IntelIA处理器结构与原理.ppt

《IntelIA处理器结构与原理.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《IntelIA处理器结构与原理.ppt（60页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第2章章 Intel IA-32处理器结构与原理处理器结构与原理张明武张明武华南农业大学信息（软件）学院华南农业大学信息（软件）学院华南农业大学信息（软件）学院华南农业大学信息（软件）学院12.1 Pentium处理器处理器80 x86系列微处理器兼容系列微处理器兼容有有64位数据总线、位数据总线、32位地址总线，寻址空间位地址总线，寻址空间4GB。RISC型超标量结构型超标量结构 -两个两个两个两个5 5级整数指令流水线，一个级整数指令流水线，一个级整数指令流水线，一个级整数指令流水线，一个8 8级浮点流水线。级浮点流水线。级浮点流水线。级浮点流水线。具有超级流水线技术的高性能浮点运算器。

2、具有超级流水线技术的高性能浮点运算器。数据数据-代码分离式高速缓存，符合代码分离式高速缓存，符合MESI协议。协议。增强的错误检测和报告功能。增强的错误检测和报告功能。利用片上分支目标缓冲器提高分支指令预测准确性。利用片上分支目标缓冲器提高分支指令预测准确性。常用的指令不采用微程序设计，而改用硬件实现。常用的指令不采用微程序设计，而改用硬件实现。支持支持64位外部数据总线突发传输方式位外部数据总线突发传输方式通过通过APIC总线支持多处理器系统总线支持多处理器系统2.1.1 Pentium处理器的特性处理器的特性2分支目标分支目标缓冲器缓冲器 代码代码Cache 8KBTLB指令指令指针指针预

3、取缓冲存储器预取缓冲存储器指令译码部件指令译码部件256位位总总 线线 接接 口口 部部 件件分分页页部部件件64位数位数据总线据总线 预取预取地址地址32位地位地址总线址总线控制控制控控 制制 部部 件件地址生成地址生成（U流水线）流水线）地址生成地址生成（V流水线）流水线）控制控制ROMALU（U流水线）流水线）ALU（V流水线）流水线）整数寄存器组整数寄存器组桶形移位器桶形移位器数据数据 Cache 8KBTLB浮点部件浮点部件控制控制寄存器组寄存器组加法器加法器除法器除法器乘法器乘法器80位位80位位分分支支检检测测和和目目标标地地址址64位数位数据总线据总线32位地位地址总线址总线3

4、2位位32位位32位位32位位32位位32位位=指令预取指令预取指令预取指令预取=首次译码首次译码首次译码首次译码=二次译码二次译码二次译码二次译码=指令执行指令执行指令执行指令执行=写回写回写回写回R R2.1.2 Pentium处理器的内部结构与工作原理处理器的内部结构与工作原理3指令配对规则指令配对规则配对的指令必须是简单指令配对的指令必须是简单指令两条指令之间不可存在两条指令之间不可存在“写后读写后读”或或“写后写写后写”这这样的寄存器相关性样的寄存器相关性一条指令不能同时既包含位移量又包含立即数一条指令不能同时既包含位移量又包含立即数带前缀（带前缀（JCC指令的指令的OF除外）的指令

5、只能出现在除外）的指令只能出现在U流水中流水中浮点运算指令不能和任何指令配对（浮点运算指令不能和任何指令配对（FCXH除外）除外）MOV AX,200MOV CX,AXMOV AX,200MOV AX,41242.2 P6微结构的处理器微结构的处理器2.2.1 P6微结构概述微结构概述 采用采用12级级3流水超标量结构流水超标量结构多路分支预测多路分支预测-预测分支未来的方向，为处理器预预测分支未来的方向，为处理器预预测分支未来的方向，为处理器预预测分支未来的方向，为处理器预 先译码分支之后的指令提供依据先译码分支之后的指令提供依据先译码分支之后的指令提供依据先译码分支之后的指令提供依据 动态

6、数据流分析动态数据流分析-处理器分析几条指令的数据相关性和资源可用性处理器分析几条指令的数据相关性和资源可用性处理器分析几条指令的数据相关性和资源可用性处理器分析几条指令的数据相关性和资源可用性-以优化的执行顺序高效地乱序执行这些指令以优化的执行顺序高效地乱序执行这些指令以优化的执行顺序高效地乱序执行这些指令以优化的执行顺序高效地乱序执行这些指令 推测执行推测执行-在假设分支走向基础上，执行其中一路指令流在假设分支走向基础上，执行其中一路指令流在假设分支走向基础上，执行其中一路指令流在假设分支走向基础上，执行其中一路指令流 双独立总线结构双独立总线结构-后端总线连接到后端总线连接到后端总线连接

