Программы, выполняемые процессором, находятся не в воздухе и даже не в самом процессоре, а в оперативной памяти компьютера. Процессор забирает из памяти очередную команду, выполняет ее, потом переходит к следующей команде, снова выполняет ее – и так до конца программы. Команды процессора могут не только менять его собственное содержимое (содержимое регистров процессора), но и записывать числа в память компьютера. Память компьютера делится на ячейки размером 8 разрядов. Ячейки такого размера называют байтом. Разряды байта нумеруются справа налево от 0 до 7 (рис. 3.1). При этом правые разряды с меньшими номерами называются младшими разрядами, а левые разряды – старшими. В каждый разряд можно записать величину 0 или 1, такую величину называют битом. Самому первому байту присвоен нулевой номер. Номер последнего байта определяется объемом оперативной памяти, которой располагает компьютер. Порядковый номер байта называется адресом.
Объем оперативной памяти измеряется в байтах. Единичные и нулевые биты на самом деле – математическая абстракция. Для процессора реальны только напряжения на его внешних контактах. Каждый контакт соответствует одному биту и процессору нужно различать только две градации напряжения: «высокий» уровень напряжения и «низкий» уровень напряжения. Одному уровню напряжения соответствует «единица», другому – «ноль». Поэтому адрес для процессора – это последовательность напряжений на специальных контактах, называемых шиной адреса. Объем физически адресуемой микропроцессором памяти однозначно определяется разрядностью внешней шины адреса как 2^N, где N – количество адресных линий. Поэтому объем памяти компьютера определяется в числах, кратных степеням двойки:
1kB (килобайт, греч. chilioi тысяча) = 2¹⁰ 10³ байт;
1МB (мегабайт, греч. megas большой) = 2²⁰ (10³)² байт;
1GB (гигабайт, греч. gigas гигантский) = 2³⁰ (10³)³ байт;
1TB (терабайт, греч. teratos чудовище) = 2⁴⁰ (10³)⁴ байт;
1PB (петабайт, греч. pente пять, тысяча в 5-ой степени) = 2⁵⁰ (10³)⁵ байт;
1EB (эксабайт, греч. hex шесть, тысяча в 6-ой степени) = 2⁶⁰ » (10³)⁶ байт;
1ZB (зеттабайт, тысяча в 7-ой степени) = 2⁷⁰ байт (10³)⁷ байт;
1JB (йотабайт, тысяча в 8-ой степени) = 2⁸⁰ байт (10³)⁸ байт.Старая шутка: начинающий программист считает, что в килобайте 1000 байтов, а законченный программист – что в килограмме 1024 грамма.

