清华大学电子工程系：《微机原理》PPT课件_第二章 Pentium微处理器实模式软件体系结构

第2章Pmm微处理器实模式软件体渐 21概述 211计算机体系结构的基本概念 2.12 Pentium微处理器的工作模式 22实模式寄存器结构 221段寄存器与存储器分段 222指令指针寄存器 223通用寄存器 224标志寄存器 23实模式内存地址空间组织 231内存地址空间和数据组织 23.2逻辑地址与物理地址 234堆栈操作 24实模式输入输出地址空间

1 2.1 概述 2.1.1 计算机体系结构的基本概念 2.1.2 Pentium微处理器的工作模式 2.2 实模式寄存器结构 2.2.1 段寄存器与存储器分段 2.2.2 指令指针寄存器 2.2.3 通用寄存器 2.2.4 标志寄存器 2.3 实模式内存地址空间组织 2.3.1 内存地址空间和数据组织 2.3.2 逻辑地址与物理地址 2.3.4 堆栈操作 2.4 实模式输入/输出地址空间 第2章 Pentium微处理器实模式软件体系结构

2,1概选 ★斗 2.1.1计算机体系结构的基本概念 计算机体系结构(系统结构)——- computer architecture 计算机体系结构是程序员所看到的系统的一些属性:概念 性的结构和功能上的表现,这些属性既不同于数据流和控 制的组织,也不同于逻辑设计和物理实现 Amdahl1964 The term architecture is used here to describe the attributes of a system as seen by the programmer, i. e, the conceptual structure and functional behavior. as distinct from the organization of the date flow and controls, the logical design, and the physical implementation G. M. Amdahl, et. al, Architecture of the IBM System/360, IBM Journal of Research and Development, pp. 87--101, April,1964

2 2.1.1 计算机体系结构的基本概念 计算机体系结构(系统结构) 计算机体系结构是程序员所看到的系统的一些属性：概念 性的结构和功能上的表现，这些属性既不同于数据流和控 制的组织，也不同于逻辑设计和物理实现。 Amdahl,1964 computer architecture The term architecture is used here to describe the attributes of a system as seen by the programmer, i.e., the conceptual structure and functional behavior, as distinct from the organization of the date flow and controls, the logical design, and the physical implementation. G. M. Amdahl, et. al, Architecture of the IBM System/360, IBM Journal of Research and Development, pp. 87--101, April, 1964 2.1 概述

计算机体系结构的基本概念 就研制IM360系统时的技术水平而言, Adah的定义 中程序员是指使用机器语言或汇编语言的程序员,而非 高级语言程序员。 所以,经典的计算机体系结构定义指的是机器语言或汇 编语言程序员所看到的计算机硬件系统的概念结构和功 能特性: 寄存器结构和组织 指令系统 °内存的组织和寻址方式中断机制 I/O结构 机器工作状态的定义及切换 数据类型及表示 保护机制

3 就研制IBM 360系统时的技术水平而言，Amdahl的定义 中程序员是指使用机器语言或汇编语言的程序员，而非 高级语言程序员。 所以，经典的计算机体系结构定义指的是机器语言或汇 编语言程序员所看到的计算机硬件系统的概念结构和功 能特性： •寄存器结构和组织 •内存的组织和寻址方式 •I/O结构 •数据类型及表示 计算机体系结构的基本概念 •指令系统 •中断机制 •机器工作状态的定义及切换 •保护机制

计算机体系结构的基本概念 随着计算机技术的发展,出现了一系列对计算机系 统有重要影响的硬件技术,如 Cache技术、流水线技 术、超标量技术等。这些硬件技术对程序员是不可 见的,但是为了充分发挥系统效能,系统程序员又 必须对这些技术深入了解。 计算机体系结构的研究范围已经远远超出了 Amdahl 的经典定义的范畴 计算机体系结构是连接硬件和软件的一门学科,它研 究的内容不但涉及计算机硬件,也涉及计算机软件。 目前通常称经典定义为软件体系结构或程序设计模型

4 计算机体系结构是连接硬件和软件的一门学科，它研 究的内容不但涉及计算机硬件，也涉及计算机软件。 计算机体系结构的基本概念 随着计算机技术的发展，出现了一系列对计算机系 统有重要影响的硬件技术，如Cache技术、流水线技 术、超标量技术等。这些硬件技术对程序员是不可 见的，但是为了充分发挥系统效能，系统程序员又 必须对这些技术深入了解。 计算机体系结构的研究范围已经远远超出了Amdahl 的经典定义的范畴 目前通常称经典定义为软件体系结构或程序设计模型

★斗 计算机体系结构的基本概念 软件模型便于程序员从软件观点了解微型计算机系 统,而不必关心硬件实现的细节。 软件模型最为重要的两个方面: °掌握处理器内部寄存器的组织和结构:各个寄 存器的目的、功能、操作。 °掌握内存和外设的组织

