32位微处理器课件.pptx

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1、第十一章 32位微处理器,第十一章 32位微处理器,111 80386微处理器一.80386的特点:1.技术上:流水线,虚拟存储器,片内存储管理,存储器分段和分页 机构,四级保护机构;2.多任务多用户操作系统,与808680286兼容;3.32条DB和内部数据通道(RALU内总线均为32位),可进行81632位数据处理;4.寻址:在实地址方式下:232=4KMB(4GB)的物理空间,在虚地址保护方式下:246=64MMB=64TB虚拟存储空间;M按段组织:一个段最长=4KMB 即:64TB虚拟存储空间=16384段;（即允许一个任务可包 含的 段）,一.80386的特点:,386芯片:132条

2、引脚封装,其耗散功率在1.53.0W之间,时钟频率=16MHZ,运行速度=3倍80286;三种工作方式:实地址方式:即386为一个高速的8086,目标代码与 8086兼容,寻址与8086相同;保护方式:虚拟存储空间,M按段页管理,有四级保 护 机构,寻址不同;虚拟8086方式:386像在实地址一样,可执行8086的应 用程序,同时可运行386的 操作系统及 程序.保护方式是最常用的,最具特色的方式,也称本性方式.,硬件支持多任务,一条指令可以完成任务转换,转换时间在17us内.4级特权级,很强的抑制病毒感染的能力,在用户之间用户和操作系统之间形成严格的隔离保护.,一.80386的特点:,采用2

3、96引脚的引脚栅格阵列（PGA）陶瓷封装技术(386为132引脚),二.80386的结构,6级流水线结构:总线接口部件(BIU):高速接口,产生ADDBCB信号,总线周期仅为2个时钟周期;指令预取部件(IPU):16字节的预取队列寄存器,约存放 5条指令;指令译码部件(IDU):对指令的操作码预译码,后送入“已 译码指令队列”中等待EU执行;执行部件(EU):包括ALUR桶形移位R和乘除硬 件(64位)保护测试部件控制部件;,二.80386的结构,段管理部件(SU):实现有效地址的计算,完成从逻 辑地址到线性地址的转换,且送 PU;(管理逻辑地址空间)页管理部件(PU):完成从线性地址到物理地

4、址的转 换;(管理物理地址空间)规定:1页=4KB 1段=4KMB=4096MB=4GB(最大)1个任务=16K段=16K*4KMB=64MMB=64TB(允许),三.80386CPU的内部寄存器:,通用寄存器:8个,均32位,在程序执行时暂时保存中间结果。在进行算术运算和逻辑运算时，通用寄存器任何一个都可以作为源操作数或目的操作数A 累加器寄存器B 基址寄存器C 计数寄存器D 数据寄存器,例:MOV ECX,12345678H MOV ECX,EDX,三.80386CPU的内部寄存器:,指针和变址寄存器 ESP,EBP,ESI,EDI,例:MOV EAX,ESP,三.80386CPU的内部寄

5、存器:,例:MOV EAX,BX+24 MOV DX,EAX+1500 MOV AX,BX+SI+50 MOV EAX,EDX+EBP+0FFFF000H,三.80386CPU的内部寄存器:,段寄存器:6个16位的;6个64位的.CS 代码段 SS 堆栈段 DS 数据段 ES 附加段 FS 数据段F GS数据段G,注:在保护方式虚拟方式下,各段寄存器(16位)称为段选 择字,64位的则称为描述符 寄存器,它们一一对应.但仍以CS,DS,ES,SS,FS,GS称.,三.80386CPU的内部寄存器:,三.80386CPU的内部寄存器:,指令指针寄存器EIP:32位,与IP意义相同,为对CS的偏移

6、地址.,0,15,16,31,EIP,标志寄存器EF:32位,低12位是8086的FR,低16位是80286的FR,低18位是80386的FR.,FLAGS,EFLAGS,同样,EIPEF均可用于16位,(IP,FR),IP,三.80386CPU的内部寄存器:,EFLAGS,31 17 16 15 14 13 12 11 0,VM,RF,NT,IOPL,保留,1).IOPL标志:I/O特权级标志.仅用于保护模式,表示I/O操作 处于03级特权中的哪一级.00:特权级0 01:-1 10:-2 11:-32).NT标志:任务嵌套标志.指出当前执行的任务是否嵌套于另 一任务中.NT=1,表示嵌套;

