2022年PC原理接口技术授课教案 .pdf

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1、名师精编优秀资料实 验 说 明计算机技术在不断地发展，计算机的应用也在不断地普及和深入。“微机原理及与接口技术”、“微型计算机软件硬件及其应用”等相近课程的教材也经历了8 位机、 16 位机，自然也应转变到32 位机上来。尤其是目前商业自动化随着POS机、ATM自动柜员机等等的快速发展，对接口应用开发人员掌握的软、硬件知识及具备的软、硬件开发能力也提出了更高的要求。为了满足我商业院校的商业自动化实验教学需要，我实验室整写了32 位微型计算机原理及接口技术实验书、主要有关内容为32bit微处理器的组成原理、接口技术及应用等。由于目前世界CPU架构主流还是Intel公司生产的80X86，Penti

2、um 等，都是 32 位的 CPU 。然而虽然它们在电路结构、芯片性能、主频等方面差异较大，用不同的CPU组成微机系统，系统功能有明显差异。但是，这些CPU在面向用户编程方面，以及涉及微机系统基本工作原理的各部分还是保持着一致。例如它们在基本编程结构、基本工作模式、存储器管理模式、中断管理模式、任务管理模式等方面大同小异，它们的指令集保持向上兼容。 做为微机原理实验，本书将尽可能的验证这些共同的基本内容，对个别 CPU拥有的特殊功能不再实验。从微机系统基本工作原理的观点看，Intel32位在 CPU的体系演化过程中，占有承上启下的位置。一方面它上承16 位，可看成是把80386 及运算协处理器

3、80387、高速缓存器集成于一体。另一方面它下启Pentium 系列 CPU准 64 位的基本体系架构。虽然Pentium 采用了超标量设计，有两条流水线及配套的辅助部件，有多媒体控制能力等，但在涉及微机系统基本工作原理的部分，仍然保持了32 位的逻辑部件及功能。另一方面，微机的接口技术与现代PC机架构也密切相关，从围绕PC机内部构成原理及常用接口芯片的使用和PCI 总线技术及应用来看，PC机资源的基本操作和常用接口芯片的编程应用，以及PCI 总线的应用扩展和在Windows 9x 下开发设备驱动程序的方法等，才应是我们实验应注重的技能。因此本书以实验来研究IntelCPU 的基本原理及接口技

4、术。由于目前国内各大专院校的微机教学大多仍停留在理论教学阶段，少数开设了16-32 位微机教学的学校也只有上机实践，没有开设架构实验，使得微机教学与技术发展严重脱节，学生很难掌握16-32位微机技术， 以至于与国外的发展水平产生了很大的差距。为了改变这种状况，国家教育部将微机教学的要求提升到了32 位。因此我实验室也一直在寻找一种16-32 位微机教学的途径。分析16-32 位微处理器的系统应用架构及通用微机的体系架构。在参考了西安电子科技大学唐讳玲、毛月东，唐都出的：32 位微机原理和接口技术实验教学系统后，我们觉得将微机实验教学的内容分为16-32 位微机原理和16-32 位微机接口技术两

5、部分是合理的。16-32 位微机原理旨在从更高层次上学习和掌握80 x86 微机原理，重点讲清32 位微处理器的实模式、保护模式和虚拟86 模式的工作机制，从而让学生掌握80 x86微机原理及操作。特别是32 位微处理器保护模式的学习，包括了CPU在保护模式下操作的各种应用数据结构、存储管理、中断异常处理和任务管理。由于32 位微机原理与接口技术涉及到的概念多，且比较复杂， 学生希望可以从实验中加深对理论课的理解。因此，为配合西安电子科技大学唐讳玲、毛月东，唐都科教出的：32 位微机原理与接口技术实验教学设备系统TD-PIT，本书力求做到实验简单明了，具有代表性。本实验教程充分考虑到学生对计算

6、机知识学习的连续性，第一实验简要描述计算机的基本概念。综述了 PC机的发展变化。第二实验进而给出了配套实验设备TD-PIT 实验系统设备的教学特性、原理及应用。第三实验、第四实验针对16-32 位微机原理及其程序设计的课程实验内容，详细讲述了16-32位汇编语言程序设计的方法、保护模式工作原理和实模式、保护模式下的实验方法。第五至第八个实验实验针对16-32 位微机接口技术涉及的内容，详细讲述了PC机内常用芯片、资源的使用，设备驱动程序的概念和开发方法，以及 PCI 总线的基本概念和应用扩展方法。第十至第十一实验介绍了现代计算机微电子技术的新概念- 辅助设计系统等。出于水平所限，书中难免有谬误

