Основи електроніки

МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ I НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКIВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНIВЕРСИТЕТ РАДIОЕЛЕКТРОНIКИ

Кафедра ЕН

КОНТРОЛЬНА РОБОТА

з дисципліни

“Електронні пристрої“

Виконав: Перевірив:

ст. гр. ГКСР доц. каф.

Харків 2010

Сегментация і адресация процесорів

Процесор може звертатися до одного або більш байтам пам'яті. Під словом в процесорі розуміється двухбайтовая осередок пам'яті. Для виявлення питання про розміщення даних в ОЗУ, розглянемо десяткове число 1315, шестнадцатеричный еквівалент якого рівний 0529Н. Це значення може бути поміщене в слово в ОЗУ. Воно складається з старшого байта, значення якого рівно 05, і молодшого байта зі значенням 29 (привыкайте, що значення в пам'яті відображаються в шестнадцатеричном вигляді). Процесор зберігає дані в пам'яті в инверсном вигляді: молодший байт - по молодшій адресі, а старший - по старшому, на 1 більше попереднього. Оскільки дамп пам'яті (відображення вмісту осередків пам'яті) представляється отладчиками (TD, DEBUG) в порядку збільшення адрес байтов, інтерпретувати значення слів або подвійних слів треба праворуч наліво. Наприклад, значення 0529Н в пам'яті комп'ютера, починаючи з адреси 04А26Н, буде зберігатися слідуючим чином: значення 29Н в байте з адресою 04А26Н, а 05 - 04А27Н. Нижченаведений малюнок ілюструє розміщення слова в пам'яті і в регістрі.

При програмуванні на ассемблере треба ясно представляти собі різницю між адресою осередка пам'яті і її значенням. В розглядуваному нами прикладі осередок, що є адреса 04А26, зберігає значення 29, а осередок з адресою 04А27 - 05. В описах роботи і в алгоритмах обробки інформації часто адреса називається покажчиком змінної, а вміст покажчика - значенням змінної.

Молодший байт Старший байт

Регістр

Пам'ять

Адреса 04А26Н Адреса 04А27Н

Рис.1. Розташування байтов слова в пам'яті комп'ютера і в регістрі

Сегменти - це спеціальні області, що визначаються в програмі для зберігання різних функціональних частин програми: коду програми (алгоритму обробки даних), змінних програми (значень даних), робітничих осередків для тимчасового зберігання проміжних значень (в програмах така структура називається стеком). Максимальний розмір сегменту в реальному режимі може досягати 64К байт, але в кожній програмі сегмент займає стільки місця в ОЗУ, скільки вимагається для розміщення команд програми або що обробляються програмою даних. Почало кожного сегменту (адреса, в що заноситься перша команда або перша що описується змінна) фіксується (записується) в сегментном регістрі. В реальному режимі використовуються 3 основні сегменту і відповідних сегментных регістру: кодовый - CS, даних - DS, стека - SS.

Сегментный регістр CS містить адресу інструкції, до якої звертається ОС для почала виконання програми. Сегментный регістр DS адресує область змінних і осередків, зарезервированных для результатів обробки даних. Сегментный регістр SS містить адресу спеціальної структури для тимчасового збереження даних або даних, що використаються програмою в власних “що викликаються” подпрограммах.

Сегмент починається з кордону параграфу, т. Е. З адреси, кратної 16 (10Н). Оскільки для всіх адрес, що діляться нацело на 16, молодший шестнадцатеричный розряд рівний 0, розробники комп'ютера вирішили не зберігати цей розряд в сегментном регістрі, зменшивши за рахунок цього розмір регістру на 4 б. Тому адреса сегменту 038Е0Н буде зберігається в сегментном регістрі як 038ЕН. При Необхідності заслання на фізичну (фактичну) адресу почала сегменту, така адреса будемо записувати в вигляді 038Е [0] Н.

В програмі всі осередки пам'яті в сегменті нумеруються відносно адреси в відповідному сегментном регістрі. Кількість байт від почала сегменту до будь-якого що адресується в сегменті байта називається зміщенням (offset). В реальному режимі роботи зміщення в сегменті розміром 64К байт повинно змінюватися від 0000Н до FFFFH, т. Е. Для вказівки зміщення в сегменті достатньо 16 двоичных розрядів. Т. про., маючи 2 16-битовых регістру для адреси почала сегменту і зміщення всередині сегменту, можна адресувати пам'ять в 1М байт (не маючи сегментации зажадалося б для адресации осередків такої пам'яті 20 двоичных розрядів!). Щоб звернутися до будь-якого осередка пам'яті в сегменті, процесор визначає фізичну адресу осередка, складаючи значення в сегментном регістрі зі зміщенням, при цьому не забывая відновити “відрізаний” шестнадцатеричный нуль молодшого розряду сегментного регістру. Наприклад, якщо в сегменті з початковою адресою 038Е [0] Н команда програми має зміщення 0032Н, те фізична адреса така команди в ОЗУ буде 038Е [0] Н+0032Н=03912Н. Цю операцію визначення фізичної адреси в ОЗУ процесор виконує автоматичні.

