第12章 高性能微处理器

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12.2 80386微处理器
如果说，微处理器从8位到16位主要是总线的加宽， 那么，从16位到32位，则是从体系结构设计上的概念 性的革新。32位微处理器的问世是微处理器发展史的 又一里程碑。32微处理器普遍采用流水线技术、指令 重叠技术、虚拟存储技术、片内存储管理技术、存储 器分段、分页保护技术。这些技术的应用，使32位微 机可以更有效地处理数据、文字、图像、图形、语音 等各种信息，为实现多用户、多任务操作系统提供了 有力的支持。
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80386的存储器的分页机构
80386的页面和页表均起始于存储空间的4KB界上，因此，页面地址和页表地址 的低12位为全0。在80386分页系统中，由CR3给出页目标表的基地址，利用32位线 性地址的高10位在页目录表的1 024个页目录描述符中选定1个，从而获得对应页 表的基地址；利用线性地址的中间10位，在对应页表的1 024个页描述符中选定1 个，得到页面地址；利用线性地址的最低12位可在指定页面的4KB中选中一个物理 存储单元，实现了从线性地址到物理地址的转换。这种地址转换是标准的二级查 表机构。
寄存结构
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12.2.3 80386的工作方式
80386有高性能的存储管理部件MMU，有力地支持了三种工作方 式：实地址方式、虚拟地址方式和虚拟8086方式。 (1)实地址方式：80386在加电或复位初始化时进入实地址方式， 这是一种为建立保护方式作准备的方式。它与8086，80286相同， 由16位段选择字左移4位与16位偏移地址相加，得到20位物理地址， 可寻址1MB存储空间。这时，段的基地址是在4GB物理存储空间的 第一个1MB内。 (2)保护虚拟地址方式。80386的保护虚地址方式是其最常用的 方式，一般开机或复位后，先进入实地址方式完成初始化，然后 立即转入保护虚地址方式，也只有在保护虚地址方式下，80386才 能充分发挥其强大的功能。 (3)虚拟8086（V86）方式。虚拟8086方式又称为V86方式。 80386把标志寄存器中的VM标志位置“1”，即进入V86方式，执行 一个8086程序，把VM复位，即退出V86方式而进入保护方式，执行 保护方式的80386程序。
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12.3.1 80486的内部结构
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12.3.2 80486的技术特点
• 80486在Intel微处理器的历史上首次采用了RISC技术，有效地优化了微处理器的 性能。80486采用RISC技术并不意味着与80386等CPU不兼容，实际上指令也并没有精 简，强调的只是RISC技术，目的是使80486达到1个时钟周期执行1条指令。目前 80486已超过了这一设计目标，平均1个时钟周期执行12条指令。 • 80486采用了突发总线（Burst Bus）同外部RAM进行高速数据交换。通常CPU与RAM 进行数据交换时，取得一个地址，交换一个数据，再取得一个地址，又交换一个数 据。而采用突发总线后，每取得一个地址，便将这个地址及其后地址中的数据一起 参与交换，从而大大加快了CPU与RAM之间的数据传输率。这种技术尤其适用于图形 显示和网络运用。因为在这两种情况下，所涉及的地址空间一般都是连续的。 • 80486配置了8KB的高速缓冲存储器Cache。该高速缓存采用4路相连的实现方案， 具有较高的命中率（约为92%）。 • 80486片内设置了一个数值协处理器，这就使得80486不再需要片外数值处理器 80387的支持，而直接有浮点数据处理能力，从而缩短了CPU与数值协处理器之间的 通信时间，提高了浮点处理能力。 • Intel 80486有多种产品，包括486SX，486DX，486DX2和Over Drive升级芯片等。
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12.1.2 80286的寄存器
• 80286的寄存器组与8086基本相同。同样有8个16位数据寄存器AX，BX，CX，DX， SP，BP，SI，DI。80286的4个段寄存器CS，DS，ES，SS各包括16位段选择器和与 之相对应的48位段高速缓冲器（8位存取权域、24位基地址域和16位界限域），共 64位，用于逻辑地址到物理地址的转换。 • 80286的标志寄存器增设了两个标志位段寄存器字段。其中，IOPL字段为特权标 志，用来定义当前任务的特权层，即优先权（有0～3四级）；NT位为任务嵌套标 志，NT＝1，表示当前执行的任务嵌套于另一任务中，否则NT＝0。 • 80286新设了16位的机器状态字（MSW），只使用其中的低4位。 • 80286还增设了4个系统表寄存器：全局描述符表寄存器GDTR、局部描述符表寄 存器LDTR、中断描述符表寄存器IDTR、任务状态表寄存器TR。这4个系统表寄存器 只在保护方式下使用。 • 80286的保护方式在存储器中设置了三种类型的描述符表：全局描述符表（GDT， Global Descriptor Table）、局部描述符表（LDT，Local Descriptor Table） 和中断描述符表（IDT，Interrupt Descriptor Table）。 • 与8086比较，80286芯片引脚功能最大的差别是不采用地址、数据线复用方式， 因此有68条引脚，封装成四面都有引脚的正方形管壳方式。