7、之处，恳请大家批评指正。电子技术实验室名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页，共 49 页 - - - - - - - - - 名师精编优秀资料实验一计算机原理及接口技术实验课综述及实验课注意事项1、计算机的过去、现在和未来 Intel对微处理器的定义是：“由一个或多个的集成电路元件组成的系统，它采用半导体技术和数字逻辑； 在很小的规模上完成大型计算机的功能”。Intel已认为成功地把这一定义从理论转变成事实，对于成千上万使用计算机的每个人来说，微处

8、理器的定义即为“由Intel生产的芯片”。相对来讲，徽处理器还是很年轻的。但是与大多数技术革新相比，个人计算机的革新速度是非常之快的。Intel开发的第一片微处理器芯片是 4 位的，主要用于嵌入的应用。两年之后，在1974 年，传奇的 8080 芯片诞生了。它被设计成为一个通用的微处理器。这种适应性强的芯片的出现，对工业界来说非常重要。 实际上 Intel 8080的成功激发了开发8 位处理器的竟争， 如 Zilog 的 Z80、 Motorola的 6800 和 NEC 等. 后诞生的 8086 成为微处理器的第一个16 位微处理器，并且是80 x86 系列的第一个成员。有 16 位寄存器，

9、一次可传送16 位数据到外部存储器，且可直接寻址一兆字节的物理存储器。 Intel在 其发展中继续支持构成其微处理器销售占很大部分的嵌入应用市场。在后来的16 位的 80186(iAPX 186) 和 8 位的 80188(iAPX 188) 这些芯片不仅包含处理器，同时还包含处理器需要的许多芯片，以执行有用的工作。它们几乎成为一块芯片上的完整的计算机了。当iAPX286于 1982 年推出时，引起了不小的震动，首先， 80286比 8086运行的时钟速度高 (即使那时它只有6MHz) 。这一改进伴随着在内部完成延时要求的专用硬件的设计，使系统性能大大提高。另外，该芯片可执行所有为 iAPX8

10、6系列编写的代码而无需改变。这种向上兼容性使得计算机用户可方便快速地在新机器上运行他们已编好的8086应用程序。系统程序员开始注意到80286 增加的新的结构特性，即保护虚地址方式，或简称保护方式。80286 的保护方式提供了在当时认为是非常完善的一种机制，可实现一个保护的操作系统来支持数据保护多任务，内存管理以及直接寻址16 兆字节物理内存和虚拟存储器。这比IBM和 Microsoft采用这些机制的操作系统要早若干年。虽然保护方式的操作系统产生了，但它极少被采用，大多数 PC用户继续简单地把80286当作一台快速的8086 来使用。再后来Intel结束了iAPX 的设计，推出了80386DX

11、 ，这是第一个真正的32 位处理器，也就是众所周知的80386，它产生于 1985 年并且震惊了 PC工业界。除了完全向上兼容外，80386 还完全支持 32 位操作和数据类型，存储器分页以及扩充的指令集。其他的增强包括内在的调试支持，虚拟 8086 方式，直接寻址 4 千兆字节的物理存储器以及消除了64K一段的限制的线性寻址方式。在实模式下，CPU 相当于一个可以进行32 位处理的快速 8086；在保护模式下，CPU 的工作原理和机制与16 位处理器的工作原理和机制有着本质的不同，它采用了新的应用数据结构、虚拟存储管理方案、新的中断异常处理机制，并从硬件上支持了多任务。目前微机主流操作系统（

12、如Windows 9x）都是基于 CPU的保护模式来工作的。而虚拟86 模式，则是保护模式下一个可以仿真8086 的任务。 80486 也是 32 位处理器且基本与80386类似，80486 比 80386 明显的增强在于它的芯片包含了浮点的硬件，从而排除了对独立数值协处理器的需要。实际上，80486内部包含了80487，在芯片上还包含一个8K 统一的代码和数据高速缓冲存储器，它使 80486 能以很高的时钟速度操作，而不受相对较慢的存储器访问速度的阻碍。在名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - -

