Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

История процессоров началась в 1979 году, когда фирма Intel выпустила первый микропроцессор i4004. Он имел разрядность данных 4 бита, способность адресовать 640 байт памяти, тактовую частоту 108 кГц и производительность 0.06 MIPS. Такой процессор уже мог работать в качестве вычислительного ядра калькулятора. Он содержал 2300 транзисторов и выполнялся по технологии с разрешением 10 мкм. Через год появился его 8-битный “родственник” - i8008, адресующий уже 16 Кб памяти.

В 1974 году появился 8-разрядный процессор i8080, ставший весьма популярным устройством. Он уже имел частоту 2 Мгц и адресовал 64 Кб памяти. 6000 транзисторов позволила разместить 6-мкм технология изготовления. Процессор требовал трех источников питания (+5В, +12 В и -5В) и сложной двух контактной синхронизации. На этом процессоре строились разнообразные терминалы, контроллеры и даже первый ПК Altair. В нашей стране запоздалым эхом 8086 стали процессоры 580ИК80 и КР580ВМ80, на базе которых в начале и середине 80-ых годов строилось много “самодельный ” ПК.

Следующим этапом стал процессор i8085 (5 Мгц, 0.37 MIPS, 6500 транзисторов, 3-мкм технология). Он сохранил популярную регистровую архитектуру 8080 и программную совместимость, но в него добавился порт последовательного интерфейса, упразднили специальные ИС поддержки (тактового генератора и системного контроллера) и несколько изменили внешний интерфейс. Главным подарком разработчикам аппаратуры стало одно питающее напряжение +5В.

Вариацию на тему 8080 и 8085 представляет процессор Z80 фирмы Zilog. Сохранив программную совместимость с 8080, в него ввели дополнительные регистры, что позволило существенно повысить производительность. Результат оказался впечатляющим - еще недавно популярные компьютеры Sinclair, построенные на Z80, демонстрировали на играх графику, не уступающему PC на 16 -разрядном процессоре 286.

Первый 16-разрядный процессор 8086 фирма Intel выпустила в 1978 году. Частота 5 МГц, производительность 0.33 MIPS, но инструкции уже с 16-битными операндами (позже появились процессоры 8 и 10 МГц). Технология 3 мкм, 29 тыс. транзисторов. Адресуемая память 1 Мб. Регистровая архитектура и система команд существенно отличалась от 8080, но естественно прослеживаются общие идеи. Через год появился 8088 - тот же процессор, но с 8-битной шиной данных. С него началась история IBM PC, наложившая свой отпечаток на дальнейшее развитие этой линии процессоров Intel. Массовое распространение и открытость архитектуры PC привили к лавинообразному появлению программного обеспечения, разрабатываемого крупными, средними и мелкими фирмами и энтузиастами-одиночками. Технический требовал (и сейчас требует) развития процессоров, но груз программного обеспечения PC , которое должно работать и на более новых процессорах, в свою очередь требовал обратной программной совместимости. Таким образом, все нововведения в архитектуре последующих процессоров должны были пристраиваться к существующему ядру. А тут еще сама архитектура PC “подбросила”, например, сложности с использованием вектора прерываний. Фирма Intel зарезервировала первые 32 вектора “для служебного пользования”, однако на них “наехали” прерывания BIOS PC. Один из результатов - дополнительный способ обработки исключений сопроцессора, применяемы в старших моделях PC.

Процессор 80286, заменяющий следующий этап архитектуры, появился только в 1982 году. Он уже имел 134 тыс. транзисторов (технология 1.5 мкм) и адресовал до 16 Мб физической памяти. Его принципиальное новшество - защищенный режим и виртуальная память размером до 1 Гб - не нашли массового применения, процессор большей частью использовался как очень быстрый 8088.

Класс 32-разрядных процессоров был открыт в 1985 году моделью 80386 (275 тыс. транзисторов, 1,5 мкм). Разрядность шины данных (как и внутренних регистров) достигла 23 бит, адресуемая физическая память - 4 Гб. Появились новые регистры, новые 32-битные операции, существенно доработан защищенный режим, появился режим V86, страничное управление памятью. Процессор нашел широкое применение в PC, и на благодатной почве его свойств стал разрастаться “самый большой вирус” - MS Windows с приложениями. С этого времени стала заметна тенденция “положительной обратной связи”: на появление нового процессора производители ПО реагируют выпуском новых привлекательных продуктов, последующим версиям которых становится явно тесно в рамках этого процессора. Появляется более производительный процессор, но после непродолжительного восторга и его ресурсы быстро “съедают” и т. д. Это “вечное” движение, конечно, естественно, но есть обоснованное подозрение, что большие ресурсы развращают (или, по крайней мере, расслабляют) разработчика ПО, не принуждая его напрягаться в поисках более эффективных способов решения задачи. Примером эффективного программирования можно считать игрушки на Sinclair ZX-Spectrum, которые реализуются на игрушечных ресурсах - 8-битном процессоре и 64 (128) Кбайт ОЗУ. С противоположными примерами большинство пользователей PC сталкиваются регулярно, но с процессором Pentium 200 и 32 Мб ОЗУ на них не всегда обращают внимание.

История процессора 386 напоминает историю 8086: первую модель с 32 битной шиной данных (в последствии названной 386DX) сменил 386 SX с 16 битной шиной. Он довольно легко вписывался в архитектуру PC AT, ранее базировавшуюся на процессоре 286.

Процессор Intel486DX появился в 1989 году. Транзисторы -1,2 млн., технология 1мкм. От 386-го существенно отличается размещением на кристалле первичного кэша и встроенного математического сопроцессора (предыдущие процессоры имели возможность использования внешних x87 сопроцессоров). Кроме того, для повышения производительности в этом CISC-процессоре (как и в последующих) применено RISC-ядро. Далее появились его разновидности, отличающиеся наличием или отсутствием сопроцессор, применением внутреннего умножения частоты, политикой записи кэша и другими. Занялись энергосбережением (появился режим SMM), что отразилось и в продолжении линии процессоров 386 (появился процессор Intel386SL).