7、到后端总线连接到L2 CacheL2 Cache上上上上-前端总线前端总线前端总线前端总线FSBFSB主要负责主存储器的信息传送操作主要负责主存储器的信息传送操作主要负责主存储器的信息传送操作主要负责主存储器的信息传送操作Pentium IIPentium II北桥北桥北桥北桥内存内存内存内存FSB 前端总线前端总线L2 CacheL2 Cache后端总线后端总线5关于乱序执行技术关于乱序执行技术为了提高指令流的执行效率，乱序执行核心监视很为了提高指令流的执行效率，乱序执行核心监视很多条指令，然后在不损失数据完整性的前提下，采用多条指令，然后在不损失数据完整性的前提下，采用能充分发挥多个处理部

8、件并行工作的指令顺序来执行。能充分发挥多个处理部件并行工作的指令顺序来执行。这个指令顺序可能和原始程序的不一样。这个指令顺序可能和原始程序的不一样。1）A=B+C2）P=A*23）Q=D-E1）和）和3）可配对同时执行）可配对同时执行62.2.2 Pentium III处理器内部结构及工作原理处理器内部结构及工作原理 72.3 NetBurst微结构的处理器微结构的处理器 2.3.1 NetBurst微结构概述微结构概述 1.1.超级流水线技术超级流水线技术超级流水线技术超级流水线技术衡量衡量CPU的性能指标是的性能指标是CPU完成应用程序所需的总时完成应用程序所需的总时间。其计算公式如下：间

9、。其计算公式如下：CPUCPU性能性能性能性能=CPU=CPU的主频的主频的主频的主频IPCIPC IPC是每时钟执行的指令条数。是每时钟执行的指令条数。要提高要提高CPU性能，可采用提高性能，可采用提高CPU主频和提高主频和提高IPC。要提高主频要提高主频要提高主频要提高主频减少每个流水级的执行周期减少每个流水级的执行周期减少每个流水级的执行周期减少每个流水级的执行周期要减小每要减小每要减小每要减小每个流水级的任务量个流水级的任务量个流水级的任务量个流水级的任务量将任务再分解将任务再分解将任务再分解将任务再分解增加流水线深度增加流水线深度增加流水线深度增加流水线深度82.快速执行引擎快速执行

10、引擎 NetBurst微结构中配置了一种时钟缓冲器电路，可微结构中配置了一种时钟缓冲器电路，可以使该结构下以使该结构下2个执行简单指令的个执行简单指令的ALU和和2个存储地址个存储地址AGU运行在两倍的运行在两倍的CPU核心频率下核心频率下 3.高级动态执行高级动态执行 一个高达一个高达126条指令的超大指令窗口，避免了处理器条指令的超大指令窗口，避免了处理器为了等待配对指令而出现暂时的停顿，也减少了因为了等待配对指令而出现暂时的停顿，也减少了因Cache没命中，到主存中获取数据而产生等待的次数。没命中，到主存中获取数据而产生等待的次数。一个一个4KB的分支目标缓冲器的分支目标缓冲器BTB记录

11、更多的过去分记录更多的过去分支的历史细节，再配以改进的分支预测算法，使分支的历史细节，再配以改进的分支预测算法，使分支预测失误率比支预测失误率比Pentium III下降了下降了33。94.执行跟踪执行跟踪Cache（execution trace Cache）放弃放弃L1 指令指令Cache的设计，采用执行跟踪的设计，采用执行跟踪Cache，它，它在译码器的后面，按程序流顺序存放已经译码好的最在译码器的后面，按程序流顺序存放已经译码好的最多多12,000条微指令，条微指令，5.高速系统总线高速系统总线采用了一种采用了一种“四倍速四倍速”技术技术quad pumping，使得，使得前端总线能很

12、方便的工作再前端总线能很方便的工作再4倍于系统总线的频率上。倍于系统总线的频率上。6.高级传输高级传输Cache采用采用8路相联的片内路相联的片内L2 Cache，与核心同频工作，与，与核心同频工作，与CPU核心的专用总线宽度为核心的专用总线宽度为256位，是过去的位，是过去的4倍，这倍，这样主频为样主频为2.8GHz的的Pentium 4其数据带宽将为其数据带宽将为89.6GBps。102.3.2 Pentium 4处理器内部结构及工作原理处理器内部结构及工作原理 112.3.3 NetBurst微结构处理器的新技术微结构处理器的新技术 5757条条条条MMXMMX指令操作指令操作指令操作指

