Архитектура и процессоры персональных компьютеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Глава 7. Организация персонального компьютера

Лекция 13. Архитектура и процессоры персональных компьютеров

В этой лекции рассказывается об особенностях архитектуры персональных компьютеров семейства IBM PC, о процессорах, применяемых в персональных компьютерах, об их функциях, характеристиках, этапах их эволюции.

Ключевые слова: архитектура, системные устройства, распределение памяти, чипсет, кэш, защищенный режим, многозадачный режим.

Как уже отмечалось, персональный компьютер представляет собой наиболее развитый вид микропроцессорных систем. На основе персональных компьютеров можно строить самые сложные контрольно-измерительные, управляющие, вычислительные и информационные системы. Имеющиеся в персональном компьютере аппаратные и программные средства делают его универсальным инструментом для самых разных задач.

В случае вычислительных и информационных систем персональный компьютер не нуждается в подключении нестандартной аппаратуры, все сводится к подбору или написанию необходимого программного обеспечения. В случае же контрольно-измерительных и управляющих систем персональный компьютер оснащается набором инструментов для сопряжения с внешними устройствами и соответствующими программными средствами. Во многих случаях строить систему на основе персонального компьютера оказывается гораздо проще, быстрее и даже дешевле, чем проектировать ее с нуля на базе какого-то микропроцессора, микропроцессорного комплекта или микроконтроллера.

Конечно, в большинстве случаев система на основе персонального компьютера оказывается сильно избыточной, это плата за универсальность. Но в то же время один и тот же компьютер может решать самые разнообразные задачи. Например, в системе управления технологическими процессами или научными установками он может математически моделировать происходящие процессы, выдавать в реальном времени управляющие сигналы, принимать в реальном времени ответные сигналы, накапливать информацию, обрабатывать ее, обмениваться информацией с другими компьютерами и т.д. Развитый интерфейс пользователя (видеомонитор, полноразмерная клавиатура, мышь) делают работу с персональным компьютером комфортной и эффективной. А стоимость персональных компьютеров вследствие большого объема выпуска постоянно снижается. Поэтому их использование не только удобно, но и экономически выгодно.

Но чтобы грамотно и полноценно использовать персональный компьютер в составе любых систем, надо иметь представление об его архитектуре, об основных принципах построения, об устройствах, входящих в его состав, наконец, о внешних интерфейсах.

7.1 Архитектура персонального компьютера

Персональный компьютер типа IBM PC имеет довольно традиционную архитектуру микропроцессорной системы и содержит все обычные функциональные узлы: процессор, постоянную и оперативную память, устройства ввода/вывода, системную шину, источник питания (рис.7.1). Основные особенности архитектуры персональных компьютеров сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также к выбранному набору системных аппаратных средств.



Рис. 7.1. Архитектура персонального компьютера типа IBM PC.

Функции основных узлов компьютера следующие:

* Центральный процессор -- это микропроцессор со всеми необходимыми вспомогательными микросхемами, включая внешнюю кэш-память и контроллер системной шины. (О кэш-памяти подробнее будет рассказано в следующих разделах). В большинстве случаев именно центральный процессор осуществляет обмен по системной шине.

* Оперативная память может занимать почти все адресуемое пространство памяти процессора. Однако чаще всего ее объем гораздо меньше. В современных персональных компьютерах стандартный объем системной памяти составляет, как правило, от 64 до 512 Мбайт. Оперативная память компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти и поэтому требует регенерации.

* Постоянная память (ROM BIOS -- Base Input/Output System) имеет небольшой объем (до 64 Кбайт), содержит программу начального запуска, описание конфигурации системы, а также драйверы (программы нижнего уровня) для взаимодействия с системными устройствами.

* Контроллер прерываний преобразует аппаратные прерывания системной магистрали в аппаратные прерывания процессора и задает адреса векторов прерывания. Все режимы функционирования контроллера прерываний задаются программно процессором перед началом работы.

* Контроллер прямого доступа к памяти принимает запрос на ПДП из системной магистрали, передает его процессору, а после предоставления процессором магистрали производит пересылку данных между памятью и устройством ввода/вывода. Все режимы функционирования контроллера ПДП задаются программно процессором перед началом работы. Использование встроенных в компьютер контроллеров прерываний и ПДП позволяет существенно упростить аппаратуру применяемых плат расширения.

* Контроллер регенерации осуществляет периодическое обновление информации в динамической оперативной памяти путем проведения по шине специальных циклов регенерации. На время циклов регенерации он становится хозяином (задатчиком) шины.

* Перестановщик байтов данных помогает производить обмен данными между 16-разрядным и 8-разрядным устройствами, пересылать целые слова или отдельные байты.

* Часы реального времени и таймер-счетчик -- это устройства для внутреннего контроля времени и даты, а также для программной выдержки временных интервалов, программного задания частоты и т.д.

* Системные устройства ввода/вывода -- это те устройства, которые необходимы для работы компьютера и взаимодействия со стандартными внешними устройствами по параллельному и последовательному интерфейсам. Они могут быть выполнены на материнской плате, а могут располагаться на платах расширения.

* Платы расширения устанавливаются в слоты (разъемы) системной магистрали и могут содержать оперативную память и устройства ввода/вывода. Они могут обмениваться данными с другими устройствами на шине в режиме программного обмена, в режиме прерываний и в режиме ПДП. Предусмотрена также возможность захвата шины, то есть полного отключения от шины всех системных устройств на некоторое время.

Важная особенность подобной архитектуры -- ее открытость, то есть возможность включения в компьютер дополнительных устройств, причем как системных устройств, так и разнообразных плат расширения. Открытость предполагает также возможность простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения компьютера.