7、NT=0,未嵌套.NT也仅用于保护模式,0或1的置入由任务的控制转 移来实现.,与8086意义相同,三.80386CPU的内部寄存器:,3).VM标志:虚拟8086模式标志,VM=1,表示386在保护模式系统中已从保 护模式转换为虚拟8086模式.VM由任务切换置1.PUSHF指令使VM=0.4).RF标志:恢复标志,用于在调试失败后,强迫程序恢 复执行.RF是配合调试寄存器的断点或单步操作 一起使用的.在处理断点之前,在两条指令之间对该位进行检查.当检查RF=1时,即使在下一条指令执行时遇到断点 或调试故障,该故障也会被处理器忽略(即不产生异 常中断).,三.80386CPU的内部寄存器:,

8、.在成功执行每一条指令后,CPU将RF自动清0，准 备下一个断点中断。.当接收到一个非调试故障的故障信号时,CPU将RF置 1，即忽略该故障，不产生中断。控制寄存器:4个,均32位.CR0CR1CR2CR3.供操作系统用.用于保存机器的各种全局性状态,以指挥系 统所有任务的运行.,三.80386CPU的内部寄存器:,三.80386CPU的内部寄存器:,1).CR0:控制寄存器0:,CR0的低4位组成机器状态字（MSW）：保护允许位 PE:0实模式；1保护模式 协处理器位 MP:1(系统有数学协处理器)仿真协处理器位 EM:1(要求软件仿真)任务切换位TS:任务切换，切换任务时自动设置,CR0中

9、的PG位设置为1，表示允许分页,即分页部件可工作.,三.80386CPU的内部寄存器:,2).CR2:页面故障线性地址寄存器:用于报告出错信息.当发生页异常时,CPU把引起异常的32位线性地 址 CR2中;操作系统中的页异常处理程序通过检查CR2的 内容,可知线性地址空间中的哪一页引起页故障.3).CR3:页组目录基址寄存器:用于存放页目录表的物 理基地址.页目录表的基地址是以4KB为边界,即低12位 为0 CR3的低12位为0,高20位有效.,三.80386CPU的内部寄存器:,存储器分页机制：CR0中的PG位设置为1，表示允许分页CR3包含页目录基址，指向页目录的开头如果发生缺页，则将发生

10、缺页的地址保存在CR2中,11 0,000000000000,000000000000,几个概念:,1.描述符(Descriptor)：描述存储器段的属性的一个8字节的数据结构。2.描述符表:描述符表由描述符顺序排列组成，占内存一定的区域，由系统地址寄存器（GDTR、IDTR、LDTR）指示其在物理存储器中的位置和大小 描述符表有三种：全局描述符表GDT 中断描述符表IDT 局部描述符表LDT,空间的定义:一个任务占用的空间称局部空间,多个任务共同占用的空间称全局空间.如:被各个任务共同调用的子程序和公 共数据,就放在全局空间中.局部空间只是某个任务可访问的M空间,而全局空间是所有任务都能访问

11、的M空间.一个任务由多段组成.局部空间是相互隔离的.,三.80386CPU的内部寄存器:,5.系统地址寄存器:4个 2个系统地址寄存器:GDTR,IDTR 1).GDTR:全局描述符表寄存器(48位).存放全局描述符表(GDT)的32位线性基地址和16位限值.,三.80386CPU的内部寄存器:,例：(GDTR)=001000000FFFH，求GDT在物理存储器中的起始地址，结束地址，表的大小，表中可以存放多少个描述符？解：GDT的起始地址为00100000H结束地址为00100000H+0FFFH=00100FFFH表的大小为0FFFH+1=4096字节表中可以存放4096/8=512个描述

