Сушкин И.Н. Вычислительная техника и информационные технологии. Курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

111

Данные (ввод)

Адрес

Запись

AD15...AD0

(AD7...AD0)

LOCK

(1 цикл)

10...35мс

10...165мс

MRDC

IORC

Чтение

AD15...AD0

(AD7...AD0

для

К1810ВМ88)

ST2...ST0

BHE/ST7

A19...A16

ST6...ST3

QS1,QS0

10 -110мс

CLK

10...130мс

Данные (ввод) Адрес

Рис. 2.24. Временные диаграммы работы МП К1810ВМ86

в максимальном режиме

112

Активный сигнал на выводе

LOCK

= 0 вырабатывается с помощью

специальной команды (префикса)

LOCK

и позволяет запретить захват шин

микропроцессора внешними устройствами на время выполнения следующей

за префиксом

LOCK

команды. Выводы

несут информацию о

состоянии очереди команд микропроцессора.

Сигналы

действуют в течение такта синхронизации после

выполнения операции над очередью, они предназначены для сопроцессора,

который воспринимает команды и операции с помощью команды

ECS

Подробнее эта ситуация будет рассмотрена.

Для декодирования сигналов

и в систему включается

контроллер системной шины К1810ВГ88 (I8288), позволяющий сделать

полную развязку ША, ШД и управляющей шины. С его помощью

реализуется раздельная адресация ВУ и памяти.

Схема системного контроллера приведена на рис. 2.25. В схему входят

дешифратор состояний, формирователи управляющих и командных сигналов

и схема управления. Работа схемы тактируется импульсами с тактового

генератора. Входы

AENCEN

IOB

необходимы для организации работы в

многопроцессорной системе. Сигнал

AEN

служит для разрешения выдачи

семи управляющих сигналов, поступающих с формирователей командных

сигналов. Сигнал

CEN

разрешает как выдачу командных сигналов, так и

выдачу сигналов управления

DEN

PDEN

113

Рис. 2.25. Структура системного контроллера К1810ВГ88

Сигналы

AEN

CEN

подаются с арбитра шин К1810ВБ89. Вход

IOB

используется для задания режима работы системного контроллера на

него подается постоянный потенциал логической «1» или «0». При

IOB

системный контроллер функционирует в режиме шины ввода – вывода, а при

IOB

=0 – в режиме системной шины. Сигналы

DEN

()

PDEN

используются, как и в минимальном режиме, для разрешения или запрещения

работы приемопередатчиков шин данных в зависимости от потенциалов на

входе

IOB

Командные сигналы вырабатываются системным контроллером в

режиме системной шины (при

IOB

= 0) в соответствии с кодом состояния

при наличии разрешающего сигнала

AEN

. Сигнал

MCE

используется только при каскадировании контроллеров прерываний и

служит для считывания адреса ведомого контроллера приоритетных

прерываний. Сигналы

IOWC

IORC

служат для ВУ командами записи и

чтения информации с шины данных, сигналы

MRDC

MWTC

– командами

чтения и записи соответственно. Сигналы

AIOWC

AMWC

– сигналы

опережающей записи для ВУ и памяти и служат для их подготовки к записи

информации.

114

Выходной сигналы

INTA

определяет начало обработки запроса

прерывания от ВУ.

Назначение сигнала

()

ALESTB

такое же, как и в минимальном режиме:

защелкивание адреса в буферном регистре.

2.6 Арифметический сопроцессор

Существующие современные однокристальные микропроцессоры с длиной

слова 16 и 32 бита оперируют практически с двумя простыми форматами

численных данных: знаковыми и беззнаковыми целыми двоичными числами, хотя

с определенными ограничениями допускают десятичные целые числа.

Вычислительные возможности их ограничены только арифметическими

операциями. Реализация расширенных форматов данных и систем команд в

однокристальных микропроцессорах ведет к их чрезмерному усложнению и

трудности в программировании. Программная реализация сложных команд на

микропрограммном уровне ведет к значительному снижению быстродействия

микропроцессора.

В сложившейся ситуации наибольшее распространение получил

принцип специализации, который применяется в процессорах средних и

больших компьютеров. Суть его заключается в разработке вспомогательных

процессорных модулей со своими системами команд, ориентированных на

конкретные прикладные области: процессор арифметики с плавающей

точкой, процессор символьных данных, процессор ввода-вывода и др. Такие

вспомогательные процессоры работают под общим управлением

центрального (главного) процессора и обычно разделяют с ним основную

память. Специализация позволяет достичь очень высокого быстродействия.

В сопроцессорной конфигурации вспомогательный процессор

(сопроцессор) подключается к системной шине параллельно центральному

процессору. Сопроцессор не имеет своей отдельной программы и не может

считывать команды из памяти, но может обращаться к памяти для записи и

считывания данных, запрашивая для этого шину центрального процессора.

