Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Структура микропроцессоров IA-32



Базовую структуру микропроцессоров (МП) IA-32 можно рассмотреть на примере Intel-386 (рис. 3.1). В структуре Intel-386 можно выделить шесть основных блоков, работающих параллельно: блок интерфейса с магистралью, блок предварительной выборки команд, блок декодирования команд, исполнительный блок, блок управления сегментами и блок страничной трансляции.


Рис. 3.1. Структура микропроцессора Intel-386

Блок интерфейса с магистралью содержит драйвер адреса, схемы управления размером адреса и конвейером, мультиплексор, приемопередатчики и др. Этот блок обеспечивает интерфейс между МП и его окружением. Он принимает внутренние запросы для выборки команд от блока предварительной выборки команд и для обмена данными с исполнительным блоком и устанавливает приоритет этих запросов. Одновременно он генерирует или обрабатывает сигналы для исполнения текущего цикла магистрали. К ним относятся сигналы адреса, данных и управления для обращения к внешней памяти и устройствам ввода-вывода. При помощи схемы арбитра запросов блок управляет интерфейсом с внешними задатчиками магистрали и сопроцессорами. В МП Intel-486 (рис. 3.2) этот блок был дополнен схемой управления паритетом (выравниванием) и схемой управления пакетами. На основе последней был реализован специальный режим работы магистрали - режим пакетирования. В этом режиме при передаче 4 слов на магистрали выставляется только адрес первого, что позволяет существенно сократить время обмена данными с оперативной памятью или внешним кэшем.


Рис. 3.2. Структура микропроцессора Intel-486

Таблица 3.1. Порядок передачи 4 слов (64 бита) на системной магистрали
Такт Конвейеризация Intel-286 Режим пакетирования Intel-486
Адрес 1 слова Адрес 1 слова
Передача 1 слова ---
Адрес 2 слова Передача 1 слова
Передача 1 слова Передача 2 слова
Адрес 3 слова Передача 3 слова
Передача 1 слова Передача 4 слова
Адрес 4 слова  
Передача 1 слова  

Для того чтобы заранее получать команды или данные перед их фактическим использованием, существует функция опережающего просмотра программы, которую в Intel-386 выполняет блок предвыборки команд. Когда блок интерфейса с магистралью не занимает цикла магистрали для исполнения команды, блок предвыборки команд использует его для последовательной выборки из памяти байтов команд. Эти команды хранятся в 16-байтовой очереди команд в ожидании обработки блоком декодирования команд.

Блок декодирования команд преобразует байты команды из этой очереди в микрокод. Декодированные команды в ожидании обработки исполнительным блоком хранятся в очереди команд, работающей по принципу FIFO (First In First Out). В Intel-386 эта очередь имеет размер 3 команды, а в Intel-486 - уже 5 команд, что позволяет этому МП при некоторых условиях выполнять по одной команде за цикл. Непосредственные данные и относительные адреса в коде операции также берутся из очереди команд.

Исполнительный блок выполняет команды из очереди команд и взаимодействует со всеми другими блоками, нужными для завершения выполнения команды. Для ускорения выполнения команд с обращением к памяти исполнительный блок приступает к их исполнению до завершения выполнения предыдущей команды. Так как команды с обращением к памяти встречаются очень часто, то благодаря такому перекрытию по времени производительность повышается. В МП Pentium исполнительный блок реализован в виде двух параллельных конвейеров (u и v), что позволяет ему выполнять до двух команд за такт. Это архитектурное решение названо суперскалярностью. Оно получило дальнейшее развитие в МП подсемейства P6 (Pentium Pro, Pentium II, Pentium III), где исполнительный блок представлен уже тремя конвейерами. Особенностью конвейеров P6 является динамическое выполнение (предсказание ветвлений, спекулятивное выполнение, изменение последовательности команд).

В исполнительный блок встроены регистры общего назначения (РОН), которые используются для таких операций, как двоичное сложение или вычисление и модификация адресов. Исполнительный блок содержит восемь 32-разрядных РОНов, применяемых как для вычисления адресов, так и для операций с данными. Этот блок содержит также 64-разрядный регистр, необходимый для ускорения операций сдвига, циклического сдвига, умножения и деления.

Интеграция в МП i486DX блока вычислений с плавающей точкой (Floating Point Unit) резко повысила производительность вещественной арифметики. В МП Pentium MMX был добавлен набор команд, позволяющий использовать регистры блока FPU для параллельной обработки пакета целочисленных данных: SIMD - "одна инструкция - несколько операндов". В МП Pentium III эта технология была расширена, за счет добавленияем блока XMM, позволяющего параллельно обрабатывать пакет вещественных данных: SSE - потоковое расширение SIMD.

Блоки сегментации и страничной трансляции образуют устройство управления памятью.