5 计算机体系结构的基本概念 软件模型便于程序员从软件观点了解微型计算机系 统，而不必关心硬件实现的细节。 软件模型最为重要的两个方面： •掌握处理器内部寄存器的组织和结构：各个寄 存器的目的、功能、操作。 •掌握内存和外设的组织

★斗 计算机体系结构与计算机组成(实现) 区别在于关心的问题不同: 计算机体系结构关心的是怎样合理地进行软硬 件功能分配,为软件人员提供适用的计算机 计算机组成关心的是怎样合理地实现分配给硬 件的功能和指标,提高性能价格比 乘法的例子 体系结构考虑的是是否设置乘法指令 计算机组成(实现)考虑的是如何实现乘法指令

6 计算机体系结构与计算机组成（实现） 区别在于关心的问题不同： •计算机体系结构关心的是怎样合理地进行软硬 件功能分配，为软件人员提供适用的计算机 •计算机组成关心的是怎样合理地实现分配给硬 件的功能和指标，提高性能价格比 乘法的例子 体系结构考虑的是是否设置乘法指令 计算机组成（实现）考虑的是如何实现乘法指令

★斗 系列机 具有相同体系结构,但具有不同组成和实现的一系列 不同型号的计算机 PC系列机,同具有X86体系结构 兼容性 要求所有机种间能够保持向上兼容和向后兼容 向上兼容:为某个档次机种编制的软件能够不加修 改地运行在比它高档的机种上 向后兼容:为某个时期生产的机种编制的软件能够 不加修改地运行在它之后生产的机种上 兼容性针对(软件)体系结构,非硬件实现

7 兼容性 具有相同体系结构，但具有不同组成和实现的一系列 不同型号的计算机 PC系列机，同具有X86体系结构 向上兼容：为某个档次机种编制的软件能够不加修 改地运行在比它高档的机种上 向后兼容：为某个时期生产的机种编制的软件能够 不加修改地运行在它之后生产的机种上 兼容性 针对（软件）体系结构，非硬件实现 要求所有机种间能够保持向上兼容和向后兼容 系列机

★斗 212 Pentium微处理器的工作模式 Pentium微处理器支持2种工作模式,不同工作模式具有不同的程 序设计模型: 实模式:相当于高性能的8086微处理器,但进行了功能扩充 能够使用8086所没有的寻址方式和32位通用寄存器及大部分 指令。不具有保护机制,不能使用部分特权指令。 实模式下存储空间为20B(MB 保护模式:充分发挥 Pentium的存储管理功能和硬件支持的 保护机制,为多任务操作系统设计提供支持 保护模式下每个任务的存储空间为23B(4GB) °虚拟8086模式:是保护模式的一种子模式,可以在保护 模式的多任务环境中以类似实模式的方式运行16位8086 软件

8 2.1.2 Pentium微处理器的工作模式 Pentium微处理器支持2种工作模式，不同工作模式具有不同的程 序设计模型： •实模式：相当于高性能的8086微处理器，但进行了功能扩充， 能够使用8086所没有的寻址方式和32位通用寄存器及大部分 指令。不具有保护机制，不能使用部分特权指令。 实模式下存储空间为2 20B(1MB) •保护模式：充分发挥Pentium的存储管理功能和硬件支持的 保护机制，为多任务操作系统设计提供支持 保护模式下每个任务的存储空间为2 32B(4GB) •虚拟8086模式：是保护模式的一种子模式，可以在保护 模式的多任务环境中以类似实模式的方式运行16位8086 软件

★斗 212 Pentium微处理器的操作模式 实模式 RESET PE=l 或PE=0 RESET 保护模式 VM=0 ⅤM=1 V86模式

9 2.1.2 Pentium微处理器的操作模式 实模式 保护模式 V86模式 RESET RESET 或PE=0 PE=1 VM=0 VM=1

31 1615 2.2实模式寄存器结构 洋 实模式下可以访问的寄存器包括: °段寄存器 °指令指针寄存器 31 1615870 标志寄存器 AH AL A EBⅩ BH 通用寄存器 BL BX ECⅩ CH CL CX 控制寄存器0(CRQO) EDX DL DX SP CR0的第0位称为保护允许位(PE) EBP BP PE位实现对实模式和保护模式的切 ES工 换。PE=0,选择实模式;PE=1,选ED D工 择保护模式。 FLAGS

10 2.2 实模式寄存器结构 31 16 15 0 15 0 31 16 15 8 7 0 AL BL CL DL AX BX CX DX AH BH CH DH EAX EBX ECX EDX IP CS DS SS ES FS GS SP BP SI DI ESP EBP ESI EDI FLAGS CR0 实模式下可以访问的寄存器包括： •段寄存器 •指令指针寄存器 •标志寄存器 •通用寄存器 •控制寄存器0（CR0） CR0的第0位称为保护允许位（PE）, PE位实现对实模式和保护模式的切 换。PE=0，选择实模式；PE=1，选 择保护模式