В 19993 году появились первые процессоры Pentium частотой 60 и 66 МГц - 32 разрядные процессоры с 64-битной шиной данных. Транзисторов 3,1 млн, технология 0,8 мкм, питание 5 В. От 486-го его принципиально отличается суперскалярной архитектурой - способностью за один такт выпускать с конвейеров до двух инструкций (что, конечно не означает возможность прохождение инструкций через процессор за полтакта, или один такт). Интерес к процессору со стороны производителей и покупателей PC сдерживался его очень высокой ценой. Кроме того, возник скандал с обнаружением ошибки сопроцессора. Хотя фирма Intel математически обосновала не высокую вероятность ее проявления (раз в несколько лет), она все-таки пошла на бесплатную замену уже проданных процессоров на исправленные.

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100МГц, появившиеся в 1994 году, представили уже второе поколение процессоров Pentium. При почти том же числе транзисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потребляемую мощность. От первого поколения они отличались внутреннем умножением частоты, поддержкой мультипроцессорных конфигураций и имели другой тип корпуса. Появились версии (75 МГц в миниатюрном корпусе) для мобильных применений (блокнотные ПК). Процессоры Pentium второго поколения стали весьма популярны в PC. В 1995 году появились процессоры на 120 и 133 МГЦ, выполненные уже по технологии 0,35 мкм (первые процессоры на 120 МГЦ делались еще по технологии 0,6 мкм). 1996-й называют годом Pentium -появились процессоры на 150, 166 и 200 МГЦ, и Pentium стал рядовым процессором для PC широкого применения.

Параллельно с Pentium развился и процессор Pentium Pro, который отличался новшествами “динамического исполнения инструкций”. Кроме того, в его корпусе разместили и вторичный кэш, для начала объемом 256 Кб. Однако на 16-битных приложениях, а также в среде Windows 95 его применение на дает преимуществ. Процессор содержит 5,5 млн транзисторов ядра, и 15,5 млн транзисторов для вторичного кэша объемом 256 Кб. Первый процессор с частотой 150 МГц появился в начале 1995 года (технология 0,6 мкм), а уже в конце года появились процессоры с частотой 166, 180, 200 МГц (технология 0,35 мкм), у которых кэш достигал 512 Кб.

После долгих обещаний в начале 1997 года появились процессоры Pentium MMX. Расширение ММХ предполагает параллельную обработку группы операндов одной инструкцией. Технология ММХ призвана ускорять выполнение мультимедийных приложений, в частности операции с изображениями и обработку сигналов. Ее эффективность вызывает споры в среде разработчиков, поскольку выигрыш в самих операциях обработки компенсируется проигрышем на дополнительных операциях упаковки-распаковки. Кроме того ограниченная разрядность ставит под сомнение применение ММХ в декодерах MPEG-2, в которых требуется обработка 80-битных операндов. Кроме расширения ММХ эти процессоры, по сравнению с обычным Pentium, имеют удвоенный объем первичного кэша, и некоторые элементы архитектуры, позаимствованные у Pentium Pr, что повышает производительность процессора Pentium ММХ и на обычных приложениях. Процессоры Pentium ММХ имеют 4,5 млн транзисторов и выполнены по технологии -,35 мкм. По состоянию на июнь 1997 г. имеются процессоры с тактовыми частотами 166, 200 и 233 МГц.

Технология ММХ была соединена с архитектурой Pentium Pro - и в мае 1997 года появился процессор Pentium II. Он представляет собой слегка урезанный вариант ядра Pentium Pro с более высокой внутренней тактовой частотой, в которое внесли поддержку ММХ. Трудности размещения вторичного кэша в одном корпусе с процессором преодолели нехитрым способом - кристалл с ядром процессора и набор кристаллов статической памяти и дополнительных схем, реализующих вторичный кэш, разместили на небольшой печатной плате-картридже. Все кристаллы закрыты общей специальной крышкой и охлаждаются специальным вентилятором. Тактовые частоты ядра - 233, 266 и 300 МГц.

Конечно же, перечисленным моделями не исчерпывается весь мировой ассортимент микропроцессоров. Это только представители семейства процессоров, имеющих обобщенное название х86. Ряд фирм (DEC? Motorola, Texas Instruments и другие) имею разработки, существенно отличающиеся от данного семейства; есть другие классы процессоров и у Intel. Среди них есть гораздо более мощные процессоры относящиеся, к таким классам как RISC, так и CISC архитектуру. Однако процессоры Pentium особенно с поддержкой ММХ, имеют самую сложную в мире систему команд.

Процессоры, совместимые с семейством х86, выпускаются не только фирмой Intel. Традиционный конкурент - AMD - выпускает совместимые процессоры обычного несколько позже, но заметно дешевле, иногда по ряду технических свойств они даже опережают аналогичные процессоры Intel. Фирма Cyrix славится своими быстрыми сопроцессорами.

Как уже упоминалось выше, по системе команд и архитектуре различаются процессоры RISC и CISC.

RISC - Reduced (Restricted) Instruction Set Computer - процессоры (компьютеры) с сокращенной системой команд. Эти процессоры обычно имеют набор однородных регистров универсального назначения, и их система команд отличается относительной простотой. В результате аппаратная реализация такой архитектуры позволяет с небольшими затратами выполнить за минимальное (в пределе 1) число тактов синхронизации.

CISC - Complete Instruction Set Computer - процессоры (компьютеры) с полным набором инструкций, к которым и относится семейство х86. Состав и назначения их регистров существенно не однородны, широкий набор усложняет декодирование инструкций, на что расходуются аппаратные ресурсы. Возрастает и число тактов необходимое для выполнения инструкций.

В процессорах рассматриваемого семейства, начиная с 486-го, применяется комбинированная архитектура - CISC-процессор имеет RISC-ядро.

Семейство 80х86 фирмы Intel началось с 16-разрядного процессора 8086. Все старшие модели процессоров, в том числе 32-разрядные (386-й, 486-й, Pentium, Pentium Pro) и с 64-разрядным расширением ММХ, включают в себя подмножество системы команд и архитектуры нижестоящих моделей, обеспечивая совместимость с ранее написанным ПО.

Глава 1

16-разрядные процессоры

16-разрядные процессоры сами по себе уже представляют в основном лишь исторический интерес. Но именно на них “выехали” миллионы РС, обеспечивающих живучесть и подстегивающих развития всего семейства.