12、符,三.80386CPU的内部寄存器:,2).IDTR:中断描述符表寄存器(48位)存放中断描述符表(IDT)的32位线性基地址和 16位限值.即:IDTR在物理存储器地址空间中定义中断描述符表IDT.M系统中只有一个GDT和IDT 无需通过选择字来选择描述符表 故 只有GDTR和IDTR.即 由GDTR(IDTR)确定表中的描述符项,去寻址存储器系 统地址.,三.80386CPU的内部寄存器:,三.80386CPU的内部寄存器:,2个系统段寄存器:LDTR,TR1).LDTR:局部描述符表寄存器(16位)存放选择局部描述符表LDT的16位段选择字.LDTR-64位的局部描述符寄存器.,释义:

13、1).保护方式:一个任务 属于自己的LDT,多任务系统中,有多个LDT.2).每张LDT由一个描述符来描述.该描述符 放在GDT中.3).任务初始化和任务切换时,对应任务的选 择字装入LDTR,CPU据此指向GDT的一 项,得到该任务的描述符,并装入描述符寄 存器中.4).386有3张描述符表:全局:GDT(1个)局部:LDT 中段:IDT(1个):为中断设计,指向256个中断子程序 入口地址的中断描述符.三张表均放在M中,其位置分别由 GDTR,LDTR,IDTR定义,定义了系统中使用的所有段,LDT描述符高速缓冲寄存器（不可见）,三.80386CPU的内部寄存器:,2).TR:任务寄存器(

14、16位)存放选择当前任务所对应的任务状态段TSS的 16位选择字.TR-64位的局部描述符寄存器.存放16位的选择符，指示全局描述符表中任务状态段（TSS）描述符的位置当选择符装入TR时，相应的TSS描述符自动从存储器中读出并装入任务描述符缓冲寄存器。该描述符定义了一个称为任务状态段（TSS）的存储块。每个任务都有TSS，TSS包含启动任务所必需的信息。TSS最大64K字节,释义:1).TSS是一种固定的段(104个字节),包含了一个任务 的全部信息以及允许嵌套任务联系的信息.2).TSS描述符所描述的TSS段不包含数据和代码,而 是包含了任务的状态和联系,以使某个任务可以被 其他任务所嵌套.

15、对应 3).TR用于任务切换.TR 64位的任务描述符高速缓存.4).系统为每个任务设置了一个TSS,其描述符放在GDT 中.其描述符包含任务壮态段的位置,大小和特权级,当前是否忙碌,不忙是否有效等.5).任务切换时,将TSS装入TR中,CPU查到GDT,得到 TSS描述符,即将任务的LDT段的有关信息装入 高速缓存中-任务切换完成.,TSS描述符高速缓冲寄存器（不可见）,三.80386CPU的内部寄存器:,11-2 地址总线和数据总线,地址总线:32位,提供内存和I/O端口的物理地址.引脚:A31A2,BE3 BE2 BE1 BE0 1).由4字节允许符BE3BE0给出A1,A0的有效值:A

16、1 A0 BE3 BE2 BE1 BE0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 2).内存=4KMB,即232,故寻访内存需32条AW;3).I/O地址空间为64KB,即216,故寻访外设需16 条AW.,11-2 地址总线和数据总线,数据总线:32条,双向,引脚D31D0.1).数据总线宽度控制BS16引脚的功能:BS16=0 DB的宽度为16位,BS16=1 DB的宽度为32位.2).4字节允许符BE3BE0决定数据传送的宽度:BE0=0,表示D7D0数据线的数据有效;BE1=0,表示D8D15数据线的数据有效;BE2=0,表示D16D23数据线的数据有效

17、;BE3=0,表示D24D31数据线的数据有效;即可选择一个字节,一个字和一个双字.注:BE3BE0依据A1,A0地址信号来产生,故也称为 地址选通信号.3).数据传送总线周期:13个.,指令指针IP段寄存器CS,DS,SS,ES,FS,GS通用寄存器EAX,EBX,ECX,EDX变址寄存器ESI,EDI指针寄存器EBP,ESP标志寄存器FLAGS控制寄存器0(CR0),4.通用寄存器,在程序执行时暂时保存中间结果。在进行算术运算和逻辑运算时，通用寄存器任何一个都可以作为源操作数或目的操作数A 累加器寄存器B 基址寄存器C 计数寄存器D 数据寄存器,2.描述符(Descriptor)：描述存储