Первый компьютер семейства, получивший широкое распространение, IBM PC XT, был выполнен на базе оригинальной системной магистрали PC XT-Bus. В дальнейшем (начиная с IBM PC AT) она была доработана до магистрали, ставшей стандартной и получившей название ISA (Industry Standard Architecture). До недавнего времени ISA оставалась основой компьютера. Однако, начиная с появления процессоров i486 (в 1989 году), она перестала удовлетворять требованиям производительности, и ее стали дублировать более быстрыми шинами: VLB (VESA Local Bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect bus) или заменять совместимой с ISA магистралью EISA (Enhanced ISA). Постепенно шина PCI вытеснила конкурентов и стала фактическим стандартом, а начиная с 1999 года в новых компьютерах рекомендуется полностью отказываться от магистрали ISA, оставляя только PCI. Правда, при этом приходится отказываться от применения плат расширения, разработанных за долгие годы для подключения к магистрали ISA.

Другое направление совершенствования архитектуры персонального компьютера связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти компьютер читает все исполняемые команды, и в системной же памяти он хранит данные. То есть больше всего обращений процессор совершает именно к памяти. Ускорение обмена с памятью приводит к существенному ускорению работы всей системы в целом. Но при использовании для обмена с памятью системной магистрали приходится учитывать скоростные ограничения магистрали. Системная магистраль должна обеспечивать сопряжение с большим числом устройств, поэтому она должна имен, довольно большую протяженность; она требует применения входных и выходных буферов для согласования с линиями магистрали. Циклы обмена по системной магистрали сложны, и ускорять их нельзя. В результате существенного ускорения обмена процессора с памятью по магистрали добиться невозможно.

Разработчиками был предложен следующий подход. Системная память подключается не к системной магистрали, а к специальной высокоскоростной шине, находящейся «ближе» к процессору, не требующей сложных буферов и больших расстояний. В таком случае обмен с памятью идет с максимально возможной для данного процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это становится с ростом быстродействия процессора (сейчас тактовые частоты процессоров персональных компьютеров достигают 1--3 ГГц).

Таким образом, структура персонального компьютера из одношинной, применявшейся только в первых компьютерах, становится трехшинной (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Организация связей в случае трехшинной структуры.

Назначение шин следующее:

* к локальной шине подключаются центральный процессор и кэш-память (быстрая буферная память);

* к шине памяти подключается оперативная и постоянная память компьютера, а также контроллер системной шины;

* к системной шине (магистрали) подключаются все остальные устройства компьютера.

Все три шины имеют адресные линии, линии данных и управляющие сигналы. Но состав и назначение линий этих шин не совпадают между собой, хотя они и выполняют одинаковые функции. С точки зрения процессора, системная шина (магистраль) в системе всего одна, по ней он получает данные и команды и передает данные как в память, так и в устройства ввода/вывода.

Временные задержки между системной памятью и процессором в данном случае минимальны, так как локальная шина и шина памяти соединены только простейшими быстродействующими буферами. Еще меньше задержки между процессором и кэш-памятью, подключаемой непосредственно к локальной шине процессора и служащей для ускорения обмена процессора с системной памятью.

Если в компьютере применяются две системные шины, например, ISA и PCI, то каждая из них имеет свой собственный контроллер шины, и работают они параллельно, не влияя друг на друга. Тогда получается уже четырехшинная, а иногда и пятишинная структура. Пример такой структуры компьютера приведен на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Пример многошинной структуры.

В наиболее распространенных настольных компьютерах класса Desktop в качестве конструктивной основы используется системная или материнская плата (motherboard), на которой располагаются все основные системные узлы компьютера, а также несколько разъемов (слотов) системной шины для подключения дочерних плат -- плат расширения (интерфейсных модулей, контроллеров, адаптеров). Как правило, современные системные платы допускают замену процессора, выбор его тактовой частоты, замену и наращивание оперативной памяти, выбор режимов работы других узлов.

На системной плате сейчас обычно располагаются также основные средства внешнего интерфейса, служащие для присоединения как встроенных устройств (например, дисковых носителей), так и внешних устройств компьютера (например, клавиатуры, мыши, принтера, сканера, модема). Для подключения видеомонитора, как правило, используется специальная плата расширения (контроллер дисплея), вставляемая в один из слотов. Это позволяет заменять ее более мощной при необходимости установки нового монитора.

Отметим, что для получающих все более широкое распространение портативных персональных компьютеров класса ноутбуков (notebook) применяются несколько иные конструктивные решения. В частности, в них отсутствуют слоты расширения системной шины, а практически все узлы компьютера выполняются на одной плате. Но мы в основном будем говорить о компьютерах типа desktop (настольных), так как именно они наиболее приспособлены для построения сложных систем, допускают довольно простую модернизацию (upgrade) и настройку на конкретные нужды пользователя.

7.2 Процессоры персональных компьютеров

Несмотря на то, что первый персональный компьютер был выпущен фирмой Apple, сейчас персональными компьютерами называют в основном IBM PC-совместимые компьютеры. Это связано, прежде всего, с тем, что фирма IBM выбрала правильную рыночную политику: она не скрывала принципов устройства своих компьютеров и не патентовала основных решений. В результате многие производители стали выпускать совместимые компьютеры, и они быстро стали фактическим стандартом. Из-за большого объема выпуска персональные компьютеры начали быстро дешеветь. К тому же для IBM-совместимых персональных компьютеров стали разрабатывать множество программных средств, что еще больше способствовало их распространению. Поэтому, несмотря на некоторые существенные архитектурные недостатки, IBM-совместимые персональные компьютеры сейчас уверенно занимают первое место на рынке.

С самого начала фирма IBM ориентировалась на процессоры Intel. У этих процессоров были очень мощные конкуренты, например, процессоры фирм Motorola или Zilog, превосходившие процессоры Intel по многим параметрам, но именно благодаря персональным компьютерам процессоры Intel смогли выйти победителями в конкурентной борьбе. К тому же еще некоторые фирмы (например, AMD, VIA, Cyrix) выпускают Intel-совместимые процессоры. Поэтому мы рассмотрим основные особенности процессоров фирмы Intel. Это позволит нам также проследить основные тенденции в развитии процессоров за последние десятилетия.