1.1 Процессоры i8086/8088

Процессоры 8086, выпущенные фирмой Intel в 1978 году, относятся к первому поколению 16-битных процессоров. Годом позже появилась его модификация 1088. Оба эти процессора выполняют 8/86-битные логические и арифметические операции, включая умножение и деление, операции с строками и операции ввода-вывода. Процессоры имеют 20-разрядную шину адреса, которая позволяет адресовать до 1 Мб памяти. Шина данных у 8086 16-разрядная, у 8088 разрядность внешней шины данных сокращена до 8 бит. Это сокращение, сделанное с целью удешевления системы в целом, оборачивается некоторым снижением производительности: 8086 за счет большей разрядности шины работает примерно на 20-60% быстрее, чем 8088 с той же тактовой частотой. Функциональные различия этих процессоров, обусловлены разной разрядностью шины, появляются только в способе подключения 8- и 16-разрядных внешних устройств. С программной точки зрения эти процессоры идентичны, их система команд и набор процессоров включены во все процессоры РС- совместимых компьютеров. От родоначальника - процессора 8086 - пошло общее обозначения семейства: х86. Процессоры поддерживают аппаратные и программные прерывания и допускают разделяемое использование шины совместно с другими процессорами или контроллерами (например к, прямого доступа к памяти - DMA) . Также предусмотрено использование математического сопроцессора 8087, существенно повышающего производительность вычислений.

В процессорах применима конвейерная архитектура, позволяющая выполнить выборку кодов инструкций из памяти их декодирование во время выполнения внутренних операций. Конвейер повышает производительность процессора за счет сокращения времени простоя его операционных узлов. Конвейер процессора 8086 имеет 6-байтную внутреннюю очередь инструкций. Блок предварительной выборки при наличии 2 свободных байт в очереди старается ее заполнить в то время, когда внешняя шина процессора не занята операциями обмена. Очередь у процессора 8088 сокращена до 4 байт, а предварительная выборка осуществляется уже при наличии одного свободного байта. Это отличия оптимизируют конвейер с учетом разрядности шины данных. Очередь обнуляется при выполнении любой команды передачи управления, даже при переходе на следующий адрес. Этим свойством часто пользуются при программировании управления устройствами ввода-вывода, требующими задержки между соседними операциями обмена.

Процессор имеет 14 регистров разрядностью 16 бит, операнды могут иметь 8 или 16 бит и представлять знаковые и беззнаковые и двоично-десятичные числа. Система команд имеет 24 режима адресации операндов. Среднее время выполнения команды занимает 12 тактов синхронизации, один цикл обмена на внешней шине занимает 2 такта (без тактов ожидания). Тактовая частота процессора 8088, применяемого в превых РС, была 4,77 МГц, в последствии появились процессоры с частотой 8 и 10 МГц (применялись в Turbo XT).

1.1.1 Организация памяти 8086/88

Память для процессоров 8086/8088 представляется в виде линейной последовательности байт. Для обращения к памяти процессор (совместно с внешней схемой) формирует шинные сигналы MEMWR# (Memory Write) и MEMRD# (Memory Read) для операции записи и считывания соответственно. Охват пространства размером 1 Мб обеспечивается 20-разрядной шиной адреса. Логическая память разбивается на сегменты размером 65 Кб. Физический адрес памяти (поступающий на шину адреса разрядностью 20 бит) состоит из двух 16-битных частей - адрес сегмента Seg и исполнительного адреса ЕА (executive address), суммируемых со смещением на 4 бита.

Процессор может обращаться к одному байту памяти, так и слову, или двойному слову. При размещении слова в памяти с адресом, соответствующим адресу слова, содержит его младшую часть (Low), следующий байт содержит старшую часть (High). Слово может размещаться в памяти как по четному (Even), так и по не нечетному (Odd) адресу. Двойное слово обычно используется для хранения полного адреса, и в нем располагается сначала слово смещения (в порядке L, H), а затем сегмента (в том же порядке). Сегментация памяти в порядке L, H являются характерной чертой процессоров Intel.

Все пространство памяти разбивается на параграфы - области из 16 смежных байт, начиная с нулевого адреса. Вполне очевидно, что любой сегмент может начинаться только на границе параграфа (четыре младших бита адреса - нулевые).

1.1.2 Адресация ввода-вывода

Для обращения к устройствам ввода-вывода процессор имеет отдельные команды IN и OUT, результатом выполнения которых является формирование шинных сигналов IORD# (Input/ Output Write) для чтения или записи одного или двух байт. Данные при чтении могут помещаться только в регистр AL или AX и выводятся из этих же регистров. В циклах ввода-вывода используется только 16 младших бит шины адреса (старшие биты при этом нулевые), что позволяет адресовать до 64 Кб регистров ввода-вывода. Адрес устройства задается либо в команде (только младший байт, старший - нулевой), либо берется из регистра DX (полный 16-битный адрес).

1.1.3 Система команд

Набор команд 8086/88 включает следующие основные группы:

инструкции пересылки данных

арифметические и логические инструкции;

инструкции со строками;

инструкции передачи управления;

инструкции управления процессором;

Каждая команда имеет один или два байта инструкции, за которыми может следовать 1, 2 или 4 байты операнда. Перед кодом инструкции возможно применение префиксов CS;, DS;, ES;, SS;, указывающих на использование заданных сегментных регистров вместо обычного, префикса REP, указывающего на необходимость повтора инструкции указанное в регистре СХ число раз, и префикса LOCK, блокирующего системную шину на время выполнения инструкции. С позиции сегодняшнего дня можно считать, что система команд 16-разрядного процессора 8086/88 является подмножеством команд 32-разрядных процессоров 80х86.

1.2 Процессоры 80186/80188

Процессоры i80186/80188 и их модификации 80С186/80С188 не представляют нового представления архитектуры: как и 8085/8088, они являются процессорами с 16-разрядной внутренней архитектурой и программно совместимыми с 8086ю Разрядность шины адреса - 20 бит, шины данных у 80186 - 16 бит, у 80188 - 8 бит. Эти процессоры имеют встроенные периферийные контроллеры прерывания, прямого доступа к памяти, трехканальный таймер и генератор синхронизации. За счет архитектурных улучшений сокращенно число тактов, требуемых для выполнения некоторых команд. Процессоры 80С186/80С188 имеют средства управления энергопотреблением, есть их модификации со встроенными последовательными портами и контроллерами регенерации динамической памяти. Встроенная периферия этих процессоров имеет программный интерфейс, не совместимы с IBM РС - спецификациями. Эти процессоры используются во встраиваемых контроллерах и компьютерах, не требующих 100% IBM - совместимости (возможно обеспечение совместимости на уровне MS DOS).

