计算机硬件技术基础第三版ppt课件.ppt
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2、S,DS,ES,SS,通用寄存器,控制寄存器,段寄存器,1、通用寄存器,数据寄存器(AX,BX,CX,DX) 地址指针寄存器(SP,BP) 变址寄存器(SI,DI),地址指针寄存器,SP:堆栈指针寄存器其内容为堆栈栈顶的偏移地址;任何堆栈操作后,SP都会自动增/减量。BP:基址指针寄存器在间接寻址中用于存放操作数的基地址;常用于访问存放在堆栈中的数据。,变址寄存器,SI:源变址寄存器,用于访问源操作数DI:目标变址寄存器,用于访问目的操作数常用于操作数的间接寻址或变址寻址。在串操作指令中,SI存放源操作数的偏移地址,而DI存放目标操作数的偏移地址。,二、段寄存器,用于存放逻辑段的段基地址(简称
3、段地址)CS:代码段寄存器。代码段存放指令代码DS:数据段寄存器 ES:附加段寄存器SS:堆栈段寄存器:指示堆栈区域的位置,这两个段存放操作数,堆栈段,SS,数据段,DS/ES,代码段,CS,三、控制寄存器,IP:指令指针寄存器其内容为下一条要执行的指令的偏移地址。FLAGS:标志寄存器存放指令执行结果的特征:有些指令(如算术指令)要改变FLAGS的内容(影响FLAGS);有些指令对FLAGS无影响。6个状态标志位(CF,SF,AF,PF,OF,ZF)3个控制标志位(IF,TF,DF),2.2 8086CPU的功能结构,8086内部由两部分组成: 执行单元(EU) 总线接口单元(BIU),总线
4、接口部件,功能:从内存中取指令到指令预取队列IPQ;负责与内存或I/O接口之间的数据传送;在执行转移指令时,BIU将清除IPQ,然后从转移的目的地址处开始取指令并重新填充IPQ。,执行部件,功能:执行指令,具体操作如下 从IPQ中取指令代码 译码 完成指定的操作 结果保存到目的操作数 运算特征保存在标志寄存器FLAGS(仅对影响标志的指令),8086操作方式比较,取指令,指令译码,取操作数,执行指令,存放结果,CPU执行一条指令的过程类似于工厂生产流水线,被分 解为多个小的步骤,称为指令流水线。,原料,调度分配,生产线,成品,仓库,出厂,数据和程序指令,控制器的调度分配,ALU等 功能部件,处
5、理后的数据,存储器,输出,2.3 8086操作模式及引脚信号,一 .8086两种工作模式:最小模式和最大模式 最小模式不支持8087。存储器和I/O控制信号全部由CPU产生。 最大模式支持8087。 CPU的部分信号线被用作8087的控制,因此需要由8288总线控制器来产生这些控制信号。,最小模式下的连接示意图,8086CPU,控制总线,数据总线,地址总线,地址锁存器,数据总线缓冲器,ALE,时钟发生 器,8284A,地址/数据,8286,8282,Vcc,DEN,DT/R,最大模式下的连接示意图,8088CPU,数据总线,地址总线,地址锁存器,数据总线缓冲器,时钟发生 器,总 线控制器,控制
6、总线,8284A,8288,ALE,CLK,8282,8286,GND,二、8086CPU的引线及功能,引脚定义方法大致分为:每个引脚只传送一种信息(如RD)电平的高低代表不同的含义(如M/IO)在不同模式下有不同的名称和定义(如WR/LOCK)分时复用引脚(如AD15AD0)引脚的输入、输出分别传送不同的信息(如RQ/GT0),最小模式下的主要引线,MN/MX 工作模式控制=0(接地):工作于最大模式;=1(接Vcc):工作于最小模式。,最小模式下的主要引线,地址总线、数据总线:AD15AD0:三态地址/数据复用引脚。ALE=1时作为地址线A16A0,ALE=0时作为数据线D16D0。传送地
7、址时为输出,传送数据时为双向。A19-A16/S6-S3:输出,三态地址/状态复用引脚。ALE=1时作为地址线A19A16,ALE=0时作为控制信号。,最小模式下的主要引线,控制信号:WR:输出,三态写选通信号,表示CPU正在写数据到MEM或I/O设备。RD:输出,三态读信号,表示CPU正在从总线上读来自于MEM或I/O设备的数据。M/IO:输出,三态区分是读写存储器还是读写I/O端口(即地址总线上的地址是存储器地址还是I/O端口地址)。,最小模式下的主要引线,DEN:输出,三态数据总线允许信号。用来打开外部数据总线缓冲器。DT/R:输出,三态表明CPU正在传送还是接收数据,用作外部数据总线缓