Свой первый 16-разрядный процессор i8086 фирма Intel выпустила в 1978 году. Он мог адресовать 1 Мбайт памяти (то есть имел 20-разрядную шину адреса), производительность его при тактовой частоте 5 МГц составляла 0,33 MIPS, но вскоре появились процессоры с тактовой частотой 8 и 10 МГц. Чуть позже (через год) была выпущена упрощенная версия процессора i8086 --i8088, который отличался только 8-разрядной внешней шиной данных. За счет этого он был медленнее, чем i8086, на 20--60% при той же тактовой частоте, но зато заметно дешевле. Именно на его основе был собран очень популярный персональный компьютер IBM PC XT.

16-разрядный процессор i80286, выпущенный в 1982 году, был использован в персональных компьютерах IBM PC AT. Принципиально новым было в нем то, что он мог адресовать до 16 Мбайт памяти и имел помимо реального режима, аналогичного i8086, еще и так называемый защищенный режим, позволяющий более гибко управлять памятью. Производительность этого процессора при тактовой частоте 8 МГц составляла 1,2 MIPS.

Важным шагом стало появление в 1985 году полностью 32-разрядного процессора i80386, способного адресовать до 4 Гбайт памяти (32-разрядная адресная шина). Он имел еще более развитую систему управления памятью MMU (Memory Management Unit). Производительность его при тактовой частоте 16 МГц составляла 6 MIPS. С появлением этого процессора стала бурно развиваться операционная система MS Windows, существенно изменившая процесс работы с компьютерами типа IBM PC.

Еще одним принципиальным шагом стало создание в 1989 году процессора Intel 486DX, в котором появились встроенный математический сопроцессор, существенно ускоривший выполнение арифметических операций, и внутренняя кэш-память, ускоряющая обмен с оперативной памятью. Максимальный объем адресуемой памяти этого процессора -- 4 Гбайт. На тактовой частоте 25 МГц производительность была 16,5 MIPS. Начиная с процессора 486, получило распространение так называемое умножение тактовой частоты, то есть внутреннее удвоение и даже учетверение внешней тактовой частоты (обозначается 486DX2, 486DX4).

В 1995 году появились первые процессоры Pentium, открывшие новый этап в развитии семейства. Они были 32-разрядными внутри, но имели 64-разрядную внешнюю шину данных. Принципиальным отличием было использование в них так называемой суперскалярной архитектуры, следствием чего стало более высокое быстродействие при той же тактовой частоте, что и i486DX. При тактовой частоте 66 МГц производительность процессора достигала 112 MIPS. В 1996 году тактовая частота Pentium была доведена до 200 МГц, а стоимость снизилась настолько, что он стал рядовым процессором персональных компьютеров семейства IBM PC.

В 1997 году Pentium был дополнен технологией ММХ, призванной ускорять выполнение мультимедийных приложений (обработку изображений и звука). И в этом же году появился процессор Pentium II, который включает в себя технологию ММХ и имеет более высокое быстродействие. Возможная тактовая частота достигла 400 МГц.

В последние годы появились процессоры Pentium 111 и Pentium IV, имеющие еще более развитую архитектуру и тактовую частоту, превышающую 1 ГГц у Pentium III и 3 ГГц у Pentium IV.

Таким образом, содружество компании Intel и производителей IBM-совместимых персональных компьютеров успешно продолжается. Другие фирмы, выпускающие процессоры, вряд ли существенно потеснят в ближайшие годы Intel. Поэтому рассмотрим чуть подробнее характерные особенности процессоров для персональных компьютеров этой компании.

7.2.1 Особенности процессоров 8086/8088

Описание микропроцессоров фирмы Intel мы начнем с процессоров i8086/8088. Именно заложенные в них архитектурные решения во многом определили архитектуру последующих моделей семейства Intel, поддерживающих совместимость с более ранними моделями. В том числе и с недостатками и ограничениями предыдущих моделей.

Процессор i8086 имеет совмещенную (мультиплексированную) 20-разрядную внешнюю шину адреса/данных. Данные передаются по 16 разрядам, адрес -- по 20 разрядам. Шина управления имеет 16 разрядов (в частности, в нее входят строб адреса и стробы обмена с памятью и устройствами ввода/вывода). Среднее время выполнения команды занимает 12 тактов синхронизации, один цикл обмена по внешней шине требует 4 тактов (без учета тактов ожидания, вводимых при асинхронном обмене). У процессора i8088 внешняя шина данных 8-разрядная.

Одна из характерных особенностей процессоров i8086/8088 -- принцип сегментирования памяти. То есть вся память представляется не в виде непрерывного пространства, а в виде нескольких кусков -- сегментов заданного размера (по 64 Кбайта), положение которых в пространстве памяти можно программно изменять. Об этом уже говорилось в разделе 3.1.2 (см. рис. 3.5 и 3.6).

Процессор 8086/8088 имеет 14 регистров разрядностью по 16 бит. Об их назначении также уже говорилось в разделе 3.2.

Для ускорения выборки команд из памяти в процессоре 8086 предусмотрен внутренний 6-байтный конвейер (в процессоре 8088 -- 4-байтный). Конвейер заполняется читаемыми из памяти командами во время выполнения предыдущей команды и сбрасывается (считается пустым) при выполнении любой команды перехода (даже если это команда перехода на следующий адрес).

Система команд процессора включает в себя 133 команды, поддерживающие 24 метода адресации операндов. Такое большое число команд может рассматриваться как достоинство (можно гибко выбирать команду, оптимально подходящую для каждого конкретного случая), но оно же заметно усложняет структуру процессора.

Каждая команда содержит 1, 2 или 4 байта кода команды, за которыми могут следовать 1, 2 или 4 байта операнда.

В процессоре предусмотрены программные и аппаратные прерывания, разделение внешней шины с другими процессорами или с контроллером прямого доступа к памяти, а также возможность подключения математического сопроцессора i8087, существенно увеличивающего производительность вычислений.