1.2.1 Математический сопроцессор 8087

Сопроцессор 8087, официально (фирмой Intel) называемый NPX (Numeric Processor eXtension), предназначен для расширения вычислительных возможностей центрального процессора (CPU) 8086/8088, 80186/80188. Его применение к системе команд 8086 добавляется 68 мнемоник, включающих арифметические, тригонометрические, экспоненциальные и логарифмические.

1.3 Процессор 80286

Процессор 80286, выпущенный в 1982 году, представляет второе поколение 16-разрядных процессоров. Он имеет специальные средства для работы в многопользовательских и многозадачных системах. Самым существенным отличием от 8086/88 является механизм управления адресации памяти, который обеспечивает четырехуровневую систему защиты и поддержки виртуальной памяти. Специальные средства предназначены для поддержки механизма переключения задач (Task switching). Процессор имеет расширенную систему команд, которая кроме команд управления защитой включает все команды 8086 н и несколько новых команд общего назначения. Процессор может работать в двух режимах:

8086 Real Address Mode - режим реальной адресации (или просто реальный режим - Real Mode), полностью совместимый с 8086. В этом режиме возможна адресация до 1 Мбайт физической памяти (на самом деле, за счет “удачной” ошибки, почти на 64 Кб больше).

Protect Virtual Address Mode - защищенный режим виртуальной адресации (или просто защищенный режим - Protect Mode). В этом режиме процессор позволяет адресовать до 16 Мбайт физической памяти, через которые при использовании страничной адресации могут отображаться до 1 Гб виртуальной памяти каждой задачи. Система команд в этом режиме также включает набор команд 8086, расширенный для обеспечения аппаратной реализации функций супервизора многозадачной ОС и виртуальной памяти. Переключение в защищенный режим осуществляется одной командой (с предварительно подготовленными таблицами дескрипторов) достаточно быстро. Обратное переключение в реальный режим возможно только через аппаратный сброс процессора.

По составу и назначению в реальном режиме регистры 80286 в основном совпадают с регистрами 8086/88. Изменения касаются назначения бит регистра 8086, процессор 80286 имеет 16-битную шину данных и очередь команд 6 байт. За счет архитектуры сокращенно время выполнения операций: процессор 20286 с тактовой частотой 12,5 МГц работает более чем в 6 раз быстрее чем 8086 с тактовой частотой 5 МГц. Предусмотрена возможность использования высокопроизводительного процессора 80287, программно совместимого с 8087.

Под управлением MSDOS процессор 80286 обычно используют в реальном режиме работы. Защищенный режим используют ОС типа XENIX, UNIX, OS/2, NetWare286 и оболочка MS Windows. Хотя его преимущества в РС реализованы лишь частично (он в основном использовался как быстрый процессор 8086), именно с этим процессором связан настоящий “бум” на рынке РС.

1.3.1 Организация памяти 80286

Как и у процессоров 8086/8088, для обращения к памяти процессор (совместно с внешней схемой) формирует шинные сигналы MEMWR# (Memory Write) и MEMRD# (Memory Read) для операции записи и считывания соответственно. Шина адреса разрядностью 24 бита позволяет адресовать 16 Мб физической памяти, но в реальном режиме доступен только 1 Мб, начинающийся с младших адресов. С программной точки зрения память также организуется в виде сегментов, но управление сегментацией имеет существенные различия для реального и защищенного режимов.

В реальном режиме по адресации памяти декларируется полная совместимость с процессором 8086, который своей 16-битной адресной шиной охватывает пространство в 1 Мб. На самом деле на радость разработчиков программного обеспечения РС, 80286 имеет ошибку, “узаконенною” и в следующих поколения процессоров. При вычислении физического адреса возможно возникновение переполнения, которое с 20-битной шиной адреса просто игнорируется. Например, Seg=FFFFh и EA=FFFF, физический адрес, вычисленный по формуле PA=16*Seg+EA=10FFEF, процессором 8086 трактуется как 0FFEF - адрес, принадлежащий первому мегабайту. Однако на выходе А20 процессора 80286 в этом случае устанавливается единичное значение, что соответствует адресу ячейки из второго мегабайта физической памяти. Для обеспечения полной программной совместимости с 8086 в схему РС был введен специальный вентиль Gate A20, принудительно обнуляющий бит А20 системной шины адреса. Не оценив потенциальной выгоды от этой ошибки, управление вентилем узаконили через программно-управляемы бит контроллера клавиатуры 8042. Когда оперативная память подешевела, а “аппетит” программного обеспечения вырос, в эту небольшую область (64К-16 бит) стали помещать некоторые резидентные программы или даже часть операционный системы, а для ускорения управлением вентилем появились более быстрые способы (Gate A20 Fast Control).

В отличии от 8086 процессор 80286 имеет средства контроля за переходом через границу сегмента, работающие в реальном режиме. При попытке адресации к слову, имеющему смещение FFFh (его старший байт выходит за границу сегмента), или выполнения инструкции, все байты которой не умещаются в одном сегменте, процессор вырабатывает прерывание - исключение 13 (0Dh) - Segment Overrun Exception. При попытке выполнения инструкции ES-CAPE с операндом памяти, не умещаемся в сегменте, вырабатывается исключение 9 - Processor Extension Segment Interrupt.

В защищенном режиме работают не все режимы адресации, допустимые для 8086 и реального режима 80286. Отличия касаются определения сегментов:

сегментные регистры CS, DS, SS и ES хранят не сами базовые адреса сегментов, а селекторы, по которым из таблицы, хранящейся в ОЗУ, извлекаются дескрипторы сегментов;

дескриптор описывает базовый адрес, размер сегмента (1-64 Кб) и его атрибуты;

базовый адрес сегмента имеет разрядность 24 бита, что и обеспечивает адресацию 16 Мб физической памяти.

