7.2.2 Організація 16-розрядних мікропроцесорів

Вхідний контроль:

1. Як операційна система ПК розміщує коди виконуваної програми в пам’яті?

2. Як у МПС з фоннейманівською архітектурою МП можна розрізняти, чи є код у пам’яті кодом команд, чи кодом даних?

Класичною реалізацією фоннейманівської архітектури є адресування пам’яті за плоскою моделлю, коли вся пам’ять є єдиною лінійною послідовністю байтів. У цій пам’яті зберігаються і дані, і коди програм. Відповідальність за коректне використання пам’яті цілком покладається на прикладного програміста, який повинен забезпечувати цілісність кодів та даних: дані не повинні зіпсувати коди, а стек – перекритися з областю кодів. У багатозадачному режимі, коли кільком десяткам задач надається можливість по черзі виконуватись на віртуальній машині, розподілом ресурсів займається операційна система. Віртуальна (надавана) машина складається з віртуального процесора, віртуальної пам’яті та віртуальної підсистеми введення-виведення. Найбільш незахищеною у багатозадачному режимі є пам’ять. Першим кроком до її захисту було створення у МП І8086, який випускався з 1978 р., моделі пам’яті реального режиму. Ця модель пам’яті організовувала пам’ять у вигляді сегментів коду, стека та даних, які мали різне призначення і різні права доступу. Ця модель була вимушеною і використовувалась з метою можливості адресування обсягу пам’яті 1 Мбайт за допомогою 16-розрядних регістрів, в яких формується адреса комірок пам’яті. Таку модель до цього часу використовують додатки, написані для операційних систем реального режиму типуMS DOS. МПІ8086 створювався як призначений для роботи у багатопроцесорних системах з розподіленою пам’яттю та у складі персональних комп’ютерів, тобто вже під керуванням операційної системи.

Для зазначення початку сегмента використовуються спеціальні сегментні регістри: у 16-розрядних МП – CS, DS, SS,ES.

Переміщення програм та даних означає, що вони можуть бути у різні моменти часу в різних областях пам’яті, не вимагаючи від операційної системи,або додатків своєї модифікації.

Для визначення фізичної адреси адресованої комірки пам’яті у межах 2²⁰адресного простору вміст сегментних регістрів помножується на 4 (зсувається вліво на 4 двійкових розряди) і до нього додається значення зміщення адреси комірки від початку сегмента.

Сегментування пам’яті визначило архітектуру і програмні моделі мікропроцесорів фірми Intel.

Структурна схема МП І8086 наведена на рис. 7.11.

Рисунок 7.11 – Структурна схема МП І8086

За функціональним призначенням вузли схеми можна розбити на операційний пристрій, пристрій спряження з шиною та керувальний пристрій. В операційному пристрої виконуються обчислення, пов’язані з виконанням команд з оброблення даних; у пристрої з’єднання з шиною – обчислення, які забезпечують формування адрес команд та операндів, виклик команд та їх зберігання до початку виконання; керувальний пристрій, який дешифрує коди команд та генерує керувальні сигнали та сигнали синхронізації для МП та МПС. До операційного пристрою входять арифметично-логічний пристрій з регістрами тимчасового збереження і регістром ознак, блока регістрів загального призначення, який складається з чотирьох 16-розрядних регістрів загального призначення AX, BX, CX, DX, кожний з них може використовуватись як два 8-розрядних, регістрів-вказівниківSР, ВРта індексних регістрівSI, DI, які використовуються при формуванні адрес.

Пристрій з’єднання з шиною складається з шестибайтової регістрової пам’яті, яка називається чергою команд, сегментних регістрівCS, DS, SS, ESта вказівника командІР(Instruction Pointer), суматора та логіки керування шиною.

Черга команд працює за принципом FIFO(First Input – First Output, перший увійшов – перший вийшов). У черзі команд можуть накопичуватись послідовні байти команд обсягом до 6 байт. Це дозволяє подавати команди з випередженням з черги в операційний пристрій, де вони виконуються, і дає можливість сумістити за часом виконання процеси, пов’язані з вибиранням команд із пам’яті, і процеси, пов’язані з їх виконанням. Черга команд називається такожконвеєром команд.