Отже, в комп'ютері існують 2 основні схеми адресации:

Абсолютна або фізична адреса, являти собою 20-разрядное число, прямо що вказує на певний осередок ОЗУ;

Адреса в системі сегмент: зміщення, складатися з початкової адреси сегменту і значення зміщення. Кожна що складає сегмент: зміщення являє собою 16-разрядное число.

(Аналогом абсолютної адресации була б послідовна нумерация всіх будинків в місті, а аналогом системи сегмент: зміщення є визначення адреси по вулиці і номеру вдома на цій вулиці).

Програмісти рідко мають діло з абсолютної адресацией і навіть рідко зважують на почало сегменту (ОС сама в більшості випадків записує в сегментный регістр відповідні адреси), а от зміщення всередині сегменту часто потрібно враховувати в програмах обробки.

Спосіб формування фізичної адреси пам'яті залежить від режиму роботи процесора. В звичному (реальному) режимі процесор 80286 працював аналогічно 8086, але з більш високою швидкістю і з деякими додатковими командами. В цьому режимі вміст сегментного регістра зсовується на 4 біт вліво і складається із зсувом в адресному регістрі, даючи в результаті 20-розрядну фізичну адресу (рис. 2). Таким чином, в реальному режимі можна напряму адресувати до 1 Мбайт пам'яті.

У іншому режимі роботи процесора -- захищеному -- процедура формування фізичної адреси набагато складніше. Коротко її можна охарактеризувати так. Вміст сегментного регістра, який в даному випадку називають селектором сегменту, є по суті покажчиком на базову адресу сегменту, що зберігається в спеціальній таблиці -- таблиці дескрипторів. Таких таблиць дві: локальна і глобальна. Окрім початкових адрес вони зберігають інформацію про довжину сегменту і про права доступу до нього. Розміщення таблиць в пам'яті визначається спеціальними регістрами процесора, які ми не розглядаємо. Вказівки на те, яку з таблиць використовувати, дає спеціальний біт селектора.

Рис.2. Структура формування фізичної адреси

Отже, процесор прочитує з дескрипторной таблиці 24-розрядну базову адресу сегменту, додає адресний зсув і одержує фізичну адресу байта або слова. Використовування в захищеному режимі 24-розрядної адреси дозволяло адресувати до 16 Мбайт пам'яті. Для збільшення швидкості інформація про поточний сегмент копіювалася в спеціальний тіньовий регістр процесора.

З основних регістрів, показаних на рис. 1, залишилися нерозглянутими два: лічильник команд IP і регістр прапорів (ознак). Прапорами називають спеціальні біти, які заповнюються в результаті операцій АЛП, або встановлювані спеціальними командами:

AF -- прапор допоміжного перенесення, встановлюється в 1 при перенесенні з третього розряду в четвертий або при зайомі з четвертого розряду в третій молодшого байта 16-розрядного числа;

CF -- прапор перенесення, встановлюється при перенесенні або зайомі із старшого розряду;

FF -- прапор переповнювання;

SF -- прапор знаку: 0 -- результат операції позитивний, 1--негативний;

PF -- прапор парності: якщо рівний 1, то результат парний; ZF --прапор нуля, встановлюється в 1, якщо результат операції 0;

DF -- прапор напряму: при записі в нього 0 рядки обробляються зліва направо, при записі 1 -- навпаки;

IF -- прапор дозволу переривання: якщо встановлений, то процесор реагує на зовнішні масковані запити переривання, якщо скинений -- ігнорує їх;

TF -- прапор покрокового режиму: якщо встановлений в 1, то після кожної команди генерується переривання.

Для повноти картини відзначимо, що процесор 80286 мав ще ряд регістрів, які ми не розглядаємо детально. Це спеціальний регістр, що задає положення в пам'яті таблиці векторів переривань (в 8086 вона завжди розміщувалась спочатку). Це регістр процесора, що відповідає, зокрема, за перехід із звичного режиму в захищений. Це, нарешті, спеціальний регістр сегменту задачі, призначений для організації багатозадачної роботи процесора в захищеному режимі.

Конструктивно процесор 80286 виконувався в квадратному корпусі, що має 68 виходів («ніжок»). Їх можна розділити на три групи: адреси, даних і управління.