Селекторы, загружаемые в 16-битные сегментные регистры, имеют три поля:

RPL (биты 0, 1), TI (бит 2) и INDEX (биты 3-15):

RPL (Requested Privilege Level) - запрошенный уровень привилегий;

TI (Table Indicator) - индикатор использования GDT - глобальный (TI=0) или LDT - локальной (TI=1) таблицы дескрипторов;

INDEX - номер дескриптора в таблице.

Дескрипторы хранятся в слове и занимают по четыре смежных слова (8 байт). При загрузке нового значения селектора дескрипторы считываются из ОЗУ и кэшируются во внутренних программно не доступных (и невидимых) регистрах процессора. До смены значения селектора при обращения к памяти используются значения дескрипторов только из кэш-регистров. Обращение к дескрипторам выполняются как заблокированные шинные циклы, что обеспечивает целостность дескрипторов и при наличии других контроллеров шины.

Для функций передачи управления и переключения задач определенны специальные типы дескрипторов

1.3.2 Ввод-вывод

Как и 8086, процессор 80286 позволяет адресовать до 64К однобайтных или 32К двухбайтных регистров в пространстве, отдельном от памяти (команды ввода-вывода вызывают шинные циклы с активными сигналами IORD#, IOWR#). В адресном пространстве ввода-вывода область 00F8-00FF зарезервирована для использования сопроцессором. При операциях ввода-вывода старшие биты адреса (линии А[16:20]) не используются. Адрес устройства либо задается в команде (только младший байт, старший - нулевой), либо берется из регистра DX (полный 16-битный адрес). Строковые команды REP INSB/INSW, REP OUTSB/OUTSW обеспечивают блочный ввод-вывод со скоростью, превышающей аналогичные операции со стандартным контроллером DMA.

В защищенном режиме инструкции ввода-вывода являются привилегированными. Это означает, что они могут исполнятся задачами только с определенным уровнем привилегий, определяемым полем IOPL регистра флагов. Несанкционированная попытка выполнения этих инструкций вызывает исключение 13 - нарушения защиты (знаменитое сообщение “General Protection Error”).

1.3.3 Начальный сброс и переход в защищенный режим

По высокому уровню сигнала на входе RESET процессор прекращает выполнение инструкций и перестает управлять локальной шиной. После аппаратного сброса процессор переходит к выполнению команды, считанной по физическому адресу FFFF0h. Сброс (и только сброс!) переводит процессор в реальный режим и устанавливает значения некоторых регистров.

Только после сброса и до первой команды межсегментного перехода или вызова на шине адреса в реальном режиме бита А[20:23] в циклах выборки команд имеют единичное значения. Из этого следует, что по крайней мере на начальный период времени после сигнала RESET компьютер должен иметь образ BIOS в адресах FFFFF0-FFFFFFh, в то время как РС на 8086/88 ROM BIOS располагалась под границей 0FFFFFh. Перемещение BIOS из первого мегабайта памяти в старшие адреса “навсегда” невозможно, поскольку векторы прерывания, ссылающиеся на сервисы BIOS, в реальном режиме могут адресоваться только к памяти в диапазоне адресов 0-0FFFFh (0-10FFEF при открытом вентиле Gate A20). Таким образом, у РС/AT на процессоре 80286 (и старше) ROM BIOS отображается по крайней мере на две области памяти, расположенные под верхними границами первого и последнего мегабайтов физической памяти.

Перевод процессора в защищенный режим осуществляется загрузкой в MSW слова с единичным значением бита РЕ (Protect Enable). Перед этим в памяти должны быть проинициализированы необходимые таблицы дескрипторов IDT и GDT, а в базовые регистры IDT и GDT должны быть занесены их физические адреса (24-битные) и размер. После выполнения инструкции LMSW, устанавливающий бит РЕ, сразу должна выполнятся команда внутрисегментного перехода JMP для очистки очереди инструкций, декодированных в реальном режиме.

Для установки регистров процессора в начальное состояние защищенного режима, предполагаемое системное ПО, выполняют инструкцию JMP с ссылкой на селектора начального TSS системы. При этом загрузится регистр задачи, регистры LDT, регистры сегментов и общие регистры. Регистр задачи TR должен указывать на действительный TSS, поскольку операция переключения задач повлечет сохранение текущего состояния задач.

1.3.4. Защита

Процессор 80286 имеет механизмы защиты от несанкционированного выполнения критических инструкций - команды HLT, которая останавливает процессор, и команд, влияющих на сегменты кода и данных. Механизмы сгруппированы в три группы:

ограничения использования сегментов (например, запрет на записи в только читаемые сегменты данных); доступность использования только сегментов, дескрипторы которых описаны в GDT и LDT;

ограничения доступа к сегментам через правила привилегий;

выделение привилегированных инструкций или операций, которые можно выполнять только при определенных уровнях CPL и IOPL (биты 13 и 14 регистра флагов).

процессор память команда

Глава 2

Архитектура 32-разрядных процессоров

История 32-разрядных процессоров началась с процессора Intel386. Эти процессора вобрали в себя все свойства своих 16-разрядных предшественников 8086/88 и 80286 для обеспечения программной совместимости с громадным объемом ранее написанного ПО. Однако в них по современным меркам преодолено очень жесткое ограничение на длину непрерывного сегмента памяти - 64 Кб. В защищенном режиме 32-битных процессоров оно отодвинулось до 4 Гб - предела физически адресуемой памяти, что какое-то время можно считать “почти бесконечностью“. Все эти процессоры имеют поддержку виртуальной памяти объемом до 64 Тб, встроенный блок управления памятью поддерживает механизмы сегментации и страничной трансляции адресов (Paging). Процессоры обеспечивают четырехуровневую системы защиты памяти и ввода-вывода, переключения задач. Они имеют расширенную систему команд, включающую все команды 8086, 80286. Процессор может работать в двух режимах, между которыми обеспечивается достаточно быстрое переключение в обе стороны:

Real Address Mode - режим реальной адресации, полностью совместимый с 8086. В этом режиме возможна адресация до 1 Мб физической памяти (на самом деле почти на 64 Кб больше).