Швидкодія процесора збільшується за рахунок конвеєризації на лінійних ділянках програм, але коли у чергу попадають команди переходів, викликів підпрограм, у тому числі підпрограм оброблення переривань та повернення з них, черга скидається і вибирання починається з нової адреси програмної пам’яті.

Суматор бере участь у формуванні виконавчої адреси (Executive Address) операндів, які розміщуються у пам’яті, та фізичної адреси операндів і команд.

Процесор має мультиплексовану двоспрямовану 16-розрядну шину даних/адреси AD15...AD0, яка використовується у мінімальному, однопроцесорному режимі. У максимальному режимі при роботі у складі багатопроцесорних систем МП може адресувати 1 Мбайт пам’яті за рахунок додаткових чотирьох ліній адреси/стануA19/S6…A16/S3.

Мікропроцесор І8086 (російський аналог К1810ВМ86) є розвитком МПІ8080, їхня архітектура подібна. Програмно-доступні вузли і система командІ8080 є підмножиною вузлів і системи команд МПІ8086. Хоча програми, написані машинною мовоюІ8080, не можуть виконуватись безпосередньо на МПІ8086, але можна говорити про сумісність МП фірмиIntelзнизу уверх; програми достатньо просто переводяться з мови АсемблераІ8080 на мову АсемблераІ8086 за допомогою їхньої повторної трансляції.

МП І80186 є наступною моделлю МП з архітектуроюІ8086 і має додатково логічний блок вибирання мікросхеми, два незалежних швидкісних канали ПДП, три програмованих таймери, програмований контролер переривань та вбудований генератор тактових імпульсів. Система команд порівняно з МПІ8086 є розширеною і вміщує всі команди попередніх моделей, починаючи зІ8080.

У 1983 р. фірма Intelвипустила МПІ80286, який став основою для розробки ПКІВМ РС/АТ. МПІ80286 може працювати у двох режимах: реальному та віртуальному. У реальному режимі МПІ80286 функціонує як МПІ8086 з підвищеною швидкодією. У віртуальному режимі фізична адреса комірки пам’яті знаходиться за допомогою таблиць, які індексуються за допомогою сегментних регістрів, тобто реалізується так званий захищений режим роботи МП, який розглядається у підрозділі 7.2.5. При включенні у МПІ80286 установлюється реальний режим, ініціалізуються різні регістри і прапорці і виконується команда завантаження слова стану процесора, в якому установлено біт дозволу захисту. Після переходу у віртуальний режим повернути його до реального режиму можна тільки апаратним сигналом скидання.

МП І80286 забезпечує засоби захисту різних областей пам’яті при роботі у віртуальному режимі за рахунок наявності рівнів привілеїв виконуваних сегментів кодів. Якщо рівень виконуваної програми є менший за рівень, який надано сегменту, МП відключає засоби захисту.

МП І80286 адресує до 2 Мбайт реальної пам’яті та 4 Гбайт віртуальної. Система команд вміщує всі команди більш ранніх моделей та кілька нових команд, пов’язаних з реалізацією реального та віртуального режимів.

МП І80286 припускає спряження з співпроцесоромІ80287, призначеним для виконання операцій з плаваючою точкою. Обидві мікросхеми можуть виконувати команди одночасно.

МП І80286 підтримує багатозадачний режим шляхом перемикання з однієї виконуваної задачі на іншу. МП створює для кожної задачі сегмент пам’яті, який вміщує всю інформацію, небхідну для запуску та зупину задачі (сегмент стану задачі). Основне його призначення – збереження вмісту регістрів задачі на той час, коли задача не виконується.

Контрольні питання:

1. З якою метою у 16-розрядних процесорах фірми Intelреалізується сегментування пам’яті?

2. Яку роль у структурній схемі МП І8086 (К1810) відіграє пристрій спряження з шиною?

3. Які операції виконує АЛП у складі МП І8086?

4. Які прапорці виставляє АЛП І8086?

Контрольні питання підвищеної складності:

1. З якою метою МП І8086 має мультиплексовану двоспрямовану шину даних/адреси?

2. Як, на Ваш погляд, можна зберегти цілісність даних, не сегментуючи пам’ять?