Блок сегментации преобразует логические адреса в линейные по запросу исполнительного блока. Для ускорения этого преобразования текущие дескрипторы сегментов помещаются во встроенную кэш-память. Во время трансляции адресов блок управления сегментами проверяет, нет ли нарушения сегментации. Эти проверки выполняются отдельно от проверок нарушений статической сегментации, осуществляемых механизмом проверки защиты. Блок сегментации обеспечивает четыре уровня защиты (от 0 до 3) с целью изоляции и защиты друг от друга прикладных программ и операционной системы. Этот компонент также позволяет легко создавать перемещаемые программы и данные и обеспечивает их совместное использование. Полученный линейный адрес направляется в блок страничной трансляции.

Если механизм страничного преобразования включен, то для получения физических адресов по линейным используется блок страничной трансляции. Если же этот механизм выключен, то это означитает, что, физический адрес совпадает с линейным, и трансляция не нужна. Для ускорения трансляции адресов в кэш-память дескрипторов страниц помещаются каталог недавно использованных страниц, а также информация о входах в таблицу страниц в буфере трансляции адресов. Затем блок страничной трансляции пересылает физические адреса в блок интерфейса с магистралью для выполнения цикла обращения к памяти или устройствам ввода-вывода. МП Intel-386 использует 32-разрядные регистры и шины данных для поддержки адресов и типов данных такой же разрядности.

Блок страничной трансляции позволяет прозрачно управлять пространством физических адресов независимо от управления сегментами. Каждый сегмент отображается в пространство линейных адресов, которое, в свою очередь, отображается в одну или несколько страниц объемом 4 Кб. Для реализации эффективной системы виртуальной памяти Intel-386 полностью поддерживает способность рестарта (повторного запуска) в случае отказа во всех страницах и сегментах.

В МП 80486 был интегрирован кэш первого уровня размером 8 Кб. В МП Pentium размер кэша первого уровня удвоен: 8 Кб - кэш команд и 8 Кб - кэш данных. В МП Pentium Pro, кроме того, на кристалле интегрирован кэш второго уровня.

Регистры

Программная модель включает восемь регистров общего назначения, шесть регистров сегментов, указатель команд, регистр системных флагов, регистры системных адресов, четыре регистра управления и шесть регистров отладки.

Восемь регистров общего назначения имеют длину в 32 бит и содержат адреса или данные. Они поддерживают операнды-данные длиной 1, 8, 16, 32 и (при использовании двух регистров) 64 бит; битовые поля от 1 до 32 бит; операнды-адреса длиной 16 и 32 бит. Эти регистры называются EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP. Доступ к младшим 16 бит этих регистров выполняется независимо при использовании соответствующих имен 16-битных регистров: AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP и SP. Также могут использоваться индивидуально младший (биты 0-7) и старший (биты 8-15) байты регистров AX, BX, CX, DX. Им соответствуют обозначения AH, DH, CH, BH и AL, DL, CL, BL.

Хотя регистр ESP тоже относится к регистрам общего назначения, он содержит указатель на вершину стека и не используется для других целей.

Следует отметить, что регистры могут быть неравнозначны и при использовании определенных инструкций могут иметь иногда имеют специальное значение:

  • EAX - аккумулятор, операнд-источник или приемник результата (некоторые инструкции могут быть короче на один байт при использовании EAX);
  • EBX - указатель на данные в сегменте DS;
  • ECX - счетчик для цепочечных (например, MOVS) и циклических (с префиксом REP) инструкций;
  • EDX - адрес порта ввода-вывода для инструкций IN/INS, OUT/OUTS;
  • ESI - указатель на операнд-источник в сегменте DS для цепочечных инструкций;
  • EDI - указатель на операнд-приемник в сегменте ES для цепочечных инструкций;
  • EBP - указатель на данные в сегменте SS.

МП включает шесть непосредственно доступных 16-битных регистров сегментов. С каждым сегментным регистром ассоциирован программно-недоступный кэш дескриптора соответствующего сегмента, содержащий базовый адрес сегмента в линейном адресном пространстве, предел сегмента и атрибуты сегмента. Этот кэш заполняется при загрузке значения в сегментный регистр. В реальном режиме предел сегмента всегда 0FFFFh, атрибуты игнорируются, а базовый адрес вычисляется сдвигом значения селектора на 4 бита влево. В защищенном режиме кэш заполняется соответствующими значениями из дескрипторной таблицы.

Не все сегментные регистры равнозначны. Регистр CS хранит селектор сегмента кода. МП извлекает очередную инструкцию для исполнения, формируя логический адрес из селектора в CS и смещения в регистре EIP. Значение этого регистра нельзя изменить непосредственно, оно меняется в командах межсегментного перехода (FAR JMP), межсегментного вызова (FAR CALL), при вызове обработчика прерывания (INT) и при возврате из далекой процедуры (RETF) или обработчика прерывания (IRET).

Регистр SS хранит селектор сегмента стека. Стек используется для передачи параметров подпрограммам и для сохранения адреса возврата при вызове подпрограммы или обработчика прерывания. Вершиной стека считается байт, логический адрес которого образуется из селектора в регистре SS и смещения в регистре ESP. Программа может непосредственно изменить значение SS, что дает ей возможность переключаться между несколькими стеками. Причем на время выполнения команды MOV SS,xxxx и одной команды, следующей за ней (обычно это MOV ESP,xxxx), запрещаются маскируемые и блокируются немаскируемые прерывания.