13、- - - - - - - - - 第 2 页，共 49 页 - - - - - - - - - 名师精编优秀资料1991 年，Intel又推出了 80486SX ，它只是 80486DX的整数型版本。 80486SX采用与80486DX相同的掩膜生产，它只是断开了与浮点部件的联系，关闭了浮点硬件部分，整数和浮点操作。 剩下的芯片部分与80486DX完全相同。 从这点我们能略窥美国在电子技术界潇洒而游刃有余的风格。从此以后的10多年间， 80486、80586(pentium) 、80686(pentium2) 、pentium3 直到 pentium4，Intel一直牢牢占据着个人电脑发展路

14、程上的核心地位。 32 位的 x86 架构也经历了 10 多年的风雨， x86 产品已经从最初的pc 机走入了工作站、服务器领域。2000 年 Intel发布了 Pentium 4 处理器。可以创建专业品质的影片，透过因特网传递电视品质的影像，实时进行语音、影像通讯，实时 3D渲染，快速进行 MP3编码解码运算，在连接因特网时运行多个多媒体软件。处理器集成了5 千 5 百万个晶体管；并且开始采用0.18 微米进行制造，初始速度达1.5GHz。 Pentium 4还引入了 NetBurst 新结构，如： a. 较快的系统总线 (Faster System Bus)； b. 高级传输缓存 (Adv

15、anced Transfer Cache)； c. 高级动态执行 (Advanced Dynamic Execution) (包含执行追踪缓存Execution Trace Cache、高级分支预测 d. 超长管道处理技术 (Hyper Pipelined Technology)； e. 快速执行引擎 (Rapid Execution Engine)； f.高级浮点以及多媒体指令集(SSE2)等等。到Core 2 时就是 Intel推出的第八代 X86架构， 64位双核处理器，采用 65nm 工艺，它采用全新的 Intel Core架构。 Core 2 不会仅注重处理器时钟频率的提升，它同时就

16、其他处理器的特色，例如高速缓存数量、核心数量等进行优化。Intel声称它的功耗会比以往的奔腾处理器低很多。 Intel 将会把笔记本电脑、 台式机、服务器 3种处理器统一为“Core”微架构- a. 宽位动态执行：宽位动态执行通过提升每个时钟周期完成的指令数，所谓的能效比就是：性能频率每个时钟周期的指令数。 b.智能功率能力：采用智能门电路技术，解决了处理器漏电难题。 c.高级智能高速缓存： Intel微架构体系采用了共享二级缓存的做法，每个核心都可以动态支配全部二级高速缓存。 d.智能内存访问：该功能能够预测系统的需要，从而提前载入或预取数据，将内存访问效率提升 30% 。在微处理器发展的同

17、时，微机体系机构从早期CPU 总线直接与外设相连发展到现在采用的多级总线结构。尤其是商业自动化POS 机、ATM 自动柜员机和微机等的快速发展，PC 机的外围总线也由低速总线发展到现在以PCI总线为主的高速总线，如Tundra Co. 即将推出的Tsi350 采用了标准 32位66MHz PCI-PCI主桥的电路设计，符合行业标准、功耗低，可以直接支持 9个PCI总线主设备等等。因此高速外围设备得到越来越广泛的使用。在微机操作平台方面， Windows 操作系统己经成为PC机操作系统的主流。 由于 Windows 9x 是基于 CPU 保护模式工作的，它与在16 位操作系统时代有所不同。如，在

18、以往的名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 3 页，共 49 页 - - - - - - - - - 名师精编优秀资料操作系统上，用户程序可以通过直接调用BIOS或者通过功能调用实现对硬件的访问操作。而 32位操作系统 Windows 9x 在 CPU保护模式的支持下，对系统核心程序及系统硬件操作采取了屏蔽的策略，若要实现硬件中断、DMA, I/O 或者是绝对存储访问，都必须通过设备驱动程序。 这使得系统变得更安全， 也使得一般程序员在Windows 9x