Protected Virtual Address Mode - защищенный режим виртуальной адресации. В этом режиме процессор позволяет адресовать до 4 Гб физической памяти, через которые при использовании механизма страничной адресации могут отображаться до 16 Тб виртуальной памяти каждой задачи. Существенным дополнением является Virtual 8086 Mode - режим виртуального процессора 8086. Это режим является особым состоянием задачи защищенного режима, в котором процессор функционирует как 8086. На одном процессоре в таком режиме могут одновременно исполняться несколько задач с изолированными друг от друга реальными ресурсами. При этом использование физического адресного пространства памяти управляется механизмами сегментации и трансляции страниц. Попытки выполнения команд, выхода за рамки отведенного пространства памяти и разрешенной области ввода-вывода контролируется системой защиты.

Процессоры могут оперировать с 8, 16 и 32-битными операндами байт, слов и двойных слов, а также с битам, битовыми полями и строками бит.

Рассмотрим базовую архитектуру, общую для всех существующих на данный момент 32-разрядных процессоров: 386, 486, Pentium, Pentium Pro и Pentium II.

2.1 Организация памяти

Память для процессоров 80х86 разделяются на байты (8 бит), слова (16 бит), двойные слова (32 бит). Слова записываются в двух смежных байтах, начиная с младшего. Адресом слова является адрес его младшего байта. Двойные слова записываются в четырех смежных байтах.

Более крупными единицами являются страницы и сегменты. Память может логически организовываться в виде одного или множества сегментов переменной длины ( в реальном режиме - фиксированной). Сегменты могут выгружаться на диске и по мере необходимости с него подкачиваться в физическую память. Кроме сегментации, в защищенном режиме возможно разбиение логической памяти на страницы размером 4 Кб (Paging), каждая из которых может отображаться на любую область физической памяти. Сегментация и разбиение на страницы могут применяться в любых сочетаниях. Сегментация является средством организации логической памяти, используемым на прикладном уровне. Разбиение на страницы применяются на системном уровне для управлении физической памятью.

Применительно к памяти различают на три адресных пространства: логическое, линейное и физическое. Основным режимом работы 32-разрядных процессоров считается защищенный режим, в котором работают все механизмы преобразования адресных пространств.

Логический адрес, также называется виртуальным, состоит из селектора (в реальном режиме - просто сегмента) и смещение. Смещение формируется суммированием компонентов (base, index, disp) в эффективный адрес. Поскольку каждая задача может иметь до 16К селекторов, а смещение, ограниченное размером сегмента, может достигать 4 Гб, логическое адресное пространство для каждой задачи может достигать 64 Тб. Все это пространство виртуальной памяти в принципе доступно программисту (этот `принцип” должна реализовывать операционная система).

Блок сегментации транслирует логическое адресное пространство в 32-битное пространство линейных адресов. Линейный адрес образуется сложением базового адресного сегмента с эффективным адресом. Базовый адрес сегмента в реальном режиме образуется умножением содержимого используемого сегментного регистра на 16 (как и в 8086). В защищенным режиме базовый адрес загружается из дескриптора, хранящегося в таблице, по селектору, загруженному в используемый сегментный регистр.

Физический 32-битный адрес памяти образуется после преобразования линейного адреса блоком страничной переадресации. В простейшем случае (при отключенном блоке страничной переадресации) линейный адрес совпадает с физическим - присутствующим на внешней шине адреса процессора. Включенный блок страничной переадресации осуществляет трансляцию линейного адреса в физический блоками (страницами) размером 4 Гб. Этот блок может включаться только в защищенном режиме.

Как и у процессоров 8086/8088, для обращения к памяти процессор (совместно с внешней схемой) формирует шинные сигналы MEMWR# (Memory Write) и MEMRD (Memory Read) для операции записи и считывания соответственно. Шина адреса разрядностью 32 бита позволяет адресовать 4 Гб физической памяти, но в реальном режиме доступен только 1 Мб, начинающийся с младших адресов.

В реальном режиме по адресации памяти обеспечивается совместимость с процессором 8086, который своей 16-битной адресной шиной охватывает пространство физической памяти в 1Мб. Для обеспечения совместимости с 80286 32-разрядные процессоры реализуют его ошибку, связанную с переполнением, возникающим при сложении адресов сегмента с эффективным адресом. При вычисление физического адреса возможно возникновение переполнение, которое вызовет появление единицы на линии А20 шины адреса. Максимальное значение адреса в реальном режиме 10FFEF достигается при Seg=FFFFh и EA=FFFFh. Для обеспечения полной программной совместимости с 8086 в РС используется вентиль Gate A20, принудительно обнуляющий бит А20 системной шины адреса. Вентиль в РС управляется через программно-управляемый бит контроля клавиатуры 8042 или более быстрым способом (Gate A 20 Fast Control), определяемым чипсетом системной платы.

В реальном режиме размер сегмента фиксирован - как и 8086, он составляет 64 Кб (FFFFh). Попытка использования эффективного адреса, выходящего за границы сегмента, при 32-битной адресации вызывает исключение типа 13. При 16-битной адресации при вычисление эффективного адреса возможный перенос в разряд А16 игнорируется, и сегмент “сворачивается кольцом” (как и в 8086). Средства контроля следят и за переходом через границу сегмента во время обращения по “приграничному” адресу. При попытки адресации к слову, имеющему смещение FFFFh, или двойному слову со смещением FFFDh-FFFh (их старшие байты выходят за границу сегмента), или выполнения инструкции, все байты которой не умещаются в данном сегменте, процессор вырабатывает прерывание - исключение типа 13 (0Dh) - Segment Overrun Exception. При попытки выполнения инструкции ESCAPE с операндом памяти, не умещающимся в сегменте, вырабатывается исключение типа 9 - Processor Extension Segment Overrun Interrupt (только для 386).

8Система команд 32-разрядных процессоров предусматривает 11 режимов адресации операндов. Из них только два не имеют отношение к памяти:

операнд-регистр, который может находится в любом 8, 16 или 32-битном регистре процессора.;

непосредственный операнд (8, 16 или 32-бит), который может содержаться в самой команде.

Остальные девять режимов (табл. 3.1.) используются при формировании эффективного адреса операнда из памяти.

Эффективный адрес вычисляется с использованием комбинации следующих компонентов:

Смещение (Displacement или Disp) - 8-, 16- или 32-битное число, включенное в команду.

База (Base) - содержимое базового регистра. Обычно используется для указания на начало некоторого массива.

