Исследование процессов вводавывода информации и системы арифметических команд x86 микропроцессоров семейства Intel. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Электронные системы и информационная безопасность»

А.Д. АБРАМОВ Н.В. АНДРЕЕВА

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВВОДА/ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ АРИФМЕТИЧЕСКИХ КОМАНД x86 МИКРОПРОЦЕССОРОВ СЕМЕЙСТВА INTEL

Учебное пособие

Самара Самарский государственный технический университет

2018

1

Печатается по решению ученого совета СамГТУ (протокол № 9 от

31.03.2017 г.)

УДК 004.3(075.8) ББК 32.97я73

И88

И88 Исследование процессов ввода/вывода информации и системы арифметических команд x86 микропроцессоров семейства Intel: учеб.

пособие / Сост. А.Д. Абрамов, Н.В. Андреева. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т,

2018. – 76 с.: ил.

Описаны процессы ввода/вывода информации в (из) памяти ЭВМ с использованием стандартных устройств. Рассмотрены системы команд микропроцессоров системы Intel x86 и Pentium и разработка программ на языке ASSEMBLER. Предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки 10.03.01 Информационная безопасность и 11.03.01 Радиотехника.

Рецензент д-р. тех. наук, профессор кафедры «ЭСИБ» А.И. Никонов

УДК 004.3(075.8) ББК 32.97я73 И 88

© А.Д. Абрамов, Н.В. Андреева, составление, 2018

© Самарский государственный технический университет, 2018

2

ВВЕДЕНИЕ

Развитие научно-технического прогресса на современном этапе характеризуется интенсивным использованием вычислительной техники в различных отраслях народного хозяйства Российской Федерации. Указом Президента РФ В.В. Путина от 01.12.2016 № 642 «Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации» определяются цель и основные задачи научнотехнологического развития Российской Федерации на долгосрочный период, среди которых стоит и задача интенсивного перехода к цифровой экономике, который невозможно осуществить без применения современных и перспективных средств цифровой обработки различной информации. Кроме того, в основных направлениях экономического и социального развития Российской Федерации на период 2012–2020 годы также предусматривается повышение технического уровня и качества машиностроительных изделий, которые включают в себя разнообразные компоненты микроэлектроники, в том числе и различные ЭВМ специального назначения.

Широкий спектр применения вычислительных средств для процессов обработки информации и управления различными техническими устройствами и технологическими процессами объясняется появлением у конструкторов и программистов доступных по цене и миниатюрных по размерам микропроцессоров, являющихся центральными компонентами различных ЭВМ.

По мнению ведущих экспертов, микропроцессоры (МП) и программируемые логические интегральные микросхемы (ПЛИС) определяют передовые направления развития вычислительной техники на ближайшие десятилетия.

Микропроцессор (МП) – это программно управляемая сверхбольшая интегральная схема (СБИС), предназначенная для обработки цифровой информации. Обладая размерами 4×4×0,2 мм, а в перспективе и меньшими, кристалл МП (ЧИП) содержит сотни

3

миллионов транзисторов и выполняет функции, свойственные важнейшему узлу ЭВМ – процессору.