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12.1.1 80286的内部结构分析
(1)BU BU是微处理器与系统之间的一个高速接口，负责管理、控制总线操作。 BU 它有效地管理、控制80286与存储器、外部设备的联系。以最高的速率传送 数据和预取指令的操作，实现零等待状态，完成对外的读/写。 (2)IU IU负责从存储区域中取出指令，送入预取指令队列。该队列是预取器和 IU 指令译码器之间的一个缓冲。指令译码器将指令从队列中取出、译码后送入 已译码指令队列，并作好供EU执行的准备。IU连续译码，与此同时，EU执行 的总是事先由IU译好的指令。这样译码和执行并行操作，改善了流水线功能， 从而大大提高了80286的工作速度。 (3)EU EU负责执行已译码的指令，按照所需步骤完成微处理器的算术、逻辑运 EU 算以及其他数据加工等操作。 (4)AU AU由偏移量加法器、段界限值检查器、段基地址寄存器、段长度寄存器 AU 和物理地址加法器等部件构成，完成执行指令过程中的有关寻址操作。它实 施存储器管理及保护功能，计算出操作数据的物理地址，同时检查保护权。 在保护方式下，AU提供完全的存储管理、保护和虚拟存储等支持。AU内部有 一个高速缓冲寄存器，该寄存器保存着段的基地段、段长界限和当前正在执 行的任务所用的全部虚拟存储段的访问权。
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12.2.1 80386的内部结构
80386采用流水工作方式，其内部结构按功能划分由六大部件组成：总线接口部 件(BIU)、指令预取部件(IPU)、指令译码部件(IDU)、指令执行部件(EU)、分段部件 (SU)和分页部件(PU)。
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12.1 12.2 12.3 12.4 80286微处理器 80386微处理器 80486微处理器 Pentium处理器
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12.1 80286微处理器
80286主要由总线部件(BU)、指令部件(IU)、执行 部件(EU)和地址部件(AU)四个独立的处理部件构成 一个有机的整体，并加强它们之间的并行操作程序， 有效地加快处理速度。
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(3) 80386的高速缓冲存储管理 为了加快段内地址转换速度，在80386芯片上有 高速缓冲存储器（Cache），可把当前段描述符存 入Cache中，在以后进行的地址转换中，就不用再 访问描述符表，而只与Cache打交道，这样就大大 地提高了地址转换的速度。
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(1) 分段管理 80386的分段管理与80286类似。80386的段描述符 也为8Byte，段基地址扩大到32位，段限值扩大到 1MB，增添了4位语义控制字段。80386的段描述符的 格式如图12.4所示：
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(2) 分页管理 80386分页采用了页目录表、页表两级页变换机 制，低一级的页表是页的映像，由若干页描述符组 成，每一个页描述符指示一个物理页面；高一级的 页目录表是页表的映像，由若干页目录描述符组成， 每一个页目录描述符指示着不同页表，由80386的 页目录基地址寄存器CR3指示页目录表在存储器中 的位置。80386的页表和页目录表中最多可分别包 含210个页描述符和页目录描述符，每个描述符均由 4Byte（32位）组成，其格式也基本相同。
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12.2.4 80386的存储器管理
80386在保护虚拟地址方式下，采用分段、分 页两级综合的存储管理，用分段管理组织其逻辑地 址空间的结构，用分页管理来管理其物理存储。 80386的分段部件把程序的逻辑地址变换为线性地 址，进而由分页部件变换为物理地址。这种段管理 基础上的分页管理是80386所支持的最全面、功能 最强的一种存储管理方式。由于微处理器内还设置 高速缓冲存储器（Cache）和其他功能部件，使得 这种两级地址转换的速度很快。
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12.4 Pentium处理器
• 1993年3月。Intel公司推出了新一代名为Pentium的微处理 器（P5）。它拥有32位寄存器、64位数据总线和32位地址线、 高性能浮点处理部件和多媒体处理MMX部件。采用0.80微米制 造工艺，支持60和66MHz前端总线速度（FSB），安全工作电 压为5V。Pentium处理器采用了全新的设计，与80486相比内 部结构也作了很大改进，但是依然保持了和80X86系列的二进 制兼容性，在相同的工作模式上可以执行所有的80X86程序。 片内存储管理单元（MMU）也与386和486兼容，可以在实地址 模式引导下转入保护模式和虚拟86模式，其指令集包括了 80486的所有指令，并增加了新的指令。