1、第十二章 80386微處理器,80386的系統(tǒng)結構 80386的指令系統(tǒng) 80386的存儲器擴展 80386的輸入/輸出接口 80386的異常和中斷及其處理 RISC簡介,80386是INTE公司繼80286之后推出的產(chǎn)品，是32位微處理器。80386微處理器內(nèi)含275000個晶體管，多任務設計，能同時執(zhí)行多個程序。80386是Intel高檔微處理器的基礎，,12.1 80386系統(tǒng)結構,一、80286內(nèi)部結構簡介 80386CPU是32位微處理器。數(shù)據(jù)總線和地址總線均為32根，可直接尋址4GB物理地址空間。,80386CPU封裝，注意地址線和數(shù)據(jù)線是分開的,80386由三大部件組成：中央處理

2、部件、總線接口部件和存儲管理部件 。,Intel 80386的基本體系結構,1、中央處理部件(CPU, Central Process Unit) CPU包括指令預取部件(IPU, Instruction Prefetch Unit)，指令譯碼部件(IDU, Instruction Predecode Unit)，執(zhí)行部件(EU, Execution Unit)。 2、總線接口部件(BIU, Bus Interface Unit) BIU為CPU和系統(tǒng)之間的連接提供高速接口，其功能是產(chǎn)生訪問存儲器和I/O端口所必需的地址和命令信號等。 3、存儲器管理部件(MMU, Memory Managem

3、ent Unit) MMU包含分段部件(SU, Segmentation Unit)，分頁部件(PU, Paging Unit)。SU能實現(xiàn)有效地址的計算，完成從邏輯地址到線性地址的轉換，同時完成總線周期分段的違法檢查。PU提供對物理地址空間的管理，通過兩級頁面重定位機構，把由SU產(chǎn)生的線性地址轉換成物理地址。若不使用PU，80386的線性地址即為物理地址。,中央處理部件、總線接口部件和存儲管理部件在80386工作時的關系如下： a、總線接口部件BIU通過系統(tǒng)總線同外部聯(lián)系，它從存儲管理部件MMU接受已被選中的地址，而當IPU中的16個字節(jié)的指令預取隊列有部分空字節(jié)時，BIU就會去訪問存儲器，

4、讀出后續(xù)指令并填充指令預取隊列。 b、預取隊列中的指令代碼送入中央處理部件CPU的IDU，經(jīng)指令譯碼器譯碼后，可按指令的執(zhí)行順序進入已譯碼的指令隊列，其中可存放三條已譯碼的指令，它們排隊等待進入EU去執(zhí)行。 c、EU所需要的原始數(shù)據(jù)來自BIU，而經(jīng)過運算所得的結果將送回給寄存器或存儲單元。 由EU運算所求得的有關尋址信息送入MMU。,二、80386的存儲器管理 80386有三種工作模式：實地址模式、保護虛地址方式和虛擬8086模式。,實地址模式 在實地址模式下可把80386作為一個高速的8086來使用，當80386加電或復位后，就進入實地址工作模式。,實地址模式下的物理地址生成,保護虛地址方式

5、 保護虛地址方式是80386處理器的主要工作模式。在保護虛地址方式下，支持內(nèi)存分頁機制，提供了對虛擬內(nèi)存的良好支持。另外，在保護虛地址方式下，80386處理器和80286一樣，支持優(yōu)先級機制。 在保護虛地址方式下80386所有的32根地址線都可供尋址，物理尋址空間高達4 GB,虛擬8086模式 這是既有保護功能又能執(zhí)行8086代碼的工作模式。采用和保護虛地址方式相同的工作原理，但在程序中指定的邏輯地址可以和8086一樣進行解釋。在這種模式下，運行8086程序就像在8086CPU上運行一樣。 虛擬86模式是為了在保護虛地址方式下執(zhí)行8086程序而設置的，其內(nèi)存的尋址方式和8086相同，也是可以尋