Создателем первого микропроцессора является американский инженер Т. Хофф [1], который объединил несколько выполняемых аппаратно функций отдельными микросхемами в универсальный процессор. При этом процессор стал работать под программным управлением вместо традиционной электронной логики. Отмеченное решение позволило создать универсальное устройство – центральный процессор – и в 1971 г. фирма «Интел» выпустила на рынок первую партию интегрального четырехразрядного микропроцессора Intel 4004 с Гарвардской архитектурой, которая предполагает раздельную организацию памяти команд и памяти данных [1]. Но уже в 1978 г. фирма Intel разработала первый 16-разрядный процессор Intel 8086 с архитектурой фон Неймана (также известный как iAPX86) с общей оперативной памятью для хранения программ и данных и выпустила его в продажу. Частота – 5 Мгц, производительность – 0,33 MIPS для инструкций с 16-битными операндами (позже появились процессоры 8 и 10 МГц). Технология 3 мкм, 29 000 транзисторов. Адресуемая память 1 Мбайт. Через год появился i8088 – тот же процессор, но с 8- разрядной шиной данных. С него началась история IBM PC, неразрывно связанная со всем дальнейшим развитием процессоров Intel [2, 3]. Массовое распространение и открытость архитектуры IBM PC привели к лавинообразным темпам появления нового программного обеспечения, разрабатываемого крупными, средними и мелкими фирмами. Технический прогресс тогда и сейчас был бы немыслим без развития процессоров, но, с учетом огромного объема уже существующего программного обеспечения для PC, уже тогда возник принцип обратной программной совместимости – старые программы должны работать на новых процессорах. Таким образом, все нововведения в архитектуре последующих процессоров должны были пристраиваться к существующему ядру. 16-разрядный МП i8086 явился дальнейшим развитием линии однокристальных МП,

4

начатой i8080. Наряду с увеличением разрядности в i8086 реализован ряд новых архитектурных решений:

–расширена система команд (по набору операций и способам адресации);

–архитектура МП ориентирована на мультипроцессорную работу. Разработана группа вспомогательных БИС (контроллеров и специализированных процессоров) для организации мультипроцессорных систем различной конфигурации;

–начато движение в сторону совмещения во времени выполнения различных операций. МП включает два параллельно работающих устройства;

–обработки данных и связи с магистралью, что позволяет совместить во времени процессы обработки информации и передачи

еепо магистрали;

–введена новая (по сравнению с i8080) организация памяти, которая далее использовалась во всех старших моделях семейства INTEL – сегментация памяти.

Таким образом, архитектура этого микропроцессора, обозначаемая как x86, и его система команд легли в основу разработки последующих поколений микропроцессоров,

выпускаемых фирмами Intel, таких как Intel Core i7/Core i5/Core i3, Xeon 4 [4,5], и фирмой AMD – Am486SX2, Turion 64 X2, Mobile Sempron и ряд других процессоров [6], в которых были значительно повышены быстродействие, разрядность арифметико-логических устройств (АЛУ) и совершенствованы архитектуры МП.

Данное учебное пособие предназначено для теоретического усвоения материала по архитектуре микропроцессора Intel 8086 и выполнения лабораторных работ по программированию на языке ассемблер с использованием ПЭВМ.

Лабораторные работы предназначены для бакалавров, обучающихся по направлению 10.03.01 «Информационная безопасность» и изучающих дисциплину «Микропроцессорные

5

средства в системах информационной безопасности», а также и для бакалавров, обучающихся по направлению 11.03.01 «Радиотехника» и изучающих дисциплину «Цифровые устройства и микропроцессоры».

Цель лабораторных работ – изучение процессов ввода/вывода информации в (из) память ЭВМ с использованием стандартных устройств (клавиатуры и экрана монитора), а также исследование системы команд микропроцессоров семейства Intel 80×i86 и Pentium и разработка программ на языке ASSEMBLER.

6

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Структура микропроцессора

Упрощенная структура микропроцессора представлена на рис. 1.

Рис. 1. Внутренняя структура микропроцессора

Рассмотрим основные функции узлов представленной структуры микропроцессора.

Арифметико-логическое устройство процессора (или АЛУ, ALU) предназначено для выполнения арифметических и логических операций над операндами, поступающими в него как из оперативной памяти ЭВМ, внутренних регистров процессора, так и из внешних

7

устройств под действием соответствующих команд. Результат обработки в АЛУ изменяет состояние регистра признаков и может записываться как в регистры процессора, оперативную память (ОП), так и в различные внешние устройства, подключённые к ЭВМ. Быстродействие АЛУ во многом определяет производительность процессора.

