80486-80386系统原理与接口大全-上-80386系统原理.docx-道客多多

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1、8 0 4 8 6 / 8 0 3 8 6系统原理与接口大全 ( 上 ) 8 03 86 系统原理艾德才陆明李文彬编著清华大学出版社( 京 ) 新登字 158 号内容提要本书由上、中、下三册组成 , 分别为 80386 系统原理、接口技术、 80486 系统原理。上册详细介绍了 80386 CP U 、数值协同处理器 80387、高速缓冲存储器 Cache 及其控制器 82385、高性能 DM A 控制器 82380、图形协

3、标签者不得销售。图书在版编目 ( CI P ) 数据80486/ 80386 系统原理与接口大全 ( 上 ) 80386 系统原理 / 艾德才等编著 . 北京 : 清华大学出版社 , 1995ISBN 7-302-01856-1 . 80 . 艾 . 微型计算机 , 80386-接口 . T P 364中国版本图书馆 CIP 数据核字 ( 95) 第 06563 号出版者 : 清华大学出版社 ( 北京清华大学校内 , 邮编 100084)责任编辑 : 焦

4、金生印刷者 : 清华园印刷厂印刷发行者 : 新华书店总店北京科技发行所开本 : 78 1092 1/ 16 印张 : 16.75 字数 : 396 千字版次 : 1995 年 8 月第 1 版 1995 年 8 月第 1 次印刷书号 : ISBN 7-302-01856-1/ T P836印数 : 00018000定价 : 16.00 元前言90 年代是微型计算机技术空前发展的 10 年。 90 年代是 32 位微型计算机时代。 32 位微型计算机是当今

5、微型机的杰出代表。不论是速度还是性能 , 32 位微型计算机系统都超过了 70 年代末期、 80 年代初期中小型计算机的水平。因为 32 位微型机已显露出前辈机所没有的机器视觉、人工智能和声音识别的特征 , 所以它在专家系统、机器人以及控制系统、工程工作站、办公室自动化、事务处理、科学计算和工程计算、人工智能、过程控制、软件

6、开发、 CA D/ CAM 、公共服务、教育和训练等各方面的应用潜力已初见端倪。在本世纪内 , 32 位微型计算机将会占领整个微型机市场。由于 80386、 80486 是当代 32 位微处理机中的杰出代表之一 , 微型计算机的主流产品膝上机的 CPU 将会全部采用 80386、 80486 甚至是 80586。为紧紧盯住 90 年代微型计算机的潮流 , 紧紧盯住国际微型计算机

7、潮流 , 我们不失时机地编写本书 , 奉献给急需了解 80386、 80486 以及微型计算机接口的广大用户和科技人员。本书共分三册。上册描述的是 80386 系统原理。围绕 80386 系统原理 , 主要介绍了80386CPU 、存储管理方式、数值协同处理器 80387、高性能的 DM A 控制器 82380、高速缓冲存储器 Cach e 及其控制器 82385、图形协同处理器 82786 等外

8、围芯片的体系结构和工作原理等。同时也列专题讨论了与其系列机兼容的有关问题。中册描述的是与我们用户密切相关的微处理机外围设备及其接口。其中包括我们用户须臾离不开的键盘、显示器、打印机、磁盘等看得见摸得着的外围设备。同时也对支持显示器工作的 M DA 、 CGA 、 M CGA 、 E GA 、 VGA 、 8514/ A 等适配器以及各种视频服务

9、器原理和功能给以剖析解释。对 80386、 80486 常采用的 M ultibus 、 M ultibus 总线以及 I BM 的最新专利技术微通道都作了详尽剖析。与高级语言接口、与 DOS 接口等也给以适当说明。下册介绍 80486 系统。 80486 是由提高了效率的 80386 微处理机、增强了性能的 80387 数值协同处理器、一个完整的 Cache 及其控制器组合而成的。根据其

10、特征 , 下册着意对 80486 有别于 80386 的部分给以论述 , 像对 80486CPU 、流水线操作原理、支持部件等给以独到论述。对 80486 特有的片内 Cach e、二级 Cache 都给以详尽论述 , 对有别于 80386 的存储管理、总线、自测试等方面也进行了有针对性的论述。也就是说 , 对 80486 的论述已不再包括与 80386 相同的部分。本书力求全面、具体、丰富

11、实用 , 力求成为一本有关 80386、 80486 及其接口的微型计算机系统大全和工具书。在编写过程中 , 得到刘晓月、陈毓弘、苗君秋、胡琳、周士松、孙丙国、刘秀云、程家莲等同志的帮助 , 在此深表谢意。由于编者水平所限 , 时间仓促 , 新技术新词汇难于仔细推敲 , 书中不足和谬误在所难免 , 敬请计算机界老前辈、同仁和读者不吝指正。编者199