13、令操作8 8个个个个6464位长的位长的位长的位长的MMXMMX寄存器内的紧寄存器内的紧寄存器内的紧寄存器内的紧缩字节（缩字节（缩字节（缩字节（8 8个字节打包成一个个字节打包成一个个字节打包成一个个字节打包成一个6464位长的数据）、字或位长的数据）、字或位长的数据）、字或位长的数据）、字或双字整型数上执行双字整型数上执行双字整型数上执行双字整型数上执行SIMDSIMD7070条条条条SSESSE指令处理在指令处理在指令处理在指令处理在8 8个个个个128128位的位的位的位的XMMXMM寄存器中的单精寄存器中的单精寄存器中的单精寄存器中的单精度浮点数和在度浮点数和在度浮点数和在度浮点数和在

14、MMXMMX寄存器中的紧缩整数。高速缓存寄存器中的紧缩整数。高速缓存寄存器中的紧缩整数。高速缓存寄存器中的紧缩整数。高速缓存控制指令通过增加主存到控制指令通过增加主存到控制指令通过增加主存到控制指令通过增加主存到CacheCache和处理器到主存的数和处理器到主存的数和处理器到主存的数和处理器到主存的数据流，改善存储性能，据流，改善存储性能，据流，改善存储性能，据流，改善存储性能，SIMDSIMD浮点指令使处理器能同浮点指令使处理器能同浮点指令使处理器能同浮点指令使处理器能同时执行时执行时执行时执行4 4个浮点操作。个浮点操作。个浮点操作。个浮点操作。144144条条条条SSE2SSE2指令处

15、理在指令处理在指令处理在指令处理在XMMXMM寄存器中的紧缩双精度浮寄存器中的紧缩双精度浮寄存器中的紧缩双精度浮寄存器中的紧缩双精度浮点数和在点数和在点数和在点数和在MMXMMX与与与与XMMXMM寄存器中的紧缩整数。寄存器中的紧缩整数。寄存器中的紧缩整数。寄存器中的紧缩整数。1313条条条条SSE3SSE3指令增强指令增强指令增强指令增强SSE,SSE2SSE,SSE2和和和和x87FPUx87FPU数学能力的性数学能力的性数学能力的性数学能力的性能。能。能。能。1.SIMD技术技术122.超线程超线程(Hyper-Threading,HT)技术技术允许物理上单个的处理器采用共享执行资源的方

16、法同允许物理上单个的处理器采用共享执行资源的方法同允许物理上单个的处理器采用共享执行资源的方法同允许物理上单个的处理器采用共享执行资源的方法同时执行两个或更多的分离代码流（线程）时执行两个或更多的分离代码流（线程）时执行两个或更多的分离代码流（线程）时执行两个或更多的分离代码流（线程）HTHT技术由单处理器上的技术由单处理器上的技术由单处理器上的技术由单处理器上的2 2个或者多个逻辑处理器组成，个或者多个逻辑处理器组成，个或者多个逻辑处理器组成，个或者多个逻辑处理器组成，每个逻辑处理器都有自己的每个逻辑处理器都有自己的每个逻辑处理器都有自己的每个逻辑处理器都有自己的IA-32IA-32结构状态

17、结构状态结构状态结构状态(AS)(AS)每个逻辑处理器都有自己的每个逻辑处理器都有自己的每个逻辑处理器都有自己的每个逻辑处理器都有自己的IA-32IA-32通用寄存器、段寄通用寄存器、段寄通用寄存器、段寄通用寄存器、段寄存器、控制寄存器、调试寄存器等存器、控制寄存器、调试寄存器等存器、控制寄存器、调试寄存器等存器、控制寄存器、调试寄存器等逻辑处理器共享的资源包括执行引擎和系统总线接口逻辑处理器共享的资源包括执行引擎和系统总线接口逻辑处理器共享的资源包括执行引擎和系统总线接口逻辑处理器共享的资源包括执行引擎和系统总线接口ASAS处理器核心处理器核心支持支持HT的的IA-32处理器处理器2个逻辑处

18、理器个逻辑处理器共享一个核共享一个核AS=IA-32结构状态结构状态AS处理器核心处理器核心传统多传统多IA-32处理器系统处理器系统每个处理器一每个处理器一个独立封装个独立封装AS处理器核心处理器核心133.双核双核(Dual-Core)技术技术 通过在一个物理封装中包含两个分离的完整执行核来通过在一个物理封装中包含两个分离的完整执行核来通过在一个物理封装中包含两个分离的完整执行核来通过在一个物理封装中包含两个分离的完整执行核来提供硬件多线程能力提供硬件多线程能力提供硬件多线程能力提供硬件多线程能力每个完整的执行核不仅有自己的每个完整的执行核不仅有自己的每个完整的执行核不仅有自己的每个完整的