Блок внутренних регистров – это самая быстродействующая память во всей ЭВМ – сверхоперативная память, построенная на триггерах. Она имеет ограниченный размер от нескольких единиц до нескольких десятков байт и предназначена для временного хранения адресов команд и операндов, над которыми в данный момент времени выполняются в АЛУ арифметико-логические операции.

Регистр признаков (регистр состояния ССП, PSW – Processor Status Word) предназначен для хранения информация о состоянии процессора – слово состояния процессора (ССП, PSW – Processor Status Word). Каждый бит этого слова (флаг) содержит информацию о результате выполнения предыдущей команды. Например, Z-бит этого регистра устанавливается в “1”, когда результат выполнения предыдущей команды в соответствующем регистре АЛУ равен нулю, например, после вычитания определённого числа из содержимого одного из внутренних регистров процессора, и сбрасывается в “0”, когда результат выполнения команды отличен от нуля. Эти биты (флаги) в процессоре могут использоваться командами условных переходов, например, командой перехода в случае нулевого результата.

Схема управления выборкой команд, находящаяся в системе управления процессора, выполняет чтение команд из оперативной памяти ЭВМ и их дешифрацию. После дешифрации команды запускается соответствующая микропрограмма для выполнения данной команды программы. Отметим, что для каждой команды в системе управления микропроцессора имеется своя микропрограмма.

8

Схема управления прерываниями предназначена для обработки запроса прерывания, поступающий на процессор. Она определяет адрес начала подпрограммы обработки прерывания – адрес вектора прерывания – и обеспечивает переход к этой программе после выполнения текущей команды. При этом текущий адрес команды прерываемой программы и необходимые данные из определённых регистров процессора запоминаются в стеке. По окончании подпрограммы обработки прерывания процессор возвращается к прерванной программе. При этом из стека автоматически извлекаются адрес возврата в прерванную программу и запомненные необходимые данные.

Схема управления прямым доступом к памяти служит для быстрого ввода/вывода данных непосредственно в оперативную память ЭВМ от запросившего обмен устройства. При этом сам процессор временно отключается от оперативной памяти и не участвует в операциях обмена данными.

Отметим также, что с микропроцессор с памятью и другими внешними устройствами обменивается информацией по многоразрядным шинам адреса, данных и управления.

Архитектура микропроцессора Intel 8086

Как уже отмечалось во введении, на основе n-МОП технологии с кремниевыми затворами фирмой Intel был создан однокристальный 16разрядный МП 8086 (отечественный аналог – МП КМ1810ВМ86). В дальнейшем будем называть его ВМ86. Поэтому изучение микропроцессорных средств персональных ЭВМ, а также основ разработки программ для них на языке ASSEMBLER, целесообразно начинать с изучения архитектуры ВМ86, системы его команд и способов адресации. Важно отметить, что программы, написанные под эту архитектуру, прекрасно работают и на современных персональных ЭВМ, использующих микропроцессоры отмеченных выше фирм.

9

Архитектура ВМ86 практически соответствует архитектуре процессора, приведенной на рис. 1. Она выполняет аппаратными средствами арифметические операций над 8 и 16-разрядными двоичными числами со знаком и без знака, десятичными двоичнокодированными числами, логические операции над цепочками данных и отдельными разрядами слов. АЛУ имеет 16 разрядов с аппаратной реализацией операций умножения и деления. Сегментная организация памяти позволяет прямо адресовать оперативную память объёмом 1 мегабайт и производить динамическое перемещение программ. Напряжение питания процессора – 5 В. Шина адреса и шина данных в ВМ86 объединены в одну шины – адрес/данные. При этом под адрес отводится 20 разрядов, из которых 16 младших разрядов используются для передачи данных, но только после того, как 16 разрядов адреса записываются в специальный регистр – регистр защелку и эти разряды шины освобождаются для передачи данных.

Внутренние регистры процессора ВМ86 представлены на рис. 2.

Рис. 2. Внутренние регистры процессора ВМ86

10