12、5 年 1 月于天津大学目录第 1 章 80386 基本体系结构 11.1 寄存器 11.2 寻址操作 91.3 数据类型 17第 2 章 80386CPU 222.1 流水线结构 222.2 专用硬件 292.3 优化处理措施 31第 3 章实方式管理结构 343.1 存储管理系统 343.2 实方式 373.3 实方式下地址计算 383.4 8086 与 80386 间实方式差别 383.5 80286 与 80386 间实方式差异 40第 4 章保护方式

13、管理机构 414.1 术语与描述符表 414.2 分段存储管理 424.3 特权级 464.4 分页存储管理 544.5 分页交叉存取系统 604.6 多任务处理和多环境 704.7 保护规则 72第 5 章虚拟存储系统 745.1 引言 745.2 虚拟存储方案 755.3 80386 的虚拟存储方案 765.4 虚拟存储器的作用 795.5 虚拟机器 805.6 OS/ 2 下的虚拟存储 925.7 U nix 下的虚拟存储 94第 6

14、章数值协同处理器 966.1 微处理机 / 协处理器系统 96 6.2 系统性能 976.3 80387 外部结构 1006.4 80387 内部结构 1026.5 接口协议 1056.6 性能 1086.7 80387 的应用 1146.8 预置和控制 1196.9 运行 1216.10 指令系统 125第 7 章 DM A 控制器 1507.1 引言 1507.2 82380 体系结构 1517.3 DMA 控制器 1537.4 中断与异常 1567.5 可编程中断控制器 15

15、97.6 CPU 复位 1637.7 接口技术 165第 8 章高速缓冲存储器 Cache 1688.1 常用技术术语 1688.2 概述 1718.3 Cache 控制器 82385 1748.4 Cache 的管理 1768.5 直接映象 1818.6 二路相联映象 Cache 1878.7 四路相联映象 Cache 1938.8 性能的增强 196第 9 章总线 1999.1 引言 1999.2 总线接口 2009.3 流水线操作和非流水线操作 208第 10 章兼容性 2

16、1010.1 引言 21010.2 与 80286 兼容 21210.3 与 8086 兼容 21310.4 支持 8086 和 80286 软件 21410.5 虚拟 8086 环境 21410.6 虚拟 8086 方式 21610.7 虚拟 8086 方式操作 219 第 11 章系统测试 22211.1 引言 22211.2 可测试性设计 22311.3 可编程逻辑阵列测试 22411.4 对调试支持 22511.5 其他调试能力 23011.6 自检系统 231第 12 章图形协处理器 2

17、3712.1 引言 23712.2 图形协处理器 82786 23812.3 图形存储器 24312.4 寄存器 24412.5 绘图 24712.6 窗口 24912.7 82786 的应用 251第 13 章 80386 的指令系统 257参考文献 261 1第 1 章 8 0 3 8 6 基本体系结构微处理机的不同应用需要不同的结构支持。对于某些应用 ( 例如 , 在 Ber kely U NI X 环境下运行的各种应用 ) 可能需要线性地址空间

18、, 而对那些要管理大批动态数据结构的应用可能要求有由硬件实施法则 , 以保护其动态生成目标的可见性。 80386 的体系结构为用户提供一组 32 位通用寄存器。它们在使用时不受任何限制 , 既可用来进行数值计算 , 又可用它形成存储器地址。 80386 体系结构还给用户提供几种存储器管理和寻址方式 , 以满足不同的要求。此外 , 80386 还提供

19、多种寻址方式、数据类型、指令以及某些特殊的结构 , 便于高级语言实施。80386 基本体系结构包括寄存器模型、数据类型、寻址方式和指令系统 , 它形成了高级语言编译代码的生成基础 , 同时也是汇编语言应用程序的设计基础。1.1 寄存器80386 总共有 34 个寄存器 , 按其功能可分成以下几类 :通用寄存器 ( Gener al-P ur pose R egis ter

20、) 段寄存器 ( Segment R egist er ) 状态和控制寄存器 ( St atus an d Contr ol R egist er ) 系统地址寄存器 ( Syst em A ddr ess R egist er ) 调试寄存器 ( Debug R egis ter )测试寄存器 ( T es t R egis ter )1.1.1 通用寄存器 ( G en er al -P ur p ose Regist er )8 个通用寄存器是 8086 和 80286 寄存器的超集。它们的名字和

