Тема 6_2010_Микроппроцессоры (Лекции (ещё одни)), страница 2

С точки зрения функциональных возможностей существенного значения этиразличия не имеют, поэтому и упоминают о них, как правило, вместе: 8086/8088. Этот типМП является базовым для IBM совместимых машин. Все последующие типы МПосновываются на нем и лишь развивают его архитектуру.МП 8086/8088 имеет базовую систему команд. В следующей модификации МПфирмы Intel - 80186 реализована расширенная система команд.

Расширение системыкоманд продолжается во всех новых моделях, но кроме этого в каждой новой моделивводятся дополнительные архитектурные решения:в 80286 введены встроенный блок управления ОП, работающий в виртуальномрежиме (что позволило увеличить предельно допустимый объем виртуальной памяти до 4Гбайт при 16 Мбайт физической), и блоки, позволяющие реализовать мультизадачность:блок защиты ОП и блок проверки уровня привилегий, присваиваемых каждой задаче.Кроме того, во всех последующих моделях вводятся и совершенствуются средства,позволяющие повысить производительность МП:• совершенствуются конвейер команд и встроенный блок управления ОП,• вводятся микропрограммное управление операциями,• прогнозирование переходов по командам условной передачи управления,• скалярная архитектура ЦП (арифметический конвейер) и• мульти скалярная архитектура (несколько параллельно работающихарифметических конвейеров, одновременно выполняющих несколько машинныхопераций, благодаря чему появляется возможность за один такт МП выполнятьболее одной машинной операции).Начиная с 80486, в кристалле МП размещается арифметический сопроцессор дляопераций с плавающей точкой.

Фирма Intel разработала специальный микропроцессорOver Drive, который предназначен для параллельной работы с основныммикропроцессором (для этого на системной плате предусматривается специальноегнездо).Все эти усовершенствования позволяют сделать персональную ЭВМ IBM PCмультипрограммной, многопользовательской (МП 80286 позволял работать с 10терминалами; 80386 - с 60) и многозадачной. С помощью операционной системы сталовозможным реализовать работу в режиме SVM (системы виртуальных машин), т.е. наодной ПЭВМ реализовать множество независимых виртуальных машин (МП 803 86позволял в этом режиме реализовать работу до 60 пользователей, каждому из которыхпредоставлялась отдельная виртуальная ПЭВМ IBM PC на МП 8086).Некоторые характеристики МП фирмы Intel приведены в таблице.

В обозначенияхмикропроцессоров появились дополнительные элементы: буквы SL, SX, DX и цифры.Буквы обозначают:• SL - микропроцессор изготовлен для работы с пониженным потреблением энергии(питание на те или иные блоки МП подается только в те моменты, когда онивключаются в работу, в результате снижается потребление энергии и увеличиваетсясрок службы источников питания, сокращается выделение энергии в кристалле МП иснижается его температура, благодаря чему увеличивается срок службымикропроцессора);• SX - данный микропроцессор является переходным - длина машинного слова в немосталась без изменения от предыдущей модели;• DX - длина машинного слова увеличена вдвое по сравнению с МП предыдущеймодели.Цифры обозначают, во сколько раз изменилась тактовая частота по сравнению с МПпредыдущей модели.

Иногда (при наличии модификаций) дополнительно указываетсятактовая частота МП.Разработан новый микропроцессор - Реntiun ММХ (MultiMedia Extention), в которомреализована архитектура вычислительных систем класса SIMD, введено 57 новых команд,необходимых для обработки аудио-, видео- и телекоммуникационной информации.Характеристики микропроцессоров фирмы IntelНаименование Тактовая ИндекМПчастота,сМгцiCOMPРазрядностьШД(внутренняя/ внешняя)Адресуемаяпамять/разрядностьША808616/161 Мб/2080888028616/816/16l Мб/2016 Мб/2480386SL80386SX80386DX80486SL80486SX80486SX280486SX280486DX80486DX216/1632/3232/3232/32 .32/3232/3232/3232/3232/3216 Мб/2416 Мб/244 Г6/324 Г6/324 Г6/324 Г6/324 Г6/324 Г6/324 Г6/3225405050100180231СопроцессорСнижениепотребленияэнергииПримечание40000транзЕстьНетНетВстр.Встр.130000транзЕсть1,2 млн80486DX280486DX480486DX4Over Drive6675100Pentium60PentiumPentiumPentiumPentiumPentiumPentium ProPentium Pro6690100133166о 150о 20032/3232/3232/3232/324 Г6/324 Г6/324 Г6/324 Г6/32Встр.Встр.Встр.Встр.51064,32/644 Г6/32Встр.567735815-64,32/6464,32/6464,32/6464,32/6464,32/644 Г6/324 Г6/324 Г6/324 Г6/324 Г6/32Встр.Встр.Встр.Встр.Встр.297319435транз.Аналог486DX26,7 млнтранз.В персональных ЭВМ нашли применение не только микропроцессоры фирмыIntel.

Крупнейшими производителями аналогов микропроцессорам Intel (клонов)являются фирмы Cyrix и AMD.Фирма Cyrix выпускает микропроцессоры М-1 и М-2, аналогичные Pentium, нопревосходящие его по производительности. Так, М-1 с тактовой частотой 150 МГц попроизводительности эквивалентен МП Pentium с тактовой частотой 200 МГц.Фирма AMD, завоевавшая около 30% рынка МП в России, выпускает микропроцессорыК-5 и К-6, являющиеся соответственно аналогами Pentium и Pentium Pro.3.Структурная схема базовой модели МП фирмы IntelУсловно микропроцессор можно разделить на две части: исполнительный блок (ExecutionUnit - EU) и устройство сопряжения с системной магистралью (Bus Interface Unit - ВШ).В исполнительном блоке находятся: арифметический блок и регистры общего назначения(РОН).

