Структура универсального 32-разрядного микропроцессора. Основные функциональные блоки и их назначение

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 8Следующая ⇒

Процессор обработки чисел с фиксированной точкой содержит 32-разрядное АЛУ и блок регистров общего назначения. АЛУ предназначено для обработки двоичных чисел длиной 1, 2 или 4 байта без знака или со знаком, а также двоично-десятичных чисел, не превышающих 99. Двоичные числа со знаком представляются в дополнительном коде. Блок регистров общего назначения содержит восемь 32-разрядных регистров, часть из которых допускает 16- и 8-разрядное обращение.

Блок управления памятью (Memory Management Unit - MMU) состоит из двух основных блоков в соответствии с организацией памяти.

В общем случае память в микропроцессоре делится на сегменты, которые, в свою очередь, делятся на страницы. В соответствии с этим, MMU содержит блок сегментации (или блок сегментного преобразования адреса) и блок страничного преобразования, в состав которого входит так называемый буфер ассоциативной трансляции адресов страниц (TLB).

Кэш-память представляет собой промежуточную ступень между оперативной памятью и регистрами микропроцессора и предназначена для хранения наиболее часто используемой информации.

В состав блока управления входят:

* собственно устройство управления, то есть та классическая схема, которая под действием кода команды вырабатывает набор управляющих сигналов, поступающих на разные узлы как самого микропроцессора, так и на блок интерфейса внешней шины;

* управление защитой памяти: обеспечивает аппаратную защиту программ и данных при управлении памятью и по привилегиям;

* блок управления предвыборкой команд: реализует опережающее заполнение буфера команд, представляющего собой некоторую буферную память. Буфер команд имеет емкость 32 байта и заполняется командами из следующих ячеек памяти команд по мере своего освобождения. Этим обеспечивается ускорение обработки микропроцессором следующей команды. Данный блок подвергался, пожалуй, наиболее существенным переработкам по мере развития архитектуры IA-32 - причина в широком последующем использовании конвейерной организации работы МП и связанной с этим необходимости постоянного совершенствования блока предсказания адреса следующей команды.

Блок интерфейса внешней шины осуществляет электрическое согласование параметров внутренней магистрали с сигналами внешних магистралей, формирование необходимых сигналов на внешнюю магистраль и прием сигналов извне. Внешняя магистраль микропроцессора состоит из шины адреса, шины данных и сигналов управления:

* шина данных имеет ширину 32 разряда;

* 32-разрядный адрес передается по 34-разрядной шине А31...А2+(B3, B2, B1, B0). Чтобы с минимальными потерями согласовывать 32-разрядную шину данных с передачей данных меньшей разрядности, младшие разряды адреса (А1 и А0) передаются в дешифрированном виде (B3, B2, B1, B0). Они показывают, какие байты из 32-разрядной шины данных в данный момент реально востребованы: 1 байт, 2 младших байта, 2 старших байта либо все 32 разряда данных;

* шина управления - 32-разрядная. По ней передаются сигналы записи и чтения содержимого оперативной памяти и внешних устройств, сигналы запросов прерываний, прямого доступа к памяти и т. д.

Особый интерес представляют три режима работы микропроцессора: реальный, защищенный и режим виртуального МП i8086. В реальном режиме обеспечивается совместимость на уровне объектных кодов с микропроцессором i8086 и микропроцессором i286, работающем в реальном режиме. В этом режиме архитектура 32-разрядного микропроцессора почти полностью идентична архитектуре 16-разрядного МП. Для программиста же он вообще представляется как МП i8086, выполняющий написанные программы с большей скоростью и обладающий расширенной системой команд и регистрами. Благодаря этим качествам фирма Intel сохранила прежних клиентов, которые хотели модернизировать свои системы, не отказываясь от имевшегося задела в области программного обеспечения, и привлекла тех, кому изначально требовалась высокая скорость обработки информации. (однозадачность, фиксированная длина сегментов, страниц нет)

Одно из основных ограничений реального режима было связано с предельной емкостью адресуемой памяти, равной 1 Мбайт. От него свободен защищенный режим, позволяющий воспользоваться всеми преимуществами архитектуры нового МП. Размер адресного пространства в этом случае увеличивается до 4 Гбайт, а общий объем поддерживаемого адресного пространства - до 64 терабайт (1 Тбайт = 240 байт). МП, работающие в защищенном режиме, обладают более высоким быстродействием и возможностями организации истинной многозадачности. (многозадачность, переменная длина сегментов, разбиение на страницы)

Наконец, режим виртуального МП открывает возможность одновременного исполнения программ, написанных для МП i8086, i286 и i386.

Поскольку емкость памяти, адресуемой микропроцессором, не ограничена значением 1 Мбайт, этот режим позволяет формировать несколько виртуальных сред i8086.