Кроме того, сопроцессор контролирует системную шину и может

«перехватить» адреса и данные при обращении к памяти центрального

процессора. Таким образом, программа оказывается смесью команд

центрального процессора и сопроцессора, причем считывание команд из

памяти осуществляет только центральный процессор.

Первым из сопроцессоров, предназначенных для работы с

центральным процессором К1810ВМ86 (I8086), появился процессор

численных данных, или арифметический сопроцессор К1810ВМ87 (I8087).

Он рассчитан на применение в системах с интенсивной численной

обработкой, в которых:

- численные данные изменяются в очень широком диапазоне;

115

- при реализации алгоритмов возникают очень большие и малые

промежуточные данные;

- требуется высокая точность вычисления;

- необходима производительность, превышающая возможности

центрального процессора.

Наряду с традиционными арифметическими командами, работающими

как целыми, так и числами с плавающей точкой, арифметический

сопроцессор имеет команды таких сложных операций, как извлечение

квадратного корня, вычисление тригонометрических и обратных

тригонометрических функций, возведение в степень, логарифмирование и др.

2.6.1 Программная модель сопроцессора

В программную (регистровую) модель любого процессора включаются

только те регистры, которые доступны программисту на уровне машинных

команд. Арифметический сопроцессор имеет общую стековую организацию.

Выбор такой организации обусловлен несколькими обстоятельствами. Одно

из них заключается в том, что в математических расчетах результат текущей

операции часто может заместить один или оба исходных операнда и является

операндом следующей команды. Стековая организация позволяет в этих

случаях применять так называемые безадресные команды небольшой длины

(неявная адресация), сокращая, таким образом, число обращений к памяти и,

следовательно, повышая быстродействие.

Основу программной модели сопроцессора, показанной на рисунке

2.26, образует регистровый стек из восьми 80-битовых регистров R0–R7. В

этих (арифметических) регистрах хранятся числа, представленные в так

называемом временном вещественном формате. В любой момент времени

трехбитовое поле ST в слове состояния определяет регистр, являющийся

текущей вершиной стека (Stack Top) и обозначается ST(0) или просто ST. При

операции включения в стек осуществляется декремент поля ST и

загружаются адресуемые данные в новую вершину стека. При операции

извлечения из стека в получатель, которым чаще всего является память,

передается содержимое текущей вершины стека, а затем производится

инкремент поля ST.

В организации регистрового стека сопроцессора имеется несколько

отличий от классического стека, который в большинстве современных

процессоров аппаратно реализуется в памяти.

Во-первых, стек имеет круговую (кольцевую) организацию. Необходимо

помнить, что максимальное число включений в стек без промежуточных

извлечений равно восьми, а девятое включение перезапишет элемент,

помещенный в стек первым (на самом деле сопроцессор зафиксирует здесь

особый случай недействительной операции и, если прерывание замаскировано

116

или запрещено, тогда произойдет перезапись, иначе в сопроцессор загрузится

NAN).

Слово признаков

Регистр состояния

Регистр управлен.

Указатель

команды

Указатель

данных

Признаки

(тэги)

Регистровый стек

7978 64 63 0 01

Порядок Мантиса

Рис. 2.26. Программная модель сопроцессора

Во-вторых, в командах сопроцессора допускают явное или неявное

обращение к регистрам стека с модификацией или без модификации поля ST.

Так в некоторых операциях операндом служит содержимое вершины стека.

В-третьих, сопроцессор имеет команды, в которых не изменяется

содержимое вершины стека (в процессоре стек автоматически

модифицируется при любом обращении к нему).

С каждым регистром стека ассоциируется двухбитовый тэг (признак),

совокупность которых образует слово тэгов. Тэг регистра R0 находится в

младших битах этого слова, а тэг регистра R7 – в старших. Тэг фиксирует

наличие в регистре действительного числа (конечное ненулевое число) – код

00, истинного нуля – код 01, специального числа (денормализованное число,

не-число или бесконечность) – код 10 и отсутствие данных – код 11. Попытка

команды извлечь число из пустого регистра фиксируется как особый случай

недействительной операции. Кроме того, попытка загрузить число в

непустой регистр также вызывает регистрацию особого случая.

117

Программист может использовать слово тэгов для интерпретации

содержимого регистров только после передачи этого слова в память.

Остальными регистрами в программной модели сопроцессора являются

регистр управления, регистр состояния, два регистра указателя команды и

два регистра указателя данных.

Регистр состояния. В слове состояния (рис. 2.27) отражается текущее

состояние сопроцессора после выполнения последней команды.

IEDEZEOEUEPESFESB

015

C0C1C2

TOP

Рис. 2.27. Слово состояния сопроцессора

Шесть младших битов показывают исключительные ситуации:

IE – недействительная операция.

DE – денормализованный операнд.

ZE – ошибка деления на ноль.

OE – ошибка переполнения. Возникает в случае выхода порядка числа

за максимально допустимый диапазон.

UE – ошибка антипереполнения. Возникает, когда результат слишком мал;

PE – ошибка точности. Устанавливается, когда процессору приходится

округлять результат из-за того, что его точное представление невозможно

(например при делении 1 на 3).

