【汇编语言与计算机系统结构笔记04】80x86计算机组织、保护模式、存储器、寄存器、计算机系统结构金字塔

本次笔记内容：
05.80x86计算机组织

计算机系统

如上图，CPU与主存间，通过一个bridge（总线）相连。上图还是比较抽象的，当前，CPU的一个趋势是，集成程度越来越高。

CPU中，PC即当前指令的地址，ALU是arithmetic and logic unit即计算路径。目前Memory Control、集成显卡等已经集成到CPU中了。

现在即便集成度（晶体管）提升，但性能并没有提升。因为程序往往是串行的，并行性有限。

上图中，在代码被从Disk中load到主存中，被CPU处理，再把信息投入显示器。

存储器 / 主存（main memory）

存储单元的地址和内容：

• 存储器以字节(8 bit)为单位存储信息；
• 每个字节单元有一个地址，从0编号，顺序加1；
• 地址用二进制数表示(无符号整数，写成十六进制)；
• 一个32位字要占用相继的四个字节，低位字节存入低地址，高位字节存入高地址；
• 机器以字对齐地址访问(读/写)存储器；
• 字单元地址用它的低地址来表示。

80x86处理器与保护模式

历史

8086 / 8088 微处理器

• 8086是由ntel于1978年设计的微处理器；
• Intel公司在推出8086之后，推出了介于16位与8位之间的准16位微处理器8088；
• 8088与8086之间的区别主要在于8088对外只有8根数据线引脚，访问16位的操作数需要两个总线周期；
• 8088的这一特点使它能够十分方便地与8位接口芯片相连接；
• 1980年，IBM公司使用8088成功地开发了16位微型计算机：IBM-PC。

80186和80286微处理器

• Intel公司把大型计算机的技术融合到微处理器中，首先研制的80186在技术上并不十分成熟，没有获得广泛的应用；
• 1982年Inte推出了增强型16微处理器80286，集成度达13万管/片,时钟频率提高到5MHz到25MHz，它的16条数据线和24条地址线相互独立,不再分时使用，可以寻址16M的地址空间；
• 80286 CPU增加了运行多任务所需要的任务切换、存储管理和多种保护功能。

80286 CPU基本工作方式

• 实地址方式：和8086一样使用20根地址线寻址1M的内存空间，DOS应用程序占用全部系统资源；
• 保护方式：80286 CPU具有虚拟内存管理和多任务处理功能，通过硬件控制可以在多任务之间进行快速切换；
• 80286 CPU的内部组成：总线接口部件BlU、地址单元AU、指令单元IU、总线单元BU、执行部件EU；
• IBM公司以80286为CPU生产了著名的IBM-PC/AT微型计算机，它的许多技术被沿用至今。

32位80x86微处理器

80386微处理器

• 1985年，Intel公司推出了第四代微处理器，32位的微处理器80386；
• 片内集成27.5万个晶体管，时钟频率为16MHz到33MHz。具有32位数据线和32位地址线，32位通用寄存器；
• 80386内部由中央处理器CPU、存储器管理部件MMU、总线接口部件BIU组成；
• 80386有3种工作模式：实地址模式、虚地址保护式和虚拟8086模式。

80x86的三种工作模式

实模式： 操作相当于一个可进行32位快速运算的8086；

保护模式： 是80x86设计目标达到的工作模式，通过对程序使用的存储区采用分段、分页的存储管理机制，达到分级使用、互不相互干扰的保护目的。能为每个任务提供一台虚处理器，使每个任务单独执行，快速切换。

虚拟8086模式： 保护模式下同时模拟多个8086处理器。

32位微处理器的寄存器

• 80x86微处理器由16位升级为32位后，它的寄存器也对应升级为32位。
• 为了新的工作方式和存储管理的需要，増加了一些用于控制的寄存器。

1. 数据寄存器：16位80x86处理器原有的4个通用数据寄存器扩展为32位，命名为EAX、EBX、ECX和EDX。仍然可以使用原有的16位和8位寄存器，如AX、BX、CX、DX、AH、AL、BH、BL等，形式如下图。

2. 地址寄存器：原有的4个主要用于内存寻址的通用寄存器同样扩展为32位，命名为ESI、EDI、EBP、ESP。在实地址模式下仍然可以使用原有的16位寄存器SI、DI、BP和SP。

3. 指令指针寄存器扩展为32位，更名为EIP，实地址下仍然可以使用它的低16位IP。

4. 在原有的4个段寄存器(CS DS SS ES)基础上，增加了2个新的段寄存器FS和GS。段存器长度均为16位，其中13位代表内存段的一个编号，称为“段选择器”。

保护模式下的80x86（段模式）

• 支持多任务处理；
• 支持虚拟存储器。

在操作系统中有讲过。

**保护模式保护什么?**分清不同程序使用的存储区域，不允许随便使用别人的数据和代码。必要条件为：

• 要标记每段存储区的所有者或被使用的权限级别；
• 要标记使用者是谁(权限级别)；
• 中间环节：CPU要去判断此次访问是否合法。

在x86-32体系结构的保护模式下，一个内存地址是由段基地址、偏移地址两个要素构成的。

每个段的描述(即段描述符)由三个要素构成段基地址(32位)、段长度(20位，段长度单位为2^12)、访问权限。段描述符的长度为64位。

出于系统兼容原因，段寄存器只有16位，如何表示64位的段描述符?答：通过描述符表，将段寄存器中的高13位值作为索引来访问该表，从而获得64位的段描述符。

描述符表分为两类：GDT与LDT。

• GDT是全局描述符表，主要存放操作系统和各任务公用的描述符。公用的数据和代码段描述符、各任务的TSS描述符和LDT描述符；TSS是任务状态段，存放各个任务私有运行状态信息描述符GDT register (GDTR)，48 bit；
• LDT是局部描述符表，主要存放各个任务的私有描述符（一个任务也可能分多个段，而一个段需要一个描述符，因此每个任务要有一个LDT）；
• 段寄存器：高13位用来指示描述符在描述符表中的索引号，低两位是表示使用描述符的特权级别。另外一位(T1)是GDT和LDT的信号量，如果T1=0，则使用GDT，如果T1=1，则使用LDT。

如上图，GDT只存储在GDTR中的。段寄存器记录了本段在GDT上的位置，从而访问，获取相应描述符。

如上图，当T1=1时，首先通过LDTR在GDT上找到LDT的描述符（LDT本身也需要一个描述符），接着，段寄存器再在LDT找到自己索引的的描述符x。

寄存器与处理器的比较

寄存器	存储器
在CPU内部	在CPU外部
访问速度块	访问速度慢
容量小，成本高	容量大，成本低
用名字表示	用地址表示
没有地址	地址可用各种方式形成

计算机体系结构金字塔

如上图，速度与容量（低成本）不可兼得。

缓存，把最近最常使用的数据集放在cache中，效率大大提高。速度、成本、容量居于上下层次间。

可以把塔中每三个层次的中间层视为上下层次间的缓存。