8、冲器的方向控制;ALE:输出地址锁存允许信号,表示地址/数据总线上传输的是地址信号。,最小模式下的主要引线,RESET:输入 复位信号,保持4个以上时钟周期的高电平时将引起CPU进入复位过程(IF清0,并从存储单元FFFF0H开始执行指令);BHE/S7:输出高8位数据总线允许。在读/写操作期间允许高8位数据总线D16D8有效(即读/写数据的高8位)。 READY:输入准备就绪。用于与存储器或I/O接口的同步。=0时CPU进入等待状态(插入1个或多个等待周期)。,中断请求和响应信号,INTR:输入可屏蔽中断请求输入端,CPU要检查IF状态NMI:输入非屏蔽中断请求输入端, CPU不检查IF状态
9、INTA:输出中断响应信号,表示CPU已进入中断响应周期。此信号常用来选通中断向量号。,2.4 8086/8088存储器组织,8086可访问1MB的存储空间(为什么?)哪个寄存器能够放得下20位的地址?用分段的方法解决。段是存储器中的一块区域段起始于存储器内16字节整倍数的边界处。段首地址的最低4位一定为0用段和偏移的组合访问存储单元每个段最大为64KB,最小为16B(为什么?)所有存储单元的地址都由段地址加偏移地址组成段地址被装入段寄存器中以供寻址使用偏移地址用于在64KB存储器段内选择任一单元,段和偏移,设段起始地址=60000H段地址偏移地址0FFFFH,6A000H,12H,60000
10、H,6 0 0 0,段寄存器,偏移地址A000H, ,物理地址和逻辑地址,物理地址: 存储单元的硬件地址物理地址=段地址16 (或段地址左移4位)+偏移地址逻辑地址: 段和偏移形式的地址逻辑地址用于汇编语言程序设计以下地址都是逻辑地址的例子:2500H:0100H段地址A000H偏移地址0001H,例1,已知CS=1055H,DS=250AH ES=2EF0H,SS=8FF0H 数据段中某操作数偏移地址=0204H各段首地址=?画出各段在内存中的分布该操作数的物理地址=?这个例子说明:段与段可以不连续段之间可以重叠,10550H,250A0H,2EF00H,8FF00H,DS段,ES段,SS段
11、,CS段,默认段和偏移寄存器,8086规定了访问存储器段的规则:此规则定义了段地址寄存器和偏移地址寄存器的组合方式,其默认规则如下表:,25 80868088的不足,微机技术与时俱进,现在已经进入了64位双核的微处理器时代。8086之所以被历史淘汰,是因为其性能与现在微处理器相比相形见绌,主要表现在以下几个方面。1存储器容量小2时钟频率低3计算精度低4技术含量低5存取速度低 本教材下面几章将要描述的是32位微处理器上配备的技术,其主要目的为读者领略微机领域内的先进技术,跟上世界微机领域内的先进水平。,第 3 章,32位微处理器,本章知识要点: 本章以32位的Pentium为平台,站在微处理器芯
12、片整体结构角度,把构成CPU的诸如寄存器组、总线接口部件、存储管理部件、分支转移缓冲存储器、控制部件、预取缓冲部件、指令译码部件、整数部件、浮点部件等各部件的结构、功能、工作原理,以及Pentium所采用的超标量执行技术、分支转移预测技术、流水线操作技术、浮点部件、浮点流水线操作等先进技术进行了描述。 本章内容是微机知识的核心、是重点、难点所在, 通过本章的学习,读者得到是系统、先进的微机知识。,31 CISC和RISC,1 复杂指令系统计算机CISC 每一种微处理器的CPU都有属于它自己的指令系统。CPU正是通过执行一系列的特定的指令来实现应用程序的某种功能。像Intel x86系列,为了增
13、加新的功能,就必须增加新的指令;另一方面,为了保持向上兼容,又必须保留原有的指令。每条指令又有若干个不同的操作字段,用来说明要操作的数据类型,以及存放的位置。这就意味着一个较大的指令系统和复杂的寻址技术。以这样的微处理器为平台的计算机系统就是“复杂指令系统计算机”(CISC)。 CISC也有许多优点,如指令经编译后生成的指令程序较小执行起来较快,节省硬件资源。像存取指令的次数少,占用较少的存储器等。,2 .精简指令系统计算机RISC,“精简指令系统计算机”(RISC)的核心思想,是通过简化指令来使计算机的结构更加简单、合理,从而提高CPU的运算速度。解决途径就是减少微处理器指令总数和减少指令操