19、执行核不仅有自己的ASAS，还拥有自己的执，还拥有自己的执，还拥有自己的执，还拥有自己的执行引擎，总线接口与行引擎，总线接口与行引擎，总线接口与行引擎，总线接口与L2 Cache L2 Cache。结构上有支持结构上有支持结构上有支持结构上有支持HTHT技术的和不支持技术的和不支持技术的和不支持技术的和不支持HTHT技术的双核结构技术的双核结构技术的双核结构技术的双核结构多核（多核（多核（多核（Multi-CoreMulti-Core）、众核（）、众核（）、众核（）、众核（Many-CoreMany-Core）技术）技术）技术）技术Pentium D IA-32处理器处理器ASAS执行引擎执行

20、引擎执行引擎执行引擎Local APICLocal APICL2 CacheL2 Cache总线接口总线接口总线接口总线接口Pentium EE IA-32处理器处理器系统总线系统总线ASAS执行引擎执行引擎执行引擎执行引擎LocalAPICL2 CacheL2 Cache总线接口总线接口总线接口总线接口系统总线系统总线ASASLocalAPICLocalAPICLocalAPIC14AMD的双核的双核Intel的的Pentium D双核双核154.Intel的的EM64T技术技术 完全兼容现在的完全兼容现在的IA-32结构结构具有传统具有传统IA-32模式和模式和IA-32e模式，模式，IA

21、-32e模式模式包括包括64位模式和兼容模式（允许现有程序无需位模式和兼容模式（允许现有程序无需修改就运行在传统修改就运行在传统IA-32模式和兼容模式下）模式和兼容模式下）64位模式下具有以下特性：位模式下具有以下特性：64位平板线性地址位平板线性地址增加增加8个新的通用寄存器个新的通用寄存器增加增加8个新的流个新的流SIMD扩展（扩展（SSE,SSE2和和SSE3)64位宽的通用寄存器和指令指针寄存器位宽的通用寄存器和指令指针寄存器165.Intel的虚拟化技术的虚拟化技术n在硬件层面上提供多虚拟系统功能在硬件层面上提供多虚拟系统功能n一个机器可以虚拟成多个机器，甚至同时可一个机器可以虚拟

22、成多个机器，甚至同时可以运行多个相同或不同的操作系统。以运行多个相同或不同的操作系统。n虚拟机监控程序（虚拟机监控程序（VMM）为每个操作系统提）为每个操作系统提供一个虚拟的硬件环境供一个虚拟的硬件环境172.4 Core微结构的处理器微结构的处理器 2.4.1 Core微结构的引入微结构的引入 NetBurst微结构的缺陷：微结构的缺陷：IPC表现不佳，同频情况下表现不佳，同频情况下Pentium 4有时还不如前有时还不如前代的代的Pentium III频率提高后，功耗随之上升，功耗过高，影响了主频频率提高后，功耗随之上升，功耗过高，影响了主频的进一步提高。的进一步提高。Power=Powe

23、r=C Cdynamicdynamic 电压电压电压电压 电压电压电压电压 频率频率频率频率 其中其中Cdynamic是面积与处于活跃状态的数据位是面积与处于活跃状态的数据位翻转的翻转的触发器数量的乘积。触发器数量的乘积。18Core微结构的处理器系列微结构的处理器系列桌面平台的桌面平台的Conroe 移动平台的移动平台的Merom 服务器平台的服务器平台的Woodcrest Core处理器处理器 Core 2处理器处理器 单核的单核的Core Solo 双核的双核的Core Duo,Core 2 Duo 四核的四核的Core 2 Quad 192.4.2 Conroe处理器内部结构与特点处理

24、器内部结构与特点CoreCore微结构微结构微结构微结构20ConroeConroe处理器内部结构示意图处理器内部结构示意图处理器内部结构示意图处理器内部结构示意图 21宽位动态执行宽位动态执行(Wide Dynamic Execution)着眼点在于提高每时钟周期处理的指令数，着眼点在于提高每时钟周期处理的指令数，改善执行时间和能源效率，同时完整的取、改善执行时间和能源效率，同时完整的取、发射、执行发射、执行4条指令条指令宏融合宏融合（macrofusion）技术能够在译码期间）技术能够在译码期间将常见的指令对组合到一个单独的微代码中将常见的指令对组合到一个单独的微代码中（Micro-op）

25、微代码融合微代码融合（Micro-op fusion）技术能在微）技术能在微代码执行前将译码自同一个代码执行前将译码自同一个x86指令的几个指令的几个微代码融合成更少的微代码微代码融合成更少的微代码 22智能功效管理（智能功效管理（Intelligent Power Capability）超细粒度功耗控制超细粒度功耗控制能够只对处于工作状态的能够只对处于工作状态的部件提供电源，而关闭非工作部件的电源供部件提供电源，而关闭非工作部件的电源供应，从而有效降低功耗。应，从而有效降低功耗。分离总线技术分离总线技术能够使总线宽度动态适应数据能够使总线宽度动态适应数据宽度的需要，对无效的信息位使其进入低电

