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第11章 32位微处理器 汤世平 北京理工大学 目录 11.1 80386微处理器的结构 11.2 32位微处理器的地址总线和数据总线 11.3 32位微处理器的工作方式 11.4 实地址方式 11.5 保护方式 11.6 虚拟8086方式 11.7 80486位微处理器的特点简介 11.8 Pentium微处理器 11.1 80386微处理器的结构 1.中央处理部件(CPU) 指令部件 指令预取队列 已译码指令队列 执行部件 32位的算术运算单元ALU 8个32位通用寄存器组 64位的桶形移位器和乘／除硬件 2.存储管理部件(MMU) 分段部件 分页部件 页是机械划分的，每4KB为一页，程序或数据均以页为单位进入实存 存储器按段来组织，每段包含若干个页，段的最大容量可达4000MB 一个任务最多可包含16K个段，每个任务可使用64MMB的虚拟存储空间 高速缓冲存储器(cache)，构成完整的cache—主存—辅存的3级存储体系 3.总线接口部件(BIU) 数据总线 地址总线 控制总线 包括访问存储器预取指令，读／写数据和访问I／O端口读／写数据等全部操作及其他控制功能 80386的寄存器 通用寄存器组 段寄存器指令指针 标志寄存器 控制寄存器 系统地址寄存器 调试寄存器 测试寄存器 11.2 32位微处理器的地址总线和数据总线 80X86CPU对外的地址总线和数据总线都是32条，如何来进行16位和8位数的传送呢? 11.2.1 地址总线 80X86CPU的32位地址总线是用30条地址线A2~A31加上4个字节允许符BE0~BE3来实现。这4个字节允许符给出了两个最低有效地址位和传送宽度编码。 11.2.2 数据总线 32位数据总线是32条三态双向数据线D0~D31。 D0~D7为最低字节，D24~D31为最高字节。 可以使用BS8和BS16引脚输入控制信号来改变数据总线的宽度，将数据传送到8位或16位设备中去。使32位微处理器能直接与32位、16位或8位总线相连接。 11.2.3 总线传送机制 32位微处理器的所有数据传送都是由一个或多个总线周期来完成。 1字节、2字节或4字节的逻辑数据操作数可以在物理地址不对界的情况下传送。在对界时的操作数只需要1个总线周期，而对于不对界时的操作数就需要2个或3个总线周期。 80X86CPU地址信号的设计可以简化外部系统的硬件。高位地址由A2~A31提供。低位地址则以BE0~BE3形式提供了32位数据总线4个字节的选择信号。 有时，对多总线接口需要A0和A1这两个地址信号，可由图11.11所示的逻辑电路产生。这样，由A2~A31和BE0~BE3就能形成了完整的80X86CPU的32条地址线。 11.3 32位微处理器的工作方式 实地址方式(real mode) 保护方式(protected mode) 可访问232字节的物理存储空间，段长为232字节，而且还可以实施保护功能 虚拟8086方式(virtual 8086 mode) 既能有效利用保护功能，又能执行8086代码的工作方式 CPU与保护方式下的原理相同，但程序指定的逻辑地址与8086 CPU解释相同 运行和转换的关系如图11.12所示 当CPU进行启动或复位时首先进入实地址方式工作。修改控制寄存器CR0的机器状态字时，就可以由实地址方式转换到保护方式工作。再执行IRET指令或进行任务转换，就可由保护方式转移到虚拟8086方式工作。 任务转换功能是32位微处理器的特点之一，采用中断处理，就可再把CPU从虚拟8086方式返回到保护方式，以及实地址方式。 在实地址方式运行时，32位微处理器就像一个速度很快的8086 CPU，但是，对某些指令，它也可扩展为32位。 保护方式提供了复杂的存储器管理和处理器的特权级能力。在保护方式运行时，可实现任务的切换，即切换到虚拟8086方式，允许执行8086的操作系统和应用程序，使32位微处理器实现多任务和多用户的目标。 11.4 实地址方式 32位微处理器复位或加电后即处于实地址方式。实地址方式具有与8086相同的特性，但允许访问32位寄存器组。其寻址机制、存储器访问范围和中断控制等都与8086 CPU相同。 32位微处理器中分段存储器管理的工作原理。 在实地址方式中默认的操作数是16位数，段的大小是64KB。则32位有效地址必须是比0000FFFFH小的值。 为了使用32位寄存器和寻址方式必须用超越前缀。 实地址方式寻址方法如图11.13所示。 实地址方式的首要目的是安排32位微处理器进入保护方式。 在实地址方式运行时，最大的存储器访问范围是1MB。因此，仅A0~A19地址线有效，A20～A31地址线是高电平。 在实地址方式运行时，不允许分页，物理地址是由相