6、址1MB的空間。,三、保護虛地址方式下存儲器管理 地址轉換過程： 1、由段寄存器儲存的內(nèi)容就是段選擇符，段選擇符的高13位有效、低三位設為0作為偏移量，再以CPU內(nèi)部預先初始化好的GDTR中的內(nèi)容作為基地址，就可獲得相應的描述符。該描述符將存入CPU中描述符寄存器中。 2、描述符中的段基地址(32位)，同指令給出的32位偏移地址相加得到線性地址。 3、如果分頁，再通過分頁機構進行變換，最后得到物理地址。如果不分頁，線性地址就等于物理地址。,保護虛地址方式下的地址變換,80386分頁機制 在80386體系中，定義4K字節(jié)為一頁，并規(guī)定每頁的開始地址都能被4K整除，即頁地址在4K字節(jié)的邊界上對齊，

7、這樣4G字節(jié)的線性地址空間就劃分成了220個頁面。80386分頁機制管理的對象就是這些空間大小為一頁的存儲塊，它把整個線性地址空間和整個物理地址空間都看成是由頁組成的，線性地址中的任何一頁都可以映射到物理地址空間中的任何一頁。,80386采用了兩級頁表結構來實現(xiàn)分頁機制,尋址到某個頁的頁內(nèi)存儲單元一般要通過如下步驟： 1、首先通過段描述符獲得32值段基址它與虛地址指示器中的32位偏移地址相加，得到32位線性地址。 2、把32位線性地址分成三個部分，前10位乘4指向頁目錄表的位移量、中間10位乘4指向頁表的位移量，后12位是所尋址的操作數(shù)在頁內(nèi)的偏移地址。因此80386系統(tǒng)中的頁目錄表和頁表可含

8、有1K個項。每個項為32位，占4個字節(jié)，其中頁目錄表中的項就是頁目錄描述符，表示頁表的首地址，頁表中的項稱為頁描述符，表示操作數(shù)所在頁的首地址。 3、由頁目錄表的位移量查表得頁目錄描述符的物理地址，由頁目錄描述符給出的頁表首地址，結合頁表的位移量查表得操作數(shù)所在頁的首地址。頁首地址和頁內(nèi)的偏移地址相加產(chǎn)生操作數(shù)的物理地址。,分頁機制的尋址過程,四、80386的保護機制 80386采用保護機制主要為了檢查和防止低級別代碼的越權操作，如訪問不該訪問的數(shù)據(jù)、端口以及調(diào)用高優(yōu)先級的代碼等。,特權級2訪問的范圍,80386系統(tǒng)組成,80386的基本組成,12.2 80386的指令系統(tǒng)一、 80386的尋

9、址方式全面兼容8086，同時增添如下尋址方式1、帶比例因子的變址尋址2、帶比例因子的基址變址尋址3、帶位移量，帶比例因子的基址變址尋址,二、指令系統(tǒng) 1、數(shù)據(jù)傳送指令 傳送指令將字節(jié)、字、或者雙字在寄存器與寄存器之間，寄存器與存儲器之間，存儲器與存儲器之間進行傳送。這部分內(nèi)容基本與8086一致與8086兼容，并增添32位操作，如 MOVSX EAX，BX 2、算術運算指令 算術運算指令包括加法、減法、乘法、除法操作以及十進制加減法的結果調(diào)整等，與8086的基本一樣，,3. 位操作指令 （1）移位指令,32位移位指令,位測試指令 BT指令 BTS指令 BTC指令 BTR指令 BSF指令 BSR指

10、令,4. 串操作指令 （1）位串操作指令 IBTS指令 XBTS指令 （2）串輸出指令 OUTB/OUTW/OUTD指令 （3）串輸入指令 INSB/INSW/INSD指令,5. 程序控制轉移指令 基本同8086一樣 6. 處理器控制指令 基本同8086一樣,7. 系統(tǒng)寄存器的裝入與存儲指令 LMSW指令 SMSW指令 SIDT指令 LGDT指令 SGDT指令 LLDT指令 SLDT指令 LTR指令 STR指令,8. 條件設置字節(jié)指令,9. 保護屬性檢查指令 LAR指令為裝入訪問權限指令 LSL指令為裝入段限制指令 VERR指令作用為驗證段的可讀性 VERW指令作用為驗證段的可寫性 ARPL指