26、宽度的需要，对无效的信息位使其进入低电压状态，从而进一步降低功耗。压状态，从而进一步降低功耗。功效管理平台技术功效管理平台技术通过调整散热风扇运作模通过调整散热风扇运作模式，从外部降低处理器温度。式，从外部降低处理器温度。23Intel 智能内存访问（智能内存访问（Intel Smart Memory Access）内存消歧技术内存消歧技术利用装载（利用装载（load）数据指令和）数据指令和存储（存储（store）数据指令之间的乱序执行来提）数据指令之间的乱序执行来提高乱序执行部件的效率，其原则是尽量将高乱序执行部件的效率，其原则是尽量将load指令提到它前面不冲突的指令提到它前面不冲突的st

27、ore指令之前指令之前执行。执行。高级预取技术高级预取技术解决了确保被使用的数据已经解决了确保被使用的数据已经位于最靠近能获得最小内存延迟的地方的问位于最靠近能获得最小内存延迟的地方的问题。题。24Intel高级智能高级智能Cache(Intel Advanced Smart Cache)带来了新的双核结构带来了新的双核结构采用了共享采用了共享L2 Cache的双核结构的双核结构 可以在两个核心间动态调整可以在两个核心间动态调整L2 Cache的分配的分配 ASAS执行引擎执行引擎执行引擎执行引擎Local APICLocal APICL2 Cache总线接口总线接口系统总线系统总线25Int

28、el高级数字多媒体增强技术高级数字多媒体增强技术(Intel Advanced Digit Media Boost)引入引入128 位位SIMD执行单元执行单元可以在一个时钟内完成可以在一个时钟内完成128位的位的SIMD整型和整型和浮点运算。浮点运算。262.5 IA-32处理器基本执行环境处理器基本执行环境 实地址模式实地址模式实地址模式实地址模式 -与与与与8086/80888086/8088兼容，但可以处理兼容，但可以处理兼容，但可以处理兼容，但可以处理3232位数据位数据位数据位数据-1MB-1MB内存空间，分段管理，所有程序全在内存空间，分段管理，所有程序全在内存空间，分段管理，所

29、有程序全在内存空间，分段管理，所有程序全在0(0(核心核心核心核心)级级级级-MS-DOS-MS-DOS运行在此模式下，运行在此模式下，运行在此模式下，运行在此模式下，PCPC机开机首先进入的也机开机首先进入的也机开机首先进入的也机开机首先进入的也 是该模式是该模式是该模式是该模式-对内存和程序甚至操作系统没有任何保护能力对内存和程序甚至操作系统没有任何保护能力对内存和程序甚至操作系统没有任何保护能力对内存和程序甚至操作系统没有任何保护能力保护模式保护模式保护模式保护模式-支持多任务操作，并保护每个任务的数据和程序支持多任务操作，并保护每个任务的数据和程序支持多任务操作，并保护每个任务的数据和

30、程序支持多任务操作，并保护每个任务的数据和程序-存储器采用虚拟地址空间、线性地址空间和物理地存储器采用虚拟地址空间、线性地址空间和物理地存储器采用虚拟地址空间、线性地址空间和物理地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，具有存储保护功能址空间三种方式来描述，具有存储保护功能址空间三种方式来描述，具有存储保护功能址空间三种方式来描述，具有存储保护功能-虚拟地址空间虚拟地址空间虚拟地址空间虚拟地址空间64TB64TB（2 24646）-4-4级管理，可以使用分页或分段技术管理内存级管理，可以使用分页或分段技术管理内存级管理，可以使用分页或分段技术管理内存级管理，可以使用分

31、页或分段技术管理内存-Windows-Windows、LinuxLinux操作系统均运行在该模式下操作系统均运行在该模式下操作系统均运行在该模式下操作系统均运行在该模式下27虚拟虚拟虚拟虚拟80868086模式（模式（模式（模式（V86V86模式）模式）模式）模式）系统管理模式系统管理模式系统管理模式系统管理模式-为操作系统和正在运行的应用程序提供透明的电源为操作系统和正在运行的应用程序提供透明的电源为操作系统和正在运行的应用程序提供透明的电源为操作系统和正在运行的应用程序提供透明的电源管理和系统安全平台功能管理和系统安全平台功能管理和系统安全平台功能管理和系统安全平台功能-进入本模式系统将转

