Лекция "Микропроцессоры"

В настоящее время персональные ЭВМ выпускаются миллионными тиражами с большим разнообразием архитектур. Однако наибольшее распространение получили компьютеры, построенные на базе микропроцессоров фирмы Intel либо микропроцессоров с аналогичной архитектурой, выпускаемых другими фирмами. Поэтому вопросы, связанные с организацией современных ЭВМ, будем рассматривать на примере именно этой архитектуры. Микропроцессоры фирмы Intel в ходе своего развития к настоящему времени прошли ряд этапов, которые с определенным приближением можно характеризовать разрядностью микропроцессора. Первым в мире микропроцессором был выпущенный в 1971 году 4-разрядный микропроцессор Intel 4004. Следующим шагом стало появление ряда 8-разрядных микропроцессоров, наиболее характерным представителем которых стал нашедший чрезвычайно широкое применение Intel  8080, архитектурный аналог которого выпускался в нашей стране в составе микропроцессорного комплекта К580. Разработанный затем 16-разрядный микропроцессор Intel-8086 (отечественный аналог – микропроцессор К1810ВМ80) лег в основу первых персональных ЭВМ. Его архитектура, получившая обозначение x86, стала де факто стандартом на длительный период последующего развития этого направления вычислительной техники. Микропроцессор Intel 286 представлял собой некоторый переходный этап к архитектуре 32-разрядных микропроцессоров IA­32 (Intel Architеcture­32), которая с определенными модификациями развивается, начиная с выпущенного в 1985 году микропроцессора Intel 386. Появление в 2001 году микропроцессора Itanium ознаменовало начало периода 64-разрядных микропроцессоров. Целью данного пособия является изучение базовых понятий архитектуры ЭВМ. Поэтому рассмотрим ее на примере компьютера, имеющего в своей основе микропроцессор с архитектурой x86. В тех вопросах, где это необходимо (аппаратные средства защиты информации, организация виртуальной памяти и т.д.), изложение материала будет базироваться на компьютерах, имеющих в своем составе микропроцессоры с архитектурой IA­32. Структура 16-разрядного микропроцессора Персональная ЭВМ типа IBM PC (рис. 14.1) включает в себя микропроцессор (МП), оперативную память и устройства ввода-вывода (УВВ), объединенные между собой системной шиной. Рис. 14.1. Структура персональной ЭВМ Микропроцессор предназначен для выполнения собственно арифметических и логических операций и управления взаимодействием блоков компьютера. Оперативная память хранит операнды и программу во время ее выполнения. Устройства ввода-вывода обеспечивают обмен информацией между ядром компьютера (МП и ОП) и средствами ввода и отображения данных. Сюда относятся мониторы, печатающие устройства, графопостроители, жесткие и гибкие магнитные диски и так далее. Компьютер строится по магистрально-модульному принципу, при котором все блоки компьютера связываются между собой системной шиной, предназначенной для обмена данными, адресной и управляющей информацией между составными частями ЭВМ. Как правило, при такой организации в любой момент может быть установлена связь только между двумя модулями ЭВМ. Системная шина определяет общий порядок обмена между любыми блоками компьютера, а также максимальное количество используемых устройств ввода-вывода. Она включает в себя шину адреса (ША), шину данных (ШД) и шину управления (ШУ), содержащую набор линий, по которым передаются управляющие сигналы между блоками компьютера. Специфика каждого конкретного блока учитывается особыми управляющими устройствами – контроллерами, входящими в состав этих блоков, например, работой жесткого диска управляет контроллер жесткого диска, используя информацию, поступающую к нему от микропроцессора по системной магистрали. Структура 16-разрядного микропроцессораI8086 представлена на рис. 14.2 [8]. Рис. 14.2. Структура 16-разрядного микропроцессора В состав микропроцессора входят: 1. арифметико-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для выполнения арифметических и логических операций; 2. внутренняя регистровая память, состоящая из восьми 16-разрядных регистров; четыре из них допускают раздельное использование своих младших и старших байтов, обеспечивая тем самым возможность обработки как 16-разрядных слов, так и байтов информации; 3. устройство управления, включающее в себя o буфер команд, который представляет собой регистровую память объемом 6 байт, предназначенную для хранения выполняемой в данный момент команды (аналогично регистру команд в структуре классической ЭВМ) и заполняемую очередными командами из оперативной памяти по мере своего освобождения; o дешифратор кода операций, определяющий тип выполняемой команды; o блок управления операциями, который на основании расшифрованного дешифратором кода операции формирует управляющие сигналы, организующие