16. Структура базового процессора семейства х86 и назначение его выводов
Структурная схема МП i8086 приведена на рис.IX.3. Ее удобно представлять в виде трех основных блоков:
- блока формирования адресов и очереди команд;
- блока обработки;
- блока управления и синхронизации.
Выбранные из оперативной памяти и подлежащие выполнению команды программы, вводятся через объединенную шину адреса/данных и побайтно записываются в регистры очереди команд. Совокупность регистров очереди команд является некоторой буферной памятью между ОЗУ и процессором. Длина очереди команд составляет 6 байт, что соответствует максимально длинному формату команды, возможному для рассматриваемого процессора. Шинный интерфейс инициирует выборку последующих байт команды автоматически, как только в очереди освободятся два байта. Осуществляется это в то время, когда в блоке обработки осуществляется внутренний процесс обработки данных.
В регистре указателя инструкций IP хранится адрес очередной команды, подлежащей выполнению, а в регистре указателя стека SP размещается адрес вершины стека, т.е. последнего, занесенного в стековую область памяти, слова данных. Константы, находящиеся в командах (инструкциях), а также входные данные поступают из команды, или непосредственно из объединенной шины адреса/данных, на внутреннюю шину данных и запоминаются в регистровой памяти (РОН) процессора. Выходные данные (результаты обработки) из регистровой памяти или непосредственно с выхода ALU, через внутреннюю шину данных и, затем, через объединенную шину адреса/данных, передаются в оперативную память или периферийные устройства.
Связь любого процессора с другими блоками (устройствами) компьютера осуществляется с помощью трех типов шин (совокупностей линий, проводов, по которым передается информация):
- шины адреса (ША или AB – Address Bus);
- шины данных (ШД или DB – Data Bus);
- шины управления (ШУ или CB – Control Bus).
По шине адреса процессор передает адрес ячейки основной памяти компьютера или номер (адрес) периферийного устройства, с которым необходимо осуществить операцию обмена информации (считать очередную команду, или принять/выдать слово данных).
По шине данных осуществляется собственно обмен данными между процессором, основной памятью и периферийными устройствами.
И, наконец, через шину управления процессор выдает и получает сигналы управления, связывающие компьютер в единую систему.
При выдаче 20 разрядного физического (линейного) адреса на адресную шину процессора, он поступает на внешний 21 разрядный регистр RG, на 21-й вход которого поступает специальный бит разрешения старшего байта BHE (Byte High Enable).
17. Регистровая архитектура базового процессора семейства х86
Сама обработка данных по алгоритмам пользователя или ОС осуществляется в блоке обработки данных, который состоит из арифметико-логического устройства ALU (Arithmetic-Logic Unit), регистра флагов Flags, 7 регистров общего назначения (AX, BX, CX, DX, BP, SI, DI) и регистра временного хранения информации, куда передается один из операндов обработки. Из них регистры AX, BX, CX, DX могут адресоваться не только как 16 разрядные регистры, но и раздельно, т.е. как 8 разрядные регистры AH и AL, BH и BL, CH и CL, DH и DL. При этом регистры H (High) образуют старшие байты соответствующих 16 разрядных регистров, а регистры L (Low) – их младшие байты.
Множимое, при операциях умножения, и делимое, при операциях деления, размещаются только в регистре AX (или AL, при однобайтовом умножении и делении). Результат умножения автоматически фиксируется в регистре AX (при однобайтовом умножении), либо в регистрах DX (старшие байты) и AX (младшие байты) при двухбайтном умножении. При операции деления частное размещается в регистре AL, а остаток в регистре AH (при байтовом делении) и, соответственно, в регистрах AX и DX при двухбайтовом делении. Кроме того, регистр AX(AL) всегда является источником или получателем данных при операциях обмена информацией с периферийными устройствами, а также при операциях загрузки (сохранения) или сканирования элементов цепочечных (строковых) данных.