Регистровая структура универсального микропроцессора

В универсальном 32-разрядном микропроцессоре выделяют следующие группы регистров:

* основные функциональные регистры;

* регистры процессора с плавающей точкой;

* системные регистры;

* регистры отладки и тестирования.

Первые две группы регистров используются прикладными программами, последние две группы - системными программами, имеющими наивысший уровень привилегий.

Основные функциональные регистры

В состав регистров этой группы входят:

* регистры общего назначения;

* регистр указателя команд;

* регистр флагов;

* сегментные регистры.

Рис. 2.1. Регистры общего назначения

Все эти регистры используются для хранения промежуточных результатов вычислений и составных частей адреса при различных режимах адресации операндов, расположенных в памяти.

Регистр флагов EFLAGS содержит признаки результата выполненной команды, а также разряды, управляющие работой микропроцессора: обработкой маскированных прерываний, последовательностью вызываемых задач, вводом-выводом и рядом других действий. Из этих флагов рассмотрим только наиболее значимые и интересные с точки зрения дальнейшего изучения работы микропроцессора.

К битам состояния регистра флагов относятся:

* ZF - признак нуля результата ( ZF = 1, если все разряды результата равны 0);

* SF - знак результата ( SF = 1, если старший разряд результата равен 1, то есть если результат отрицательный);

* OF - признак переполнения ( OF = 1, если при выполнении арифметических операций над числами со знаком происходит переполнение разрядной сетки);

* CF - флаг переноса ( CF = 1, если выполнение операции сложения приводит к переносу за пределы разрядной сетки), устанавливается также в некоторых других операциях;

* PF - признак четности (дополняет до нечетного числа единиц младший байт результата);

* AF - флаг полупереноса (используется при операциях над двоичнодесятичными числами);

* DF - устанавливается пользователем и определяет порядок обработки строк символов в соответствующих командах: декремент (при DF = 1 ) или инкремент (при DF = 0 ) содержимого индексных регистров ESI, EDI ( SI, DI ) после обработки одного символа.

Описание набора регистров микропроцессора

Программная модель микропроцессора

К изучению языка ассемблера любого компьютера имеет смысл приступать только после выяснения того, какая часть компьютера оставлена видимой и доступной для программирования на этом языке.

Программной моделью принято наз. Совокупность аппаратных средств компьютера, доступных из программы. Др. словами ПМ - это видение программистом аппаратных средств ПК.

Частью ПМ комп. является программная модель микропроцессора, которая содержит 32 регистра в той или иной мере доступных для использования программистом.

Данные регистры можно разделить на две большие группы:

•16 пользовательских регистров;

•16 системных регистров.

В программах на языке ассемблера регистры используются очень интенсивно. Большинство регистров имеют определенное функциональное назначение.

Пользовательские регистры

Как следует из названия, пользовательскими регистры называются потому, что программист может использовать их при написании своих программ. К этим регистрам относятся:

•восемь 32-битных регистров, которые могут использоваться программистами для хранения данных и адресов (их еще называют регистрами общего назначения (РОН)): •eax/ax/ah/al;

•ebx/bx/bh/bl;

•edx/dx/dh/dl;

•ecx/cx/ch/cl;

•ebp/bp;

•esi/si;

•edi/di;

•esp/sp.

•шесть регистров сегментов: cs, ds, ss, es, fs, gs;

•регистры состояния и управления:

•регистр флагов eflags/flags;

•регистр указателя команды eip/ip.

!!! Наклонной разделительной чертой обозначены части одного большого 32-разрядного регистра. Их можно использовать в программе как отдельные объекты.

Так сделано для обеспечения работоспособности программ, написанных для младших 16-разрядных моделей микропроцессоров фирмыIntel, начиная с i8086. Микропроцессоры i486 и Pentium имеют в основном 32-разрядные регистры. Их количество, за исключением сегментных регистров, такое же, как и у i8086, но размерность больше, что и отражено в их обозначениях — они имеют приставку e (Extended).

Разберемся подробнее с составом и назначением пользовательских регистров.

Регистры общего назначения

!!! Все регистры этой группы позволяют обращаться к своим “младшим” частям. Так как эти регистры физически находятся в микропроцессоре внутри арифметико-логического устройства (АЛУ), то их еще называют регистрами АЛУ:

•eax/ax/ah/al (Accumulator register) — аккумулятор.

Применяется для хранения промежуточных данных. В некоторых командах использование этого регистра обязательно;

•ebx/bx/bh/bl (Base register) — базовый регистр.

Применяется для хранения базового адреса некоторого объекта в памяти; •ecx/cx/ch/cl (Count register) — регистр-счетчик.