При старте процессора (по внешнему сигналу RESET) он переходит в адрес памяти FFFF0 и начинает выполнение программы, которая размещается начиная с этого адреса.

Процессор может обрабатывать 256 типов прерываний: внешних (аппаратных), программных и внутренних. Векторы прерываний представляют собой двойное слово (два слова по 16 разрядов), определяющее сегмент и смещение начального адреса программы обработки прерываний. Для векторов прерываний отведена область памяти с адресами 00000...003FF. Внутренние прерывания вырабатываются при особых ситуациях:

* прерывание 0 соответствует переполнению при делении на нуль;

* прерывание 1 вырабатывается после каждой команды при установленном флаге трассировки TF в регистре состояния процессора (см. раздел 3.2);

* прерывание 4 вырабатывается по специальной команде INTO, если установлен флаг переполнения OF в регистре состояния процессора (это условное прерывание по переполнению).

Особое место занимает немаскируемое прерывание NMI (Non-Masked Interrupt), которое вырабатывается при поступлении внешнего сигнала NMI и не зависит от состояния флага разрешения аппаратных прерываний IF. В компьютере оно используется для контроля четности памяти, контроля корректности обмена с памятью и устройствами ввода/вывода, а также для обработки так называемых исключений, то есть особых условий, возникающих в процессе работы. Немаскируемым оно называется именно потому, что его нельзя запретить.

Важная отличительная особенность процессора -- разделение операций обмена с устройствами ввода/вывода и с памятью. Для обмена с устройствами ввода/вывода используются как отдельные команды ввода и вывода, так и специальные управляющие сигналы на шине управления. Адреса и данные как при обмене с памятью, так и при обмене с устройствами ввода/вывода передаются по одним и тем же шинам. Но если для обмена с памятью используются все 20 разрядов шины адреса (адресуется 1 Мбайт -- адреса 00000 ... FFFFF), то в циклах обмена с устройствами ввода/вывода -- только 16 разрядов шины адреса (адресуется 64 Кбайта -- адреса 00000 ... 0FFFF). Такой подход имеет как свои преимущества (например, упрощение реализации прямого доступа к памяти), так и недостатки (усложнение системы команд, увеличение количества управляющих сигналов).

Микропроцессоры i8086/8088 выполнены в виде интегральной микросхемы в 40-выводном корпусе. Отличие в назначении выводов микросхемы между ними только одно: адрес в процессоре 8088 не мультиплексирован с данными (передается по отдельным линиям), а в процессоре 8086 -- мультиплексирован.

Процессор работает от одного источника питания напряжением +5В и требует внешнего тактирующего сигнала с частотой, определяемой номером модели (от 4,77 МГц до 10 МГц).

Специальный управляющий сигнал MN/MX определяет минимальный или максимальный режим работы процессора. В минимальном режиме процессор сам вырабатывает сигналы управления для внешней шины. Этот режим используется для построения простейших систем. Для работы в составе компьютера применяется максимальный режим, при котором сигналы управления внешней шиной вырабатываются специальной микросхемой контроллера шины i8288.

7.2.2 Особенности процессора 80286

Несмотря на то, что процессор 80286 остался 16-разрядным, как и его предшественник 8086, он представлял собой новое поколение процессоров, что определило его высокую популярность и обеспечило персональному компьютеру на его основе (IBM PC AT) довольно долгую жизнь. Этот процессор отличается тем, что он имеет специальные средства для работы в многопользовательских и многозадачных системах.

Наиболее существенное отличие от процессора 8086/8088 -- это механизм управления адресацией памяти, который обеспечивает четырехуровневую систему защиты и поддержку виртуальной памяти. (Виртуальная память -- это внешняя память большого объема, с которой процессор может взаимодействовать как со своей системной памятью, но с некоторыми ограничениями). Специальные средства предусмотрены также для поддержки механизма переключения задач (Task switching). To есть процессор способен выполнять несколько задач одновременно, переключаясь время от времени между ними. В процессоре 80286 также расширена система команд за счет добавления команд управления защитой и нескольких новых команд общего назначения.

Процессор 80286 может работать в двух режимах:

* Реальный режим (8086 Real Address Mode -- режим реальной адресации), полностью совместимый с процессором 8086/8088. В этом режиме возможна адресация только в пределах 1 Мбайта физической памяти. Он используется для обеспечения программной преемственности с процессором 8086/8088.

* Защищенный режим (Protected Virtual Address Mode -- защищенный режим виртуальной адресации). В этом режиме возможна адресация в пределах 16 Мбайт физической памяти. Такое решение связано с необходимостью построения компьютеров с большим объемом памяти, которые обеспечивали бы поддержку более сложных программ. В защищенном режиме система команд включает набор команд 8086, расширенный для обеспечения аппаратной поддержки многозадачного режима и виртуальной памяти.

Переключение в защищенный режим осуществляется одной командой (с предварительно подготовленными таблицами дескрипторов, описывающих параметры режима). Естественно, это довольно быстрый процесс. Обратное переключение в реальный режим гораздо сложнее: оно возможно только через аппаратный сброс процессора (по сигналу RESET), что требует гораздо больше времени.

В составе компьютера под управлением операционной системы MS DOS процессор 80286 работает в реальном режиме, а защищенный режим используют операционные системы типа UNIX, OS/2, NetWare286, а также операционные системы семейства MS Windows. Подробнее особенности этих режимов будут рассмотрены в следующем разделе.

Как и процессор 8086, 80286 имеет 16-разрядную внешнюю шину данных и 6-байтный конвейер команд. Однако быстродействие процессора 80286 при тактовой частоте 12,5 МГц примерно в 6 раз выше, чем у 8086 с тактовой частотой 5 МГц. Это достигается за счет усовершенствованной архитектуры и снижения количества тактов на одну команду. Для ускорения выполнения математических операций предусмотрено подключение к процессору 80286 микросхемы математического сопроцессора 80287.

