Transcript Chapter 2

單元 2: IA-32 處理器架構
章節概要
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基本概念
IA-32處理器架構
IA-32記憶體管理
IA-32微電腦的元件
輸出入系統
基本概念
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基本的微電腦設計
指令執行週期
讀取記憶體
程式如何執行
基本的微電腦設計
• 時脈器 用於讓 CPU 內部運算與其他系統元件能同步運作。
• 控制單元 負責在執行機器指令時，協調所有相關步驟的順序。
• 算術邏輯單元 負責執行所有的算術運算和邏輯運算，其中算術運 算包括
加法與減法運算，邏輯運算包括 AND、OR 和 NOT 運算。
時脈器 (Clock)
• 每一個與 CPU 和系統匯流排相關的運算都是藉著一個
內部時脈器，以固 定速率送出脈衝來進行同步
• 機器指令的最基本時間單位稱為機器週期 (machine
cycle) 或 時脈週期 (clock cycle)。
• 時脈器是用來觸發動作的。
下一步是什麼?
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基本概念
IA-32處理器架構
IA-32記憶體管理
IA-32微電腦的元件
輸出入系統
指令執行週期
PC
I-1
read
registers
registers
I-1
write
解碼
擷取運算元
執行
儲存輸出
fetch
decode
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•
memory
op1
op2
write
• 擷取
program
I-2 I-3 I-4
flags
ALU
execute
(output)
instruction
register
多重管線操作
• Pipelining makes it possible for processor to execute
instructions in parallel
• Instruction execution divided into discrete stages
六階段無管線化的
指令執行過程
Pipelined Execution
• More efficient use of cycles, greater throughput of instructions:
六個階段都一直處
於使用狀態中。一
般 而言，對於 k 階
段的執行程序而言，
n 個指令須要 k +
(n - 1) 個時脈週期
的執行時間。
浪費掉的時脈週期 ( 陰影部份 )
• 當階段之一需要二或者更多的時脈周期的時候，時脈
周期再一次被浪費。
當階段數有 k 個
( 其中一個階段須
要 2 個週期 ) 時，
n 個指令將須要 (k
+ 2n - 1）個週期來
完成指令的執行
超純量架構
超純量架構處理器可以讓多個指令同時進入執行階段。
這裡假設階段 S4 須要兩個時脈週期。其中編號為奇數的指
令進入u管線，編號為偶數的指令則進入v管線。
n 個指令可以在 (k
+ n) 個時脈週期內
完成，其 中 k 代表
管線的階段數。
讀取記憶體
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從記憶體讀取指令或資料須要幾個步驟，而這是由處理器內部時脈所控制，其步驟是：
週期 1：記憶體運算元的位址位元被送到位址匯流排 (ADDR) 上。
週期 2：讀取線路 (RD) 設定在低位狀態 (0)，以便告知記憶體要讀取一個儲存值。
週期 3： CPU 等待一個時脈週期讓記憶體回應。在此週期期間，記憶體控制器將運算
元放 到資料匯流排 (DATA)。
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週期 4：讀取線路變成 1，告知 CPU 去讀取在資料匯流排上的資料。
快取記憶體
• 高速的和靜止的隨機存取記憶體兩者都在中央處理器
內外。
• Level-1 cache: 在中央處理器裡
• Level-2 cache: 在中央處理器外
• Cache hit：當是閱讀的資料在快取記憶中的時候
• Cache miss：當是閱讀的資料不在快取記憶中的時候
程式如何執行
User
sends program
name to
Operating
system
gets starting
cluster from
searches for
program in
returns to
System
path
loads and
starts
Directory
entry
Current
directory
Program
多工
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作業系統能夠同時執行多個任務。.
