(06)Intel 80486微处理器体系结构 2.2.2

第2章微处理器及其结构本章介绍了8086、80486和Pentium微处理器的内部结构、寄存器结构、存储器组织及输入/输出结构、工作模式及总线操作时序。

1.1 重点与难点本章的重点是80486微处理器的内部结构、寄存器结构、存储器组织、输入/输出结构和微处理器的工作模式，难点是实地址工作模式下存储器的寻址。

具体内容如下：1．8086微处理器总线接口部件和执行部件的功能，通用数据寄存器、指针及变址寄存器、段寄存器和指令指针的名称及用途，标志寄存器中各个标志位的意义，存储器的分段及物理地址的形成。

8086 CPU存储器的名称及功能见表2.1。

表2.1 8086寄存器及其功能2．80486微处理器80486微处理器的内部结构、新增寄存器名称及用途、存储器组织以及输入/输出结构。

实地址模式、保护模式和虚拟8086模式的特点及其相互转换，时钟周期、总线周期和指令周期的概念以及总线操作时序。

80486 CPU存储器的名称及功能见表2.2。

3．Pentium微处理器Pentium微处理器的超标量流水线、独立指令Cache和数据Cache、浮点部件和分支转移动态预测等部件的特点，存储器组织以及输入/输出结构。

表2.2 80486寄存器及其功能2.2 习题解答2.1 简述8086和80486CPU内部结构由那些部件组成，并阐明它们结构上的异同。

答：（1）参见P26~28，2.1.1 Intel 8086微处理器内部结构；（2）参见P38~41，2.2.1 Intel 80486微处理器内部结构。

2.2 8086微处理器和80486微处理器中的寄存器是如何分类的，它们的主要功能是什么？答：（1）参见P28~29，2.1.2 Intel 8086微处理器寄存器结构；（2）参见P41~47，2.2.2 Intel 80486微处理器寄存器结构。

2.3 EFR寄存器包含哪些标志位？说明各主要标志位的作用。

答：参见P42～43，（3）标志寄存器EFR2.4 说明80486微处理器中控制寄存器、系统地址寄存器的作用和各自的功能。

X86机的原理构造及技术详解X86架构是计算机体系结构的一种，广泛应用于个人电脑和服务器领域。

它包含了一系列的指令集和硬件设计，为计算机的运行提供了基本框架。

下面将详细解析X86机的原理构造及技术。

1.指令集：X86的指令集是其最重要的特征之一、它包括基本的算术运算、逻辑运算、数据传输等指令，并提供了各种操作数的寻址方式。

X86提供了多种寻址方式，例如寄存器寻址、立即数寻址、直接寻址、间接寻址等。

这些指令和寻址方式的组合可以满足各种计算需求。

2.处理器架构：X86处理器架构通常由运算单元、控制单元、寄存器、数据通路、总线等组成。

运算单元负责执行指令中的算术和逻辑运算，控制单元负责指令的解码和控制流程的管理，寄存器用于存储数据和地址，数据通路用于连接各个功能模块，总线用于传输数据和控制信号。

3.寄存器：X86处理器拥有多个寄存器，包括通用寄存器、控制寄存器、段寄存器等。

通用寄存器用于存储一般性数据，控制寄存器用于存储控制信息，段寄存器用于存储段选择子，以实现分段机制。

通用寄存器的个数和位数因处理器型号不同而有所差异。

4.数据通路：X86处理器的数据通路通常包括运算器、存储器和数据寄存器。

运算器用于执行算术和逻辑运算，存储器用于存储指令和数据，数据寄存器用于暂存数据。

数据通路可以根据指令中的操作数和寻址方式进行数据的读取和写入。

5.缓存：X86处理器通常会配置多级缓存，以提高数据访问速度。

缓存分为指令缓存和数据缓存，它们分别用于存储指令和数据，减少访问主存的时间。

缓存的大小和结构会因处理器型号而有所不同，更高级别的缓存一般会更大，但也更贵和更慢。

6.执行流程：X86处理器的执行流程通常包括取指令、解码、执行、访存和写回等阶段。

取指令阶段从存储器中获取指令，解码阶段将指令转换为可执行的微操作序列，执行阶段根据微操作序列执行计算和数据操作，访存阶段读取或写入数据，写回阶段将结果写回到相应的寄存器或存储器。

x86是多少位x86，亦称为x86架构或x86体系结构，是一种32位和64位微处理器架构。

它是Intel于1978年首次引入的一种基于CISC （Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）的处理器架构。

