【微型计算机原理与接口技术】80X86微处理器发展与内部结构_基于 80x86 cpu 的微机原理、汇编语言、接口技术的发展历程、应用方案、应用技术

Intel微处理器发展概况

微处理有关的常用术语

• 字长（数据宽度）
  字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位、32位和64位等。
• 寻址能力
  指CPU能直接存取数据的内存地址的范围，它由CPU的地址总线的数目决定。
• 主频
  主频也叫时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高，表明微处理器运行越快，主频的单位是 MHz、GHz。
• MIPS
  MIPS 是 Millions of Instruction Per Second 的缩写，用来表示微处理器的性能—运算速度，用每秒钟能执行多少百万条指令表示。
• 微处理器的集成度
  指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。
  最早 Intel 4004 的集成度为2250个晶体管，PentiumIII 的集成度已经达到750万个晶体管以上，集成度提高了3000多倍。

微处理器发展概况图

32位微处理器内部结构

486微处理器内部结构寄存器

486内部寄存器分为4类：

• 基本结构寄存器
• 浮点寄存器
• 系统级寄存器
• 调试测试寄存器

应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点寄存器。（我们只学习基本结构寄存器）

486内部基本结构寄存器

32位微处理器地址空间

存储空间

物理空间（物理存储器地址空间）：程序的运行空间，即主存空间。

486有32条地址线，内存最大容量4G。这4G字节称为物理存储器，每一单元的地址称为物理地址，其地址范围：0000，0000H~FFFF，FFFFH为物理存储空间。

虚拟空间（虚拟存储器地址空间）：编程空间。

• 虚拟存储器是一项硬件和软件结合的技术。
• CPU内部的存储管理部件把主存（物理存储器）和辅存（磁盘）看作是一个整体，即虚拟存储器。
• 允许编程空间为 2⁴⁶=64T，程序员可在此地址范围内编程，大大超过物理空间。该空间对应的地址称为虚拟地址或逻辑地址。
• 程序运行时，操作系统从虚拟空间取一部分程序代码载入物理空间运行。
• 当程序运行需要调用的程序和要访问的数据不在物理存储器时，操作系统再把那一部分调入物理存储器.……数据的交换极快，程序察觉不到。

线性空间

• 当程序从虚拟空间调入物理空间时，要进行地址转换。
• 分段部件首先把虚拟地址（编程地址）转换为线性地址。
• 如果不分页的话，线性地址就是物理地址；
• 如果分页的话，则由分页部件把线性地址转换为物理地址。

实模式：存储空间仅分段，而不分页；
保护模式：存储空间先分段，再分页。

I/O 空间

• 486利用低16位地址线访问IVO端口，所以IVO端口最多有2¹⁶=64K，I/O地址空间为0000H~FFFFH。
• I/O地址空间不分段；
• I/O地址空间与存储空间不重叠。CPU有一条控制线M/$\overline{IO}$，在硬件设计上用M/$\overline{IO}$=1，参与存储器寻址，用M/$\overline{IO}$=0参与I/O寻址。
• 从PC/XT~Pentium，基于Intel微处理器的系统机，实际上只使用低10位地址线，寻址2¹⁰=1024个I/O端口。

32位微处理器工作模式

实地址模式（实模式）

①加电、复位之后，486自动工作在实模式，系统在DOS管理下；

②在实模式下，486只能访问第一个 1M 内存（00000H~FFFFFH）；

③存储管理部件对存储器只进行分段管理，没有分页功能，每一逻辑段的最大容量为64K；

④在实模式下，段寄存器中存放段基址。

保护虚拟地址模式（保护模式）

①在保护模式下，486支持多任务操作系统；

②在保护模式下，486可以访问4G物理存储空间，存储器用虚拟地址空间、线性地址空间和物理地址空间三种方式来进行描述，虚拟地址就是逻辑地址。寻址机构不同于8086，通过一种称为描述符表的数据结构来实现对内存单元的访问，该描述符由存放在段寄存器中的选择符来确定；

③CPU 内部的存储管理部件对存储器采用分段和分页管理。可以将磁盘等存储设备有效映射到内存，使逻辑地址空间大大超过实际的物理地址空间，这样，使主存储器容量很大；

④既能进行16位运算，也能进行32位运算。

486工作在保护模式下，才能真正发挥它的设计能力。

关于保护机制：
高级别的程序可以访问同级或低级的数据段，反之则不行。

虚拟86模式

虚拟86模式是保护模式下的一种特殊工作模式，可运行实模式程序。

在操作系统管理下，486可以分时地运行多个实模式程序。

不能从实模式直接进入虚拟86模式，也不能从虚拟86模式直接回到实模式。

32位微处理器实模式下20位物理地址的形成

实地址模式下的物理地址与逻辑地址

• 物理空间对应的物理地址
  物理地址是指1MB 存贮区域中的某一单元地址，地址信息是20位的二进制代码，以16进制表示是 00000H~FFFFFH 中的一个单元。
  CPU 访问存贮器时，地址总线上送出的是：20位物理地址。
• 编程空间（虚拟空间）对应的逻辑地址
  编制程序应采用逻辑地址。程序是分段的，逻辑地址由段基址和偏移地址组成，书写成：
  段基址：偏移地址
  
• 在一个逻辑段中，各单元的段地址是相同的，偏移地址是该单元相对于段首的地址偏移量
• 所有段都是起始于16字节的边界，段起始物理地址为XXXX0H
• 物理地址为12345H的单元，逻辑地址可能为 1000H:2345H ，也有可能是1200H:345H、1230H:45H…

• 实模式下，把1M字节的存储器分为任意数量的段，其中每一段最大长度为64K(2¹⁶) 字节。
• 段的起始地址的高16位地址称为该段的段基址。段内再由16位二进制数寻址，段内寻址的16位二进制数地址是存储单元到段起始地址的距离，称为偏移地址。

实地址模式CPU20位物理地址的形成

注：物理地址是唯一的，不同的逻辑地址可以得到相同的物理地址，如：

• 1000H：2345H —— 12345H
• 1200H：0345H —— 12345H

逻辑地址需由程序员在编程时给出，这是由于编程在逻辑空间进行，还没有定位到存储器。
所以：段基址，指明由哪个段寄存器给出即可；偏移地址，由程序员在程序中给出具体值；

实地址模式下各逻辑段物理地址的形成

以16位寻址为例，段寄存器中存放段机制：

• 代码段：CS*2⁴ + IP = 指令单元的物理地址；
  一条指令的一个字节取出后，IP自动加1，指向下一字节。
• 堆栈段：SS*2⁴ + SP = 栈顶单元的物理地址；
• 数据段：DS*2⁴ + 偏移地址 = 数据单元的物理地址；
• CS、IP的初值：由操作系统赋值
• SS、SP的初值：
  ①由程序员赋值
  ②由操作系统自动赋值
• DS/ES/FS/GS的初值：由程序员赋值。
• BX/SI/DI/BP的初值：由程序员赋值。