19、上从事核心软件开发及硬件控制变得非常困难。于是大多数应用开发者只能停留在为别人的核心技术开发外包程序的层面上，对许多技术的核心不能碰，也不敢碰，这就严重阻碍了自主软、硬件产业创新与发展的速度。至此微机界的发展变化主要体现在三个方面：第一方面是微处理器的发展变化，第二方面是微机体系结构的变化，第三方面是微机操作平台的发展变化。2、微机的基本体系架构PC机的发展过程中，无论是微处理器还是微机的系统结构始终都保持着向上兼容性。从 PC/XT总线结构开始，系统总线不断升级，相继出现了ISA 总线、EISA总线、 MCA（微通道结构）总线、 VESA 局部总线、 PCI 局部总线和 AGP 接口，微机的

20、整体处理速度和可靠性得到了提高。图 1-2 第一代通用微型计算机结构示意图当采用 8088 作为处理器的第一代通用微型计算机系统中，所有其他部件直接与处理器相连。处理器作为系统核心，通过PC总线对系统中的其他部件进行控制及数据交换。这种 PC总线称为 XT总线，它采用了 8 位数据总线和 20 位地址总线， 以 CPU时钟作为总线时钟，可支持4 通道 DMA 和 8 级硬件中断。其结构示意如图1-2 所示。图 1-3 ISA总线结构示意图名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - -

21、- - - - 第 4 页，共 49 页 - - - - - - - - - 名师精编优秀资料 1984 年 IBM 公司公布了 PC/AT系统总线结构，系统中采用了80286 微处理器和80287协处理器。 PC/AT支持与 PC/XT兼容的结构，且性能比PC/XT增强了许多。后来Intel公司联合其他几家微处理器生产厂家推出了一个公开的总线标准，称为 ISA 总线规范，它支持 24 位地址线、 16 位数据线、 15 级硬件中断和 7 个 DMA 通道。ISA 总线结构示意如图 1-3 所示。其中， PC AT/ISA 核心逻辑芯片组中可以实现7 个 DMA通道、15 级中断、时间计数器、

22、总线缓冲器和扩展总线控制等。随着微处理器和操作系统的变化，用户对微机处理的高速性提出了新的要求。为了提高处理器与各部件及部件与部件间传输信息的整体效率，微机系统中采用了十分明确的总线分级结构，WCPU 总线和局部总线（PCI 总线） 、系统总线结构。连接各级总线的是一些高集成度的多功能桥路芯片，它们可以起到信号速度缓冲、电平转换和控制协议转换的作用。按照芯片组功能和连接方法来划分，总线分级结构可以分成南北桥结构和中心结构。在南北桥结构中，各级总线主要通过两片桥芯片进行连接。一片称作北桥的用于连接CPU总线和 PCI 总线，另一片称作南桥，用于连接PCI 总线和系统总线。常用的芯片组有 Inte

23、l公司的 440 系列， 如 440BX ， 其南桥芯片为 82371EB ，集成了 PCI-ISA 连接器、 IDE控制器、 USB 控制器、两个增强型DMA 控制器、两个 8259中断控制器、 8253/8254 定时计数器、电源管理逻辑和可选的I/O APIC 等。这种总线结构可以使高速外围设备通过PCI 插槽直接与 PCI 相连，适应当前高速外设与微处理器连接的需求。其结构示意如图1-4 所示。图 1-4 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 5

24、页，共 49 页 - - - - - - - - - 名师精编优秀资料在中心结构的微机中， 芯片组由 3 个芯片组成： 存储控制中心 MCH, I/O 控制中心 ICH和固件中心 FWH. MCH 用于提供高速 AGP接口、动态显示管理、电源管理和内存管理功能。 ICH 提供了音频编码和调制解调器编码接口、IDE 控制器、 USB接口和局域网络接口， 并与 PCI总线及其插槽连接在一起。 ICH还和 Super I/O 控制器相连，而 Super I/O 主要为系统中的慢速设备，如串口、并口、键盘、鼠标等提供与系统通信的数据交换接口。固件中心包含了主板BIOS 、显示 BIOS和可用于数字加密

25、、安全认证等领域的硬件随机数产生器。其结构示意如图1-5 所示。图 1-5 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页，共 49 页 - - - - - - - - - 名师精编优秀资料实验二主要实验设备简介一、系统构成1）TD PIT 实验系统为 32位微机原理和 32 位微机接口技术分别提供了实验平台。32 位微机原理部分的实验平台由一组支持在80386 及其以上 PC微机上的编程、调试软件构成。学生可以通过该平台进行32 位微机实模式和保护模式下的

