2 80x86微处理器

本章节讨论intel的80x86微处理器，重点结合80486介绍32位处理器的相关内容， Intel官方参考手册可以从链接1获取,80486的datasheet可以从链接2获取。以这两个文件为准

Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals
1. volume 1 2.1 BRIEF HISTORY OF INTEL® 64 AND IA-32 ARCHITECTURE
intel :: 80486 :: i486 Microprocessor Data Sheet Apr89 : Free Download, Borrow, and Streaming : Internet Archive
1. 2.1 Register Set

微处理器#

微处理器技术指标#

位与字节
字长（数据宽度）：CPU一次能处理的数据位数
寻址能力
主频，也叫时钟频率，用来表示微处理器的运行速度
MIPS（Millions of Instruction Per Second)，用来表示为初期的性能--运算速度
微处理器集成度，指微处理器芯片上集成的晶体管的密度

微处理器的功能模块#

基本功能模块
- 总线接口单元BIU（取指令）（寄存器组）
- 执行单元EU（执行指令）（运算器和控制器、寄存器组）
微处理器的功能拓展模块
- 存储管理(分段和分页部件)
- 指令和数据流水线
- 指令和数据CACHE
- 指令预取
- 浮点处理
- 分支预测
- 并行计算等等

32位处理器的寄存器组#

486内部寄存器组(Register Set)分为4类：（应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点寄存器）

基本结构寄存器( Base Architecture Registers )
- 通用寄存器(General Purpose Registers )
- 指令指针寄存器(Instruction Pointer)
- 标志寄存器(Flags Register)
- 段寄存器(Segment Registers)
- Segment Descriptor Cache Registers
浮点寄存器
系统级寄存器
调试测试寄存器

基本结构寄存器#

486通用寄存器

通用寄存器#

32位名称	16位名称²¹¹	名称
EAX	AX	累加器	AX (accumulater)
EBX	BX	基址寄存器	BX (Base)
ECX	CX	计数器	CX (Count)
EDX	DX	数据寄存器	DX (Data)
ESP	SP	堆栈指针	SP (Stack Pointer)
EBP	BP	基址指针	BP (Base Pointer)
EDI	DI	目的变址寄存器	DI (Destination Index)
ESI	SI	源变址寄存器	SI (Source Index)
EIP	IP	指令指针	IP (Instruction Pointer）

AX、BX、CX、DX共同点
- 既可作为16位寄存器来用又可作为两个8位寄存器（高、低位）来用；
- AX,BX,CX,DX,前8位称为AH,BH,CH,DH, 后8位称为AL,BL,CL,DL
- 都是用于暂存操作数，或是运算的中间结果或其它一些信息
SP、BP、SI、DI、IP：为寻址存贮单元提供偏移地址。

段寄存器#

CS代码、DS数据、ES附加、SS堆栈------4个段寄存器，和偏移地址寄存器一起形成20位存储器物理地址，对存储器中存放的程序、数据、堆栈区域加以区别、寻址。

寻址程序(指令)：CS＋IP；
寻址数据：(DS或ES)＋(SI或DI、BX、BP)；
寻址堆栈：SS＋(SP或BP)

标志寄存器#

486标志寄存器

标志寄存器FLAGS又称为程序状态字PSW，为16位寄存器，该寄存器主要有两个作用：

记录CPU运行结果状态标志；
提供控制标志。

根据功能，8086的标志可以分为两类：

状态标志：表示前面的操作执行后，算术逻辑部件处在怎样一种状态，这种状态会像某种先决条件一样影响后面的操作。有SF、ZF、PF、CF、AF和OF。
控制标志：每个控制标志都对某一种特定的功能起控制作用。指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除。有DF、 IF、 TF。

状态标志

状态标志符号	符号名称	标志为1的条件，否则为0
C进位标志	Carry Flag	当结果最高位产生一个进位或借位
O溢出标志	Overflow Flag	加数与被加数最高位相同并且与结果不同
S符号标志	Sign Flag	结果最高位为1
Z零标志	Zero Flag	运算结果为0
P奇偶标志	Parity Flag	结果低八位中‘1’的个数为偶数（类似于奇效验）
A辅助进位标志	Auxitiary Carry Flag	操作时，由低半字节（第3位）向高半字节，有进位或借位

