Анализ развития процессоров фирмы Intel IA-32

В табл. 2.1 приведены основные свойства процессоров фирмы Intel, от процессора 8086 до первых представителей семейства Pentium.

Таблица 2.1. Основные свойства процессоров фирмы Intel
Тип ЦП Свойства						Pentium	P6
1. Год выпуска
2. Проектные нормы (мкм)			1,5		1-0,8	0,8-0,6	0,6-0,35
3. Количество транзисторов					1млн200т	3млн 100т	9млн 500т
4. Разрядность ШД/ША	16/20	8/20	16/24	32/32	32/32	64/32	64/32 (36)
5. Максимальный объем физ. памяти	1 Мб	1 Мб	16 Мб	4 Гб	4 Гб	4 Гб	4 Гб (64 Гб)
6. Максимальный объем виртуальной памяти	1 Мб	1 Мб	1 Гб	64 Тб	64 Тб	64 Тб	64 Тб
7. Максимальный размер сегмента	64 Кб	64 Кб	64 Кб/4 Гб	64 Кб/4 Гб	64 Кб/4 Гб	64 Кб/4 Гб	64 Кб/4 Гб
8. Размер очереди предвыборки (байт)
9. Размер операндов (бит)	8, 16	8, 16	8, 16	8, 16, 32	8, 16, 32, 64	8, 16, 32, 64	8, 16, 32, 64
10. Размер регистров (бит)	8, 16	8, 16	8, 16	8, 16, 32	8, 16, 32	8, 6, 32	8, 16, 32
11. Разбиение на страницы	Нет	Нет	Нет	Есть	Есть	Есть	Есть
12. Рабочая частота (МГЦ)	5, 8, 10	5, 8, 10	8, 10, 12, 16	20, 25,33, 40	25-133	60-233	166, 180, 200
13. Защита памяти	Нет	Нет	Есть	Есть	Есть	Есть	Есть
14. Сопроцессор				80287, 80387	FPU	FPU	FPU

Архитектура ЦП 8086: основные регистры, организация памяти

Программная модель МП представляется набором его регистров. Регистр является устройством временного хранения данных и используется с целью облегчения арифметических, логических и пересылочных операций.

Центральный процессор 8086 имеет четыре 16-битных регистра общего назначения AX, BX, CX, DX, четыре регистра-указателя SI, DI, BP и SP, четыре регистра сегментов CS, DS, ES, SS, один 16-битовый регистр флагов FLAGS и указатель программ IP (см. рис.2.1)

Рис. 2.1. Программная модель ЦП 8086

 

Регистр-аккумулятор AX используется для хранения промежуточных данных и результатов.

При базовых типах адресации регистр BX содержит адрес области памяти либо адрес, который суммируется для получения нового значения со смещением.

Регистр-счетчик CX предназначен для управления числом итераций в цикле или числом повторений в командах REP в строковых операциях.

Регистр данных DX используется как вторичный аккумулятор для хранения промежуточных данных и результатов.

Индексный регистр-источник SI применяется в качестве указателя адреса байта или слова в таких строковых командах, как LODS ("загрузить строку"), CMPS ("сравнить строку"), MOVS ("переслать строку"). При базово-индексной адресации содержимое регистра SI может суммироваться с содержимым регистра BX.

Индексный регистр-источник DI используется как указатель назначения для адреса байта или слова в строковых командах, таких как SCAS (сканировать строку), CMPS, MOVS, STOS (записать строку). При базово-индексной адресации для получения адреса операнда содержимое регистра DI может суммироваться с содержимым регистра BX.

Регистр-указатель стека SP применяется для работы с данными в стековых структурах. Его содержимое указывает адрес элемента на вершине стека, что удобно при организации обработки прерываний, процедур вызова подпрограммы и выхода из нее путем сохранения адреса возврата на вершине стека.

Регистр-указатель базы BP используется как дополнительный указатель для работы с данными в стековых структурах. В режиме базово-индексной адресации содержимое регистра BP может суммироваться с содержимым регистров SI или DI.

Адресное пространство памяти процессора, откуда происходит выборка команд и данных, разделено на сегменты (области памяти) емкостью до 64 Кбайт каждый. Процессор 8086 имеет прямой доступ одновременно к четырем сегментам.

Начальный адрес сегмента может быть установлен прикладной программой и всегда должен начинаться с 16-байтовых границ. Базовый адрес сегмента получается делением действительного физического адреса начальной ячейки сегмента на 16. Базовые адреса содержатся в одном из четырех 16-битных сегментных регистров CS, DS, ES и SS. На расположение сегмента не накладывается никаких специальных ограничений, кроме одного: он должен быть на границе 16 байт (т.е. физический адрес начальной ячейки должен делиться на 16). Сегменты могут быть смежными, разделенными, перекрываться частично или полностью.