Регистры DS, ES, FS и GS хранят селекторы сегментов данных. Если инструкция обращается к памяти, но содержит только смещение, то считается, что она обращается к данным в сегменте DS. Сегмент ES может использоваться без явного указания в цепочечных командах. Сегменты FS и GS используются при обращении к памяти только при явном использовании в инструкции префиксов этих сегментов.

Указатель команд (EIP) является 32-разрядным регистром. Он содержит смещение следующей команды, подлежащей выполнению. Относительный адрес отсчитывается от базового адреса сегмента исполняемой задачи. Указатель команд непосредственно недоступен программисту, но он изменяется явно командами управления потоком, прерываниями и исключениями (JMP, CALL, RET, IRET, команды условного перехода). Получить текущее значение EIP можно, если выполнить команду CALL, а затем прочитать слово на вершине стека.

Регистр системных флагов EFLAGS содержит группу флагов состояния, управления и системных флагов. Младшие 16 бит регистра представляют собой 16-разрядный регистр флагов и состояния МП 8086, называемый FLAGS, который наиболее полезен при исполнении программ для МП 8086 и Intel-286. Некоторые из флагов могут быть изменены специально предназначенными для этой цели инструкциями. Для изменения или проверки группы флагов можно воспользоваться следующими командами:

  • LAHF/SAHF - загрузка/сохранение младших 8 битов регистра флагов в регистре AH;
  • PUSHF/POPF - помещение/извлечение из стека младших 16 битов регистра флагов;
  • PUSHFD/POPFD - помещение/извлечение из стека 32-битного регистра EFLAGS.

Регистры управления сегментированной памятью, известные также как регистры системных адресов, указывают на структуры данных, которые управляют механизмом сегментированной памяти. Они определены для ссылок на таблицы или сегменты, поддерживаемые моделью защиты МП.

  • Регистр глобальной дескрипторной таблицы (GDTR). Содержит 32-битный линейный адрес и 16-битную границу глобальной дескрипторной таблицы. Значение этого регистра можно загрузить/сохранить при помощи привилегированных инструкций LGDT/SGDT. В реальном режиме этот регистр не используется. Перед переходом в защищенный режим в этот регистр следует загрузить корректные значения.
  • Регистр локальной дескрипторной таблицы (LDTR). Содержит 16-битный селектор локальной дескрипторной таблицы. С регистром связан программно-недоступный кэш дескриптора для хранения базового адреса, предела и атрибутов соответствующей дескрипторной таблицы. Значение этого регистра можно загрузить/сохранить при помощи привилегированных инструкций LLDT/SLDT. В реальном режиме этот регистр не используется, и попытка обращения к нему генерирует особый случай "недействительный код операции" (исключение #6). С каждой задачей в защищенном режиме может быть связана своя локальная дескрипторная таблица, поэтому селектор LDT хранится в TSS и автоматически загружается при переключении задач.
  • Регистр таблицы дескрипторов прерываний (IDTR). Указывает на таблицу точек входа в программы обработки прерываний. Регистр содержит 32-битный линейный базовый адрес и 16-битный предел таблицы. Значение этого регистра можно загрузить/сохранить при помощи привилегированных инструкций LIDT/SIDT. При инициализации МП базовый адрес IDT устанавливается в 0, а предел - 0FFFFh. В реальном режиме эта таблица хранит 4-байтные векторы прерываний, а в защищенном - 8-байтные дескрипторы шлюзов обработчиков прерываний и исключений. Это единственный регистр среди перечисленных, который используется в реальном режиме.
  • Регистр задачи (TR). Указывает на информацию, необходимую МП для определения текущей задачи. Регистр содержит 16-битный селектор дескриптора сегмента состояния задачи. С регистром связан программно-недоступный кэш дескриптора TSS для хранения базового адреса, предела и атрибутов соответствующего сегмента состояния задачи. Значение этого регистра можно загрузить/сохранить при помощи привилегированных инструкций LTR/STR. В реальном режиме этот регистр не используется, и попытка обращения к нему генерирует особый случай "недействительный код операции" (исключение #6).

МП имеет четыре 32-разрядных регистра управления CR0-CR4, в которых хранятся флаги состояния МП или глобальные флаги. Вместе с регистрами системных адресов эти регистры хранят информацию о состоянии МП, которая влияет на все задачи в системе. Системным программистам регистры управления доступны только через варианты команды MOV, которые позволяют их загружать или сохранять в регистрах общего назначения.

Шесть доступных регистров отладки (DR0-DR3, DR6, DR7, регистры DR4 и DR5 зарезервированы) расширяют возможности отладки. Они устанавливают точки останова по данным и позволяют устанавливатьзадавать точки останова по командам без модификации сегментов программ. Регистры DR0-DR3 предназначены для хранения четырех линейных адресов точек останова. Регистр DR6 отражает текущее состояние точек останова. Регистр DR7 задает условие для точек останова.

В МП Intel-386 и Intel-486 использовались также 2 регистра страничных проверок (TR6 и TR7), которые позднее были исключены из архитектуры IA-32.




©2015 studenchik.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.

Президентские телки VIP эскорт