相同任務裡同時執行多條線。
將 CPU 時間切割以後分配給每個執行緒。
任務的迅速切換。
• 所有程式同時執行的錯覺。
• 處理器一定要支援切換的任務。
IA-32處理器架構
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運作模式
基本執行環境
浮點運算單元
ntel微處理器沿革
運作模式
• 保護模式
• Windows、 Linux
• 實體位址模式
• MS-DOS
• 系統管理模式
• 系統管理模式提供作業系統額外的機 制，用於增加像電
源管理和系統安全等功能。
• 虛擬8086模式
• 混合著保護模式
• 每個程式都是各別執行的
基本執行環境
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位址空間
通用暫存器
基本的程式執行暫存器
特殊用途
狀態旗標
浮點運算單元 , MMX, XMM registers
位址空間
• 保護模式
• 4 GB
• 32位元位址
• 真實位址與虛擬8086模式
• 1 MB的記憶體區域
• 20位元位址
通用暫存器
CPU 內部的高速儲存空間，它是設計用來以遠高於一般記
憶體的 速度進行存取的動作。
Accessing Parts of Registers
• Use 8-bit name, 16-bit name, or 32-bit name
• Applies to EAX, EBX, ECX, and EDX
Index and Base Registers
• 通常都會使用到下圖所示的 16 位元暫存器：
特殊用途 (2之1)
• 泛用型
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EAX – 累加器
ECX – 回圈計數器
ESP – 址疊指標
ESI, EDI – 索引暫存器
EBP –延伸框架指標暫存器。
• 區段
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CS – 密碼區段
DS – 資料區段
SS – 堆疊區段
ES, FS, GS – 附加區段
特殊用徒 (2之2)
• EIP – 指令指標
• EFLAGS
• 控制和狀態旗標
• 每個旗標是二進位的位元
狀態旗標
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進位
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• 在無號數算術運算的結果值大於目的位址所能儲存的值時，此旗 標
會被設定。
溢位
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• 在有號數的算術運算結果值太大或太小，因而無法正確儲存 於目的
位址時，此旗標將會被設定。
符號
• 在算術或邏輯運算後產生負值的結果時，此旗標會被設定。
• 零值
• 在算術或邏輯運算後產生零值的結果時，此旗標會被設定。
• 輔助進位
• 當一個 8 位元運算元在算術運算中，其第三位元 有進位到第四位
元時，此旗標會被設定。
• 同位
• 如果在結果中的最小有效位元組含有偶數個 1 的位元數，則此旗
標會被設定。
浮點運算單元 , MMX, XMM 暫存器
• Eight 80-bit floating-point data registers
• ST(0), ST(1), . . . , ST(7)
• 安排於堆疊中
• 全部使用浮點運算
• MMX 指令集配合使用的八個 64 位
元暫存器
• 八個 128 位元 XMM 暫存器，供單指令多資
料 (Single-Instruction Multiple-Data, SIMD)
運算使 用。
Intel微處理器沿革
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Intel 8086, 80286
IA-32處理器族系
P6處理器族系
CISC和RISC
早期的Intel微處理器
• Intel 8080
• 64K 位址記憶體
• 8-bit 暫存器
• CP/M 操作系統
• S-100 匯流排構造
• 8吋 磁片
• Intel 8086/8088
• IBM電腦使用8088
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1 MB 位址記憶體
16-bit 暫存器
16-bit 資料匯流排 (8088是8-bit)
單獨的浮點運算單元 (8087)
The IBM-AT
• Intel 80286
• 16 MB 的定址記憶體
• Protected memory
• 快速的超越過8086
• 介紹 IDE 匯流排的架構
• 80287 浮點運算單元
Intel IA-32 Family
• Intel386
• 4 GB 定址記憶體, 32-bit 暫存器, 分頁
(虛擬記憶體)
• Intel486
• 具備運用管線操作技術的微架構指令集
• Pentium
• 超純量架構, 32-bit 定址匯流排, 64-bit內部
資料路徑
Intel P6處理器族系
• Pentium Pro
• 使用先進的技術來改善指令執行的方式。
• Pentium II
• 加入 MMX 技術。
• Pentium III
• 將 SIMD 引入 IA-32 族系，它具有設計用於快速搬移
大量的資料的特殊 128 位元暫存器， 其中 SIMD 是
一種資料流延伸方式。
• Pentium 4 和 Xeon
• 使用的是 NetBurst 微架構，它讓處理器可以在比以
往 IA- 32 處理器更快的速度下運作。
CISC 和 RISC
• CISC – 複雜指令集
• 指令集是很大
• 高階層的操作
• 需要微碼寫成的直譯器
• 例如: Intel 80x86 族群
• RISC –精簡指令集
• 以快速執行的簡短指令所組成
• 小的指令集
• 由硬體直接解碼和執行指令。
• 例如：
• ARM (高等 RISC 機器)
• DEC Alpha (now Compaq)
下一個是什麼?