26、实验程序的编制、运行及调试。 32位微机接口应用部分的平台，分为基本接口和高级接口应用两部分。一部分用于支持基本接口应用学习，TD PIT 系统经 PCI 总线扩展卡及转接逻辑为用户提供了一个仿真ISA 接口，学生可以基于该接口学习常用接口芯片的编程及应用；另一部分用于支持高级接口部分的学习，TD PIT 实验系统提供了PCI 总线控制芯片的全开放的总线接口ADD ON总线接口及 CPLD实验单元，用户可以直接针对特定应用的需要设计接口电路和时序逻辑。TD PIT 系统同时还提供了基于Windows的 VxD 、WDM 开发实验以及 PCI 总线应用扩展，学生可以快速掌握接口应用的实现方法。2

27、） 对实验设计具有良好的开放性，增强学生综合设计能力，实验系统所具有的硬软件结构对用户的实验设计具有良好的开放特性，系统总线及各种外围接口器件都可由用户来操作连接，从而极大地提高了学生的实际操作能力，避免了单纯验证式实验方式的弊病。 3 ）采用排线接线方式，提高了实验效率硬件实验连线采用排线连接方式，极大地提高了实验效率和接线成功率，把学生和老师从单线接线方式这种重复劳动中解脱出来，可使学生把注意力集中在硬软件设计和调试过程中。 4 ）高性能稳压开关电源系统采用了具有抗短路、过流的高性能稳压开关电源，使得实验平台和PC 机电源隔离，从而可以避免学生实验过程中因接线失误而导致的芯片或整机损坏情况

28、。二、TD PIT 实验系统硬件内容表：电路名称主要电路内容TDPIT 实验母板 S5933 与 PCI 接口电路及S5933与 nvRAM 接口电路总线及接口单元所有 ADD ON总线信号和总线接口插座仿真 ISA 接口单元总线接口插座、仿真ISA 总线信号 8254 、8255、， 6550、ADC574 、DAC0832 ，SRAM6264 ，FLASH ROM29C256、常用接口芯片实验单元电子发声、步进电机、直流电机及温度控制单元CPLD逻辑实验单元 CPLD( 大规模可编程逻辑器件) 及程序下载电路名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - -

29、 -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 7 页，共 49 页 - - - - - - - - - 名师精编优秀资料通用实验单元转接母线1Hz，10I-Lz ，100Hz，1KHz ，10KHz，100KHz，lMHz，2MHz ，4MHz固信号源单元定频率信号源开关及显示灯单元 16组拨动开关， 16 组显示灯， 2 组单脉冲触发电路系统电源 +5V 2A， 12V02A 实验三实模式原理 - 显示程序实验1-1 实验目的要求 a.掌握在 PC机上以十六进制数形式显示数据的方法。 b.掌握部分 DOS 功能调用的使用方法及实模式原理。 c

30、.了解 Tddebug调试环境。了解 ASSEMBLE。 d.根据实验内容的描述，编写设计实验程序。1-2 实验设备 PC机。逻辑分析仪。信号发生器。1-3 实验重点及原理内容 由于我们理论课已学过基本原理，所以这里略述仅做复习。 80X86CPU内部设有三组信息寄存器和一个标志寄存器三组信息寄存器是：通用寄存器组、地址指针和变址寄存器及段寄存器，另有一个16 位的指令指针寄存器IP-instruction Pointer)。 a通用寄存器 EU中设置了 8 个 16 位通用寄存器。可分为两组：数据寄存嚣 4 个它们是累加器 AX 、基址寄存器 BX ，计数器 cx 和数据寄存器 DX ，它们

31、都可以拆成两个独立的8 位寄存器允许分别寻址、独立操作。例如AX寄存器可以拆成 AH和 AL使用。在 8086 指令系统中通用寄存器可参与算术和逻辑运算 - 但它们还有各自特殊的用用途。 b地址寄存器 EU中设有四个地址寄存器： SP 、BP 、SI 和 DI其中前面两个称“地址指针” ，后面两个叫“变址寄存器” ，它们只能按 16 位寄存器进行操作。其中SP 、BP用于堆名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 8 页，共 49 页 - - - - - -

