微机原理及应用试题.ppt
四.CPU的操作和时序1.指令周期，机器周期与时钟周期的基本概念*在微机领域中，称“机器周期”为“总线周期”BIU完成一次访问存储器操作所需要的时间。机器周期 机器周期机器周期指令周期M1(Machine Cycle)(取指）M2(读存储器)M3(写存储器)时钟周期(T状态)最小模式下的总线读操作最小模式下的总线读操作高为读内存高为读内存 低为读低为读I/O地址输出地址输出 状态输出状态输出地址输出地址输出 数据输入数据输入BHE11输出输出DT/RDENALERDAD15AD0 A19/S6A16/S3BHE/S7M/IOCLKT1 T2 T3 Tw(1+n)T4最小模式下的总线写周期操作最小模式下的总线写周期操作AD15AD0T1 T2 T3 Tw T4CLKM/IO A19/S6A16/S3BHE/S7ALE WRDT/RDEN高为写内存高为写内存 低为写低为写I/O地址输出地址输出 状态输出状态输出地址输出地址输出 数据输出数据输出BHE 输出输出2.3 2.3 高档微处理器高档微处理器l2.3.1 80386微处理器l2.3.2 Pentium微处理器返返 回回2.3.1 80386微处理器l主要特点l内部结构l内部寄存器l三种工作方式l8086的存储器管理8038680386微处理器的主要特点微处理器的主要特点 采用全采用全3232位结构，其内部寄存器、位结构，其内部寄存器、ALUALU和操作是和操作是3232位，数据位，数据线和地址线均为线和地址线均为3232位位 提供提供3232位外部总线接口，最大数据传输率为位外部总线接口，最大数据传输率为32MB/s32MB/s，具有自，具有自动切换数据总线宽度的功能动切换数据总线宽度的功能 具有片内集成的存储器管理部件具有片内集成的存储器管理部件MMUMMU，可支持虚拟存储和特权，可支持虚拟存储和特权保护，虚拟存储器空间可达保护，虚拟存储器空间可达6464太字节（太字节（TBTB）具有实地址方式、保护方式和虚拟具有实地址方式、保护方式和虚拟80868086方式方式3 3种工作方式种工作方式 采用了比采用了比80868086更先进的流水线结构，使其能高效、并行地完更先进的流水线结构，使其能高效、并行地完成取指、译码、执行和存储管理功能成取指、译码、执行和存储管理功能(指令队列指令队列1616字节长）字节长）返返 回回系统总线系统总线分段部件分段部件SU分页部件分页部件PU执行部件执行部件EU预取部件预取部件IPU译码部件译码部件IDU总线部件总线部件BIU线性地址线性地址译码指令译码指令数据（操作和结果）数据（操作和结果）有效地址有效地址物理地址物理地址32位位指令字节指令字节指令指令80386功能结构简图功能结构简图有效地址总线有效地址总线有效地址总线有效地址总线移位地址移位地址加法器加法器乘乘/除除寄存器栈寄存器栈状态状态标志标志ALU控制控制保护检保护检测部件测部件控制控制控制控制ROM译码和译码和定序定序位位移移总总线线指令和指令和译码译码两个译码两个译码指令队列指令队列指令预译码指令预译码内部控内部控制总线制总线分段部件分段部件 输入输入加法器加法器描述符描述符寄存器寄存器界限和属界限和属 性性PLA分页部件分页部件加法器加法器页面超高页面超高速缓存器速缓存器控制和特控制和特性性PLA预取器预取器 界限界限检测器检测器指令预取指令预取 16字节字节指令队列指令队列指令流指令流线线性性地地址址总总线线请求请求特权特权地址地址驱动器驱动器流水线流水线I/O总线总线宽度控制宽度控制多路多路收发器收发器取取代代码码取取页页数数物物理理地地址址总总线线控控制制总线控制总线控制HOLD,INTR,NMI,ERRORBUSY,HLDA,RESETBE0BE3A2A3M/IO,D/C,W/R,LOCK,ADS,NA,BSIG,READYD0D33232323234ALU总线总线323280386的内部结构图的内部结构图返返 回回的工作方式l实地址方式l保护虚拟地址方式l虚拟8086方式实地址方式实地址方式l系统启动后，系统启动后，8038680386自动进入实地址方式。自动进入实地址方式。l寻址方式、存储器管理、中断处理与寻址方式、存储器管理、中断处理与80868086一样。一样。l 操作数默认长度为操作数默认长度为1616位，但允许访问位，但允许访问3232位寄存器（在指令前加前位寄存器（在指令前加前缀）。