21、用途分别为 : E A X 通常用作累加寄存器 ( A ccumulator )E BX 通常用作基址寄存器 ( Base) E CX 通常用来记数 ( Cou nt)E DX 通常用来存放数据 ( Data)E SP 通常用作堆栈指针 ( Stack Point er ) E BP 通常用作基址指针 ( Base Point er ) E SI 通常用作源变址 ( Sour ce I ndex )E DI 通常用作目标变址 ( Dest ination Index)8 个

22、通用寄存器中通常保存 32 位数据 , 但为进行 16 位的操作并提供与 Int el 系列 162A H A X ALBH B X BLCH C X CLDH D X DLSIDIBPSP代码堆栈数据附加数据附加数据附加数据位机兼容 , 它们的低位部分被当成 8 个 16 位的寄存器。为了支持 8 位的操作还可进一步把 E A X、 E BX、 E CX 和 E DX 寄存器低位部分的 16 位 , 再分成 8 位一组的高位字节和

23、低位字节两部分 ( 见图 1.1) , 作为 8 个 8 位寄存器。这 8 个寄存器分别被命名为 AH 、 BH、 CH 、DH 和 A L 、 BL 、 CL 、 DL 。对 8 位或 16 位寄存器的操作只影响相应的寄存器。例如 , 在做 8 位加法运算时 , 位 7 的进位并不传送给目的寄存器的位 9, 而且把在标志寄存器中的进位标志 ( CF ) 相应地置数。总之 , 这 8 个通用寄存器既可以支持 1

24、位、 8 位、 16 位和 32 位数据运算 , 也支持 16 位和 32 位存储器寻址。31 16 15 8 7 0EA X EBX ECX E DX ESI EDI EBP ESP图 1.1 80386 的通用寄存器1.1.2 段寄存器 ( Segm en t r egist er )80386 有 6 个 16 位段寄存器 ( 见图 1.2) , 也称选择符 ( s elector ) , 它们的名字和用途如下 :CS 代码段寄存器 ( Code Segment )DS 数据段寄存器

25、( Dat a Segment ) SS 堆栈段寄存器 ( St ack Segment)E S 附加数据段寄存器 ( E xtr a Data segment )F S 附加数据段寄存器 ( Ex tr a Dat asegment)GS 附加数据段寄存器 ( E xt r a Data segment )( 程序员还可给 FS 和 GS 寄存器起恰当的缩写名 )31 15 0CS SS DS E S F S GS图 1.2 80386 段寄存器6 个 16 位的段寄存器实现存储空间的

26、分段。所谓段即是把 64T ( 兆兆 ) 字节存储空间分成各自独立的逻辑地址空间。这样每个程序同时可有 6 个逻辑地址空间供交换用 , 其中包括 4 个独立的数据空间。36 个 16 位的段寄存器选择各自的存储区域 , 其中 CS、 DS 和 SS 这 3 个段寄存器给当前的代码、数据和堆栈段寻址。剩下的 3 个段寄存器给用户定义的数据区域寻址。所以在段寄存

27、器内给当前可访问存储单元保存选择符的值。对于实地址方式 , 段的大小是从 1 个字节到 64K 字节。而对于保护方式寻址 , 可允许段的大小从 1 个字节到 4G( 千兆 ) 字节。在实方式时 , 80386 段寄存器内有指定段的实际基地址 ( 见图 1.3) 。在保护方式下 , 段寄存器内保存着 16 位的地址。这个 16 位地址就是通常所说的选择符 ( s elector )

28、。由它指示描述符表中的某一项。实际的段基地址被插在描述符表中 , 如图 1.4 所示。图 1.3 实方式下段寻址图 1.4 保护方式下段寻址正在执行的程序代码都驻留在存储器内 , 而由代码段寄存器 CS 对程序代码进行寻址。现役数据段的基地址由数据段寄存器寻址。在堆栈段寄存器 SS 内保存现役堆栈段的当前基地址。因为通常都是用堆栈存放中间

29、结果 , 在调用子程序时 , 还要给出它们自己的存储器段 , 所以在堆栈段寄存器 SS 内一定要保存好现役堆栈段当前基地址。当然 , 程序设计人员借助于附加数据段寄存器 E S, 还可以访问其他段。通过 E S、 FS 和 GS 这 3 个段寄存器 , 80386 可以同时对 3 个现役数据段寻址。1.1.3 段描述符寄存器对程序员来说 , 段描述符寄存器是不可见的 , 然而