32、- - - 名师精编优秀资料栈操作， SI、DI 用于变址操作。这4 个寄存器也可以用作数据寄存器， c标志寄存器 EU中设有一个 16 位的标志寄存器 PSW ，80868088只定义其中的 9 位为有效位。 d. 段寄存器段寄存器 CS规定了当前代码段的起始地址，指令指针IP 的内容作为段内的偏移量。需要特别指出： 8086 8088的堆栈及堆栈操作有以下特点： a.双字节操作。即每次进、出栈的数据均为两字节。且高位字节对应高地址，低位字节对应低地址。无论是源操作数还是目的操作数，也无论是存储器操作数还是寄存器操作数，都必须按这个原则进行。 b.堆栈向低地址方向生成。数据每次进栈时堆栈指针

33、SP向低地址方向移动 ( 减 2) ；数据出栈时， SP向高地址方向移动 (加 2)。 c.堆栈总满。亦即 SP所指示的栈顶已存有数据。 d.BP ，BX都被称为基址指针，但两者用法不同。BP只能寻址堆栈段不许段跨越：BX可以寻址数据段 ( 段默认 ) ，也可以寻址附加段 ( 段跨越 ) 。 80868088 有 20 位地址总线见图1-2，用来对外寻址不同的存储器单元和IO端口。访问存储器时，其20 位地址线 (A19 一 A0) 有效，可寻址 220B1MB的内存空间，其中每一个字节与一个20 位的地址对应，该地址叫作物理地址。它由BIU中 20位的地址加法器自动形成，如图11 所示。图中

34、段基址存放在段寄存器(cs 、ds、ss、es) 中，而段偏移量由 SP 、BP 、SI、DI 以及上述寄存器的组合形成。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 9 页，共 49 页 - - - - - - - - - 名师精编优秀资料图 11 1-4 实验内容 一般来说，有很多程序需要显示运行的状态和结果，有的还需要将数据区中的内容显示在屏幕上。本实验要求将指定数据区的数据以十六进制数形式显示在屏幕上，并通过 DOS 功能调用完成一些提示信息的显示。实验中

35、可使用DOS 功能调用（ INT 21H）. 1-5 实验步骤及说明 a.运行 Tddebug软件，选择 Edit 菜单，根据实验内容的描述编写实验程序。要求写出实验流程图。 b.使用 Compile 菜单中的 Compile 和 Link 对实验程序进行汇编、连接。 c.使用 Rmrun菜单中的 Run运行程序，观察运行结果。 d. 使用 Rmrun菜单中的 Debug调试程序，观察调试过程中数据传输指令执行后各寄存器及数据区的内容。 e. 更改数据区中的数据，考察程序的正确性。图 1-2 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精

36、选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 10 页，共 49 页 - - - - - - - - - 名师精编优秀资料实验四保护模式 - 描述符和描述符表实验实例1-1 实验目的要求 a.了解保护模式的编程格式。 b.了解全局描述符的声明方法。 c.了解使用选择符访问段的寻址方法。1-2 实验设备 PC机。 TD 教学实验系统。逻辑分析仪。信号发生器。1-3 实验重点及原理 本实验要求我们对32 位微机原理做以下复习回顾：Intel 80 x86家族中的 32 位微处理器始于 80386， 兼容了先前的 8086/8088, 80186和 80286, 32

37、位微处理器全面支持32 位数据类型、 32 位操作和 32 位物理地址，同时支持实模式、保护模式的运行方式。在保护模式下的微处理器可以寻址4GB的物理地址空间，并且支持虚拟存储管理、多任务管理以及虚拟86 运行模式。程序进入内存时，各程序段要求占据相对独立的内存区间。因此，现代计算机系统把物理空间分成相对独立的许多内存段，每个内存段放置一个程序段，至此内存段与程序段统一， 统称为段。一个程序拥有多个段、 不同程序占据不完全相同的几个段。而且管理整个系统所需要的信息放置在属于系统所有的段中。由此形成内存分段管理的思想。分段管理后，系统必须知道每个段的必要信息( 段信息 ) 才能完善地管理各段，这