Применяется в командах, производящих некоторые повторяющиеся действия. Его использование зачастую неявно и скрыто в алгоритме работы соответствующей команды.

К примеру, команда организации цикла loop кроме передачи управления команде, находящейся по некоторому адресу, анализирует и уменьшает на единицу значение регистра ecx/cx;

•edx/dx/dh/dl (Data register) — регистр данных.

Так же, как и регистр eax/ax/ah/al, он хранит промежуточные данные. В некоторых командах его использование обязательно; для некоторых команд это происходит неявно.

!!! Рассматривая этот рисунок, заметьте, что использовать для самостоятельной адресации можно только младшие 16 и 8-битные части этих регистров. Старшие 16 бит этих регистров как самостоятельные объекты недоступны.

Это сделано, как мы отметили выше, для совместимости с младшими 16-разрядными моделями микропроцессоров фирмы Intel.

Следующие два регистра используются для поддержки так называемых цепочечных операций, то есть операций, производящих последовательную обработку цепочек элементов, каждый из которых может иметь длину 32, 16 или 8 бит:

•esi/si (Source Index register) — индекс источника.

Этот регистр в цепочечных операциях содержит текущий адрес элемента в цепочке-источнике;

•edi/di (Destination Index register) — индекс приемника (получателя).

Этот регистр в цепочечных операциях содержит текущий адрес в цепочке-приемнике.

В архитектуре микропроцессора на программно-аппаратном уровне поддерживается такая структура данных, как стек. Для работы со стеком в системе команд микропроцессора есть специальные команды, а в программной модели микропроцессора для этого существуют специальные регистры:

•esp/sp (Stack Pointer register) — регистр указателя стека.

Содержит указатель вершины стека в текущем сегменте стека.

•ebp/bp (Base Pointer register) — регистр указателя базы кадра стека.

Предназначен для организации произвольного доступа к данным внутри стека.

Не спешите пугаться столь жесткого функционального назначения регистров АЛУ. На самом деле, большинство из них могут использоваться при программировании для хранения операндов практически в любых сочетаниях. Но некоторые команды используют фиксированные регистры для выполнения своих действий. Это нужно обязательно учитывать.

!!! Использование жесткого закрепления регистров для некоторых команд позволяет более компактно кодировать их машинное представление. Знание этих особенностей позволит вам при необходимости хотя бы на несколько байт сэкономить память, занимаемую кодом программы.

Сегментные регистры

В программной модели микропроцессора имеется шесть сегментных регистров: cs, ss, ds, es, gs, fs.

Их существование обусловлено спецификой организации и использования оперативной памяти микропроцессорами Intel.

Она заключается в том, что микропроцессор аппаратно поддерживает структурную организацию программы в виде трех частей, называемых сегментами. Соответственно, такая организация памяти называется сегментной.

!!! Для того чтобы указать на сегменты, к которым программа имеет доступ в конкретный момент времени, и предназначены сегментные регистры.

Фактически, с небольшой поправкой, в этих регистрах содержатся адреса памяти с которых начинаются соответствующие сегменты. Логика обработки машинной команды построена так, что при выборке команды, доступе к данным программы или к стеку неявно используются адреса во вполне определенных сегментных регистрах. Микропроцессор поддерживает следующие типы сегментов:

1. Сегмент кода. Содержит команды программы.

Для доступа к этому сегменту служит регистр cs (code segment register) — сегментный регистр кода. Он содержит адрес сегмента с машинными командами, к которому имеет доступ микропроцессор (то есть эти команды загружаются в конвейер микропроцессора).

2. Сегмент данных. Содержит обрабатываемые программой данные.

Для доступа к этому сегменту служит регистр ds (data segment register) — сегментный регистр данных, который хранит адрес сегмента данных текущей программы.

3. Сегмент стека. Этот сегмент представляет собой область памяти, называемую стеком.

Работу со стеком микропроцессор организует по следующему принципу: последний записанный в эту область элемент выбирается первым. Для доступа к этому сегменту служит регистр ss (stack segment register) — сегментный регистр стека, содержащий адрес сегмента стека.

4. Дополнительный сегмент данных.

Неявно алгоритмы выполнения большинства машинных команд предполагают, что обрабатываемые ими данные расположены в сегменте данных, адрес которого находится в сегментном регистре ds. Если программе недостаточно одного сегмента данных, то она имеет возможность использовать еще три дополнительных сегмента данных. Но в отличие от основного сегмента данных, адрес которого содержится в сегментном регистре ds, при использовании дополнительных сегментов данных их адреса требуется указывать явно с помощью специальных префиксов переопределения сегментов в команде.

Адреса дополнительных сегментов данных должны содержаться в регистрах es, gs, fs (extension data segment registers).

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 Следующая ⇒