32、到一个独立的地址空间运行，进入本模式系统将转到一个独立的地址空间运行，进入本模式系统将转到一个独立的地址空间运行，进入本模式系统将转到一个独立的地址空间运行，并保存当前程序或任务的基本环境并保存当前程序或任务的基本环境并保存当前程序或任务的基本环境并保存当前程序或任务的基本环境-在保护模式下可以同时模拟多个在保护模式下可以同时模拟多个在保护模式下可以同时模拟多个在保护模式下可以同时模拟多个80868086处理器的工作处理器的工作处理器的工作处理器的工作比较项目比较项目实地址模式实地址模式虚拟虚拟8086模式模式内存管理内存管理分段管理分段管理既分段又分页既分段又分页存储空间存储空间1MB每个每

33、个8086程序任务寻址程序任务寻址1MB，总寻，总寻址空间址空间4GB多任务多任务不支持不支持支持，虚拟支持，虚拟8086模式是模式是IA-32保护模保护模式中多任务的一个任务式中多任务的一个任务28IA-32eIA-32e模式（支持模式（支持模式（支持模式（支持Intel EM64TIntel EM64T的的的的IA-32IA-32处理器才有）处理器才有）处理器才有）处理器才有）-兼容模式兼容模式兼容模式兼容模式 类似于类似于32位保护模式，传统的位保护模式，传统的16位或位或32位程序无需位程序无需重新编译就可以运行在重新编译就可以运行在64位操作系统中。在位操作系统中。在64位模式位模式

34、和保护模式下支持的所有特权级别在兼容模式同样支和保护模式下支持的所有特权级别在兼容模式同样支持。持。-6464位模式位模式位模式位模式 允许允许64位操作系统运行存取位操作系统运行存取64位线性地址空间的应位线性地址空间的应用程序，程序可访问的线性地址空间达到用程序，程序可访问的线性地址空间达到264字节，字节，物理地址空间增加到物理地址空间增加到240字节。通用寄存器的宽度增字节。通用寄存器的宽度增加到加到64位，并新增了位，并新增了8个通用寄存器和个通用寄存器和8个个SIMD寄存寄存器。器。29工作模式的转换工作模式的转换工作模式的转换工作模式的转换302.5.2 IA-32处理器中的寄存

35、器处理器中的寄存器 基本寄存器基本寄存器基本寄存器基本寄存器系统级寄存器系统级寄存器系统级寄存器系统级寄存器调试与测试寄存器调试与测试寄存器浮点寄存器浮点寄存器通用寄存器通用寄存器通用寄存器通用寄存器指令指针寄存器指令指针寄存器指令指针寄存器指令指针寄存器标志寄存器标志寄存器标志寄存器标志寄存器段寄存器段寄存器段寄存器段寄存器控制寄存器控制寄存器控制寄存器控制寄存器系统地址寄存器系统地址寄存器系统地址寄存器系统地址寄存器数据寄存器数据寄存器数据寄存器数据寄存器地址指针寄存器地址指针寄存器地址指针寄存器地址指针寄存器变址寄存器变址寄存器变址寄存器变址寄存器31AH ALBH BLCH CLDH

36、DLSPBPDISI累加器累加器基址变址基址变址计数计数数据数据堆栈指针堆栈指针基址指针基址指针目的变址目的变址源变址源变址32位位1.通用寄存器通用寄存器16位位AXBXCXDXSPBPDISI16位名称位名称 AXAX、BXBX、CXCX、DXDX、SPSP、BPBP、DIDI、SISI分别是分别是分别是分别是EAXEAX、EBXEBX、ECXECX、EDX EDX、ESPESP、EBPEBP、EDIEDI、ESIESI的低的低的低的低1616位位位位 ALAL、BL BL、CLCL、DLDL分别是分别是分别是分别是AXAX、BXBX、CXCX、DXDX的低的低的低的低八位八位八位八位 A

37、HAH、BH BH、CHCH、DHDH分别是分别是分别是分别是AXAX、BXBX、CXCX、DXDX的的的的高八位高八位高八位高八位EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI32位名称位名称高高16位扩展位扩展321.通用寄存器通用寄存器n nEAX 累加器累加器 存放操作数和结果，乘除运算、存放操作数和结果，乘除运算、I/O指令中特指指令中特指n nEBX 基址寄存器基址寄存器 查表转换和间接寻址时存查表转换和间接寻址时存放基址放基址n nECX 计数寄存器计数寄存器 串操作和循环中做计数串操作和循环中做计数 n nEDX 数据寄存器数据寄存器 乘除运算、乘除运算、I/O指令中特指指令

38、中特指 可以可以32位、位、16位或位或8位形式访问，例如，位形式访问，例如，EAX可使用可使用16位的位的AX，也可以使用也可以使用8位的位的AH、AL331.通用寄存器通用寄存器n nESP 堆栈指针寄存器堆栈指针寄存器，存放栈顶地址，存放栈顶地址n nEBP 基址指针寄存器基址指针寄存器，存放栈段基地址，存放栈段基地址n nESI 源变址寄存器源变址寄存器n nEDI 目的变址寄存器目的变址寄存器 存放地址的偏移量，也可存放操作数，存放地址的偏移量，也可存放操作数，但只能以但只能以32位或位或16位为单位访问位为单位访问如：如：ESI可以使用可以使用16位的位的SI346464位模式下的