38、些信息包括：段在物理空间的开始地址、段大小，段是数据型还是程序型，或是系统管理信息等多方面的内容。 32 位机把每个段的段信息放入一个数据结构中，称作段的描述符。又把所有的描述符分类，组成4 个顺序排列的表称作描述符表。每个描述符表都放在内存中备用。显然每个描述符表占据的物理空间也形成一个段。也有自己的描述符，不妨暂时称作描述表描述符。由此可以推断：当需要访问某程序中的一个信息时，第一步要从描述符表描述符找到内存中的描述符表；第二步从描述符表中找到相应的描述符；第三步从描述符找到段的位置；第四步从段中找到信息所在物理地址；第五步访问该物理地址。特别提出的是， 在描述符中设置了一个本段内容已在内

39、存标志。此标志不成立时，系统就知道该段 这时仅指程序段 )目前不在内存，系统去外存寻找此程序段；若找到就把它调入内存，然后修改描述符实现与内存段的统一。这意味着，只要系统建立了一个程序段的描述符，系统就开始管理此程序段，而无论该段内容是否真正在内存。换句话说，此标志位使系统可以把外存的一部分作为内存的延伸，与内存统一管理。这一复合存储空间称为虚拟内存。程序段只要进入虚拟内存就可以被系统管理，自动调入内存执行。因此程序员编程时使用虚拟空间即可，无须考虑物理空间大小。因此常称虚拟空间为编程空间。虚拟空间的大小是由系统中存储管理子系统决定的，对于 32 位 CPU 是由段描述符与描述符表决定的，大小

40、为64T。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 11 页，共 49 页 - - - - - - - - - 名师精编优秀资料以下我们全面介绍了32 位微处理器在实模式和保护模式下的工作机制和实验方法。a、实模式和保护模式实模式和保护模式是32 位微处理器的两种工作模式。在实模式下，32 位微处理器相当于一个可以进行32 位快速处理的8086，其最大的寻址空间为1MB ，每个段的最大长度为 64 KB，且段的起始地址必须是16 的倍数。而在保护模式下，32

41、位 80 x86 才能发挥其全部功能，可以充分利用其强大的段页式存储管理和特权与保护能力，全部的 32 条地址线有效，保护方式通过描述符实现分段存储管理，每个逻辑段可以寻址的物理空间可达 4GB 。Pentium Pro 以后的 32 位 x86CPU 还可以支持 64GB物理存储器。具有 64TB虚拟存储空间。段基地址和段内偏移量都是32 位的，这就是“ 32 位段” 。保护模式的存储管理，采用了扩充的分段管理机制和可选的分页管理机制，采用了4个特权级和完善的特权级检查机制，为存储器的共享和保护提供了硬件的支持。在保护模式下引入了任务管理的概念，使得CPU从硬件上支持了多任务，也使得任务切换

42、提速，任务环境得以保护。保护模式下还支持了虚拟86 模式，便于执行8086/8088的程序。 b. 寄存器组织 32位 80 x86 的寄存器是 16 位 80 x86 寄存器的超集，分为以下几组：通用寄存器、段寄存器、指令指针及标志寄存器、系统地址寄存器、控制寄存器、调试寄存器和测试寄存器。在Pentium 中还定义了几种模型专用寄存器用于控制可测试性、执行跟踪、监测性能和检查机器错误的功能。其中通用寄存器、段寄存器、指令指针寄存器及标志寄存器被应用程序使用，如图1-1 所示，其余寄存器被系统程序使用。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心

43、整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 12 页，共 49 页 - - - - - - - - - 名师精编优秀资料 1). 通用寄存器 8个 32 位通用寄存器是原先16 位通用寄存器的扩展。这些通用寄存器的低16位可以作为 16 位独立寄存器，并将其定义为: AX，CX ，DX ，BX ，SP ，BP ，SI 和 DI。与 16 位处理器一样， AX ，CX ，DX ，BX的高 8 位和低 8 位可以被独立存取，分别命名为 AH ，AL，CH ，CL，DH ，DL，BH和 BL。这些 32 位寄存器不仅可以传送数据、暂存数据、保存算术或逻辑运

44、算结果，而且还可以在基址、变址时存放地址（在16 位中，只有 BX ，BP ，SI，Dl 可以作基址、变址寄存器）。 2). 段寄存器 32位微处理器有 6 个 16位段寄存器，分别命名为CS ，SS ，DS ，ES ，FS和 GS 。在实模式下，内存单元的逻辑地址仍旧是“段值：偏移”的形式，CS为代码段寄存器， SS为堆栈段寄存器， DS为数据段寄存器， ES 为附加段寄存器， GS和 FS为新增段寄存器。为了访问一个给定段中的数据，可以将段值直接装入段寄存器中。如： MOV AX，DATA MOV FS，AX 在保护模式下， 段寄存器的内容不再是段值， 而是在系统中查找段的一个选择符，其具