缀）。l 不用虚拟地址，最大地址范围仍限于不用虚拟地址，最大地址范围仍限于1 1MBMB，只采用分段方式，每段只采用分段方式，每段最大最大6464KBKB。l 存储器中保留两个固定的区域，一个是初始化程序区存储器中保留两个固定的区域，一个是初始化程序区FFFFFH-FFFFFH-FFFF0HFFFF0H，另一个为中断向量表另一个为中断向量表003003FFH-00000HFFH-00000H。l 80386 80386的的4 4特权级，在实地址方式下，程序在最高级特权级，在实地址方式下，程序在最高级0 0级上执行，级上执行，8038680386指令集除了少数指令外，绝大多数指令在实地址方式下都有指令集除了少数指令外，绝大多数指令在实地址方式下都有效。效。虚拟存储虚拟存储保护虚拟地址方式保护虚拟地址方式l所谓保护是在执行多任务操作时，对不同任务使用的虚所谓保护是在执行多任务操作时，对不同任务使用的虚拟存储器空间进行完全的隔离，保护每个任务顺利执行。拟存储器空间进行完全的隔离，保护每个任务顺利执行。l保护方式是保护方式是8038680386最常用的方式，系统启动后先进入实最常用的方式，系统启动后先进入实地址方式，完成系统初始化后立即转到保护方式。地址方式，完成系统初始化后立即转到保护方式。l这种方式提供了多任务环境下的各种复杂功能以及对复这种方式提供了多任务环境下的各种复杂功能以及对复杂存储器组织的管理机制。只有在保护方式下，杂存储器组织的管理机制。只有在保护方式下，8038680386才能发挥其强大的功能。才能发挥其强大的功能。保护虚拟地址方式特点保护虚拟地址方式特点l存储器采用虚拟地址空间、线性地址空间和物理地址空间三种方式存储器采用虚拟地址空间、线性地址空间和物理地址空间三种方式来描述。在保护方式下，来描述。在保护方式下，8038680386寻址机构不同于寻址机构不同于80868086，与，与8028680286类似，类似，是通过描述符的数据结构来实现对内存访问的。是通过描述符的数据结构来实现对内存访问的。l 强大的寻址空间。在保护方式下，强大的寻址空间。在保护方式下，8038680386可以寻址的空间大致可以寻址的空间大致6464TBTB（246246）。）。这个空间就是所谓的虚拟地址空间。这个空间就是所谓的虚拟地址空间。l 使用使用8038680386的的4 4级保护功能，可实现程序与程序、用户与用户、用级保护功能，可实现程序与程序、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。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。l 在保护方式下，在保护方式下，8038680386既可以进行既可以进行1616位运算，又可进行位运算，又可进行3232位运算。位运算。无论是无论是1616位，还是位，还是3232位的运算，只要在保护方式下，它就能启动其位的运算，只要在保护方式下，它就能启动其分页单元，以支持虚拟内存。分页单元，以支持虚拟内存。虚拟虚拟8086方式方式l所所 谓谓 虚虚 拟拟 80868086模模 式式 是是 指指 一一 个个 多多 任任 务务 的的 环环 境境（MultitaskingMultitasking），即即模模拟拟多多个个80868086的的工工作作方方式式。在在这这个个模模式式之之下下，8038680386被被模模拟拟成成多多个个80868086微微处处理理器器并并行工作。行工作。l虚虚拟拟80868086模模式式允允许许8038680386将将内内存存划划分分成成若若干干部部分分，每每个个部部分分由由操操作作系系统统分分配配给给不不同同的的应应用用程程序序，而而应应用用程程序序、数数据据以以及及内内存存管管理理程程序序等等部部分分则则存存放放在在所所分分配配的的内存中。内存中。l因因此此操操作作系系统统可可根根据据时时间间上上的的平平均均分分配配或或优优先先权权，分分给每个应用程序的执行时间。给每个应用程序的执行时间。实地址方式与虚拟实地址方式与虚拟8086方式的主要区别方式的主要区别l实实地地址址方方式式的的内内存存管管理理只只采采用用分分段段管管理理方方式式，不不采采用用分分页页管管理理，而而虚拟虚拟80868086方式既分段又分页。方式既分段又分页。l存存储储空空间间不不同同。