18、器段的属性的一个8字节的数据结构。包括段描述符、系统段描述符和门描述符三种类型。,段描述符：,G位(粒度位)：G=0,段的长度以字节为单位段长最大1M字节G=1,段的长度以页(4K字节)为长度单位段长最大1M4K=4G字节D位：D=0，16位指令方式 D=1，32位指令方式AVL位：AVL=0，程序不可使用本段 AVL=1，程序可以使用本段,访问权限字节格式与系统段描述符相同,P=1，S=0，DPL=2TYPE=2，为DLT因此为一个特权级为2的DLT，已经在内存中该DLT的基址为00200000H，界限为00300HG=0，段的长度为字节长度AVL=0该段不可被程序访问,2.4.2 保护模式

19、的寄存器模型,实模式的寄存器模型,1.全局描述符表寄存器GDTR,2.中断描述符表寄存器IDTR,3.局部描述符表寄存器LDTR,16位的LDTR并不直接定义LDT，它只是一个指向GDT中LDT描述符的选择符。如果LDTR中装入了选择符，相应的描述符将从GDT中读出并装入局部描述符表高速缓冲寄存器。将该描述符装入高速缓冲寄存器就为当前任务创建了一个LDT,LDT定义任务用到的局部存储器地址空间,LDT描述符高速缓冲寄存器（不可见）,4.控制寄存器,CR0的低5位组成机器状态字（MSW）：PE:0实模式；1保护模式MP:1(系统有数学协处理器)EM:0TS:任务切换，切换任务时自动设置ET:1(

20、协处理器的类型),存储器分页机制：CR0中的PG位设置为1，表示允许分页CR3包含页目录基址，指向页目录的开头如果发生缺页，则将发生缺页的地址保存在CR2中,5.任务寄存器TR,存放16位的选择符，指示全局描述符表中任务状态段（TSS）描述符的位置当选择符装入TR时，相应的TSS描述符自动从存储器中读出并装入任务描述符缓冲寄存器。该描述符定义了一个称为任务状态段（TSS）的存储块。每个任务都有TSS，TSS包含启动任务所必需的信息。,TSS最大64K字节,TSS描述符高速缓冲寄存器（不可见）,6.段选择符寄存器,7.标志寄存器EFLAGS,IOPL:输入/输出特权级VM:虚拟8086模式标志,

21、2.4.3 保护模式下存储器寻址,实模式存储器寻址,保护模式的存储器管理单元使用48位存储器指针：16位选择符，32位偏移量选择符放在段选择符寄存器中偏移量放在其他用户可访问的32位寄存器中偏移量32位，因此段的大小可以达到4G字节48位存储器指针称为虚拟地址（逻辑地址）16位选择符中有14位用于存储器段选择，虚拟空间中可容纳16384个段，每段最大4GB，因而虚拟地址空间最大64TB,1.虚拟地址空间的分段,数据段描述符高速缓冲寄存器（不可见）,3.分页机制,页表的起始地址是4K的整数倍，因此32位地址的低12位总为0，用高20位表示即可,U/S R/W 特权级3 特权级02 0 0 无 读

22、/写 0 1 无 读/写 1 0 只读 读/写 1 1 读/写 读/写,整个存储器有一个页目录，它最多有1024个页目录项，每个页目录项可含有1024个页面项共有10241024=1M个页面，每页面4KB，存储器大小正好4GB,线性地址,页目录,TLB转换后援缓冲器TLB为一个Cache，其中保存了32个最近使用的页转换地址。若访问同样的存储区域，则不必再访问页目录和页表，可以加快程序的运行。例：对于线性地址00000000H00000FFFH，将选中页目录项0和页表项0。若页表项0包含的地址为00100000H，则线性地址00000000H00000FFFH对应的物理地址为00100000H00100FFFH,2.4.4 虚拟8086模式,保护模式的子模式在保护模式下，只要将EFLAGS寄存器的VM位置1，处理器便进入V86模式。将VM位清0，处理器便又退回保护模式当处理器处于V86模式时，段寄存器的使用与实模式相同。通过分页操作，V86的1MB地址空间可以转换到Pentium的4GB空间的任何地方,