Назначение внутренних регистров процессора 80286 такое же, как у процессора 8086/8088. Но в слове состояния процессора (PSW) добавлены три используемых разряда, и, кроме того, появился еще один внутренний регистр -- регистр управления со словом состояния машины (MSW -- Machine State Word), в котором используется только четыре бита (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Форматы регистров признаков (PSW) и управления (MSW) процессора 80286.

персональный компьютер архитектура процессор

Дополнительные биты слова состояния процессора PSW имеют следующее назначение (подробнее о них -- в следующем разделе):

* IOPL (Input/Output Privilege Level) -- два бита, определяющие уровень привилегий ввода/вывода;

* NT (Nested Task flag) -- флаг вложенной задачи.

Регистр MSW управляет режимом процессора. Для изменения его содержимого и сохранения его в памяти предназначены специальные команды. Назначение его битов следующее:

* РЕ (Protection Enable) -- разрешение защиты. Установка этого флага переводит процессор в защищенный режим. Но очистка флага не переводит в реальный режим (требуется аппаратный сброс процессора).

* МР (Monitor Processor extension) -- мониторинг внешнего математического сопроцессора.

* ЕМ (Processor Extension Emulated) -- эмуляция математического сопроцессора.

* TS (Task Switch) -- переключение задач. Как и два предыдущих разряда, этот разряд управляет сопроцессором.

Сочетание МР=0 ЕМ=0 TS=0, устанавливаемое по аппаратному сбросу (по сигналу RESET), обеспечивает совместимость с 8086/8088. Сочетание МР=1 ЕМ=0 используется при совместном включении с сопроцессором 80287, а сочетание МР=0 ЕМ=1 применяется в случае программной эмуляции сопроцессора, при которой функции сопроцессора выполняются основным процессором, но гораздо медленнее.

Остановимся подробнее на организации памяти процессора 80286. 24-разрядная внешняя шина адреса позволяет адресовать 16 Мбайт физической памяти, но в реальном режиме доступен только 1 Мбайт, начинающийся с нулевого адреса (000000...0FFFFF). Так же, как и в 8086, применяется сегментация памяти, но управление сегментацией в реальном и защищенном режимах различно.

В реальном режиме процессор 80286, в отличие от 8086, имеет средства контроля перехода через границу сегмента. Например, при попытке обращения к слову, имеющему смещение FFFF (его старший байт выходит за границу сегмента), или при выполнении команды, все байты которой не умещаются в данном сегменте, процессор вырабатывает специальное прерывание -- Segment Overrun Interrupt.

В защищенном режиме существуют отличия от 8086, касающиеся определения сегментов:

* Сегментные регистры CS, DS, SS и ES хранят не сами базовые (начальные) адреса сегментов, а селекторы, определяющие адреса в памяти, по которым хранятся дескрипторы (описатели) сегментов. Область памяти с дескрипторами называется таблицей дескрипторов.

* Каждый дескриптор сегмента содержит базовый адрес сегмента, размер сегмента (от 1 до 64 Кбайт) и его атрибуты.

* Базовый адрес сегмента имеет разрядность 24 бит, что и обеспечивает адресацию 16 Мбайт физической памяти.

* Селекторы, загружаемые в 16-битные сегментные регистры, имеют три поля: RPL (Requested Privilege Level) -- запрашиваемый уровень привилегий, TI (Table Indicator) -- индикатор использования локальной или глобальной таблицы дескрипторов, INDEX -- номер дескриптора в таблице (формат показан на рис. 7.5).

Рис. 7.5. Формат селектора сегмента процессора 80286.

О порядке вычисления адреса памяти в защищенном режиме процессора 80286 уже говорилось в разделе 3.1.2 (см. рис.3.7). На сумматор, вычисляющий физический адрес памяти, подается не содержимое сегментного регистра, а базовый адрес сегмента из таблицы дескрипторов.

Дескрипторы хранятся в памяти и занимают по четыре смежных 16-разрядных слова (то есть 8 байт). При загрузке нового значения селектора дескрипторы считываются из памяти и сохраняются во внутренних программно недоступных (и невидимых) регистрах процессора. До смены значения селектора при обращениях к памяти используются значения дескрипторов только из этих невидимых регистров (их называют кэш-регистрами).

В защищенном режиме команды ввода/вывода процессора являются привилегированными. Это означает, что они могут выполняться задачами только с определенным уровнем привилегий, определяемых полем IOPL регистра признаков. Несанкционированная попытка выполнения этих команд вызывает прерывание по нарушению защиты.

Как и 8086, процессор 80286 может обрабатывать до 256 типов прерываний. Прерывания подразделяются на аппаратные (маскируемые или немаскируемые), вызываемые сигналами на входах процессора, программные, вызываемые командой INT, и исключения инструкции. При этом аппаратные и программные прерывания работают точно так же, как в 8086/8088.

Исключения инструкций (Instruction Exceptions) или просто исключения случаются при возникновении особых условий при выполнении операций (в 8086 аналогом исключений являлись внутренние прерывания процессора). Обработка исключений проводится аналогично обработке прерываний.

Каждому номеру прерывания соответствует свой элемент в таблице дескрипторов прерываний IDT (Interrupt Descriptor Table). В реальном режиме эта таблица организована так же, как у 8086/8088, то есть содержит двойные слова, определяющие адрес начала процедур обработки прерываний. В защищенном режиме таблица содержит 8-байтные дескрипторы прерываний. Ее размер может быть от 32 до 256 дескрипторов, и располагаться она может в любом месте памяти.

Система команд процессора 80286 включает, помимо полного набора 8086, ряд дополнительных команд, например:

* сохранение константы в стеке, сохранение в стеке и восстановление из стека всех регистров одной командой;

* целочисленное умножение на константу;

* сдвиги (включая циклические) на заданное в константе количество шагов;

* вход и выход из процедур;

* команды управления защитой.

Попытка выполнения недействительной команды (или попытка выполнения в реальном режиме команды, предназначенной только для защищенного режима) вызывает специальное исключение.