自那时以来，x86架构已经成为市场上最为广泛使用的计算机架构之一。

x86架构的第一个处理器是Intel 8086，它是一款16位处理器。

然而，由于对内存限制的需求以及市场的发展，Intel随后推出了Intel 80286（i286）处理器，后者是一款32位处理器，向后兼容8086指令集。

这是x86架构的第一个32位处理器，为今后的发展奠定了基础。

随着计算机技术的进步和市场需求的推动，x86架构建立了其领导地位。

Intel在后续的产品中引入了更先进的处理器，如80386（i386），80486（i486）和Pentium系列，将x86架构推向新的高度。

这些处理器通过增加处理器位宽度并改进指令集来提高计算能力和效率。

虽然32位x86架构在市场上非常成功，但随着技术的进步，对更高计算能力和内存访问的需求也越来越迫切。

为了应对这一需求，x86架构进一步演变为64位架构。

Intel在2003年推出了第一款x86 64位处理器，称为Intel Itanium。

紧接着，Intel又发布了x86架构的64位版本，称为Intel EM64T。

AMD还引入了自己的64位架构，称为AMD64或x86-64。

这些64位处理器不仅可以兼容运行32位操作系统和应用程序，还可以运行64位操作系统和应用程序，提供更高的内存寻址能力。

x86架构的位数指的是处理器的寻址能力和寄存器的位宽度。

在32位x86架构中，处理器能够寻址32位内存地址，这意味着它最多可以寻址2^32（大约4GB）的内存。

而在64位x86架构中，处理器能够寻址64位内存地址，最多可以寻址2^64（约16EB）的内存，实现了更高的内存寻址能力。

8086微处理器的功能与结构四、80x86微处理器的结构和功能(一)80x86微处理器1.8086/8088主要特征(1)16位数据总线(8088外部数据总线为8位)。

(2)20位地址总线，其中低16位与数据总线复用。

可直接寻址1MB存储器空间。

(3)24位操作数寻址方式。

(4)16位端口地址线可寻址64K个I/O端口。

(5)7种基本寻址方式。

有99条基本指令。

具有对字节、字和字块进行操作的能力。

(6)可处理内部软件和外部硬件中断。

中断源多达256个。

(7)支持单处理器、多处理器系统工作。

2.8086微处理器内部结构8086微处理器的内部结构由两大部分组成，即执行部件EU(Execution Unit)和总线接口部件BIU(Bus Interface Unit)。

和一般的计算机中央处理器相比较，8086的EU相当于运算器，而BIU则类拟于控制器。

3.8086最小模式与最大模式及其系统配置最小模式在结构上的特点表现为:系统中的全部控制信号直接来自8086CPU。

与最小模式相比，最明显的不同是系统中的全部控制信息号不再由8086直接提供，而是由一个专用的总线控制器8288输出的。

4.8087与8089处理机简述(1)8087协处理机8087协处理机与8086组合在一起工作，以弥补8086在数值运算能力方面的不足，所以它又称为协处理机。

(2)8089I/O处理机8089是一个带智能的I/O接口电路，相当于大型机中的通道，它将CPU的处理能力与DMA控制器结合在一起。

它具有52条基本指令，1MB的寻址能力，包含两个DMA通道。

8089也可以与8086联合在一起工作，执行自己的指令，进行I/O 操作，只在必需时才与8086进行联系。

在8089的控制下，可以进行外设与存储器之间、存储器与存储器之间以及外设与外设之间的数据传输。

同时，8089还可以设定多种终止数据传输的方式。

5.总线时序一个基本的总线周期包括4个时钟周期，即4个时钟状态T 1 、T2 、T3 和T4 。

INTEL CPU 80486-48732 位元处理器: 80486系列80486DX推出于1989年4月10日，时脉速度:25MHz 是20 MIPS (16.8 SPECint92, 7.40 SPECfp92)33MHz 是27 MIPS (22.4 SPECint92 于Micronics M4P 128k L2)50MHz 是41 MIPS (33.4 SPECint92, 14.5 SPECfp92 于Compaq/50L 256K L2)总线宽度是32 位元，晶体管数量1.2 百万个，使用1 μm 制程; 50MHz 是0.8 μm 制程，可寻址内存 4 GB，虚拟内存64 TB，芯片内建一级快取(level 1 cache) ，50 倍于8088 的效能。

使用在桌上型电脑跟服务器。

A80486DX-25A80486DX-33A80486DX-33-2A80486DX-33-3A80486DX-5080486SX推出于 1991年 4月22日 时脉速度s:16MHz 是 13 MIPS, 20MHz 是 16.5 MIPS 25MHz 是 20 MIPS (12 SPECint92) 33MHz 是 27 MIPS (15.86 SPECint92)总线宽度是 32 位元，晶体管数量 1.185 百万个，使用 1 μm 制程，以及 900,000 个，使用 0.8 μm 制程，可寻址内存 4 GB ，虚拟内存 64 TB ，跟 486DX 完全一样的设计，但没有数学辅助处理器。