Адресом машинного слова является адрес его младшего байта. В памяти младший байт всегда хранится по меньшему адресу. Адрес старшего байта может быть использован для доступа к старшей половине слова.
Адресом двойного слова является адрес его младшего слова. Адрес старшего слова может быть использован для доступа к старшей половине двойного слова.
Адресом учетверенного слова является адрес его младшего двойного слова. Адрес старшего двойного слова может быть использован для доступа к старшей половине учетверенного слова.Кроме контактов, на которых появляется адрес, в процессоре есть еще контакты, называемые шиной данных, где появляется прочитанное из памяти число. Код программы и ее данные находятся в одном адресном пространстве. Размещение данных и кода программ в памяти осуществляется самой системой в процессе работы и в различные моменты может быть различным; то, что было в течение некоторого времени пространством программы (командами), в другое время может стать массивом данных. Сама по себе память в этом случае имеет совершенно общий характер. При использовании микропроцессорных устройств для решения конкретных практических задач, назначение памяти закладывается в конструкцию устройства. Блоки энергонезависимой памяти (ПЗУ – постоянное запоминающее устройство) «только для чтения» используются для хранения программы, а энергозависимая память (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство) для считывания/записи – для временного хранения данных, организации стеков и как рабочее пространство программы. Использование энергонезависимой памяти для хранения программ является общим правилом при конструировании специального оборудования, поскольку позволяет избежать ввода программы в такие устройства при каждом их включении.Внутренняя архитектура 32/64-разрядного микропроцессора семейства 80x86 представлена на рис. 3.2.
В базовый состав микропроцессора входит арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое выполняет такие операции, как сложение, дополнение, сравнение, пересылка, сдвиг и так далее над данными, которые хранятся в регистрах или во внутренней памяти компьютера. Для увеличения скорости выполнения программ микропроцессор Pentium содержит два арифметико-логических устройства, благодаря чему две команды могут быть выполнены за один такт синхронизации.
Регистры – это сверхбыстродействующая память, которая физически находится в микропроцессоре. Регистры используются для вычислений и связи микропроцессора с внешним миром. За исключением указателя инструкций (регистр RIP/EIP) и 20-байтной очереди команд, регистры управления и рабочие регистры разделены на три группы в соответствии с выполняемыми им функциями. Имеется группа регистров данных (регистры общего назначения, РОН), представляющая собой, по существу, набор арифметических регистров; указательная группа (регистры RSP/ESP, RSI/ESI, RDI/EDI, RBP/EBP), содержащая базовые и индексные адреса; сегментная группа, в состав которой входят специальные базовые регистры (регистры CS, DS, SS, ES, FS и GS).
Устройство управления и синхронизации обеспечивает связь микропроцессора x86 с памятью и устройствами ввода/вывода.
Для управления памятью микропроцессор использует расширенное устройство управления памятью (Memory Management Unit, MMU).Под циклом выполнения команды подразумевается последовательность действий, совершаемых микропроцессором при выполнении одной машинной команды. При выполнении команды, в которой используется операнд, расположенный в памяти, микропроцессор должен сначала определить адрес операнда, поместить его на шину адреса, дождаться, пока значение операнда появится на шине данных.
Перед выполнением программа должна быть загружена в память компьютера. Упрощенная схема цикла выполнения команды показана на рисунке 3.3. Процессор берет из памяти машинную команду и увеличивает текущий адрес так, чтобы он указывал на следующую команду. Адрес следующей по порядку выполняемой команды помещается в регистр EIP (указатель инструкций). Очередь команд – область сверхоперативной памяти внутри микропроцессора, в которую помещена одна или несколько команд непосредственно перед выполнением. При выполнении каждой команды микропроцессор выполняет следующие операции: выборку, декодирование и выполнение. Если в команде используется операнд, расположенный в памяти, микропроцессору придется дополнительно выполнить выборку операнда из памяти и запись результата в память.
Выборка команды. Блок управления извлекает команду из памяти, копирует ее во внутреннюю память микропроцессора и увеличивает значение указатель инструкций на длину этой команды.
Декодирование команды. Блок управления определяет тип выполняемой команды, пересылает указанные в ней операнды в АЛУ и генерирует сигналы управления АЛУ, соответствующие типу выполняемой операции.
Выборка операндов. Если в команде используется операнд, расположенный в памяти, блок управления инициализирует операцию по выборке его из памяти.
Выполнение команды. АЛУ выполняет указанную в команде операцию, сохраняет полученный результат в заданном месте и обновляет состояние регистра флагов. По значению флагов программа может судить о результате выполнения команды.
Запись результата в память. Если результат выполнения команды должен быть сохранен в памяти, блок управления инициирует операцию сохранения данных в памяти.Универсальные регистры являются составной частью процессора. Они используются для временного хранения информации. Интенсивное использование регистров микропроцессором при работе с программой определяется тем, что скорость доступа к ним намного больше, чем к ячейкам памяти. 32-/64-битные процессоры имеют набор регистров для хранения данных общего назначения; набор сегментных регистров; набор из 8 80-битных регистров для работы с числами с плавающей точкой (ST0-ST7); набор из 8 64-битных регистров целочисленного MMX-расширения (MMX0-MMX7, имеющих общее пространство с регистрами ST0-ST7); набор из 16 128-битных регистров SSE для работы с числами с плавающей точкой (XMM0–XMM15); программный стек – специальная информационная структура, работа с которой предусмотрена на уровне машинных команд. Помимо основных регистров из реального режима доступны также регистры управления памятью (GDTR, IDTR, TR, LDTR) регистры управления (CR0-CR4), отладочные регистры (DR0-DR7) и машинно-специфичные регистры.Различают 8 целочисленных 32-х разрядных регистров общего назначения (EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP) их 64-разрядные расширения (RAX, RBX, RCX, RDX, RBP, RSI, RDI, RSP) и 8 целочисленных 64-разрядных регистров общего назначения (R8-R15), которые могут хранить следующие типы данных:

• операнды для логических и арифметических операций;
• операнды для расчета адресов;
• указатели на ячейки памяти.