Процессор 80286 выпускался в 68-выводных корпусах. Внешние шины адреса и данных были разделены. Напряжение питания процессора составляет +5В.

7.2.3 Особенности процессора 80386

32-разрядный процессор i80386 открыл новый этап в истории микропроцессоров Intel и персональных компьютеров типа IBM PC. Естественно, он сохранял полную совместимость со своими 16-разрядными предшественниками, чтобы не отказываться от разработанного для них программного обеспечения. Но именно в 80386 преодолено жесткое ограничение на длину непрерывного сегмента памяти в 64 Кбайт, что являлось пережитком прошлого и следствием не самых удачных архитектурных решений 8086.

В защищенном режиме 80386 длина сегмента может достигать 4 Гбайт, то есть всего объема физически адресуемой памяти. Таким образом, память фактически стала непрерывной. Кроме того, 80386 обеспечивает поддержку виртуальной памяти объемом до 64 Тбайт (1 Тбайт = 1024 Гбайт). Встроенный блок управления памятью поддерживает механизмы сегментации и страничной трансляции адресов (Paging). Обеспечивается четырехуровневая система защиты памяти и ввода/вывода, а также переключение задач.

Процессор 80386, как и 80286, может работать в двух режимах:

* Реальный режим, который полностью совместим с 8086.

* Защищенный режим. В этом режиме возможна адресация до 4 Гбайт физической памяти (32 разряда), через которые при использовании механизма страничной адресации может отображаться до 16 Тбайт виртуальной памяти каждой задачи.

Переключение между этими двумя режимами в обе стороны, в отличие от 80286, производится достаточно быстро, с помощью простой последовательности команд, и аппаратного сброса процессора не требуется.

Процессор может оперировать с 8, 16, 32-битными операндами, строками байт, слов и двойных слов, а также с битами, битовыми полями и строками бит.

В архитектуру процессора введены средства отладки и тестирования.

Разрядность регистров данных (АХ, ВХ, СХ, DX) и адресов (SI, DI, ВР, SP) увеличена до 32. При этом в их обозначении появилась приставка Е (Extended -- расширенный), например, ЕАХ, ESI. Отсутствие приставки в имени означает ссылку на младшие 16 разрядов соответствующего регистра. Регистры данных и адресов объединены в группу регистров общего назначения, которые иногда могут заменять друг друга. Это может рассматриваться как отход от идеологии специализации всех регистров.

Регистры селекторов оставлены 16-разрядными, но добавлено два новых регистра FS и GS для задания дополнительных сегментов данных. Также расширен до 32 разрядов регистр-указатель (счетчик) команд EIP.

32-разрядным стал и регистр флагов EFLAGS. Его биты, определенные для 8086 и 80286, остались прежними, но добавлены 6 новых бит (рис. 7.6). Такой же формат используется и в процессорах 80486 и Pentium.

Рис. 7.6. Регистр признаков EFLAGS процессора 80386.

Регистры сегментов процессора содержат 16-битные указатели (в реальном режиме) или селекторы (в защищенном режиме) шести сегментов. С каждым из шести сегментных регистров связаны программно недоступные регистры дескрипторов, как и в случае 80286. В защищенном режиме в регистры дескрипторов загружается 32-битный базовый адрес сегмента, 32-битный лимит и атрибуты сегментов.

Помимо упомянутых регистров в состав процессора входят еще четыре управляющих регистра (CR0, CR1, CR2, CR3), которые хранят признаки состояния процессора, общие для всех задач. В процессоре Pentium к ним добавлен еще и регистр CR4. Кроме того, процессор содержит еще системные адресные регистры для ссылок на сегменты и таблицы в защищенном режиме, регистры отладки и регистры тестирования. Как видим, от модели к модели количество регистров процессора постоянно возрастает.

Процессор позволяет выделять в памяти сегменты и страницы. Сегменты в реальном режиме имеют фиксированный размер, в защищенном -- переменный. Страницы, которых не было в предыдущих моделях, представляют собой области логической памяти размером 4 Кбайт, каждая из которых может отображаться на любую область физической памяти. Если сегменты используются на прикладном уровне, то страницы применяются на системном.

Применительно к памяти различают три адресных пространства: логическое, линейное и физическое. О принципах адресации памяти у процессора 80386 уже говорилось в разделе 3.1.2 (см. рис. 3.8).

Процессор 80386 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. Отличие 32-битной адресации отражено в табл. 7.1.



Табл. 7.1. Различия режимов адресации 80386.

Так же, как и предшественники, процессор 80386 обрабатывает все виды прерывания: аппаратные (маскируемые и немаскируемые) и программные, которые в данном случае обрабатываются как разновидность исключений, и собственно исключения. Исключения подразделяются на отказы, ловушки и аварийные завершения.

* Отказ (Fault) -- это исключение, которое обнаруживается и обслуживается до выполнения команды, вызывающей ошибку.

* Ловушка (Trap) -- это исключение, которое обнаруживается и обслуживается после выполнения команды, вызывающей это исключение. К классу ловушек относятся и программные прерывания.

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

Каждому номеру прерывания (0...255) или исключения соответствует элемент в таблице дескрипторов прерываний IDT (Interrupt Descriptor Table). В защищенном режиме IDT может иметь размер от 32 до 256 дескрипторов, каждый из которых состоит из 8 байт.

Отличия от предшествующего процессора 80286 в выполнении операций ввода/вывода сводятся к добавлению возможностей обращения к 32-битным портам. Важно отметить, что строковые команды процессора 80386 обеспечивают блочный ввод/вывод с большей скоростью, чем стандартный контроллер прямого доступа к памяти.

Процессор выпускался в 100-выводном корпусе. Была предусмотрена возможность подключения внешнего сопроцессора 80387.

А теперь остановимся чуть подробнее на защищенном режиме, который используется на полную мощность именно начиная с 32-разрядных процессоров, так как процессор 80286 имел существенные ограничения и в большинстве случаев работал все-таки в реальном режиме.