Регистр BX (Base register) при косвенной адресации содержит начальный адрес некоторой области памяти (базовый адрес), который, суммируясь с адресным смещением в команде, формирует эффективный адрес требуемой ячейки памяти.
Регистр-счетчик CX (Counter register) используется по умолчанию при выполнении целого ряда команд:
- при организации циклических операций, в него заносится требуемое число циклов;
- при операциях со строками (цепочками), в него заносится число элементов строки, т.е. длина строки;
- при сдвиговых операциях, в младший байт регистра (CL) заносится число разрядов, на которое необходимо сдвинуть код операнда.
Регистр DX (Data register) кроме своего участия в описанных выше операциях умножения и деления, используется для косвенной адресации периферийных устройств, если их число превышает 256.
Регистр BP (Base Pointer), используемый как базовый при формировании эффективного адреса, позволяет адресовать ячейки памяти стековой области как обычной области данных, а не последовательно через указатель стека, используя принцип LIFO (Last In, First Out).
Регистры SI (Source Index) и DI (Destination Index) используются для косвенной адресации при исполнении таких строковых команд, как LOADS – загрузить строку, SCAS – сканировать строку, STOS – сохранить строку, MOVS – переслать строку, CMPS – сравнить строки. При выполнении этих строковых операций, регистры SI и DI автоматически инкрементируются (при флаге DF=0) или декрементируются (при флаге DF=1). Это позволяет, при использовании префиксов типа REP, выполнять соответствующую строковую команду до тех пор, пока заданное заранее содержимое счетчика CX не сравняется с нулем или не выполнится некоторое заданное условие. Кроме того, эти регистры используются для организации, так называемой базово-индексной адресации, когда эффективный адрес EA формируется как сумма содержимого индексного (SI или DI) регистра с содержимым базового регистра (BX или BP) с добавлением в ряде случаев некоторой константы – смещения в команде.
Все возможные адреса оперативной памяти ЭВМ с процессорами семейства 80Х86, работающих в реальном режиме, образуют адресное пространство объемом 1 Мегабайт. В этом адресном пространстве выделяются 4 области (сегмента) - CS, DS, ES и SS, объемом по 64 Кбайт каждая. Положение этих сегментов в адресном пространстве задается указанием их начальных адресов в соответствующих регистрах, которые носят название сегментных регистров. Каждый сегмент, в некотором смысле, специализируется под размещение соответствующих программных ресурсов.
Регистр CS - регистр кодового или программного сегмента.
В регистре CS хранится начальный адрес кодового сегмента, т.е. области памяти, в которой размещена текущая команда исполняемой программы.
Регистр DS - регистр сегмента данных.
В регистре DS хранится начальный адрес основного сегмента данных в адресном пространстве, т.е. области памяти, в которой, в общем случае, хранятся программно изменяемые таблицы данных и константы. Все эффективные адреса операндов и обычных команд, формируемые с помощью регистров BX,SI или DI определяются в этом сегменте, являясь смещением относительно регистра DS. Адреса операндов в командах строковых (цепочечных) операций, формируемые с помощью индексного регистра SI, также находятся в сегменте DS (т.е. выполняются также относительно содержимого сегментного регистра DS).
Регистр ES - регистр экстра-сегмента, дополнительного сегмента данных. В данном регистре хранится начальный адрес области памяти (сегмента), обычно используемого для запоминания промежуточных данных, т.е. в качестве рабочей зоны памяти. Кроме того, все эффективные адреса операндов при работе с командами строковых операций, формируемых с помощью индексного регистра DI, являются смещениями в сегменте CS.
Регистр SS – регистр сегмента стека. Хранит указатель начального адреса сегмента, который отводится под стековую память.
Регистр IP - регистр указателя команд, выполняет роль счетчика команд. Его содержимое представляет собой адрес следующей команды, подлежащей выполнению. Оно является смещением в кодовом сегменте CS.