Ершов С.С. Архитектура и организация ЭВМ

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 2.19. Структура i486

Таким образом, АЛУ в составе процессора i486 представлено блоками –

устройствами: собственно АЛУ (обработка целых чисел), FPU и управляющий ав-

томат (устройство управления).

Процессоры i86 имеют такие режимы работы:

— реальный (R-режим, Real Mode);

— защищенный, начиная с i80286(P-режим, Protected Mode, защита сегментов

и страниц оперативной памяти);

— виртуальный (V-режим, Virtual Mode, с виртуальными микропроцесс-

сорами i8086).

Есть еще вспомогательный

режим системного управления SMM. Виртуальный

режим в качестве основного также можно не рассматривать: процессоры i8086

имеют только R-режим; правда, управление виртуальными микропроцессорами

i8086 осуществляется так называемым V-монитором (а он работает в P-режиме).

Таким образом, остаются всего два режима: R- и P- .

Программная (регистровая) модель микропроцессоров i80386+ (i80386 и i486)

представлена на рис. 2.20.

Регистры общего назначения (РОН, рис. 2.20) обычно

специализируются:

• AX (EAX) — аккумулятор, здесь может храниться так называемый РПД

(результат предыдущего действия);

• BX (EBX) — базовый регистр общего вида (для базирования оперативной

памяти);

• CX (ECX) — счетчик байтов, циклов и т.д.;

• DX (EDX) — регистр данных (хранится один из операндов);

• SI (ESI) — индекс источника (source), при обработке строк;

• DI (EDI) — индекс приемника (destination);

• BP (EBP) — базовый

регистр стека;

• SP (ESP) — указатель стека, используется при адресации последней занятой

ячейки стека — совместно, например, с регистром SS.

• CS — сегментный (селекторный) регистр кода, используется совместно

с IP (EIP);

• SS — сегментный (селекторный) регистр стека;

• DS, ES, FS, GS — сегментные (селекторные) регистры данных (в i80286

только DS и ES).

В регистре флагов-признаков:

CF — флаг переноса (carry flag);

PF — разряд дополнения до нечетного количества

единиц (parity);

AF — вспомогательный межтетрадный перенос (из младшей тетрады) при

двоично-десятичном сложении;

ZF — нуль (zero);

SF — знак (sign);

TF — флаг трассировки; если TF=1, происходит прерывание после каждой ко-

манды — для вывода обработчиком этого прерывания всей необходимой пользо-

вателю «отладочной» информации; в рабочем режиме этот флаг сброшен;

IF — разрешение прерывания (после окончания текущей команды);

DF — направление адресации при

обработке строк (0 — вперед, инкремент;

1 — назад, декремент);

OF — флаг переполнения (overflow);

IOPL — 2-разрядное поле уровня привилегий ввода-вывода (используется при

защите портов ввода-вывода);

NT — флаг вложенной задачи (nexted task flag);

RF — флаг восстановления (с контрольной точки);

VM — в защищенном режиме включен режим виртуального процессора i8086;

AC — флаг контроля выравнивания (2, 4, 8 байтов).

В EF более старших i86 могут быть и другие флаги

Первые микроЭВМ (и ПЭВМ) имели только целые числовые форматы (байт

или 2-байтное слово), беззнаковые или со знаком (дополнительный код). Цен-

тральный, или целочисленный, процессор до сих пор сохраняет такие ограничен-

ные возможности. Разве что разрядная сетка расширилась до 32 (64) двоичных

разрядов. Главную вычислительную работу теперь выполняет сопроцессор с пла-

вающей запятой [6, 11].

Начиная с i486, он размещается в одном корпусе (чипе-

кристалле) с центральным процессором и именуется FPU (Float Point Unit).

Реализуемые в сопроцессоре числовые форматы имеют множество «аномалий»

(отличий от традиционных форматов). На пути эволюции от i8087, i80287 и i80387

к i486 (FPU) менялись наименования-обозначения форматов, их поддержка сред-

ствами сопроцессора.