30、了解它的存在和作用却非常有益。在 80386 的内部 , 描述符寄存器与可见的各个段寄存器是相联的 , 如图 1.5 所示。每个描述符寄存器中保存 32 位的段基地址、 32 位的段界限和其他属性。4选择符选择符选择符选择符选择符选择符标志寄存器指令指针机器状态字int el 保留页故障地址页目录基址当一个选择符的值装入段寄存器时 , 相关描述符寄存器的

31、内容就自动地修改成正确的信息。在实地址方式中 , 只有基地址被直接修改 ( 把选择符的值左移 4 位即可 ) , 因为在实方式中最大段限和段属性是固定的。在保护方式中 , 基地址、段界限和属性全部按照每个选择符指引的段描述符内容进行修改。段寄存器描述符寄存器 ( 自动装入 )15 0CS SS DS ES FS GS物理基地址段限描述符来的其他段属性

32、图 1 . 5 80386 段寄存器和有关描述符寄存器当访问存储器时 , 所有与其相关的段描述符寄存器自动参与该次存储器的访问操作。 32 位段基地址成为线性地址计算中的一个分量 , 32 位界限用于界检验操作 , 对照要求的存储器访问类型检验属性。1.1.4 状态和控制寄存器 ( st at us and cout r ol r egist er )状态和控制寄存器是由标志寄存

33、器 E FL A GS ( F lag R egist er ) 、指令指针 E I P ( in -s tuction pointer ) 和 4 个控制寄存器 CR 0 CR 3 ( Cont r ol Regist er ) 组成 , 如图 1.6 所示。指令指针寄存器 E IP 中存放下一条要执行指令的偏移量 ( Off set ) , 这个偏移量是相对目前正在运行的代码段寄存器 CS 而言的。偏移量加上当前段的地址 , 形成了下一条指令

34、的地址。 EI P 中的低16 位可以分开来进行访问 , 给它起名叫作指令指针I P ( Inst r uct ion Pointer ) 寄存器 , 用于 16 位寻址。标志寄存器 E F LA GS 存放有关微处理机的信31 0EF L AG S EIPCR0CR1CR2CR3息( 如图 1.7 所示 ) 。标志寄存器中的第 1、 3、 5、 15 位图 1.6 状态和控制寄存器及 18 31 位都没有定义。但是 , 当使用 SAH F 指令或

35、PU SH F 指令时 , 或当出现中断处理时 , 除位 1 外 , 其余位全部是 0。第 0 位 CF( Car r y Flag) 是进位标志位 , 在算术运算时如果产生进位或借位 , 则把 CF 位置 1, 否则把 CF 位置 0。在执行移位和环移指令时也要用到 CF 。 CF 内保存从寄存器移出或环移出的那一位。第 2 位 PF ( Par ity Flag) 是奇偶校验标志位 , 主要是用在数据通信上。如

36、果是奇数奇偶校验 , 把 PF 置 1; 如果是偶数奇偶校验把 P F 置 0。第 4 位 A F ( A uxiliar y Car r y Flag) 是辅助进位标志。在用 BCD( 二十进制 ) 进行算5图 1.7 80386 指令指针寄存器 E IP 和标志寄存器 EF L AG S注 : 0 表示没有使用。术运算时 , 用第 4 位 AF 表示进位输出是否进入到 BCD 最低四位 , 或者是否到 BCD 最低四位借位。第 6 位 ZF (

37、 Zer o Flag) 是零标志位 , 当结果为零时则将其置成 1, 否则将其置成零。第 7 位 SF( Sign Flag) 是符号标志位。当结果为负时则将其置成 1, 结果为正时则将其置成 0。第 8 位 T F ( T r ap Flag) 是自陷标志位 , 当将其置成 1 时则可以进行单步执行。当指令执行完后 , 就有可能生成异常事故 1 的自陷。也就是说 , 在程序执行过程中 , 每执行

38、完一条指令 , 都要由异常事故 1 处理程序进行检验。当将第 8 位 T F 清 0 后 , 且当将断点地址装入调试寄存器 DR 0DR3 时 , 才会产生异常事故 1 的自陷。第 9 位 I F ( Int err u pt Flag) 是中断标志位 , 是用来表示允许或者禁止某些外部中断。若第 9 位 IF 被置成 1, 则允许 CPU 认定外部中断请求信号 ; 若将 IF 位清成 0, 则表示禁止外部中断请