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基本概念
IA-32處理器架構
IA-32記憶體管理
IA-32微電腦的元件
輸出入系統
IA-32記憶體管理
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實體位址模式
計算線性位址
保護模式
多區段模式
分頁
實體位址模式
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最大 1 MB 定址記憶體
應用程式能存取於記憶體的任何區域
單一任務
藉著 MS-DOS 操作系統支援
區段記憶體
區段記憶體位址:
•16 位元區段值，此數值會放置在區段暫存器 (CS，DS，ES，SS) 其中一個。
•16 位元位移值。
一部份
計算線性位址
• 會先將區段值乘以 16，亦即乘以十六進位的 10，然
後 再將此乘積值加上變數的位移值：
• 例如: 轉換 08F1:0100 成一個線性位址
輪到你…
位移式位址是028F:0030，相當於線性位址的多少?
028F0 + 0030 = 02920
總是使用十六進位表示法作為位址。
輪到你 . . .
線性位址是 28F30h 相當於多少的區段位址??
許多不同的區段-位移式位址可產生線性址為 28F30h.
例如:
28F0:0030, 28F3:0000, 28B0:0430, . . .
保護模式 (二之1)
• 4 GB 位址記憶體
• (其位址從00000000 至 FFFFFFFFh)
• Each program assigned a memory partition which
is protected from other programs
• 多工化設計
• 支援 Linux & MS-Windows
保護模式 (二之2)
• 區段描述符表
• 程式結構
• 編碼,資料和堆疊區域
• CS, DS, SS 描述符表
• 全域描述符表 (GDT)
• MASM 程式使用微軟平直記憶體模式
平直分段模式
• 全域描述符表 (GDT).
• 所有的區段都會映射到電腦中的整個 32 位元實體位址
空間
多區段模式
• 每個任務或程式都會擁有自己的局部描述符表
• 每個描述符所指向的區段，會不同於其他行程所用的 區段。
分頁
• 直接被中央處理器所支援
• 以將記憶體區段切分成若干個 4,096 位元組的區塊，
即所謂的頁面
• 分頁可以讓在同一時間執行的全部程式，使用的記憶
體總和遠大於電腦的實體記憶體。
• 當任務在執行時，目前沒有使用到的部份可以儲存在
硬碟上。
• 虛擬記憶體管理員 (VMM) – 處理資料或程式碼頁面的
載入載出。
• 分頁錯誤 –當資料或程式碼的頁面載入回到記憶體中
時，中央處理器會發出分頁錯誤的訊號
What's Next
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基本概念
IA-32處理器架構
IA-32記憶體管理
IA-32微電腦的元件
輸出入系統
IA-32微電腦的元件
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主機板
視訊輸出
記憶體
輸出入埠和裝置介面
主機板
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CPU 插座
外部快取記憶體插槽
主記憶體的插槽
BIOS 晶片
聲音合成器晶片 (可選擇)
影像控制晶片 (可選擇)
IDE,平行、序列連接器,USB, Video,鍵盤, 遊戲操縱桿,
網路和滑鼠連接處
• PCI 匯流排連接處 (擴充卡)
Intel D850MD主機板
影像
滑鼠, 鍵盤,平行, 序列和
USB 連接處
音效晶片
PCI槽
記憶控制中樞
Pentium 4 插座
AGP槽
dynamic RAM
固件中樞
I/O 控制器
揚聲器
電池
電源連接處
磁碟機連接處