Рис. 2.20. Регистровая модель i486

Целые строки (ЦС) — 2 байта {15. 14: 0}, дополнительный код, верхняя гра-

ница диапазона — 10

Короткие целые (КЦ) — 4 байта {31. 30: 0}, дополнительный код, диапазон —

до 10

Длинные целые (ДЦ) — 8 байт (байтов) {63. 62: 0}, дополнительный код,

диапазон — до 10

Упакованные десятичные (УПК) — 10 байтов {79: 0}, прямой код, разряд

знака S — {79}, разряды {78: 72} не используются. В {71: 0} — 18 двоично-

десятичных тетрад-декад 8421:D17 … D0. Диапазон, очевидно, достигает 10

Одинарной точности (ОТ) — 4 байта {31:0}. Знаковый разряд S — {31}. Ха-

рактеристика двоичная, занимает 8 разрядов {30: 23}. В разрядах {22: 0} пред-

ставлена дробная часть мантиссы. Целая часть нормализованной мантиссы рав-

на 1(!) и приходится на скрытый разряд, т.е. запятая в представлении прямого ко-

да мантиссы стоит перед разрядом {22}.

Особенным (вторая аномалия) является и распределение возможных значений

характеристики

Н (и порядка р):

Н = 1 … 254,

р = –126 … 127,

т.е. смещение составляет 127 (а не точно двоичную степень, например

= 128). Значения характеристики 0 и 255 (порядок равен –127 и 128) использу-

ются по другому назначению (третья «аномалия»).

Двойной точности (ДТ) — 8 байтов {63: 0}. Знаковый разряд S — {63}. Дво-

ичная характеристика занимает 11 разрядов {62: 52}, дробная часть мантиссы —

{51: 0}. Целая единица мантиссы скрыта. Смещение порядка составляет 1023,

значения характеристики —

1 … 2046 (0 и 2047 используются специально), поря-

док: -1022 … 1023. Диапазон представления чисел 10

±308

(в формате ОТ было

±38

). Точность определяется полной цифровой разрядностью мантиссы: 53 дво-

ичных или 16 десятичных значащих цифр (для ОТ — 24 двоичных или около 7 де-

сятичных).

Расширенной точности (РТ) — 10 байтов {79: 0}. Разряд знака — {79}. Ха-

рактеристика — 15 двоичных разрядов {78: 64}. Мантисса {63: 0} не имеет скры-

того разряда, но единичное или нулевое значение ее целой части представлено

({63}). Таким образом, запятая в представлении прямого

кода мантиссы размеща-

ется между разрядами {63} и {62}. Смещение характеристики

— 16 383. Её значе-

ния: 1 … 32 766 (0 и 32 767 используются особо). Значения порядка: –16 382 …

16 383. Диапазон представления чисел 10

±4932

, точность — 64 двоичных или около

19 десятичных цифр.

Из семи рассмотренных здесь форматов FPU шесть являются внешними (ис-

пользуемыми для ввода-вывода) и только один — внутренний. Это формат РТ,

расширенной точности, самый, действительно, широкий и точный.

В необходимых случаях осуществляется округление — при переходе к форматам

с пониженной точностью.

Имеется еще множество специальных числовых значений, где как раз исполь-

зуются ранее невостребованные значения характеристики:

— денормализованные вещественные ( H = 0, m ≠ 0; в терминах ЕС ЭВМ это

— исчезновение порядка, ИСП);

— нуль («истинный»: H = 0, m = 0; соответствует потере значимости, ПЗН);

— бесконечность (аффинная; в i80286 была еще

проективная бесконечность; H

= 32 767, m = 1);

— нечисло (NaN: Not-a-Number; H = 32 767, m ≠ 1);

— вещественная неопределенность (частное NaN; H = 32 767, m = 1,10 … 0

Кроме того в i486 некоторые форматы i8087, i80287 не поддерживаются:

— псевдонечисла;

— псевдобесконечности;

— ненормализованные числа;

— псевдоденормализованные числа;

— псевдонули.

Классы команд FPU/i486:

— арифметические (18; FADD, FADDP, …);

— специально-арифметические (16; FSQRT, FSINCOS, …);

— сравнения (10; FCOM, …);

— пересылки данных (16; FLD, FLDPI, …);

— управления (14; FINIT, FNOP, FWAIT, …).

Форматы команд (рис. 2.21) мало отличаются от обычных процессорных ко-

манд.

В командах типа «память» при 32-разрядной (!) адресации, кроме байта адре-

сации «mod – r/m», присутствует

байт SIB и, возможно, байты смещения (1, 2 или

4). Поле ESC (11011) является своеобразным признаком сопроцессорной команды

(F — float).

В командах типа «регистр» второй операнд берется из стекового регистра

ST(i), i = 0 … 7, первый — всегда из ST(0), как и в командах типа «память».