Индекс (Index) - содержимое индексного регистра. Обычно используется для выбора элемента массива.

Масштаб (Scale) - множитель (1, 2, 4 или 8), указанный в коде инструкции. Этот элемент используется для указания размера элемента массива. Доступен только в 32-битном режиме адресации.

Эффективный адрес вычисляется по формуле EA=Base+Index*Scale+Disp.

Отдельные слагаемые в этой формуле могут и отсутствовать. Возможные режимы адресации приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Режимы адресации памяти 32-битных процессоров

Прямая адресация	EA=Disp
Косвенная регистровая адресная Register Index Mode	EA=Base
Базовая адресации Based Mode	EA=Base+Disp
Индексная адресация Index Mode	EA=Index+Disp
Масштабированная индексная адресации Scaled Index Mode	EA=Scalex*Index+Disp** Масштабирование индекса возможно только в 32-битном режиме адресации
Базово-индексная адресация Based Index Mode	EA=Base+Index*
Масштабированная базово-индексная адресация Based Scaled Index Mode	EA=Base+Scale* Index
Масштабированная базово-индексная адресация Based Index Mode with Displacement	EA=Base+Index+Disp
Масштабированная базово-индексная адресации со смещение Based Scaled Index with Displacement	EA=Base+Scale*Index+Disp*

Процессор может использовать режимы 32-битной или 16-битной адресации. Режим 16-битной адресации соответствует режимам процессоров 8086 и 80286, при этом в качестве компонентов адреса используются младшие 16 бит соответствующих регистров. Режим 32-битной адресации использует расширенные 32-разрядные регистры и имеет дополнительные режимы, использующие масштабирование индекса. Различия 16- и 32-битных режимов адресации приведены в табл. 3.2.

В реальном режиме по умолчанию используется 16-битная адресация, но с помощью префикса изменение разрядн6ости адреса (Address Length Prefix) для текущей инструкции можно переключится в 32-битный режим. При этом появляются дополнительные возможности адресации (масштабирования), но вычисленное значение эффективного адреса все равно не может преодолеть 64-килобайтный барьер - при такой попытке генерируется исключение 13 - General Protection Fault.

В защищенном режиме адресация по умолчанию определяется битом D дескриптора используемого кодового сегмента: при D=0 - 15 бит, при D=1 - 32 бита. Префикс разрядности адреса переключает разрядность для текущей инструкции на противоположную.

Таблица 3.2. Различия режимов адресации

Компоненты	16-битная адресации	32-битная адресации
Базовый регистр	BX или BP	Любой 32-битный общего назначения
Индексный регистр	SI или DI	Любой 32-битный общего назначение, кроме ESP
Масштаб	Нет (всегда 1)	1, 2, 4 или 8
Смещение	0, 8 или 16 бит	0, 8 или 32 бит

При обращениях к памяти использование сегментных регистров по умолчанию определяется типом обращения (табл. 3.3.). На время текущей инструкции при необходимости для большинства типов обращения возможно использование альтернативного сегментного регистра, на что указывает префикс замены сегмента (CS:; DS:; ES:; SS:; FS: или GS) перед кодом инструкции.

Таблица 3.3. Использование сегментных регистров при адресации памяти

Тип обращения к памяти	Сегментный регистр
	по умолчанию	альтернативный
Выборка команд	CS	Нет
Стековые операции	SS	Нет
Строка-приемник	ES	Нет
Любые ссылки к памяти, кроме использующих в качестве базового регистры BP, EBP или ESP	DS	CS,ES,SS FS,GS
Ссылки к памяти, использующие в качестве базового регистры BP, EBP или ESP	SS	CS,DS,ES, FS,GS

2.2 Прерывания и исключения

Прерывания и исключения нарушают нормальный ход выполнения программы для обработки внешних событий или сообщения о возникновении особых условий или ошибок.

Прерывания подразделяются на аппаратные (маскируемые и немаскируемые), вызываемые электрическими сигналами на выходах процессора, и программные, вызываемые по команде INT xx. Программные прерывания процессором обрабатываются как разновидность исключений.

Аппаратные прерывания подразделяются на маскируемые и немаскируемые. Процессор может воспринимать прерывания после выполнения каждой команды, длинные строковые команды имеют для восприятия прерываний специальные окна.

Маскируемые прерывания вызывают переход и высокий уровень сигнала на входе INTR (Interrupt Request) при установленном флаге разрешения (IF=1). В этом случае процессор сохраняет с стеке регистр флагов, сбрасывает флаг IF и вырабатывает два следующих друг за другом (back to back) цикла подтверждения прерывания, в которых генерируются управляющие сигналы INTA# (Interrupt Acknowledge). Высокий уровень сигнала INTR должен сохраняться по крайней мере до подтверждения прерывания. Первый цикл подтверждения холостой, по второму импульсу внешний контроллер прерываний передает по шине номер вектора, обслуживающего данный тип аппаратного прерывания. Прерывание с полеченным номером вектора выполняется процессором также, как и программное. Обработка текущего прерывания может быть в свою очередь прервана немаскируемым прерыванием, а если обработчик установит флаг IF, то и другим маскируемым аппаратным прерыванием.

Немаскируемые прерывания выполняются не зависимо от состояния флага IF по сигналу NMI (Non Mascable Interrupt). Высокий уровень на этом входе вызовет прерывание с типом (вектором) 2, которое выполняется также, как и маскируемое. Его обработка не может прерваться под действием сигнала на входе NMI до выполнения команды IRET.

Исключения (Exceptions) подразделяются на отказы, ловушки и аварийные завершения.

Отказ (fault) - это исключение, которое обнаруживается и обслуживается до выполнения инструкции, вызывающей ошибку. После обнаружения этого исключения выполнение возвращается снова на туже инструкцию (включая все префиксы), которая вызвала отказ. Отказы, использующиеся в системе виртуальной памяти, позволяют, например, подкачать с диска в оперативную память затребованную страницу или сегмент.

Ловушка (trap) - это исключение, которое обнаруживается и обслуживается после выполнения инструкции, его вызывающей. После обслуживания этого исключения управление возвращается на инструкцию, следующей за вызывающей ловушку. К классу ловушек относятся и программные прерывания.