程序员判断溢出的方法

有符号数运算，判O标志，O标志为1，有溢出
无符号数矫健，判C标志，C标志为1，有溢出

系统级寄存器#

控制寄存器
系统地址寄存器
调试与测试寄存器

浮点寄存器#

数据寄存器
标志寄存器
状态寄存器
控制字寄存器
指令指针寄存器和数据指针寄存器

32位微处理器工作模式#

实地址模式(实模式)#

加电、复位之后，486自动工作在实模式，系统在DOS管理下
在实模式下，486只能访问第一个1M内存(00000H~FFFFFH)
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。
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)#

486工作在保护模式下，才能真正发挥它的设计能力。

在保护模式下，486支持多任务操作系统
在保护模式下，486可以访问4G物理存储空间
存储管理部件中，对存储器采用分段和分页管理

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。例如：有3个任务,操作系统为每一个任务分配1ms,每通过1ms就发生一次任务切换,从宏观上看系统是在执行多个任务。

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

32位微处理器的地址空间#

32位微处理器的地址空间包括存储地址空间、I/O地址空间。

存储地址空间#

80x86系列的32位微处理器有3个明确的存储地址空间，分别是物理空间、虚拟空间和线性空间。

物理空间#

物理空间是计算机中主存储器的实际空间，也称为主存空间，相应的地址称为物理地址或主存地址。

例如：486有32条地址线，内存最大容量4GB( $2^{32}B$ )。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#

虚拟空间又称为逻辑空间，是程序员编写程序的空间，此空间对应的存储器称为虚拟存储器，该存储空间对应的地址称为虚拟地址或逻辑地址。

虚拟存储器(Virtual Memory)是一项硬件和软件结合的技术。
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^{关于虚拟空间的争议}为 $2^{46}=64T$ ，程序员可在此地址范围内编程，程序可大大超过物理空间。
运行时，操作系统从虚拟空间取一部分程序载入物理存储器运行。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。

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。

graph LR A[虚拟地址]-->B{分段部件} B-->C[线性地址] C-->D{分页部件} D-->E[物理地址] C-->|如果不分页的话就是物理地址|E

I/O空间#

486利用低16位地址线访问I/O端口，所以I/O端口最多有 $2^{16}=64K$ ，I/O地址空间为0000H～FFFFH。注意：

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/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 $2^{10}=1024$ 个I/O端口。

实模式下，物理地址的形成#

存储器的分段管理#

存储空间为 $2^{20}B=1MB$ 而寄存器为16 位，无法只使用一个寄存器寻址，所以需要分段管理，存储空间分段每段为64K（ $2^{16}$ ）。

存储器中的每个存储单元都可以用两个形式的地址来表示：物理地址和逻辑地址。物理地址是指1MB存储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0 0000H~F FFFFH中的一个单元，CPU访问存储器时，地址总线上送出的是物理地址。编制程序，则采用逻辑地址。

逻辑地址由段基址和偏移量组成，需由程序员在编程时给出，由一下段基址和便宜地址两部分组成。

段基址：在一个逻辑段中,各单元的段基址是相同的。编程中指明由段寄存器即可
偏移地址：偏移地址是该单元相对于段首的地址偏移量。编程中在程序中给出具体值，存放在相应的寄存器中

逻辑地址	物理地址
`段基址(16位)`: `偏移地址(16位)`	`段基址*16+偏移地址`

Tips:

所有段都是起始于16字节的边界
物理地址是唯一的，不同的逻辑地址可得到相同的物理地址。如：
- 2000H：0200H--20200H
- 2010H：0100H--20200H

实模式下各逻辑段物理地址的形成#

在实模式下(16位寻址),段寄存器存放相应逻辑段的段基址

逻辑段	段基址存放在	偏移地址存放在
代码段	CS	IP
堆栈段	SS	SP
数据段	DS	根据不同的寻址方式选择BX、BP、SI、DI
附加段	ES/FS/GS	根据不同的寻址方式选择BX、BP、SI、DI

代码段： $CS\times2^4+IP$ =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： $SS\times2^4+SP$ =栈顶单元的物理地址
数据段： $DS\times 2^4$ +偏移地址 =数据单元的物理地址

段寄存器和指针寄存器的初值#

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。

386处理器的64TB的虚拟寻址空间，对我们的使用，有什么现实意义吗？ - 知乎 (zhihu.com)↩