Регистры сегментов используются для идентификации текущего сегмента адресного пространства.

Регистр сегмента команд CS указывает сегмент, содержащий адрес текущей выполняемой программы.

Регистр сегмента данных DS содержит начало зоны адресов, которая в общем случае включает программно изменяемые таблицы и константы.

Регистр дополнительного сегмента ES указывает начало области памяти, которая обычно используется для запоминания промежуточных данных.

Регистр сегмента стека SS содержит начальный адрес стековой структуры в памяти ЭВМ.

Указатель команд IP содержит адрес следующей команды в сегменте памяти, определяемом содержимым регистра сегмента команд CS.

Регистр флагов FLAGS содержит информацию о текущем состоянии микропроцессора. Имеет шесть однобитовых флагов состояния, которые индицируют результаты выполнения арифметических и логических операций.

В 1985 году фирма Intel выпустила 32-разрядный микропроцессор, ставший родоначальником семейства IA-32. Развитие этого семейства прошло ряд этапов, среди которых можно выделить следующие: реализация блока обработки чисел с плавающей запятой непосредственно на кристалле МП (микропроцессор I486), введение MMX -технологии обработки данных с фиксированной точкой по принципу SIMD - single instruction multi data (один поток команд - множество потоков данных) в микропроцессоре Pentium MMX и развитие этой технологии на числа с плавающей запятой (SSE - streaming SIMD Extention), появившееся впервые в МП Pentium III. Однако основные черты этой архитектуры вплоть до настоящего времени остаются неизменными.

Архитектура 32-разрядного микропроцессора существенно отличается от архитектуры 16-разрядного. Некоторые из этих отличий чисто количественные, другие носят принципиальный характер.

Рис. Структура 32-разрядного микропроцессора

 

 

Главное внешнее отличие - увеличение разрядности шины данных и шины адреса до 32 бит. Это, в свою очередь, связано с изменениями в разрядности внутренних элементов микропроцессора и в механизме выполнения некоторых процессов, например, формирования физического адреса.

Регистры блока обработки чисел с фиксированной точкой стали 32-разрядными. К каждому из них можно обращаться как к одному двойному слову (32 разряда). К младшим 16 разрядам этих регистров можно обращаться так же, как и в 16-разрядном микропроцессоре.

В блоке сегментных регистров произошли как количественные, так и качественные изменения. К используемым в реальном режиме четырем регистрам CS, DS, SS и ES добавлены еще два: FS и GS. Хотя разрядность регистров этого блока осталась прежней (каждый по 16 бит), в формировании физического адреса оперативной памяти они используются по-другому. При работе микропроцессора в так называемом защищенном режиме они предназначаются для поиска дескриптора (описателя) сегмента в соответствующих системных таблицах, а уже в дескрипторе хранится базовый адрес и атрибуты сегмента. Формирование адреса в этом случае выполняет блок сегментации диспетчера памяти.

Если помимо сегментов память разбита еще и на страницы, то окончательное вычисление физических адресов выполняет блок управления страницами.

Начиная с микропроцессора I486, в состав кристалла микропроцессора входит блок обработки чисел с плавающей запятой, включающий в себя восемь 80-разрядных регистров для представления знаков, мантисс и порядков таких чисел.

На кристалле микропроцессора располагается также внутренняя кэш-память, которая представляет собой особым образом организованную быстродействующую буферную память, предназначенную для хранения наиболее часто используемой информации (команд и данных). В различных моделях микропроцессоров объем кэш-памяти составляет от 8 Кбайт до 512 Кбайт.

Микропроцессор на аппаратном уровне поддерживает мультипрограммный режим работы ЭВМ, то есть возможность иметь в памяти одновременно несколько готовых к выполнению программ, запуск которых осуществляется операционной системой в соответствии с алгоритмами ее функционирования либо в зависимости от особых ситуаций, складывающихся в работе внешних устройств.

С этой возможностью неразрывно связаны средства защиты памяти, которые обеспечивают контроль над неразрешенными взаимодействиями между отдельными программами. Они включают в себя защиту при управлении памятью и защиту по привилегиям.

Главные особенности расширенного формата команды - возможность использовать любой из регистров общего назначения в любом из режимов адресации, а также добавление еще одного режима адресации - относительного базового индексного с масштабированием. При этом эффективный адрес формируется следующим образом:

ЭА = (base) + (index) · scale + disp,

где (base) - значение базового регистра; (index) - значение индексного регистра; scale - величина масштабного множителя (scale = 1,2,3,4); disp - значение смещения, закодированного в самой команде.

Отметим, что в 32-разрядной архитектуре эффективный адрес обычно называют смещением (offset), в то же время отличая его от смещения, кодируемого в самой команде (displacement).