Source: Intel® Desktop Board D850MD/D850MV Technical Product
Specification
IDE 驅動連接處
影像輸出
• 影像控制器
• 在主機板上,或在擴充卡。
• AGP (accelerated graphics port technology)*
• 影像記憶體(VRAM)
• CRT 顯示影像
• 器使用光柵掃瞄
• 水平回掃
• 垂直回掃
• 數位 LCD 監視器
• 不須要進行光柵掃瞄。
影像控制器樣本 (ATI 公司)
• 128-bit RAGE™128PRO的3D立體
圖形表現裝置
• 3D立體圖形表現
• Intelligent TV-Tuner with
Digital VCR
• TV-ON-DEMAND™
• Interactive Program Guide
• Still image and MPEG-2 motion
video capture
• Video editing
• Hardware DVD video playback
• Video output to TV or VCR
記憶體
•
ROM
• 唯讀記憶體
•
EPROM
• 可抹寫程式化唯讀記憶體
• 動態隨機存取記憶體 (DRAM)
• 的價錢不貴，但是必須在小於微秒的週期內加以刷新其內
容，否則其儲存的資料會遺失。
• 靜態隨機存取記憶體 (SRAM)
• 主要用於當作昂貴的快取記憶體。它不須要持續地刷新 其
儲存內容。
• 視訊隨機存取記憶體 (VRAM)
• 採用雙埠的設計，當其中一個埠 在持續更新螢幕上的資料
的同時，另一個埠則負責寫入即將要顯示的資料。
•
CMOS RAM
• 互補式金屬氧化半導體
• 系統設定資訊
輸出入埠和裝置介面
• USB (通用序列匯流排 )
• 聰明且高速的連接方式
• USB 2.0 版支援的資料傳輸速率達到每秒 480 MB
• 連接具有一個以上的週邊，但卻分享同一個 USB
埠的複合裝置。
• 列舉類型：電腦置於懸置狀態
• 支援hot的連結
• 平行埠
• 資料 可以在短距離內迅速地傳遞
• 對於印表機來說是普通的裝置
• 雙向傳遞，電腦傳送資料給設備，同時也能從設備
接收到相關資訊。
• Intel 8255 控制晶片
輸出入埠和裝置介面(內容)
• 序列
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RS-232 序列埠
一次只能傳送一個二進位位元
使用較長的電纜和數據機
16550 UART (通用非同步收發器 )
用程式語言來規劃的
What's Next
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基本概念
IA-32處理器架構
IA-32記憶體管理
IA-32微電腦的元件
輸出入系統
多階層程式設計
• 第 3 層： 呼叫函式庫的函式來執行一般的文字 I/O 和以檔案為基
礎的 I/O。例如本書就有附贈 這樣的函式庫。
• 第 2 層： 呼叫作業系統函式來執行一般的文字 I/O 和以檔案為基
礎的 I/O。如果作業系統使用 的是圖形化使用者介面，則它會具
有能以與裝置無關的方式顯示圖形的功能。
• 第 1 層： 呼叫 BIOS 函式，以便控制目標裝置獨有的特性，像是
色彩、圖形、音效、鍵盤輸 入及低階磁碟輸出入。
• 第 0 層： 從硬體的層次發送和接收資料，此過程對目標裝置具
有絕對的控制權。
顯示一連串的字元
應用程式的某個敘
述呼叫了一個 HLL
函式庫的函式，以
便將某個字串寫到
標準輸出。
ASM 階層設計
ASM 下列階層可以表現出程式的輸出入:
摘要
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中央處理器 (CPU)
算術邏輯單元 (ALU)
命令執行周期
多工
浮點運算單元 (FPU)
以複雜指令集
實體模式和保護模式
主機板組件
記憶體類型
輸出/輸入和存取階層