Байты, предшествующие команде сопроцессора (рис. 2.21в), могут быть WAI T

(«Ожидание») или NOP («Нет операции»), а также представляющими префикс

смены сегментного

регистра.

Взаимодействие центрального (целочисленного) процессора и сопроцессора

(FPU в i486) — асинхронное. Пример такого взаимодействия показан на рис. 2.22.

При трансляции сопроцессорных команд (отмечены *) генерируется однобайт-

ная команда WAI T, вызывающая приостановку обращения к сопроцессору (ПО)

или даже совместно приостановку действия, т.е. приостановку до получения ре-

зультата в сопроцессоре (ПО/Д). Асинхронность взаимодействия обеспечивается

за

счет связи выхода сопроцессора (BUSY — занятость) и входа процессора (TEST

— проверка, требуется BUSY = 0).

Рис. 2.21. Форматы команд сопроцессора: типа «память» (а), типа «регистр» (б),

предшествие (в)

Рис. 2.22. Взаимодействие центрального процессора и сопроцессора

Второй вариант ПО/Д связан с использованием в цикле команд NOP. Но здесь

существует определенный риск из-за недостаточной временной задержки.

Вообще адресация команд и операндов осуществляется центральным процес-

сором. Он же осуществляет выборку команд в сопроцессор и начальную выборку

операнда из оперативной памяти.

Продолжение выборки операнда ведет сопро-

цессор.

Способы адресации в сопроцессорных командах фактически не изменяются

(байты «mod.r/m» и SIB).

В структуре сопроцессора, кроме модуля синхронизации и операционного,

следует выделить регистр управляющего слова (РУС), регистр слова состояния

(РСП), регистр слова признаков-тегов (РСП) и численные регистры, которых 8

(физические номера 0 … 7). Численные регистры могут адресоваться прямо (РОН;

ST(i)) или по принципу организации

стека (ST(0)).

Структуры 2-байтных регистров РУС и РСП во многом аналогичны. При вы-

полнении сопроцессорных команд возможны 6 так называемых особых случаев

(«ошибок», Error):

IE — некорректный (invalid) операнд;

DE — денормализованный операнд;

ZE — деление на нуль;

OE — переполнение;

UE — антипереполнение («потеря значимости»);

PE — потеря точности.

Устанавливается в «1» только один из этих признаков-флагов. В регистре РУС

этим же

6 разрядам соответствуют маски (IM, DM, …). В этом же регистре задает-

ся значение IEM (0 — обработка прерывания по особому случаю пользователем, 1

— встроенными средствами сопроцессора). В РСС при этом имеется запрос на

соответствующее прерывание (его маска 0, IR/ES = 1). Запрос на внешнюю (поль-

зовательскую) обработку особого случая передается на вход контроллера преры-

ваний (например, ВН 59) и, если там соответствующий

вход-канал не замаскиро-

ван (IMR = 0), запрос на прерывание действует на вход процессора INT и удовле-

творяется (после завершения текущей команды) при IF = 1 в регистре флагов.

Таким образом, для начала работы пользовательского обработчика прерываний

требуется выполнение целого ряда (цепочки) условий:

— есть особый случай (IE, …);

— он не замаскирован (IM = 0, …);

— IR(ES) = 1 в РСС и IEM =0 в РУС;

—

контроллер прерываний разрешен (IMR = 0);

— прерывания разрешены (IF = 1);

— завершена текущая команда.

В слове состояния сопроцессора есть еще поле признака результата (кода усло-

вия C3: C0), признак занятости сопроцессора B (busy) и 3-разрядное поле ST/TOP,

указывающее номер физического регистра, являющегося вершиной стека ST или

ST(0). Относительно ST кольцеобразно размещаются остальные регистры стека

ST(1) … ST(7). Каждому такому регистру сопоставляется 2-разрядное поле тега в

регистре

РСП:

00 — число;

01 — нуль;

10 — специальная величина;

11 — пусто.

Все численные регистры рассчитаны на разрядность внутреннего формата

(80).

В регистре РУС есть два 2-разрядных поля, задающие точность (РС) и режим

округления (RC). Для точности:

00 — одинарная (формат ОТ, 24 двоичных разряда);

01 — резерв;

10 — двойная точность (формат ДТ, 53 двоичных разряда);

11 — расширенная точность (РТ, 64 двоичных разряда).

Способ округления:

00 — до ближайшего значения;

01 — к минус-

бесконечности (- ∞);

10 — к плюс-бесконечности (+∞);

11 — усечение (отбрасывание дополнительных разрядов).