39、通用寄存器位模式下的通用寄存器位模式下的通用寄存器位模式下的通用寄存器352.段寄存器段寄存器n nCS 代码段寄存器代码段寄存器 n nDS 数据段寄存器数据段寄存器 n nSS 堆栈段寄存器堆栈段寄存器n nES 附加段寄存器附加段寄存器n nFS、GS 附加段寄存器附加段寄存器段寄存器均段寄存器均为为16位的寄存器位的寄存器用于存储器寻址，存放段的开始地址用于存储器寻址，存放段的开始地址在在64位模式下，位模式下，FS,GS无效，无效，CS,DS,ES,SS均指向均指向基地址为基地址为0的的“段段”。堆栈段堆栈段数据段数据段附加段附加段代码段代码段363.指令指针寄存器指令指针寄存器n

40、nEIP 指令指针寄存器指令指针寄存器：即程序计数器，即程序计数器，指向指向下一条下一条指令在代码段中的偏移量指令在代码段中的偏移量16位的位的IP高高16位扩展位扩展32位指令指针寄存器位指令指针寄存器EIPn n64位模式下，扩展高位模式下，扩展高32位成为位成为64位位RIP32位的位的EIP高高32位扩展位扩展64位指令指针寄存器位指令指针寄存器RIP37EFLAGS 标志寄存器（标志寄存器（程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSW）：记录系统运行中的各种状态记录系统运行中的各种状态 和信和信息。由各种息。由各种标志位标志位构成，反映运算后的结果构成，反映运算后的结果特征，将影响某些指令

41、（如条件转移指令）特征，将影响某些指令（如条件转移指令）的执行。的执行。4.标志寄存器标志寄存器 38 8086/80888086/8088程序状态寄存器（标志寄存器）程序状态寄存器（标志寄存器）程序状态寄存器（标志寄存器）程序状态寄存器（标志寄存器）b15 b8 b7 b0 OF DF IF TF SF ZF AF PF CF符号符号 名称名称 值为值为“1”的条件的条件 CF CF 进位标志进位标志进位标志进位标志 加加加加/减法时产生进位减法时产生进位减法时产生进位减法时产生进位/借位借位借位借位 OF OF 溢出标志溢出标志溢出标志溢出标志 运算结果超出有符号整数能表示的范围运算结果超

42、出有符号整数能表示的范围运算结果超出有符号整数能表示的范围运算结果超出有符号整数能表示的范围 ZF ZF 零标志零标志零标志零标志 运算结果为运算结果为运算结果为运算结果为0 0时时时时 SF SF 符号标志符号标志符号标志符号标志 运算结果的最高位为运算结果的最高位为运算结果的最高位为运算结果的最高位为“1”“1”时时时时 AF AF 辅助进位标志辅助进位标志辅助进位标志辅助进位标志 运算时半字节（运算时半字节（运算时半字节（运算时半字节（b3b3）产生进位）产生进位）产生进位）产生进位/借位借位借位借位 PF PF 奇偶标志奇偶标志奇偶标志奇偶标志 操作结果低操作结果低操作结果低操作结果低

43、8 8位为位为位为位为“1”“1”的位数为偶数时的位数为偶数时的位数为偶数时的位数为偶数时 DF DF 方向标志方向标志方向标志方向标志 串操作中地址指针向低地址方向移动串操作中地址指针向低地址方向移动串操作中地址指针向低地址方向移动串操作中地址指针向低地址方向移动 IF IF 中断允许标志中断允许标志中断允许标志中断允许标志 允许允许允许允许CPUCPU响应可屏蔽中断请求时响应可屏蔽中断请求时响应可屏蔽中断请求时响应可屏蔽中断请求时 TF TF 跟踪标志跟踪标志跟踪标志跟踪标志 CPU CPU处于单步执行的工作方式处于单步执行的工作方式处于单步执行的工作方式处于单步执行的工作方式39思考题：

44、以下的几个思考题：以下的几个4位十六进制数相加，会使得位十六进制数相加，会使得8088状态寄存器的以下几位为什么值？状态寄存器的以下几位为什么值？CFCFPFAFZFSFOFOF8000H8000H+0000HC000HC000H+8000H4008H4008H+8010H0808HC000H+C808H1 110101 11 110010 00 001011 10 000010 040注意注意:1.进位标志进位标志CF是表示是表示无符号数无符号数是否超出范围，是否超出范围，但运算结果仍然正确；但运算结果仍然正确；2.溢出标志表示的是溢出标志表示的是有符号数有符号数运算结果是否超运算结果是否超