Арифметический блок включает арифметико-логическое устройство,вспомогательные регистры для хранения операндов и регистр флагов.Восемь регистров исполнительного блока МП (АХ, ВХ, СХ, DX, SP, ВР, SI, DI), имеющихдлину, равную машинному слову, делятся на две группы.Первую группу составляют регистры общего назначения: АХ, ВХ, СХ и DX,каждый из которых представляет собой регистровую пару, составленную из двухрегистров длиной в 0.5 машинного слова: аккумулятор, или регистр АХ состоит изрегистров АН и AL. Регистр базы (Base Register) ВХ состоит из регистров ВН и BL.Счетчик (Count Register) СХ включает регистры СН и CL.

Регистр данных (Data Register)DX содержит регистры DH и DL. Каждый из коротких регистров может использоватьсясамостоятельно или в составе регистровой пары. Условные названия (аккумулятор,регистр базы, счетчик, регистр данных) не ограничивают применения этих регистров - этиназвания говорят о наиболее частом использовании их или об особенности использованиятого или иного регистра в той иди иной команде.Вторую группу составляют адресные регистры SP, BP, SI и DI (в старшихмоделях количество адресных регистров увеличено). Эти регистры активно используютсяпо функциональному назначению и в других целях их применятъ не рекомендуется.

Вкачестве адресного регистра часто используется РОН ВХ. Программно допускаетсяиспользование регистров BP, DI и SI в качестве регистров для хранения операндов, ноотдельные байты в этих регистрах недоступны. Основное их назначение - хранитьчисловые значения, реализуемые при формировании адресов операндов.Устройство сопряжения с системной магистралью содержит управляющиерегистры, конвейер команд, АЛУ команд, устройство управления исполнительнымблоком МП и интерфейс памяти (соединяющий внутреннюю магистраль МП с системноймагистралью ПЭВМ).Управляющие регистры BIU: CS (указатель командного сегмента), DS указательсегмента данных), SS (указатель сегмента стека), ES (указатель дополнительногосегмента) и др.

служат для определения физических адресов ОП - операндов и команд.Регистр IP (Instruction Pointer) является указателем адреса команды, которая будетвыбираться в конвейер команд в качестве очередной команды (в отечественнойлитературе такое устройство называется счетчик команд). Конвейер команд МП хранитнесколько команд, что позволяет при выполнении линейных программ совместитьподготовку очередной команды с выполнением текущей.К управляющим регистрам МП относится и регистр флагов, каждый разрядкоторого имеет строго определенное назначение. Обычно разряды регистра флаговустанавливаются аппаратно при выполнении очередной операции в зависимости отполучаемого в АЛУ результата.

При этом фиксируются такие свойства получаемогорезультата, как нулевой результат, отрицательное число, переполнение разрядной сеткиАЛУ и т.д. Но некоторые разряды регистра флагов могут устанавливаться поспециальным командам. Некоторые разряды имеют чисто служебное назначение(например, хранят разряд, выпавший из АЛУ во время сдвига) или являются резервными(т.е. не используются).Все флаги младшего байта регистра устанавливаются арифметическими или логическимиоперациями МП.

Все флаги старших байтов, за исключением флага переполнения,устанавливаются программным путем, для этого в МП имеются команды установкифлагов (STC, STD, STI), сброса (CLC CLD, CLI), инвертирования (CMC).4.Взаимодействие элементов при работе микропроцессораРаботой МП управляет программа, записанная в ОП ЭВМ. Адрес очереднойкоманды хранится в счетчике команд IP (Instruction Pointer) и в одном из сегментныхрегистров, чаще всего в CS. Каждый из них в реальном режиме имеет длину 16 бит, тогдакак физический адрес ОП должен иметь длину 20 бит. Несогласованность длинымашинного слова (16 бит) и длины физического адреса ОП (20 бит) приводит к тому, что вкомандах невозможно указать физический адрес ОП - его приходится формировать,собирать из разных регистров МП в процессе работы.В реальном режиме вся ОП делится на сегменты (длина сегмента - 64 Кбайта).Адрес ОП разделяется на две части: номер сегмента в ОП (база сегмента) и номер ячейкивнутри данного сегмента (смещение относительно начала сегмента).

Базовый адрессегмента образуется добавлением к номеру сегмента справа четырех нулей. Посколькупоследние четыре разряда абсолютного (физического) адреса сегмента всегда нулевые,сегмент может начинаться не с любой ячейки ОП, а только с “параграфа” - начала 16байтного блока ОП.В структуре микропроцессора имеется несколько регистров сегментов, например вi8086 - четыре:••••С S - программный сегмент;DS - сегмент данных (информационный сегмент);SS - стековый сегмент;ES - расширенный сегмент (дополнительный сегмент данных).Номер ячейки внутри сегмента (смещение) называется также исполнительным адресом.В большинстве случаев в адресной части команды указывается именно исполнительныйадрес - номер сегмента чаще всего подразумевается по умолчанию. Однако допускаетсяуказание и полного адреса ОП в виде префиксной структуры: “сегмент: смещение”.

Еслисегмент в команде не указывается, значит, работа ведется внутри текущего сегмента(характер выполняемой работы и какой из сегментных регистров определяет текущуюбазу сегмента, зависят от вида выполняемой команды).Номер сегмента так же, как и смещение, имеет длину 2 байта. При вычислениифизического адреса ОП сегмент и смещение суммируются, но сегмент передсуммированием сдвигается влево на 4 бита. В результате суммирования образуетсяфизический адрес ОП длиной 20 бит.В защищенном режиме базовые адреса сегментов хранятся в дескрипторных таблицахи имеют длину 24 или 32 бита (в зависимости от типа МП).