的操作。
总之，x86系列系列处理器芯片就是 沿着这样的思路发展的。因此，8086是 x86系列系列处理器的基础。而且，任一 种x86系列处理器芯片在上电后，就是处 在8086的实模式。根据需要，用指令进 入各种操作模式。所以，学习x86系列处 理器必须学习掌握8086，也只能从8086 入手。
从指令，从编程来说，几乎没有用汇 编语言来使用浮点指令、MMX指令与 XMM指令的，都是通过高级语言来使用 这些指令的。因而，绝大部分程序员， 除了编写操作系统代码的外，面对x86系 列处理器的指令，实际上是面对8086指 令。 因此，本书从8086入手来学习与掌握 x86系列处理器。
32位，无论从能表示的数的范围，还 是能寻址的物理地址，特别是能寻址的 物理地址都极大的扩展了。使得微处理 器能取代以前的所谓“大型机”，能应 用于各种领域，从而极大地促进了计算 机在各行各业中的应用。 32位地址能寻址4GB物理地址。到目 前，仍远大于主流计算机的实际内存配 置，仍有广阔的应用余地。
80386利用芯片内由6个能并行操作的功能 部件组成，从而使执行一条指令缩短为两个时 钟周期。 80486将80386处理器的指令译码和执行部 件扩展成五级流水线，进一步增强了其并行处 理能力，在五级流水线中最多可有五条指令被 同时执行，每级都能在一个时钟周期内执行一 条指令，80486微处理器最快能够在每个CPU 时钟周期内执行一条指令。
第2章 80x86系列结构微处理器与8086
本章讲述：
2.1 80x86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
本章重点难点
本章介绍微型计算机系统中的核心部件微处 理器（CPU），通过学习CPU的功能结构，掌 握CPU中的两个独立单元（执行单元EU和总线 接口单元BIU的并行执行过程；通过介绍8086 寄存器结构，学习汇编语言程序设计所需的14 个寄存器，掌握这些寄存器的正确使用；通过 介绍8086/8088的存储器组织与分段、I/O端口 地址空间等基本知识，了解8086CPU与外围电 路的关系。