39、求。只有当第 12、 13 位 ( 输入输出特权位 ) 指出当前最高特权值 CPL , 才允许将新值置入标志寄存器 E FL A GS 时再改变 I F 位的值。第 10 位 DF( Dir ect ion Flag) 是定向标志。 DF 位规定了在执行串操作过程中 , 对源变址寄存器 E SI 或目标变址寄存器 E DI 是增值还是减值。如果 DF 值为 1, 则寄存器减值 ; 若 DF 值为 0, 则寄存器值增加

40、。第 11 位 OF( Over flow F lag) 是溢出标志位 , 用它表示运算时出现的进位进入了结果的高序位 , 可高序位却没有进位输出 , 或是高序位并没有接收进位输入却产生了进位输6出。对带符号的操作数进行运算时 , 若运算结果一旦超出了数可表示的范围 , O F 位就被置成 1。否则将其清成 0。第 12、 13 位 I OPL 是输入输出特权级位 , 在保护方式下

41、常要使用这两位标志。由于输入输出特权级标志共两位 , 它的取值范围只可能是 0、 1、 2 和 3 共 4 个值 , 恰好与输入输出特权级 0 3 级相对应。在当前任务的特权级 CPL 高于或等于输入输出特权级时 , 就可以执行像 IN 、 OU T 、 INS、 OU T S、 ST I 、 CL I 和 LO CK 等指令而不会产生异常事故 13( 中断号 13) 。在当前任务特权级 CPL = 0 时

42、, 上托标志出栈指令 POPF 或中断返回指令 IR E T 可以改变 IOP L 字段的值。当新的标志信息进入任务的 T SS 时 , 任务切换操作也可以改变 I OPL 的值。第 14 位 N T 是嵌套任务标志位。在保护方式下常使用这个标志。当 80386 在发生中断时和执行 CAL L 指令时就有可能会引起任务切换。若是由于中断或由于执行 CAL L 指令而出现了任务切换 ,

43、则将嵌套任务标志位 NT 置 1。若没有出现任务切换 , 则将 N T 位清 0。很明显 , 若将 N T 位置成 1, 则说明欲执行的任务是嵌套在前一项任务之中的。同时还必须指出当前嵌套任务的任务状态段 T SS 和有一条返回前一项任务的 T SS 的有效途径。标志寄存器 E FL A GS 的嵌套任务标志位 N T 的值由中断返回指令 IR E T 给以测定 , 以决定是进行

44、同任务内的返回还是不同任务间的返回。上托标志出栈指令 POPF 或中断返回指令 I RE T 会根据从堆栈弹出来的信息 , 在任何特权级下都能给 N T 位置值。第 16 位 RF ( R es ume F lag) 是恢复标志位 , 也是 80386 新增添的一位标志位。当每条指令成功地执行完后 , 都会自动地将 RF 位置成 0, 但中断返回指令 IR E F、上托标志出栈指令 POPF

45、和实现任务转换的指令除外。 RF 标志与调试寄存器一起用于断点和单步操作 , 当 RF 置成 1 时 , 下一条指令的所有调试故障全被忽略。第 17 位 VM ( Vir t ual 8086 M ode F lag) 是虚拟 8086 方式标志位 , 是 80386 新设置的一个标志位。表示 80386 微处理机是在虚拟的 8086 环境中运行。如果 80386 微处理机是在保护方式下 , 而 VM 位又被置成

46、1, 这时 80386 就转换成虚拟 8086 操作方式 , 使全部段执行操作就像是在 8086 微处理机上运行一样。 V M 位只能由两种方式中的一种方式给以设置 , 或者是在保护方式下 , 由最高特权级 ( 0) 级代码段的中断返回指令 IR E T 设置 , 或者是由任务转换进行设置。80386 还定义了由 4 个 32 位的控制寄存器 CR 0CR 3 组成一个寄存器组 , 如图 1.8所

47、示。在这几个寄存器中保存全局性和任务无关的机器状态 , 这些寄存器连同后面将要说明的系统地址寄存器 ( Syst em Addr es s R egis ter ) 一起 , 保存影响系统中所有任务的机器状态。访问控制寄存器时 , 要用存、取这一类传送指令 , 例如 M OV CR 0 指令。控制寄存器 CR 0 包含有 6 个预定义标志 , 表示和控制机器的状态。其中 015 位叫作机器状态字 M SW ( M ach ine St atus Wor d) , 这使得 80386 在保护方式下能与 80286 兼容。控制寄存器 CR 0 的 0 位是允许保护位 PE ( Pr otect ion E nable) , 用于启动微处理机的保护方式。如果 PE 置 1, 保护方式启动 ; 如果 PE 置 0, 则微处理机在实地址方式下运行。7图 1.8 80386 的控制寄存器组CR 0 中的第

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