14、作的时钟周期数。经过当时的技术比较测试表明,处于同样工艺水平的芯片,RISC的运行速度是CISC运行速度的3-5倍。特征: (1) 每个计算机周期执行一条指令 (2) 进行的是寄存器与寄存器之间的操作 (3) 寻址方式简单 (4) 指令格式简单,32 Pentium 体系结构,321Pentium寄存器 Pentium配备的寄存器按类可分为如下几类:(1)基本体系结构寄存器: 通用寄存器; 指令指针寄存器; 标志寄存器; 段寄存器; (2)系统级寄存器: 系统寄存器; 系统地址寄存器;()调试和测试寄存器:()浮点寄存器: 浮点寄存器包括: 数据寄存器;标记字寄存器; 状态字寄存器 ;指令和数
15、据指针寄存器; 控制字寄存器;,注:图中的深色部分表明,只有32位的80386、80486,Pentium微处理器才配备有、且可以用这些32位的寄存器。,基本体系结构寄存器,(1) 通用寄存器 8个通用寄存器也可以称之为多功能寄存器,它们全部是32位寄存器,而且用户可以随意使用这8个32位通用寄存器。在这些寄存器内存放着逻辑操作和算术运算用的操作数,除堆栈指针寄存器ESP不能作为变址寄存器使用外,其余七个通用寄存器在进行地址计算时都可用来存放参与运算的操作数。,() 段寄存器,Pentium器配备有6个16位的段寄存器,他们分别是: 代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、 堆栈段寄存器SS、附加
16、数据段寄存器ES、 附加数据段寄存器FS、附加数据段寄存器GS。 这6个段寄存器与80386的6个段寄存器同宗、同名、同功能。段寄存器的另一种称呼叫段选择符,也有的称其为段选择子。,()标志寄存器,Pentium标志寄存器的作用是用来存放有关Pentium的状态标志信息、控制标志信息以及系统标志信息。各条件码(例如进位、符号、溢出)及方式位均存放在的标志寄存器EFLAGS中,如图所示。 标志寄存器中这些标志不仅控制着微处理器的某些操作,且随时随地的指示出微处理器的状态。标志寄存器内不仅有状态和控制标志,而且还有几位是系统标志位。状态标志位用S表示,控制标志位用C表示,系统标志位用表示。,()
17、指令指针寄存器 指令指针寄存器EIP内保存有当前代码段中下一条要执行指令的偏移量。指令指针寄存器不直接供程序员使用,它由控制转移指令(转移、返回等指令)、中断及异常隐含地进行控制。,3系统级寄存器 () 系统地址寄存器 全局描述符表寄存器GDTR 中断描述符表寄存器IDTR 局部描述符表寄存器LDTR 任务寄存器TR,(2) 控制寄存器 Pentium由于控制管理的需要,又配备了5个控制寄存器。CR0、CR1、CR2、CR3和CR4。, 控制寄存器CR0,控制寄存器CR1: Pentium微处理器的CR1控制寄存器没有定义,供将来用。 控制寄存器CR2: Pentium的CR2控制寄存器内保存
18、的是页故障线性地址。控制寄存器CR3: Pentium的CR3控制寄存器是页目录基地址寄存器,保存着页目录表的物理基地址。控制寄存器CR4 较之80386、80486微处理器,Pentium又新配备了一个CR4控制寄存器。其内共设置了6个控制位。其目的是用来扩展Pentium的某些体系结构。,322Pentium 体系结构 Pentium是由总线接口部件(64位的)、 存储管理部件(分段、分页管理部件)、 指令Cache、数据Cache、 分支转移目标缓冲存储器、 控制ROM部件、控制部件、 预取缓冲部件、指令译码部件、 整数运算部件、整数及浮点数寄存器组、浮点运算部件等功能组成。,()总线接
19、口部件 总线接口部件与片内Cache外部总线接口实行的是逻辑接口连接。当访问Cache出现没命中、或需更改系统存储器内容、或需向Cache写入某些信息时,就要通过总线接口从外部存储器系统中取出一批数据。()预取缓冲部件 取指令是指从高速缓冲存储器Cache内或从内存储器中取出指令代码,以备译码之用的操作。()指令译码部件 译码操作, 一是检查一条指令的格式, 二是确定它是哪种类型操作的指令,并给出这条指令所需的操作数。()控制部件 Pentium微处理器控制部件的作用是,负责解释来自指令译码部件的指令字和控制ROM的微代码。控制部件的输出控制着整数流水线部件和浮点部件。 (5)执行部件 是微处