Внутренний в i486 сопроцессор с плавающей запятой (FPU) все-таки имеет 2

внешних сигнала: выходной FERR (ошибка сопроцессора) и входной IGNNE (иг-

норировать ошибку сопроцессора и продолжить). При нулевом IGNNE некое

внешнее устройство, выставившее этот сигнал после получения FERR, организует

запрос к ПКП (Программируемый Контроллер Прерываний).

ПЭВМ могут использоваться и другие сопроцессоры:

— сигнальные, в частности для быстрого преобразования Фурье (БПФ) и гра-

фические;

—

сопроцессоры с плавающей запятой, совместимые с i80X87;

—

сопроцессоры с плавающей запятой оригинальной архитектуры, например

фирмы Weitek C и т.п.

2.4. Управление в процессорах

2.4.1. Функции системы управления в процессоре. Командный цикл.

……..Адресация

Система управления в процессоре (ЦУУ) обеспечивает 3 группы функций:

—

реализация каждой команды из системы команд ЭВМ (фазы командного

цикла: IF — выборка команды из оперативной памяти в регистр команд; ОА —

обработка адресов операндов; OF — выборка операндов; S — запись результата

в оперативную память);

—

организация последовательного выполнения команд в соответствии с про-

граммой (продвижение адреса команды);

—

поддержка специальных режимов (прерывания, защита памяти, контроль-

диагностика-восстановление, комплексирование на разных уровнях, синхрониза-

ция, таймирование и т.п.).

Положение ЦУУ (центральное устройство управления) в центральной части

машины условно показано на рис. 2.23.

Сокращения на рис. 2.23: Упр — управление; Км — команда; Z

АЛУ

, Z

ОпП

—

признаки занятости АЛУ и оперативной памяти; А — адрес; ПР — признак ре-

зультата; КОп — код операции.

Заштрихованные области означают: в ОпП — регистр адреса и регистр данных

(регистр слова, информационный регистр), в ЦУУ — регистр команд.

Рис. 2.23. Взаимодействие узлов процессора и оперативной памяти

Командный цикл процессора удобно показать в крайне упрощенном виде —

на примере виртуальной одноадресной ЭВМ. Система команд условно ориентиро-

вана на 4 вида команд (рис. 2.24).

Сокращения на рис. 2.24: АЛ

— арифметическо-логическая команда; ПЗ —

признак записи результата в оперативную память; П — посылочная команда;

УП — условный переход; МПР — маска признака результата; ОСТ — команда ос-

танова.

Как уже отмечалось (п. 1.1), ПЗ=1 означает запись результата в оперативную

память происходит, ПЗ=0 — результат АЛ-операции остается только в аккумуля-

торе (и может быть использован далее

как РПД — «результат предыдущего дейст-

вия»).

Рис. 2.24. Форматы команд простейшей ЭВМ

В посылочных (П) командах ПЗ=1 означает «Запись», ПЗ=0 — «Чтение» (по

отношению к оперативной памяти).

В командах условного перехода (УП) маска признака результата (МПР) пред-

ставляется унитарным кодом, например 4-разрядным ({0:3}). Единица в соответ-

ствующем разряде этого кода разрешает проверку соответствующего значения ПР,

например так:

МПР = 1000

~ результат операции нулевой;

МПР = 0100

~ результат меньше нуля;

МПР = 0010

~ результат больше нуля;

МПР = 0001

~ переполнение.

Возможно и объединение проверок: МПР = 1100

означает анализ «результат

меньше или равен нулю» и т. п.

Очевидно, для организации безусловного перехода (БП) достаточно задать

МПР = 1111

Теперь необходимо представить структурную схему центральной части маши-

ны (процессор плюс оперативная память, рис. 2.25) и соответствующий ей граф

микропрограммы командного цикла процессора (ГМП ЦУУ, рис. 2.26).

Сокращения на рис. 2.25: ПР1, ПР2 — признак результат первичный, вторич-

ный; БМУ — блок местного управления АЛУ; УС — управляющий сигнал; РгС

— регистр слова ОпП; РгА — регистр адреса

ОпП; Чт — чтение в ОпП; Зп — за-

пись в ОпП; ПУ — пульт управления; РС — регистр состояния; РгКм — регистр

команд; СчАК — счетчик адреса команд; РС — программный счетчик (program

counter); IP — указатель инструкции (instruction pointer); ДшКОп — дешифратор

кода операции; Упр А — управляющий автомат; СИ — синхро-импульсы.