使用在低价的入门级 486 桌上型电脑，可以使用 Intel OverDrive 处理器升级。

80486SX/SX289A80486SX-2089A80486SX-3392A80486SX-3392A80486SX2-50FA80486SX-3390KU80486SX-2589KU80486SX-25KU80486SX-25KU80486SX-3389KU80486SX-3380486DX2推出于1992年3月3日时脉速度:50MHz 是41 MIPS (29.9 SPECint92, 14.2 SPECfp92 on Micronics M4P 256K L2)66 MHz 是54 MIPS (39.6 SPECint92, 18.8 SPECfp92 on Micronics M4P 256K L2)总线宽度是32 位元，晶体管数量1.2 百万个，使用0.8 μm 制程，可寻址内存4 GB，虚拟内存64 TB，使用在高效能，低价的桌上型电脑，使用"speed doubler" 技术，使得微处理器核心能以总线的两倍速度运行。

详述Intel系列CPU架构的发展史Intel系列CPU架构的发展史CPU(Central processing Unit)，又称“微处理器(Microprocessor)”，是现代计算机的核心部件。

对于PC而言，CPU的规格与频率常常被用来作为衡量一台电脑性能强弱重要指标。

(一)、4004时代1971年，当时还处在起步阶段的Intel公司推出了世界上第一颗微处理器4004。

是第一个用于计算器的4位微处理器，含有2300个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢，从此以后，INTEL便与微处理器结下了不解之缘。

可以这么说，CPU的历史发展历程一定意义上也就是Intel公司x86系列CPU的发展历程。

4004处理器核心架构图:(二)、8008时代世界上第一款8位处理器C8008共推出两种速度:0.5 Mhz以及0.8 Mhz，虽然比4004的工作时脉慢，但是整体效能要比4004好上许多。

8008可以支持到16KB 的内存。

D8008则是后期出的量产版，发布时间为1972年，8位运算+16位地址总线+16位数据总线，同时它也包含一些输入输出端口，这是一个相当成功的设计，还有效解决了外部设备在内存寻址能力不足的问题。

(三)、8080时代intel推出的8080不仅扩充了可寻址的存储器容量和指令系统，而且指令执行速度是8008的10倍。

另一方面8080可直接与TTL(晶体管-晶体管逻辑)兼容，而8008则不能，这样就使得接口设计更容易，而且价格更便宜。

8080可寻址的范围(64KB)是8008(16KB)的4倍，随后，1974年第一台PC机MITS Altair 8800问世了。

它写的BASIC语言解释程序是由Bill Gates(比尔?盖茨)和Paul Allen于1975年开发的，他们是Microsoft公司的创始人。

(四)、8085时代8085的最低主频3 MHz，最高主频也不过6MHz。

当年使用此CPU的厂商非常多，包括了AMD，FUJI，TOSHIBA，SIEMENS等等。

x86架构简介x86架构是一种广泛应用于个人电脑和服务器等计算机系统的微处理器架构。

它最早是由英特尔公司在1978年推出，而后被AMD、Cyrix等其他公司广泛采用和发展。

现在，x86架构已经成为PC市场的主导架构。

架构特点x86架构主要有以下几个特点：1.复杂指令集(CISC)：x86架构具有复杂的指令集，即一条指令可以执行多个操作。

这使得x86架构的指令相对较长，且指令的执行时间相对较长。

然而，CISC架构的好处是可以通过一个指令实现更多的操作，从而减少指令数量和存储空间。

2.向后兼容性：x86架构不断发展演变，但同时保持了向后兼容性。

这意味着早期的x86指令集可以在最新的处理器上运行，而不需要进行修改或重新编译。

3.多功能性：x86架构允许在处理器上执行多种操作，并支持多任务处理。

这使得x86架构适用于各种应用场景，包括个人电脑、服务器、嵌入式系统等。

4.支持虚拟化技术：x86架构是虚拟化技术的主要支持平台之一。

通过虚拟化，可以在一台物理机上同时运行多个虚拟机实例，提高计算资源的利用率。

主要代表x86架构的主要代表是英特尔公司的处理器和AMD公司的处理器。

英特尔处理器英特尔公司是x86架构的主要推动者和开发者之一。

他们的处理器产品线包括酷睿系列、赛扬系列、至强系列等。

酷睿系列酷睿系列处理器是英特尔公司针对消费者市场推出的产品线。

它们具有较高的性能和能效，适用于个人电脑、笔记本电脑和智能设备等。

赛扬系列赛扬系列处理器是英特尔公司面向入门级市场推出的产品线。

它们具有较低的成本和能耗，并适用于低功耗设备和低端电脑。

至强系列至强系列处理器是英特尔公司为服务器和工作站等高性能计算场景设计的产品线。

它们具有更高的计算能力和可扩展性。

AMD处理器AMD公司也是x86架构的重要参与者。

他们的处理器产品线包括锐龙系列、锐速龙系列、EPYC系列等。

锐龙系列锐龙系列处理器是AMD公司面向消费者市场推出的产品线。