Хотя для хранения операндов, результатов операций и указателей Вы можете использовать любой из вышеперечисленных регистров, будьте осторожны с регистром ESP/RSP. В нем хранится указатель вершины стека, и некорректное изменение этого значения приведет к неправильной работе программы и ее аварийному завершению.
Многие команды используют конкретные регистры для хранения своих операндов. Например, команды обработки текстовых строк используют содержимое регистров ECX/RCX, ESI/RSI и EDI/RDI в качестве операндов.
Основные случаи использования регистров общего назначения:

• EAX/RAX – используется для хранения операндов и результатов операций;
• EBX/RBX – как указатель на данные в сегменте DS;
• ECX/RCX – как счетчик для строковых операций и циклов;
• EDX/RDX – указатель для ввода/вывода, по умолчанию регистры EAX/RAX и EDX/RDX используются для умножения и деления;
• ESI/RSI – указатель на данные в сегменте DS, а также как указатель на источник в командах работы со строками;
• EDI/RDI – указатель на данные в сегменте ES, а также как указатель на приемник в командах работы со строками;
• ESP/RSP – указатель вершины стека в сегменте SS;
• EBP/RBP – указатель на некоторые данные в стеке.

К регистрам, оканчивающимся на X, можно обращаться и как целиком к 64-битным (RAX, RBX, RCX, RDX), и к их младшей 32-битной части (EAX, EBX, ECX, EDX), и к младшим 16-ти битам (AX, BX, CX, DX), которые в свою очередь можно разделить на старший/младший байт (AH/AL, BH/BL, CH/CL, DH/DL) и работать с ними, как с регистрами длиной 8 бит. Регистры-указатели RSP/ESP (указатель вершины стека) и RBP/EBP (базовый регистр), а также индексные регистры RSI/ESI (индекс источника) и RDI/EDI (индекс приемника) допускают либо 64-/32-битное обращение, либо обращение только к младшим 16 битам (SP, BP, SI и DI), либо к младшим 8 битам (SPL, BPL, SIL, DIL). Для обращения к младшим 8/16/32-битам регистров R8-R15 используют суффиксы b/w/d. Например, R9b – младший байт 64-разрядного регистра R9 (по аналогии с AL), R9w – младшее слово регистра R9 (то же, что AX в EAX). Для обращения к старшей части регистров РОН используют сдвиги или математические операции.Регистры сегментов (CS, DS, SS, ES, FS и GS) хранят 16-битные базовые
адреса сегментов, определяющие сегменты памяти текущей адресации.
В защищенном режиме каждый сегмент может иметь размеры от одного байта до целого линейного и физического пространства машины до 4 Гб в режиме реальной адресации, максимальный размер сегмента ограничен на 64 Кб.
Шесть сегментов, адресуемых в любой данный момент, определяются содержимым регистров CS, SS, DS, ES, FS и GS:

• значение в CS (Code Segment Register) указывает на сегмент, содержащий команды программы;
• содержимое DS (Data Segment Register) указывает на сегмент, содержащий обрабатываемые программой данные;
• содержимое SS (Stack Segment Register) сегмент, содержащий стек программы;
• значения в ES, GS указывают на дополнительные сегменты данных;
• регистр FS содержит блок данных потока (thread information block TIB). Этот блок описывает выполняющийся в данный момент поток.

Основой микропроцессора является арифметико-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для обработки информации. АЛУ содержит две входные (A и B) и одну выходную (F) 64-/32-разрядные шины. Информация на и входных шинах обрабатывается в АЛУ в соответствии с набором управляющих сигналов на управляющих шинах АЛУ. Результат обработки появляется на выходной шине.
Другим важным узлом микропроцессора является набор регистров общего назначения (РОН). В РОН хранятся информационные слова, подлежащие обработке в АЛУ, результаты обработки информации в АЛУ и управляющие слова. Обращение к РОН – адресное.
Так как в один и тот же момент можно обращаться к 8-битным, либо 16-битным, либо к 32- или 64-битным регистрам, поэтому адреса регистров с разными размерами совпадают. Для формирования оптокода используются следующие номера регистров.Эти регистры допускают считывание и запись информации, поэтому содержат входную и выходную шины данных, адресную шину и управляющие входы, информация на котором задает режим работы: запись, хранение или чтение информации.
На рис. 3.3.1 типовая схема обрабатывающей части микропроцессора. Содержимое любого РОН может быть передано на буферный регистр (БР) и на регистр сдвига (Рсдв). АЛУ выполняет логические и арифметические операции над содержимым обоих регистров; результат может быть записан в любой из РОН. При подаче соответствующих управляющих сигналов в этой системе, возможны:

• передача данных из одного РОН в другой путем пересылки вы
  бранного из первого РОН слова транзитом через БР и АЛУ во второй РОН;
• увеличение или уменьшение содержимого любого РОН путем изменения в АЛУ выбранного из РОН значения на единицу и засылки полученного результата в тот же регистр;
• сдвиг содержимого любого РОН путем передачи выбранного из РОН значения в Р_сдв, сдвига этого числа и записи через АЛУ в тот же регистр.

