第3章 80X86微处理器(2)

(4) 将8086/8088的2级流水线体系结构增加到4级。
(5) 80286增加了一种工作方式。8086/8088只有实方式， 而 80286 有 实 方 式 和 保 护 方 式 。 在 实 方 式 下 ， 80286 和 8086一样在1MB内存空间执行程序，只是速度提高了，相 当于是一个快速的8086。在保护方式下，80286提供24位 地址线访问物理地址空间，并首次应用了“虚拟存储器” 和“虚拟内存”的概念。
“虚拟存储器”就是系统中有一个速度较快容量较小 的内存，还有一个速度较慢但容量很大的外存，通过存储 器管理机制，利用外存来模拟内存，这样从程序员角度看， 系统中似乎有一个容量非常大的、速度也相当快的主存储 器，但它并不是真正的物理内存，故称为虚拟存储器。 80286可模拟1GB（230字节）虚拟内存。
二、80386的寄存器
1.通用寄存器 80386有8个32位的通用寄存器，它们都是8086中16位通 用寄存器的扩展，故命名为EAX、EBX、ECX、EDX、EBP、 ESP、ESI和EDI，用于存放数据或地址。 2.指令指针寄存器和标志寄存器
1) 指令指针寄存器EIP （32位）
是用来存放下一条要执行的指令的地址偏移量，寻址范 围为4GB。 EIP的低16位可作为独立指令指针，称为IP 。
2) 标志寄存器EFLAG 32位的标志寄存器EFLAG，是由80286的标志位扩展而 成 ，在原有80286的基础上新增2个系统方式标志，而且全为 控制标志。 RF：恢复标志或重新启动标志。用于调试失败后，强迫程序 恢复执行，在成功执行每条指令后，RF自动复位。当RF＝1 时，下一条指令的任何调试故障将被忽略，不产生异常中断。 VM：虚拟8086方式标志。当80386工作在保护方式时，若 VM＝1，则表示CPU转换到V86方式。此位只能以两种方式 来设置，由最高特权级的代码段的IRETD指令设置；或由任 务转换来设置。
特点：
(1)存储空间采用虚拟地址空间、线性地址空间（不包括80286）和物理 地址空间三种方式来描述。 (2)在保护方式下，寻址是通过描述符表的数据结构来实现对内存单元的 访问。 (3)程序员可以使用的存储空间称为逻辑地址空间其容量最大可达64TB， 几乎是无限大。 (4)可以使用4级保护功能，实现程序与程序、用户与用户、用户与操作 系统之间的隔离和保护，为多任务操作系统提供优化支持。
3.4 从80286到Pentium系列的技术发展
3.4.1 80286微处理器
与8086相比，80286微处理器主要有以下改进： (1) 由 于 地 址 线 的 增 加 ， 使 它 的 内 存 容 量 提 高 。 8086/8088有20条地址线，只能寻址1MB的内存空间， 而80286增加到24条地址线，可寻址16MB（224字节）内 存。 (2) 时钟频率提高，使得处理速度加快。80286的时钟 频率最高可达20MHz。 (3) 可同时运行多个任务。多任务是通过多任务硬件机 构使处理器在各种任务之间快速而方便地切换实现。
(3) Pentium片内采用双重分离式高速缓存Cache，即独立的 8KB指令Cache和8KB数据Cache。指令和数据分别使用不 同的Cache，提高了指令执行速度，使Pentium的性能大大 超过80486微处理器。
(4) 浮 点 运 算 单 元 功 能 的 增 强 。 Pentium的 浮 点 单 元 在 80486的基础上进行了改进，使每个时钟周期能完成一个浮 点操作。在运行浮点密集型程序时，66MHz的Pentium运算 速度为33MHz的80486DX的5～6倍。 (5) 增加了分支指令预测功能。Pentium提供了一个分支目 标缓冲器BTB（Branch Target Buffer）来动态地预测程序的 分支操作，当一条指令导致程序分支时，BTB记忆该条指 令和分支目标的地址，并用这些信息预测这条指令再次产 生分支时的路径，预先从此处预取，保证指令预取队列不 会空置。 (6) 页尺寸的增加。Pentium体系结构中，存储器中每一页 的容量除了与80486兼容的4KB外，还可以使用更大的存储 器页面，这使得程序在传送大块数据时，避免了频繁的换 页操作。
3.段寄存器 80386内部有6个16位的段寄存器CS、DS、ES、SS、GS 和FS。 4.控制寄存器 CR0 CR2 CR3（CR1保留） 保存全局性的机器状态 5.系统地址寄存器 GDTR IDTR LDTR TR 用来保存操作系统所需要的保护信息和地址转换信息。 6.调试寄存器和测试寄存器 80386有6个32位的调试寄存器和2个32位的测试寄存器。
5.分段部件SU (Segment Unit) 分段部件SU管理面向程序员的逻辑地址空间，并且将48 位的逻辑地址（16位的段选择子和32位的偏移地址）转换为 32位的线性地址。线性地址是在虚拟存储空间内的可定位的 地址。 6.分页部件PU (Paging Unit) 分页部件PU管理物理地址空间，将分段部件产生的32位 的线性地址转换为32位的物理地址。 分段部件、分页部件和保护测试部件共同构成了存储器 管理部件MMU（Memory Management Unit）。MMU管理控 制所有虚拟地址到物理地址的转换、分段及分页检验等。