работу всех блоков микропроцессора; 4. указатель команд (IP – instruction pointer), определяющий адрес 5. регистр флагов (FLAGS), содержащий признаки результата выполненных выполняемой команды в сегменте команд оперативной памяти; команд и некоторую управляющую информацию. Среди признаков результата отметим следующие: ZF – флаг нуля: равен 1 при получении нулевого результата, SF – флаг знака: устанавливается равным старшему биту результата, CF – флаг переноса: фиксирует факт переноса из старшего бита в арифметических операциях, OF – флаг переполнения: устанавливается в 1 при получении результата вне допустимого диапазона чисел, PF – флаг паритета: устанавливается в 1, если младшие 8 бит результата операции содержат четное число единиц; к флагам управления относятся IF – флаг разрешения прерывания: когда флаг установлен в 1, процессор распознает маскируемые прерывания, что позволяет микропроцессору реагировать на особые ситуации, возникающие в работе внешних устройств; если значение флага равно нулю, то эти прерывания игнорируются, DF – флаг направления, применяется в командах обработки последовательности байт в памяти: если флаг равен 0, последовательность обрабатывается с элемента, имеющего наименьший адрес; если флаг установлен в 1, последовательность обрабатывается от старшего адреса к младшему, TF – флаг трассировки: если значение флага равно 1, то в микропроцессоре после выполнения каждой команды генерируется внутреннее прерывание, позволяющее перейти к соответствующей подпрограмме (используется при отладке программ); 6. блок сегментных регистров, состоящий из четырех 16-разрядных регистров, каждый из которых содержит старшие разряды базового (начального) адреса сегмента оперативной памяти, выделяемого программе при ее выполнении: кодового сегмента CS, в котором содержится код программы; сегмента данных DS; сегмента стека SS и дополнительного сегмента данных ES; внутренней магистрали микропроцессора с системной шиной. 7. шинный интерфейс, который содержит схемы, обеспечивающие связь Представление данных в ЭВМ Вся информация в ЭВМ хранится в виде наборов бит, то есть комбинаций 0 и 1. Числа представляются двоичными комбинациями в соответствии с числовыми форматами, принятыми для работы в данной ЭВМ, а символьный код устанавливает соответствие букв и других символов двоичным комбинациям. Для чисел имеется три числовых формата:  двоичный с фиксированной точкой;  двоичный с плавающей запятой;  двоично-кодированный десятичный (BCD). В двоичном формате с фиксированной точкой числа могут быть представлены без знака (коды) или со знаком. Для представления чисел со знаком в современных ЭВМ в основном применяется дополнительный код. Это приводит к тому, что, как показано ранее, отрицательных чисел при заданной длине разрядной сетки можно представить на одно больше, чем положительных. Хотя операции в ЭВМ осуществляются над двоичными числами, для записи их в языках программирования, в документации и отображения на экране дисплея часто используют более удобное восьмеричное, шестнадцатеричное и десятичное представление. В двоично-кодированном десятичном формате каждая десятичная цифра представляется в виде 4 битного двоичного эквивалента. Существуют две основные разновидности этого формата: упакованный и неупакованный. В упакованном BCD- формате цепочка десятичных цифр хранится в виде последовательности 4-битных групп. Например, число 3904 представляется в виде двоичного числа 0011 1001 0000  0100. В неупакованном BCD-формате каждая десятичная цифра находится в младшей тетраде 8-битной группы (байте), а содержимое старшей тетрады определяется используемой в данной ЭВМ системой кодирования, и в данном случае несущественно. То же число 3904 в неупакованном формате будет занимать 4 байта и иметь вид: xxxx0011 xxxx1001 xxxx0000 xxxx0100 . Числа с плавающей запятой обрабатываются на специальном сопроцессоре (FPU ­  floating point unit), который, начиная с МП I486, входит в состав БИС  микропроцессора. Данные в нем хранятся в 80-разрядных регистрах. Управляя настройками сопроцессора, можно изменять диапазон и точность представления данных этого типа (таблица 14.1). Тип данных Размер (бит) 1 байт 1 слово 1 двойное слово 1 байт 1 слово 1 двойное слово 1 учетверенное слово 8 16 32 8 16 32 64 действительное число с двойной точностью 64 с увеличенной точностью 8 1 байт неупакованное 1 байт упакованное 8 10 байт упакованное 80 Числа с плавающей запятой 32 (1+8+23) ≈( 0.34*1039) (1+11+52) 80 (1+15+64) ≈( 0.18*10309) ≈( 0.12*104933) Двоично-десятичные числа 0...9 0...99 0...(99...99)18цифр Таблица 14.1. Диапазон Целые без знака 0...255 0...65535 0...4294967295 Целые со знаком -128...+127 -32768...+32767 -2147483648...+2147483647 ≈( 0.92*1019) Обрабатывающий блок АЛУ АЛУ FPU FPU АЛУ АЛУ FPU