Образующийся при выполнении арифметических операций сигнал переноса хранится в триггере CF, там же сохраняется значение вытесняемого при сдвиге разряда из Р_сдв. Выходной код АЛУ может быть проанализирован на «все нули» (ZF) и на значение старшего знакового разряда (SF).
Общее количество внутренних регистров микропроцессора зависит от его модели. Первоначально (до появления суперскалярного микропроцессора) регистры были не виртуальными, на один программный регистр приходилось по одному внутреннему регистру, затем – по 2 штуки внутренних регистров на один программный и так далее. Количество внутренних регистров (RF) больше, чем программных. Регистры RF не привязаны к программным регистрам, то есть говорить «регистров EAX – 8 штук» или «по восемь на каждый» – не правильно. Регистры RF привязаны к операциям (точнее к микрооперациям – мопам) – каждому мопу назначается новый регистр RF для записи результата. Поэтому и количество регистров зависит от того, сколько мопов могут одновременно находиться в конвейере процессора – чем длиннее конвейер, тем больше должно быть RF и ROB (reorder buffer, в котором временно хранятся мопы). Поскольку современные процессоры суперскалярные и рассчитаны на обработку в среднем до трех мопов за такт (Core 2 Duo до 4), то количество RF и ROB должно быть не меньше утроенной задержки (в тактах) прохождения мопа по конвейеру с выхода декодера (или T-кэша) до выхода в отставку (удаления из ROB). Например, в Pentium Pro-Pentium III количество RF и ROB – 40, а в Pentium 4E конвейер в 3 раза длиннее и соответственно RF и ROB – 128.В 1976 году фирма Intel закончила разработку 16-разрядного микропроцессора i8086. Он имел достаточно большую разрядность регистров (16 бит) и системной шины адреса (20 бит), за счет чего микропроцессор мог адресовать до 1 Мбайта оперативной памяти. Использование сегментных регистров в то время называлось на компьютерном жаргоне словом kludge (приспособление для временного устранения проблемы). Проблема заключалась в адресации более 64 Кбайт памяти – предела, который устанавливается использованием 16-битных регистров, так как 2¹⁶=65535 – это наибольшее число, которое может содержать такой регистр. Специалисты фирмы Intel для решения этой проблемы использовали сегменты и регистры сегментов и тем самым усложнили процесс адресации в микропроцессорах x86. Хотя адрес формируется из двух 16-разрядных регистров, микропроцессор i8086 (а после i80186, i80286) не формировал для адреса 32-разрядное число, (он показался инженерам Intel чрезмерно большим), а обходился 20-разрядным адресом. Микропроцессор разбивает память на перекрывающиеся сегменты. Сегмент – это 64-Кбайтный участок памяти. Каждый новый сегмент начинается через каждые 16 байт. Первый сегмент (сегмент #0) начинается в памяти с ячейки #0(=0000.0000b); второй (сегмент #1) начинается с ячейки #16 (10h=0001.0000b); третий – с ячейки #32 (20h=0010.0000b) и так далее. То есть начальный адрес сегмента памяти всегда кратен 16 и последние 4 бита у этого адреса нулевые. В сегментных регистрах хранят только первые 16 битов начального адреса сегмента памяти. Для микропроцессора i8086 полный 20-разрядный (абсолютный или физический) адрес получался сложением содержимого сегментного регистра, умноженное на 16 (начального адреса сегмента) и содержимого какого-нибудь 16-разрядного регистра общего назначения, указывающего на смещение внутри сегмента (эффективный адрес или смещение).Например, адресная пара регистр ES=1234h и регистр DI=0053h задают следующий абсолютный адрес:Обратите внимание, что при других значениях в ES=1000h и DI=2393h мы получим тот же абсолютный адрес При сложении максимальных значений сегмента и смещения формула 2 даст адрес 0FFFF0h+0FFFFh=10FFEFh, но из-за 20-разрядного ограничения на шину памяти эта комбинация указывает на адрес 0FFEFh. Таким образом, у нас получается совмещение адресов – адреса от 100000h до 10FFEFh соответствовали адресам от 0 до 0FFEFh. Начиная с i80286 шина адреса увеличена до 24 разрядов, i80386 до 32, а с Pentium Pro до 36 разрядов. Меняются и способы адресации к памяти. Микропроцессор x86 позволяет 24 способа адресации.

Миниатюры

     

   

Изображения

  

0