Защищенный режим был предложен для обеспечения независимости одновременного выполнения нескольких задач (как системных, так и прикладных). Для этого предусмотрена защита ресурсов каждой задачи от действий других задач. Под ресурсами здесь понимается память с данными, программами, системными таблицами, а также используемая задачей аппаратура. Защита основывается на сегментации памяти, причем, в отличие от реального режима, задача не может переопределять положения своих сегментов в памяти и использует только сегменты, определенные для нее операционной системой. Сегмент определяется дескриптором сегмента, который задает положение сегмента в памяти, его размер (или лимит), назначение и характеристики защиты.

Защита с помощью сегментации не позволяет:

* использовать сегменты не по назначению, например, трактовать область данных как область программы;

* нарушать права доступа (например, пытаться записывать информацию в сегмент, предназначенный только для чтения, или обращаться к сегменту, не имея достаточных привилегий);

* адресоваться к элементам, выходящим за границу сегмента;

* изменять дескрипторы сегментов, не имея достаточных привилегий. Защищенный режим предусматривает средства переключения задач.

Состояние каждой задачи (то есть состояние всех регистров процессора) хранится в специальном сегменте состояния задачи, на который указывает селектор в регистре задачи. При переключении задачи достаточно загрузить в регистр задачи новый селектор, и состояние предыдущей задачи автоматически сохранится, а в процессор загрузится состояние новой (или ранее прерванной) задачи. Это развитие идеи стека.

В защищенном режиме предусматривается иерархическая четырехуровневая (уровни 0, 1, 2, 3) система привилегий, предназначенная для управления выполнением привилегированных команд и доступом к дескрипторам (рис. 7.7). Уровень 0 соответствует неограниченным правам доступа и отводится ядру операционной системы. Уровень 3 дает минимальные права и отводится прикладным задачам. Уровни привилегий относятся к дескрипторам, селекторам и задачам. Кроме того, в регистре флагов имеется двухбитовое поле привилегий ввода/вывода (см. рис. 7.4 и 7.6), управляющее доступом к командам ввода/вывода и флагом прерываний.

Механизм виртуальной памяти, используемый в защищенном режиме, позволяет любой задаче использовать логическое пространство размером до 64 Тбайт (16К сегментов по 4 Гбайта). Для этого каждый сегмент в своем дескрипторе имеет специальный бит, указывающий на присутствие данного сегмента в оперативной памяти в текущий момент. Неиспользуемый сегмент может быть выгружен из оперативной памяти во внешнюю память (обычно -- на диск), о чем делается пометка в его дескрипторе. На освободившееся место из внешней памяти может закачиваться другой сегмент (это называется свопингом или подкачкой). При обращении задачи к отсутствующему в оперативной памяти сегменту вырабатывается специальное исключение, которое и выполняет свопинг. С точки зрения выполняемой программы, виртуальная память ничем не отличается от реальной (говорят, что виртуальная память прозрачна), не считая задержки на процесс перекачки информации на диск и с диска.



Рис. 7.7. Уровни привилегий 32-разрядных процессоров.

Реальное использование системы защиты и виртуальной памяти возлагается на операционную систему, которая в идеале должна обеспечивать работоспособность даже в случае некорректного выполнения прикладных задач.

В памяти существует три типа таблиц дескрипторов: локальная таблица дескрипторов LDT, глобальная таблица дескрипторов GDT и таблица дескрипторов прерываний IDT. Каждой таблице соответствует свой регистр процессора (соответственно, LDTR, GDTR и IDTR), где хранятся дескрипторы сегментов. Глобальная таблица содержит дескрипторы, доступные всем задачам, а локальная может быть для каждой задачи своя. Дескрипторы состоят из 8 байтов (как и у 80286). Однако назначение байтов различно. Для примера на рис. 7.8 показаны форматы дескрипторов сегмента программ и данных процессоров 80286 и 80386.



Рис. 7.8. Дескрипторы сегментов программы и данных.

Существуют также системные сегменты, предназначенные для хранения локальных таблиц дескрипторов и таблиц состояния задач. Их дескрипторы (тоже 8-байтные) определяют базовый адрес, лимит сегмента, права доступа (чтение, чтение/запись, только исполнение или исполнение/чтение) и присутствие сегмента в оперативной памяти.

Задачи, дескрипторы и селекторы имеют свои уровни привилегий. Привилегии задач действуют на выполнение команд и использование дескрипторов. Текущий уровень привилегии задач определяется двумя младшими битами регистра CS. Привилегии дескриптора описываются полем DPL (pnc. 7.8). DPL определяет наименьший уровень привилегий, с которым возможен доступ к данному дескриптору. Привилегии селектора задаются полем RPL (см. рис. 7.5). Привилегии проверяются при попытках записи в сегментные регистры, а также при выполнении некоторых команд.

Таким образом, начиная с процессора 80386, появляются средства обслуживания многозадачного режима. Естественно, процессор не может обрабатывать несколько задач одновременно, выполняя по несколько команд сразу. Он только периодически переключается между задачами. Но с точки зрения пользователя получается, что компьютер параллельно работает с несколькими задачами.

7.2.4 Особенности процессора 486

Процессор 486 является представителем второго поколения 32-разрядных процессоров. Он сохраняет основные принципы архитектуры процессора 80386, а также обеспечивает полную совместимость со своими предшественниками. Но в то же время он имеет ряд преимуществ.

* В процессор введена внутренняя кэш-память 1-го уровня (Internal cache Level 1) размером 8 Кбайт и предусмотрены средства для двухуровневого кэширования.

* В процессор введен математический сопроцессор (в модели процессора 486SX сопроцессор отсутствует).

* Повышена производительность обмена по внешней шине -- введены так называемые пакетные циклы, передающие одно слово за один такт шины.

* В архитектуре процессора применено скоростное RISC-ядро, которое позволяет наиболее часто встречающиеся команды выполнять за один такт.

* В структуру введены буферы отложенной записи.