一、80386的内部结构
1.总线接口部件BIU 总线接口部件BIU负责CPU与外部总线的数据交换。并 增加了总线请求判优器。 2.指令预取部件IPU（Instruction Prefetch Unit） 指令预取部件IPU使得指令代码的预取得以独立，由一
个16字节长的指令预取队列和预取器组成。
3.指令译码部件IDU (Instruction Decode Unit) 指令译码部件IDU包括指令译码器和能容纳三条已译码 指令的指令队列两部分。 4.执行部件EU 执行部件EU是负责从已译码指令队列中取出指令编码， 执行各种数据处理和运算。
一、80286的功能结构
1.总线接口部件BIU BIU负责处理CPU和系统总线之间的所有通信和数据传 输，当数据存取请求与预取指令请求同时发生时，BIU 将优 先处理数据存取操作。 2.指令部件IU（Instruction Unit） IU包括指令译码器和已译码指令队列（3条）。 3.执行部件EU EU负责指令的执行，即从指令部件IU中取出已译码的指 令并直接执行。 4.地址部件AU（Address Unit） AU负责物理地址的生成。
2. 保护虚地址方式
80386的保护虚地址方式（简称保护方式）当通过指令设置控制 寄存器CR0中的PE=1时进入保护方式，保护是指在执行多任务操作 时，对不同任务使用的虚拟存储空间进行完全的隔离，保护每个任 务顺利执行。高档微处理器只有工作在保护方式下，才能充分发挥 其强大的存储管理功能以及硬件支撑的保护机制，因此也称为本性 方式。
在一个时钟周期内完成整数的传输、加减运算、逻辑运算和移位等 指令的执行。
6.分段部件SU 7.分页部件PU 8.高速缓冲存储部件Cache
用于存储最新运行的程序所需要的指令代码和数据，作为外部主存 的副本。
9.浮点运算部件FPU浮点运算部件
FPU和80387完全兼容，负责进行单精度或多精度的浮点运算。
3.4.2 80386微处理器
与80286相比，80386微处理器主要有以下改进： (1) 由于地址线的增加，使它的寻址能力增强。（232字节）。 (2) 时钟频率提高，使得处理速度加快。最大可达33MHz (3) 增强了存储器管理部件的功能。80386可模拟64TB(246字 节)虚拟存储空间，另外80386可进行段式以及段页式存储 管理。 (4) 80386增加V86（虚拟8086）工作方式。在80286的基础 上进一步改进了多任务处理技术，使得多个DOS程序可同 时运行。 (5) 将80286的4级流水线体系结构增加到6级。
3.4.3 80486微处理器
与80386相比，80486微处理器主要有以下改进：
(1) 首次部分吸收精简指令集计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer）技术，以便尽可能缩短指令执行时间。
(2) 发展了80386的指令流水线技术，使最多有5条指令重叠执行，从 而使80486可以在一个时钟周期执行完一条简单指令。 (3) 片内集成了8KB的高速缓冲存储器（80486 DX4中集成了16KB） 和浮点运算部件FPU（Floating Processing Unit），从内部结构上可以 认为80486＝80386＋80387＋8KBCache，并且支持二级高速缓存。
3. 虚拟8086方式 在保护方式下，通过设置标志寄存器EFLAGS中的 VM=1，就可以进入V86方式。V86方式是保护方式的一 种子方式，即能有效地利用保护功能，又能执行8086代 码的工作方式。在保护方式下，支持多任务并发运行， 这时可能某几个任务是在V86方式，而另一些任务是保护 方式下的任务。
二、80286的寄存器
80286内部的通用寄存器（包括4个数据寄存器和4个 基址变址寄存器）、4个段寄存器和指令指针寄存器IP与 8086的完全相同。不同之处在于标志寄存器新增了两个标志 （占3位）以及增加了1个机器状态字MSW。
FLAG NT：嵌套标志，此标志作为状态标志用于指出当前执行的任 务是否嵌套于另一个任务中。 IOPL：I/O特权标志，此标志作为控制标志用于指示指定的 I/O操作处于特权级的哪一级。IOPL占两位，可表示0～3四 个特权级，其中0级最高，3级最低。0级一般为操作系统的 核心程序使用。只有当现行任务的特权级高于或等于此时 IOPL级别时，CPU对此设备的I/O操作才可以执行。
(4) 采用多种总线连接方式，其内部数据总线有32位、64位和128位 ，分别用于不同单元之间的数据通路，大大加快了数据处理速度，防 止总线“瓶颈”效应的产生。
(5) 80386的6个独立部件口部件BIU 2.指令预取部件IPU 3.指令译码部件IDU 4.控制部件CU(Control Unit) 5.整数部件IU（Integer Unit）