45、出范围，超出范围则运算结果已经不正确；出范围，超出范围则运算结果已经不正确；3.处理器对两个操作数进行运算的时候是按照处理器对两个操作数进行运算的时候是按照无符号数无符号数求得结果，并相应设置求得结果，并相应设置CF，根据根据是否超出有符号数的范围设置是否超出有符号数的范围设置OF；4.对于程序员，如果做无符号运算，应该关心对于程序员，如果做无符号运算，应该关心CF，做有符号运算应该关心做有符号运算应该关心OF。41符号符号 名称名称 值为值为“1”的条件的条件 IOPL IOIOPL IO特权位特权位特权位特权位 其值表示该任务使用的其值表示该任务使用的其值表示该任务使用的其值表示该任务使用

46、的I/OI/O操作的特权级操作的特权级操作的特权级操作的特权级 00 00为最高的核心级，为最高的核心级，为最高的核心级，为最高的核心级，1111是最低的用户级是最低的用户级是最低的用户级是最低的用户级 NT NT 嵌套标志嵌套标志嵌套标志嵌套标志 当前任务嵌套在另一个任务中时当前任务嵌套在另一个任务中时当前任务嵌套在另一个任务中时当前任务嵌套在另一个任务中时 RF RF 恢复标志恢复标志恢复标志恢复标志 DBUG DBUG调试时忽略下一条指令遇到的断点调试时忽略下一条指令遇到的断点调试时忽略下一条指令遇到的断点调试时忽略下一条指令遇到的断点 VM VM 虚拟虚拟虚拟虚拟80868086模式模

47、式模式模式 从保护模式进入到虚拟从保护模式进入到虚拟从保护模式进入到虚拟从保护模式进入到虚拟80868086模式模式模式模式 AC AC 对齐检查对齐检查对齐检查对齐检查 当有数据访问出现对齐故障的时候当有数据访问出现对齐故障的时候当有数据访问出现对齐故障的时候当有数据访问出现对齐故障的时候 VIF VIF 虚拟中断位虚拟中断位虚拟中断位虚拟中断位 允许允许允许允许V86V86扩展或允许保护模式虚拟中断扩展或允许保护模式虚拟中断扩展或允许保护模式虚拟中断扩展或允许保护模式虚拟中断 VIP VIP 虚拟中断挂起位虚拟中断挂起位虚拟中断挂起位虚拟中断挂起位 虚拟中断被挂起虚拟中断被挂起虚拟中断被挂

48、起虚拟中断被挂起 ID ID 标识位标识位标识位标识位 对它的读写表明处理器支持对它的读写表明处理器支持对它的读写表明处理器支持对它的读写表明处理器支持CPUIDCPUID这部分同这部分同这部分同这部分同80888088OF3122 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0DF IF TF SFZFAFCFPFIOPLNTRFVMACVIFVIPID保 留IA-32 IA-32 标志寄存器标志寄存器标志寄存器标志寄存器EFLAGEFLAG425.控制寄存器控制寄存器 31 12 11 4 3 0PWTPCD页目录基地址寄存器

49、页目录基地址寄存器CR3页故障线性地址寄存器页故障线性地址寄存器CR231 0保保 留留CR1WP31 30 29 18 17 16 5 4 3 2 1 0NEETPEMPNWCDPGCR031 0EMTSAMPGEPCE31 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0MCEPAE PSE DE TSDVMEPVI保留，缺省为全保留，缺省为全0CR4*OSFXSR*OSXMMEXCPT43写保护写保护 定位屏蔽定位屏蔽 允许分页允许分页禁止禁止Cache 不写贯穿不写贯穿保护模式允许保护模式允许 浮点协处理器监控浮点协处理器监控 模拟浮点协处理器模拟浮点协处理器任务切换任务切换 处理器扩展类

50、型处理器扩展类型 数值异常数值异常 WP31 30 29 18 17 16 5 4 3 2 1 0NEETPEMPNWCDPGCR0EMTSAMCR0是在以前是在以前286MSW（机器状态字）基础上扩展来的，（机器状态字）基础上扩展来的，可在核心级中用可在核心级中用MOV EAX,CR0/MOV CR0,EAXMOV EAX,CR0/MOV CR0,EAX指令指令来读取和写入。来读取和写入。44禁止禁止Cache页面写贯穿页面写贯穿 31 12 11 4 3 0PWTPCD页目录基地址寄存器页目录基地址寄存器CR345性能计数器允许性能计数器允许页全局允许页全局允许允许机器检查允许机器检查 物