20、理器用于执行指令所规定的具体操作的CPU的核心硬件部分。这些非常具体的操作是指诸如数值运算、逻辑操作以及分支转移处理等。,(6)分段部件 Pentium的存储管理是采用了分段存储管理技术和分页存储管理技术实现的。 所谓段,就是一个被保护的独立的Pentium使用的存储器内的存储空间。 分段部件的功能是,将由程序提供的逻辑地址转换成一种线性地址。(7) 分页部件 Pentium微处理器的分页存储管理部件,在整个存储管理系统内采用的是二级分页管理机制。 使用分页部件可以使程序能够访问比实际存储空间大很多的数据结构,所采用的手段就是将这种大数据结构的一部分保存在主存储器之内,而另一部分则保存在磁盘上
21、的分页技术。,3. 3 Pentium 采用的新技术 1. 超标量执行 超标量是指那种拥有多条指令流水线,并在每个时钟周期中可执行一条以上的指令(在理想情况下)的微处理器处理指令的操作方式。 Pentium的超标量体系结构,配备有三条流水线,一条是执行浮点指令的浮点部件内的浮点流水线,而另两条则是整数运算部件内执行整数指令的U流水线和V流水线。这样就使得Pentium拥有了可同时执行3条指令的能力。,超标量执行,2 分支转移预测技术分支转移预测和推测执行技术 采用分支转移预测和动态推测执行的主要目的,是为了提高CPU的运行速度。推测执行是建立在分支 转移预测基础上的一项技术。 推测执行是指允许
22、CPU去处理那些不一定总能被执行的指令,例如,跳过条件的分支转移。在经分支转移预测程序预测判断之后,决定是否进行分支转移,接下来所要进行的处理就是推测执行。 2. 分支转移预测判断 为了支持在Pentium内采用的分支转移预测新技术,芯片内装备有两个预取缓冲存储器,一个是以线性方式来预取代码,另一个则是根据分支转移目标缓冲器(BTB)预取代码。这样就可以保证在执行之前将所需用的指令从存储器预取出来。 由于Pentium采用了这项技术,可以在无延迟的情况下正确地预测各种转移。另外,V流水线中的条件转移指令可以与一条比较类指令成对执行,当然也可以与U流水线中的置标志指令配合执行。但Pentium作
23、到了与现有软件是完全兼容,所以不必修改现有软件。,3 流水线技术 流水线操作(Pipeline),类似于大工业生产的“装配线”设计,Pentium微处理器的流水线操作是指把指令的操作处理分解成许多更小的操作步骤或操作阶段,每个操作步骤或操作阶段都由各自独立的电路来实现的。 当一条指 令执行完了一个操作步骤之后,它就按顺序进入到流水线操作的下一个操作步骤,而前一个操作步骤则会继续处理后续的指令。,2. Pentium整数流水线 Pentium的整数流水线操作是由 预取PF、 首次译码D1、 二次译码D2、 执行EX、 写回WB 共五个操作步骤组成。,非流水线操作 为了更好地说明流水线操作技术,以
24、及更好地认识流水线操作的技术进步, 先从非流水线操作认识起,当一条指令在执行的过程之中时,其他指令则要眼吧吧地看着这条指令的执行,等待着这条指令的完成。只有前一条指令经历了这五个操作步骤,完成了这条指令的操作,下一条指令才可得以进入指令的执行,同样又是五个时钟周期时间,同样又是其他指令的等待。这种非流水线操作方式并没有把计算机执行的时间资源有效地利用起来,指令流水线操作 Pentium整数指令的执行要经过指令预取PF、指令首次译码 D1、二次译码D2、指令执行EX和写回WB这五个操作步骤。在流水线内会有5条指令同时执行。,指令流水线操作 Pentium是一种能够以并行方式同时执行两条指令的超标
25、量机器。两条指令按照流水线操作的5个操作步骤以并行方式执行操作,使整数指令能够在一个时钟里,在两条流水线上同时执行,指令配对规则 Pentium微处理器每个时钟可以发出一条或两条指令。要同时发出两条指令,必须满足下列配对规则: 配对两条指令必须是所谓的“简单”指令; 两条指令之间不得存在“写后读”或“写后写”这样的寄存器相关性; 一条指令不能同时既包含位移量又包含立即数;带前缀(JCC指令的OF除外)的指令只能出现在U流水线中。依赖性或相关性是指,只有当一条指令执行完毕之后,才允许另一条指令执行的一个条件。,3.4 Pentium 操作模式,Pentium有两种主要的操作模式及一种“系统管理模
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