Виходи адреси А23 --А0. На них процесор виставляє або адресу пам'яті, або порту введення-виведення (молодші 16 біт).

Виходи даних D15 -- D0. Це двонаправлені лінії, які використовуються при читанні або запису елементів (слів або байтів) пам'яті і портів введення-виведення.

До управляючих виходів відносяться: вихід синхронізації CLK, група виходів, що кодує тип циклу шини, вихід блокування шини LOCK, вихід готовності READY, вихід скидання RESET, вхідний сигнал зайнятості BUSY, вихід помилки ERROR і багато інших.

Співпроцесор 80287 обробляв 32-, 64- і 80-розрядні числа з плаваючою крапкою, 32- і 64-розрядні числа з фіксованою крапкою і 18-розрядні двійково-десяткові числа. Як і центральний процесор 80286, він міг працювати в реальному і захищеному режимах.

32-розрядний мікропроцесор 80386 (часто використовувалася також його модифікація 80386SX з 16-розрядною шиною) з'явився принципово новим кроком в розвитку архітектури. Процесор мав розширений набір команд, що дозволяв обробляти байти, 16-і 32-розрядні слова, при цьому забезпечувалася сумісність з попередніми 16-розрядними моделями. На рівні регістрів, наприклад, це було зроблено таким чином: повні 32-розрядні регістри загального призначення і адресні регістри позначалися ЕАХ, ЕВХ, ЕСХ, EDX, ESP, ЕВР, ESI і EDI, а їх молодші 16 біт -- АХ, BX, CX, DX, SP, ВР, SI і DI, причому для регістрів загального призначення допускалися і звернення до двох молодших байтів -- АН і AL, ВН і BL, СН і CL, DH і DL. Таким чином, набір регістрів 80386 «перекривав» всі доступні регістри попередніх моделей.

Процесор 80386 мав більш високу швидкодію (до 40 Мгц). 32-розрядна адресація дозволяла адресувати напряму до 4 Гбайт пам'яті. Було знято обмеження на максимальну довжину сегменту в 64 Кбайт -- сегмент міг мати довжину до 4 Гбайт. Був доданий механізм сторінкової організації пам'яті: кожний сегмент поділявся на сторінки завдовжки 4 Кбайт. Організація динамічної «підкачки» сторінок з диска в оперативну пам'ять дозволяла реалізувати режим роботи з віртуальною (уявної) пам'яттю, що використовується сучасними операційними системами.

Важливою властивістю процесора 80386 була наявність режиму «віртуального процесора 8086», в якому на різних ділянках пам'яті може одночасно виконуватися декілька програм для процесора 8086, ізольованих і захищених один від одного. Для прискорення обчислень центральний процесор 80386 міг доповнюватися співпроцесором 80387.

Процесор 80486, що прийшов на зміну, мав ще більш високу швидкодію. Він залишався сумісним з процесором

80386, але його набір команд був дещо розширений. Базова модель процесора 80486 суміщала в одному кристалі і центральний процесор, і математичний співпроцесор. Процесор містив більше 1 млн. транзисторів і випускався в корпусі з висновками.

1993 р. ознаменувався появою нової моделі процесора цього ряду -- Pentium. Перші процесори цього типу працювали на тактовій частоті 66 Мгц, потім частота виросла до 90, 100, 133 і 166 Мгц. Для підвищення продуктивності процесори Pentium мали внутрішню 64-розрядну шину даних, два конвейєри, два кэш-ЗП (одне для даних, інше для команд). В них був сильно вдосконалений пристрій виконання операцій з плаваючою крапкою. Процесор містив 3,1 млн. транзисторів на кристалі.

Важливим кроком вперед стали моделі Pentium MMX, що працюють на частотах 166, 200 і 233 Мгц і мають розширений набір команд для роботи з мультимедійними додатками (поняття мультимедіа по суті означає програмні і апаратні комп'ютерні засоби для роботи з відеозображеннями і звуком). Технологія MMX використовує 57 додаткових інструкцій з потоковою архітектурою SIMD для цілочисельних даних (згідно матеріалам фірми Intel архітектура SIMD представляє з себе обробку множинних даних однією інструкцією). Процесори Pentium MMX мали вбудовану кеш-пам'ять 32 Кбайт (удвічі більше, ніж біля попередніх моделей Pentium), виготовлялися за технологією 0,35 мкм і налічували 4,5 млн. транзисторів на кристалі.