Аварийное завершение (abort) - это исключение, которое не позволяет точно установить инструкцию, его вызвавшую. Оно используется для сообщения о серьезной ошибке, такой как аппаратное ошибка или повреждение системных таблиц.

Набор и обработка исключений реального и защищенного режимов различны. Под исключения Intel резервирует векторы 0-31 в таблице прерываний, однако в РС часть из них перекрывается системными прерываниями BIOS и DOS.

2.3 Начальный сброс и самотестирование

По высокому уровню сигнала на входе RESET процессор прекращает выполнение инструкции и перестает управлять локальной шиной. После аппаратного сброса процессор переходит к выполнению команды, считанной по физическому адресу FFFFFFF0h. Сброс переводит процессор в реальный режим и устанавливает значения некоторых регистров:

FLAGS = 0002h и биты VM и RF его расширения обнуляются;

в регистре CR0 обнуляются биты PG, TS, EM, MP и РЕ;

CS = F000h (база устанавливается FFFF0000h, лимит - 0FFFFh);

DS = ES = SS = FS = GS = 0000h

Регистр DH после сброса содержит идентификатора процессора Component Id (03-386, 04-486, 05-Pentium, 06-Pentium Pro или Pentium II), DL - номер модели (Revision Id).

Только после сброса и до первой команды межсегментного перехода или вызова на шине адреса в реальном режиме биты A[20:31] в циклах выборки команд имеют единичное значение. Из этого следует, что по крайней мере на начальный период времени после сигнала RESET компьютер должен иметь образ BIOS в адресах FFFFFFF0-FFFFFFFFh, в то время, как в РС 8086/88 имели образ под границей 16-го мегабайта (FFFFFFh). Перемещение BIOS из первого мегабайта памяти в режиме нормальной работы невозможно, поскольку векторы прерывания, ссылающиеся на сервисы BIOS, в реальном режиме могут адресоваться только к памяти в диапазоне адресов 0-0FFFFFh (0-10FFEF) при открытом вентиле Gate A20).

Если во время спада сигнала RESET на определенном входе процессора удерживать низкий уровень сигнала, процессор начнет выполнять внутренний тест BIST (Built-In Self-Test). Тест для 386-го и 486-го процессоров выполняется примерно за 2 в 20-ой степени тактов, что занимает десятки миллисекунд. По окончанию самотестирования процессор начинает работу, как после обычного сброса, а регистр EAX содержит сигнатуру результата тестирования. Об успешном выполнении теста свидетельствует нулевое значение сигнатуры.

2.4 Ввод-вывод

Как и 8086, 32-разрядные процессоры позволяют адресовать до 64К однобайтных или 32К двухбайтных регистров в пространстве, отдельном от памяти. Дополнительно имеется возможность обращения к 32-битным портам. При операциях ввода-вывода линии A[16:31] не используются. Адрес устройства задерживается либо в команде (только младший байт, старший - нулевой), либо берется из регистра DX (полный 16-битытный адрес). Команды ввода-вывода вызывают шинные циклы с активными сигналами IORD#, IOWR#. Строковые команды обеспечивают блочный ввод-вывод со скоростью, превышающей аналогичные операции со стандартным контроллером DMA. В адресном пространстве ввода-вывода область 0F8-0FF зарезервирована для использования сопроцессором (при обращении к сопроцессору 386 выставляет единицу на линии А31 шины адреса, что используется для упрощения дешифрации адресов).

В защищенном режиме инструкции ввода-вывода являются привилегированными. Это означает, что они могут исполнятся задачами только с определенным уровнем привилегий, определяемым полем IOPL регистра флагов или битовой картой разрешения ввода-вывода (I/O Remission Bitmap), хранящийся в сегменте состояния задачи. Несанкционированная попытка выполнения этих инструкций вызовет исключение 13 - нарушение защиты (знаменитое сообщение “General Protection Error ”).

2.5 Режим системного управления SMM

Современные модели 32-разрядных процессоров (начиная с некоторых модификаций 386-го и 486-го), кроме обычных режимов - реального, защищенного и режима V86, - имеют дополнительный режим системного управления SMM (System Management Mode). Этот режим предназначен для выполнения некоторых действий с возможностью их полной изоляции от прикладного программного обеспечения и даже операционный системы. Главным образом, этот режим предназначен для реализации системы управления энергопотреблением.

В режим SMM процессор может войти только по сигналу на входе SMI# (System Management Interrupt), более совершенные процессоры могут войти в SMM и по приему соответствующего сообщения по шине APIC. Сигнал для процессора является запросом прерывания с наивысшим приоритетом. Обнаружив активный сигнал (низкий уровень) SMI#, процессор по завершении текущей инструкции и выгрузки буферов записи переключается в режим SMM, о чем свидетельствует его выходной сигнал SMIACT#. Сразу при входе в SMM процессор сохраняет свой контекст - почти все регистры - в специальной памяти SMRAM. Эта память является выделенной областью физической памяти, доступ к которой обеспечивается внешними (по отношению к процессору) схемами в шинных циклах обращения к памяти только при наличии сигнала SMIAKT#. После сохранения контекста процессор переходит к выполнению обработчика SMI, который расположен в той же памяти SMRAM. Обработчика представляет собой последовательность обычных инструкций, исполняемых процессором в режиме, напоминающем реальный. При входе в режим SMM автоматически запрещаются аппаратные прерывания (включая и немаскируемые) и не генерируются исключения, так что действия процессора однозначно определяются программой обработчика SMI. Процедура обработки завершается инструкцией RSM, по которой процессор восстанавливает свой контекст из образа, хранящегося в SMRAM, и возвращается в обычный режим работы.

При возврате из SMM возможны некоторые варианты, заказанные обработчиком (в пределах возможности SMM данного процессора). Во-первых, обработчик может программно внести изменения в образ контекста процессора, и при его восстановлении процессор может вернуться не в то состояние, в котором произошло SMI. Во-вторых возможен выбор варианта для случая, когда прерывание SMI возникло во время останова процессора по инструкции HALT: можно вернуться снова на инструкцию останова, а можно перейти к выполнению следующей за ней инструкции. В-третьих, процессоры, начиная с Pentium второго поколения (и Enhanced 486 фирмы AMD), поддерживают возможность рестарта (повторного выполнения) инструкции ввода-вывода, предшествующей появлению сигнала SMI#.