11、令作用為調(diào)整選擇符的特權級。,10. 高級語言指令 BOUND指令作用為檢查指定16位或32位寄存器數(shù)值是否在第二操作數(shù)所指定的兩個存儲器的界限內(nèi)。 ENTER指令的作用是為過程參數(shù)建立一個堆棧區(qū) LEAVE指令的作用是撤銷ENTER指令的動作。,12.3 80386的存儲器擴展,一、基本的存儲器接口控制線 80386 CPU提供的與存儲器接口相關的引腳主要有： D31D0 數(shù)據(jù)線 A31A2地址總線 /BE0/BE3 字節(jié)控制線 /BS16總線控制 W/R、M/IO 等總線周期定義信號,字節(jié)使能信號的功能,二、基本的存儲器接口 1. EPROM和80386接口,2. 靜態(tài)RAM和80386接

12、口,三、高速緩沖存儲器,高速緩沖存儲器Cache是位于CPU與內(nèi)存之間的臨時存儲器，它的工作速度數(shù)倍于主存，全部功能由硬件實現(xiàn)，并且對程序員是透明的。高速緩沖存儲器的使用是為了解決CPU與內(nèi)存存取速度不匹配的問題，即由于內(nèi)存的存取速度低，從而影響了CPU的工作效率，利用Cache可以提高系統(tǒng)的工作效率。,1. 高速緩沖存儲器結構,全關聯(lián)高速緩沖存儲器結構,直接映射高速緩沖存儲器結構,雙路組關聯(lián)高速緩沖存儲器結構,2. 高速緩存的數(shù)據(jù)更新 （1）高速緩存內(nèi)容的更新 直寫式系統(tǒng) 回寫式系統(tǒng) （2）高速緩存的一致性 總線監(jiān)視 硬件透視 不可高速緩存的存儲器 高速緩存卸出,四、Intel 82385高

13、速緩存控制器 Intel 82385高速緩存控制器是Intel 80386高性能的外圍接口芯片，集成了控制外部32KB的高速緩沖存儲器所需的全部管理邏輯電路和高速緩沖目錄存儲器。,82385內(nèi)部結構方框圖,1、80386/82385系統(tǒng)的總線結構,80386/82385系統(tǒng)總線結構,2、82385工作模式 主控模式 從模式 3、82385總線監(jiān)視功能,12.4 80386的輸入/輸出接口,80386與8086的I/O接口幾乎完全一樣，接口芯片、I/O指令等全盤繼承8086的體系，沒有十分明顯的變動和功能方面的提升。,80386 I/O端口的物理組織,多功能接口芯片82380 82380是專門為

14、80386/80486系統(tǒng)設計的高性能多功能超大規(guī)模集成I/O接口芯片。從I/O功能上看，它包括DMA控制器、中斷控制器和定時器。除此之外，它還具有許多系統(tǒng)支援功能，如等待狀態(tài)控制、DRAM刷新控制、系統(tǒng)復位控制等，因此又被稱為集成系統(tǒng)外圍支援器件。,82380系統(tǒng)結構功能圖,有如下功能 8個獨立可編程DMA通道，允許使用32位總線寬度 系統(tǒng)復位 20級可編程中斷控制 4個16位可編程定時/計數(shù)器 DRAM刷新控制 內(nèi)部總線仲裁與控制 可編程等待狀態(tài)控制,12.5 80386的異常和中斷及其處理,一、實模式下異常和中斷的處理過程,二、保護虛地址方式下異常和中斷的處理過程 在保護虛地址方式下，中斷或異常處理往往從用戶代碼切換到操作系統(tǒng)代碼中執(zhí)行。由于保護虛地址方式下的代