Для вживання в серверах і могутніх робітниках станціях в кінці 1995 року фірма Intel випустила процесор Pentium Pro, що працював на частотах 166, 180 і 200 Мгц, оптимізований для 32-розрядних додатків (що не відображалося на 16-розрядних додатках), мав вбудовану кеш-пам'ять першого рівня 16 Кб і, що було головною відмінністю на той момент, вбудовану кеш-пам'ять другого рівня місткістю 256 або 512 Кбайт (раніше кеш-пам'ять другого рівня розміщувалася на системній платні). Процесор мав внутрішню шину 300 біт, виготовлявся за технологією 0,35 мкм і налічував 5,5 млн. транзисторів на кристалі.

У даний час на зміну процесорам PentiumMMX і Pentium Pro прийшли нові процесори Intel Celeron, Pentium II і Pentium III.

Процесори Intel Celeron, PentiumMMX, що замінили, були розроблені спеціально для забезпечення високої продуктивності при доступних цінах. Першими моделями Celeron були версії 266 і 300 Мгц без кеш-пам'яті другого рівня, а потім з'явилися версії ЗООА, 333, 366, 400, 433, 466 і 500 Мгц з кэшпамятью другого рівня 128 Кбайт, яка вбудована в один корпус з процесором і працює на частоті ядра. Частота системної шини для моделей до 400 Мгц -- 66 Мгц, для моделей 400 Мгц і вище -- 66/100 Мгц, технологічний процес виготовлення -- 0,25 мкм.

На зміну моделям Pentium Pro прийшли в 1997 р. прийшли процесори Pentium II і Pentium II Хеоп, що краще задовольняють вимогам сучасних серверних платформ. Процесор Pentium II працює на частотах 350, 400 і 450 Мгц і має кеш-пам'ять другого рівня 512 Кбайт, працюючу на половинній частоті ядра (що, як показали дослідження, не знижує продуктивність). Технологічний процес -- 0,25 мкм, системна твань -- 100 Мгц. Більш могутній процесор Pentium II Хеоп проводиться у варіантах з частотами 400 і 450 Мгц і кеш-пам'яттю другого рівня місткістю 512, 1024 або 2048 Кбайт, працюючої на частоті ядра. Системна шина -- 100 MHz, технологічний процес -- 0,25 мкм. Процесор Pentium II призначений для настільних ПК ділового і домашнього вживання, а також одно- і двопроцесорних серверів і робочих станцій. Процесори Pentium П Хеоп, що включають, крім всього іншого, засоби підтримки чотирипроцесорних конфігурацій, орієнтовані на вживання в серверах і робочих станціях високої і середньої потужності. Важливою архітектурною особливістю процесорів Pentium II з'явилося при-мнение подвійної незалежної шини (D.I.B.), що використовує тісно пов'язану з процесором шину кеш-пам'яті 2-го рівня, яка дозволила збільшити сумарну пропускну спроможність каналів обміну даних з процесором.

Процесор Pentium III з тактовими частотами 450, 500, 550, 600, 650, 667, 700 і 733 Мгц є на сьогоднішній день найдосконалішим і наймогутнішим процесором корпорації Intel для настільних ПК. Основні особливості:

-- набір з 70 нових інструкцій («Katmai New Instructions» або ММХ2), які використовують потокову архітектуру SIMD (обробка множинних даних однією інструкцією) і включають команди для обробки даних з плаваючою крапкою, додаткові команди для цілих чисел і команди управління кешуванням;

-- системна шина 100 або 133 Мгц;

-- кеш-пам'ять другого рівня місткістю 512 Кбайт. Процесор Pentium III ідеально відповідає вимогам активних користувачів ПК, любителів комп'ютерних ігор і Internet. Цей процесор повністю реалізує мультимедійні можливості ПК, перш за все, в області роботи повноекранного відео, анімації, високоякісної графіки і розпізнавання мови. Модифікації для мобільних ПК випускаються за технологією 0,18 мкм, забезпечуючої значне пониження енергоспоживання. Для серверів і робочих станцій високого і середнього класу випускається модифікація Pentium III Хеоп з кеш-пам'яттю другого рівня місткістю 512, 1024 або 2048 Кбайт, працюючої на частоті ядра.

Хоча Intel зберігає лідируюче положення на ринку процесорів, існують вироби інших фірм, що користуються певним попитом. Слід згадати фірму AMD, що випускає процесори сімейств К.6-2 і К7 Athlon, з розширенням 3DNow! (альтернатива ММХ). Продуктивність процесорів AMD порівнянна з аналогічними моделями Intel, але ціна звичайно дещо нижче. Цікаво, що саме фірма AMD першої оголосила про випуск процесора сімейства К7 з частотою 1000 Мгц (1 ГГц), і місткістю кеш-пам'яті другого рівня до 8 Мбайт. Процесор проводитиметься за технологією 0,18 мкм.