《指令系統(tǒng)層》PPT課件.ppt

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1、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)★★面向問題語言層匯編語言層操作系統(tǒng)層指令系統(tǒng)層微體系結(jié)構(gòu)層5層4層3層2層1層硬件---機(jī)器語言機(jī)器與人的界面符號化的機(jī)器語言面向用戶的語言硬件/固件(微程序)翻譯(編譯器)翻譯(匯編器)部分解釋(操作系統(tǒng))直接執(zhí)行/解釋(微程序)一臺計算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令，稱為該機(jī)的指令系統(tǒng)或指令集，具體內(nèi)容包括指令格式、尋址方式、指令類型與功能。相對微體系結(jié)構(gòu)層，指令系統(tǒng)層是一個抽象的層次，它是硬件和軟件之間的接口，其主要特征就是指令系統(tǒng)。本章將以80x86為背景討論指令系統(tǒng)層，主要內(nèi)容包括：?80x86系列CPU的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；?80x86主存儲器和寄存器組織

2、；?80x86指令系統(tǒng)。第4章指令系統(tǒng)層典型CPU漫談從Intel4004－PentiumIV:4004－8008－8086/8088－80286－80386－80486－（IA－32位結(jié)構(gòu)）Pentium－PentiumPro－PentiumMMX－PentiumII－PentiumIII－Celeron－PentiumIV－（IA－準(zhǔn)64位結(jié)構(gòu)）PentiumD（2005-4發(fā)布）Pentium64702.4G3.8G4.180x86CPU80x86CPU概況如下表所示：型號發(fā)布年代字長（位）晶體管數(shù)（萬個）主頻（MHz)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度（位）外部數(shù)據(jù)總線寬度（位）地址總線

3、寬度（位）尋址空間片內(nèi)高速緩存80861978162.94.771616201MB無80881979162.94.77168201MB無8028619821613.46~2016162416MB無8038619861627.512.5~333232324GB無80486198916120~16025~503232324GB8KB型號發(fā)布年代字長（位）晶體管數(shù)（萬個）主頻（MHz)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度（位）外部數(shù)據(jù)總線寬度（位）地址總線寬度（位）尋址空間片內(nèi)高速緩存Pentium(586)199332310~33060~1666464324GB8KB數(shù)據(jù)8KB指令PentiumPro

4、(P6)199532550+1550160~20064643664GB8KB數(shù)據(jù)8KB指令256KB二級高級緩存PentiumII199732750233~33364643664GB32KB512KB二級高速緩存，有獨(dú)立封裝和獨(dú)立總線4.1.18086/8088CPU8086是16位，即CPU的內(nèi)外數(shù)據(jù)總線為16位，一個總線周期可以傳送一個字（16位）數(shù)據(jù)。8088是準(zhǔn)16位，內(nèi)部總線為16位，外部為8位，因此一個總線周期只能傳送一個字節(jié)。地址20位，可尋址1MB主存空間。8086/8088的指令系統(tǒng)完全相同，完全兼容.1．8086/8088CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型機(jī)CPU指令串行執(zhí)

5、行。在CPU執(zhí)行指令時，系統(tǒng)總線與主存可能空閑，因此程序執(zhí)行效率不高。8086/8088CPU采用指令流水線結(jié)構(gòu)總線接口部件BIU（BusInterfaceUnit）取指令（或取操作數(shù)）執(zhí)行部件EU（ExecuteUnit）執(zhí)行指令EU和BIU兩個部件并行工作,指令的讀取與執(zhí)行部分重疊，從而提高了指令的執(zhí)行速度。8086CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示:下面討論EU和BIU的功能:（1）執(zhí)行部件EU：執(zhí)行指令從指令隊列中取出指令代碼，由EU控制器進(jìn)行譯碼后產(chǎn)生對應(yīng)的控制信號到各部件以完成指令規(guī)定的操作。對操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果的特征狀態(tài)存放在標(biāo)志寄存器中。由于EU不直接

6、與系統(tǒng)總線連接，因此當(dāng)需要與主存儲器或I/O端口傳送數(shù)據(jù)時，EU向BIU發(fā)出命令，并提供給BIU16位有效地址與傳送的數(shù)據(jù)。（2）總線接口部件BIU：完成CPU與主存或I/O端口之間的信息傳送從主存取出指令送到指令隊列中排隊。從主存或I/O端口取操作數(shù)或存放運(yùn)算結(jié)果。計算并形成訪問主存的20位物理地址。2.8086/8088主存地址的形成段基址：將1MB主存空間劃分為若干段，每個段的最大長度為64KB。段的20位段起始地址稱為段基址。段基值：20位段起始地址的高16位偏移地址（偏移量）：一個主存單元與所在段的段基址之間的字節(jié)距離。邏輯地址:(段基址:偏移地址)物理地址:將16位

7、段基值左移4位后與16位偏移地址相加，形成20位主存單元。有效地址??4.1.280386/80486CPU(過渡產(chǎn)品)1．Intel8038632位地址，尋址空間為4GB。具有片內(nèi)存儲管理部件，使虛擬存儲空間（邏輯地址空間）可達(dá)64TB。字長32位，系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)通路寬度32位。采用多級流水線結(jié)構(gòu)。平均運(yùn)算速度約為4MIPS。2．Intel804864.1.3Pentium系列CPU(PentiumCPU的功能結(jié)構(gòu)圖)4.2.180x86CPU的寄存器1．80x86CPU的寄存器分類(3大