* В отдельных моделях предусмотрено внутреннее умножение тактовой частоты (на 2, 2,5 или 3).

Все это обеспечило существенное увеличение быстродействия. А усовершенствованный защищенный режим дает некоторые дополнительные возможности.

Рассмотрим подробнее принцип действия кэш-памяти.

Кэш-память (или просто кэш, от англ. Cache -- склад, тайник) предназначена для промежуточного хранения информации из системной памяти с целью ускорения доступа к ней. Ускорение достигается за счет использования более быстрой памяти и более быстрого доступа к ней. При этом в кэш-памяти хранится постоянно обновляемая копия некоторой области основной памяти.

Необходимость введения кэша связана с тем, что системная память персонального компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти, которая характеризуется меньшей стоимостью, но и более низким быстродействием, по сравнению со статической памятью. Идея состоит в том, что благодаря введению быстрой буферной, промежуточной статической памяти можно ускорить обмен с медленной динамической памятью. По сути, кэш-память делает то же, что и применявшийся ранее конвейер команд, но на более высоком уровне. В кэш-памяти хранится копия некоторой части системной памяти, и процессор может обмениваться с этой частью памяти гораздо быстрее, чем с системной памятью. Причем в кэш-памяти могут храниться как команды, так и данные.

Выигрыш в быстродействии от применения кэша связан с тем, что процессор в большинстве случаев обращается к адресам памяти, расположенным последовательно, один за другим, или же близко друг к другу. Поэтому высока вероятность того, что информация из этих адресов памяти окажется внутри небольшой кэш-памяти. Если же процессор обращается к адресу, расположенному далеко от тех, к которым он обращался ранее, кэш оказывается бесполезным и требует перезагрузки, что может даже замедлить обмен по сравнению со структурой без кэш-памяти.

В принципе кэш-память может быть как внутренней (входить в состав процессора), так и внешней. Внутренний кэш называется кэшем первого уровня, внешний -- кэшем второго уровня. Объем внутреннего кэша обычно невелик -- типовое значение 32 Кбайт. Объем внешнего кэша может достигать нескольких мегабайт. Но принцип функционирования у них один и тот же.

Кэш первого уровня процессора 486 имеет четырехканальную структуру (рис. 7.9). Каждый канал состоит из 128 строк по 16 байт в каждой. Одноименные строки всех четырех каналов образуют 128 наборов из четырех строк, каждый из которых обслуживает свои адреса памяти. Каждой строке соответствует 21-разрядная информация об адресе скопированного в нее блока системной памяти. Эта информация называется тегом (Tag) строки.



Рис. 7.9. Структура внутреннего кэша процессора 486.

Кроме того, в состав кэша входит так называемый диспетчер, то есть область памяти с организацией 128х7, в которой хранятся 4-битные теги действительности (достоверности) для каждого из 128 наборов и 3-битные коды LRU (Least Recently Used) для каждого из 128 наборов. Тег действительности набора включает в себя 4 бита достоверности каждой из 4 строк, входящих в данный набор. Бит достоверности, установленный в единицу, говорит о том, что соответствующая строка заполнена; если он сброшен в нуль, то строка пуста. Биты LRU говорят о том, как давно было обращение к данному набору. Это нужно для того, чтобы обновлять наименее используемые наборы.

Адресация кэш-памяти осуществляется с помощью 28 разрядов адреса. Из них 7 младших разрядов выбирают один из 128 наборов, а 21 старший разряд сравнивается с тегами всех 4 строк выбранного набора. Если теги совпадают с разрядами адреса, то получается ситуация кэш-попадания, а если нет, то ситуация кэш-промаха.

В случае цикла чтения при кэш-попадании байт или слово читаются из кэш-памяти. При кэш-промахе происходит обновление (перезагрузка) одной из строк кэш-памяти.

В случае цикла записи при кэш-попадании производится запись как в кэш-память, так и в основную системную память. При кэш-промахе запись производится только в системную память, а обновление строки кэш-памяти не производится. Эта строка становится недостоверной (ее бит достоверности сбрасывается в нуль).

Такая политика записи называется сквозной или прямой записью (Write Through). В более поздних моделях процессоров применяется и обратная запись (Write Back), которая является более быстрой, так как требует гораздо меньшего числа обращений по внешней шине.

При использовании обратной записи в основную память записываемая информация отправляется только в том случае, когда нужной строки в кэше нет. В случае же попадания модифицируется только кэш. В основную память измененная информация попадет только при перезаписи новой строки в кэш. Прежняя строка при этом целиком переписывается в основную память, и тем самым восстанавливается идентичность содержимого кэша и основной памяти.

В случае, когда требуемая строка в кэше не представлена (ситуация кэш-промаха), запрос на запись направляется на внешнюю шину, а запрос на чтение обрабатывается несколько сложнее. Если этот запрос относится к кэшируемой области памяти, то выполняется цикл заполнения целой строки кэша (16 байт из памяти переписывается в одну из строк набора, обслуживающего данный адрес). Если затребованные данные не укладываются в одной строке, то заполняется и соседняя строка. Заполнение строки процессор старается выполнить самым быстрым способом -- пакетным циклом, однако внешний контроллер памяти может потребовать использования более медленных пересылок.

Внутренний запрос процессора на данные удовлетворяется сразу, как только данные считываются из памяти, а дальнейшее заполнение строки может идти параллельно с обработкой данных. Если в наборе, который обслуживает данный адрес памяти, имеется свободная строка, заполнена будет именно она. Если же свободных строк нет, заполняется строка, к которой дольше всех не обращались. Для этого используются биты LRU, которые модифицируются при каждом обращении к строке данного набора.

Кроме того, существует возможность аннулирования строк (объявления их недостоверными) и очистки всей кэш-памяти. При сквозной записи очистка кэша проводится специальным внешним сигналом процессора, программным образом с помощью специальных команд, а также при начальном сбросе - по сигналу RESET. При обратной записи очистка кэша подразумевает также выгрузку всех модифицированных строк в основную память.