45、体定义及使用方法在理论课32 位微机保护模式工作原理一章有详细说明。 3). 指令指针寄存器和标志寄存器 32位指令指针寄存器和标志寄存器是16 位 IP 和 FLAGS 的 32 位扩展，分别标记为 EIP 和 EFLAGS 。EIP 的低 16 位是 16 位指令指针寄存器IP，由于在实模式下段的最大寻址范围为64KB ，所以 EIP 的高 16 位必须为 0，相当于只有 IP 起作用。EFLAGS 相对于 16 位的 FLAGS 扩展了 8 个控制标志，其他标志位的位置和意义都与 16 位中的相同。下面介绍扩展的控制标志。、 I/O 特权标志 IOPL：位 12、13，按特权级从高到低取

46、值：O ，1，2 和 3。只有当当前特权级CPL在数值上小于或等于IOPL，I/O 指令才可以执行。、嵌套任务标志NT （Nested Task ） ：位 14，在保护模式下中断和CALL指令可以引起任务切换。任务切换时，令NT 1，否则 NT 清零。在中断返回指令IRET执行时，如果 NT 1，则中断返回引起任务切换前的程序段，否则只产生任务内的控制转移。、重启动标志 RF ：位 16，重启动标志控制是否接受调试故障。、虚拟 86 方式标志 VM ：位 17，在保护模式下VM=1时，32 位处理器工作在虚拟 86 模式下。以上 4 个控制标志位在实模式下不起作用，从80386 开始的 32

47、位处理器都有这 4 个控制标志位。还有4 个标志：对齐检查标志AC （位 18）. 虚拟中断允许标志 VIF（位 19） 、虚拟中断挂起标志VIP（位 20） 、标识标志 ID（位 21） ，后 3 个只对 Pentium 有效。 32位标志寄存器的内容如表1-2 所示。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 13 页，共 49 页 - - - - - - - - - 名师精编优秀资料表 1-2 4).系统地址寄存器系统地址寄存器只在保护模式下使用，共有4

48、个：GDTR,IDTR,LDTR 和 TR ，如表 1-3 所示。系统地址寄存器是为了能够方便快捷地定位系统中的特殊段，其具体用途和说明在理论课32 位微机原理一章中描途。表 1-3 5). 控制寄存器在 32 位微处理器中，有4 个 32 位控制寄存器，如表1-4 所示，分别命名为CR0,CR1, CR2和 CR3 。其中：CR0用于指示处理器的工作方式，CR1被保留，CR2和 CR3在分页管理机制启用的情况下使用。CR2用于发生页面异常时报告出错信息，CR3用于保存页目录表的起始物理地址，由于目录是页对齐的，所以仅高20 位有效，低 12位保留未用。表 1-4 名师归纳总结 精品学习资料

49、- - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 14 页，共 49 页 - - - - - - - - - 名师精编优秀资料 CRO中的位 0 用于标记 PE, 31 位用于标记 PG ，一起用于控制分段和分页管理机制，标记的具体含义如表1-5 所示。 CR0的位 1-4 分别标记了 M P（算术存在位）、EM （模拟位）、TS （任务切换位）和ET （扩展类型位），它们用于控制浮点协处理器的操作。表 1-5 6). 调试寄存器和测试寄存器 32位微处理器共支持8 个 32 位的可编程调试寄存

50、器， 命名为 DRn 。其中 DR0, DR1,DR2 和 DR3为断点地址寄存器， DR4和 DR5保留未用， DR6为调试状态寄存器，DR7为调试控制寄存器。利用这些调试寄存器可以设置代码执行断点和数据访问断点。 32 位微处理器还含有8 个测试寄存器 TR6, TR7 用于支持 TLB的测试。 TR3, TR4, TR5用于测试片上高速缓存， TR0未定义， TR1,TR2在 Pentium中使用。 c. 存储器寻址 32位微处理器依旧采用了分段方法管理存储器，但实模式和保护模式下有所不同。在实模式下，段基地址仍然是16 的倍数，段的最大长度为64 KB，段寄存器中存放的是段基地址对应的