实实地地址址下下的的最最大大寻寻址址空空间间为为1 1MBMB，而而虚虚拟拟80868086方方式式下下每每个个任任务务可可以以在在整整个个内内存存空空间间寻寻址址，即即1 1MBMB的的寻寻址址空空间间可可以以在在整整个存储器范围内浮动，因此个存储器范围内浮动，因此V86V86方式实际寻址空间为方式实际寻址空间为4 4GBGB。l实实地地址址方方式式下下微微处处理理器器所所有有的的保保护护机机制制都都不不起起作作用用，因因此此不不支支持持多多任任务务，而而虚虚拟拟80868086方方式式即即可可以以运运行行80868086程程序序，又又支支持持多多任任务务操操作作，这这就就解解决决了了8028680286保保护护方方式式既既要要维维持持保保护护机机制制，又又要要运运行行80868086程程序序的的矛矛盾盾。虚虚拟拟80868086方方式式可可以以是是8038680386保保护护方方式式中中多多任任务务操操作作的的一一个个任务，而实地址方式总是针对整个任务，而实地址方式总是针对整个8038680386系统。系统。返返 回回Pentium的发展的发展l19931993年年3 3月月，IntelIntel公公司司的的奔奔腾腾（PentiumPentium），时时钟钟频频率率：60/6660/66MHzMHz，运行速度：，运行速度：112112MIPSMIPS，集成度：集成度：310310万管万管/片片l19951995年年2 2月月，IntelIntel公公司司的的Pentium Pentium ProPro，时时钟钟频频率率：166166MHzMHz以以上上，集成度：集成度：550550万管万管/片片l19961996年年 IntelIntel公公司司的的Pentium Pentium MMX MMX （多多能能奔奔腾腾），166166MHzMHz、200MHz200MHz、250MHz250MHz和和300300MHzMHz几种型号几种型号l19971997年年IntelIntel公公司司推推出出新新一一代代CPUCPU芯芯片片PentiumPentium，分分266266MHzMHz、300MHz300MHz、350MHz350MHz、400MHz400MHz、450Mz450Mz、500MHz500MHz几种机型。几种机型。l19991999年年2 2月月2626日日,IntelIntel公司推出公司推出Pentium Pentium 处理器处理器l20002000年年5 5月月,IntelIntel公公司司推推出出了了主主频频高高达达1000 1000 MHzMHz的的Pentium Pentium 处处理理器器l20002000年年3 3月月，IntelIntel公公司司推推出出了了时时钟钟频频率率达达到到1 1GHzGHz的的Pentium Pentium 高高性性能微处理器能微处理器l20012001年年底底，Pentium Pentium 主主频频高高达达2 2GHzGHz，具具有有42004200万万只只晶晶体体管管，主主流高端流高端3232位位CPUCPU市场的佼佼者市场的佼佼者l20012001年年5 5月，月，IntelIntel公司正式推出了第一种公司正式推出了第一种6464位微处理器位微处理器 Pentium Pro主要特点主要特点l（1）微处理器集成了）微处理器集成了550万只晶体管，高速缓存寄存器集成了万只晶体管，高速缓存寄存器集成了1550万只晶体管。万只晶体管。l（2）三路超标量结构，）三路超标量结构，14级超流水线，使一个时钟周期内，可同级超流水线，使一个时钟周期内，可同时执行三条简单指令。时执行三条简单指令。l（3）5个并行处理单元：两个整数运算部件，一个装入，一个存储，个并行处理单元：两个整数运算部件，一个装入，一个存储，一个浮点运算部件一个浮点运算部件(FPU)。l（4）8KB指令高速缓存，指令高速缓存，8KB数据高速缓存。数据高速缓存。l（5）专用全速总线上的）专用全速总线上的256KB SRAM二级高速缓存与微处理器紧二级高速缓存与微处理器紧密相连。密相连。l（6）事务处理）事务处理I/O总线和非封锁高速缓存分级结构。总线和非封锁高速缓存分级结构。l（7）错序执行，动态分支预测和推理执行。）错序执行，动态分支预测和推理执行。l（8）工作电压）工作电压2.9V，0.6m结构，结构，4层金属层金属BiVMOS 工艺，微处工艺，微处理器硅片理器硅片306平方毫米平方毫米。返返 回回