SF – ошибка работы стека сопроцессора. Устанавливается в единицу,

если возникает одна из трех исключительных ситуаций – PE, UE или IE. В

частности, его установка информирует о попытке записи в заполненный стек,

или при попытке чтения из пустого стека.

ES – суммарная ошибка работы сопроцессора. Бит устанавливается в

единицу, если установится в единицу хотя бы один из шести битов (IE, DE,

ZE, OE, UE, PE).

С0-С3 – коды условия. Отражают результат выполнения последней

команды сопроцессора.

С3 С2 С1 С0 Описание

0 0 Х 0 ST > источника (src) или нуля

0 0 Х 1 ST < источника (src) или нуля

1 0 Х 0 ST = источнику (src) или нулю

1 1 Х 0 Не сравнимы

TOP – трехбитовое поле, показывающее номер регистра, который

является вершиной стека.

Регистр управления. Слово управления (рис. 2.28) определяет для

сопроцессора один из вариантов обработки численных данных.

118

IMDMZMOMUMPMXIEMPCRCICXXX

015

Рис. 2.28. Слово управления сопроцессора

Для каждого варианта программист задает маскирование особых

случаев, точность вычислений, способ округления и интерпретацию

бесконечности. Слово управления загружается из памяти с помощью

команды FLDCW.

Шесть младших битов слова управления представляют собой

индивидуальные маски особых случаев. Если любой из этих битов

установлен в 1, то возникновение соответствующего особого случая, которое

фиксируется в шести младших битах слова состояния, не будет вызывать

прерывание центрального процессора (прерывание запрещено или

замаскировано), а если бит содержит – 0, тогда генерируется

соответствующее прерывание центрального процессора.

IEM – маска управления прерывания, которая разрешает (IEM = 0) или

запрещает (IEM = 1) прерывание центрального процессора.

PC – биты управления точностью вычисления 00 – 24 бита, 10 – 53

бита, 11 – 64 бита. По умолчанию вводится режим с максимальной

точностью.

RC – биты управления округлением. Необходимость операции

округления может возникнуть, например, при вычислении дробной или

целой части числа. В этом случае целесообразно выбирать режим усечения.

Для того чтобы выяснить характер округления, обозначим:

m – значение в ST(0) или результат работы некоторой команды;

a и b – наиболее близкие значения к m, причем a < m < b.

RC Режим Принимаемый результат

00 Округления к

ближайшему

Значение m округляется к

ближайшему числу a или b

01 Округления вниз a

10 Округления вверх b

11 Усечение Производится отбрасывание дробной

части

IC – бит управления бесконечностью. Определяет одну из двух

моделей интерпретации бесконечности: проективную (IC=0) или аффинную

(IC=1). По умолчанию вводится проективный режим, в котором сопроцессор

обрабатывает два специальных значения «плюс бесконечность» и «минус

бесконечность» как одно и то же значение «бесконечность», не имеющее

знака. В аффинном режиме сопроцессор допускает значения бесконечности

со знаком плюс или минус.

119

Информация, содержащаяся в регистрах указателя команды и операнда

(совместно их называют указателями особого случая), предназначена только

для процедур обработки особых случаев. Когда сопроцессор выполняет

численную команду, он автоматически сохраняет в этих регистрах

физический адрес команды сопроцессора, физический адрес операнда, если

он присутствует в команде.

2.6.2 Система команд

В систему команд арифметического сопроцессора К1810ВМ87 входят

69 базовых команд, которые можно разделить на шесть групп: команды

передачи данных, арифметические команды, команды сравнения, команды

трансцендентных операций, команды загрузки констант и команды

управления сопроцессором.

Типичная команда сопроцессора воспринимает один или два операнда.

Операндами наиболее часто служит содержимое регистров сопроцессора, но

может привлекаться и содержимое ячеек памяти (с регистрами процессора

арифметический сопроцессор не работает).

В арифметическом сопроцессоре формирование команды происходит

следующим образом:

F I С,

где F – обозначение команды арифметического сопроцессора; I – формат

операнда, I – целочисленный формат (integer), для вещественных чисел буква

I отсутствует; С – команда.

Например, FILD – загрузка целого числа в арифметический

сопроцессор (LD – load), для вещественного числа команда загрузки – FLD.

Расширенные форматы данных арифметического сопроцессора

требуют введения в ассемблер специальных директив определения данных.

Резервирования памяти для переменных и констант сопроцессора

осуществляют следующие директивы:

DW – определить слово (16 битов);

DD – определить двойное слова (32 бита);

DQ – определить счетверенное слово (64 бита);

DT – определить 10 байтов.

Основные характеристики численных данных приведены в таблице 2.13.

Таблица 2.13

Основные характеристики численных данных

Формат Диапазон Точность Особенность

Целое слово 10

16 битов Дополнительный код

Короткое целое 10

32 бита Дополнительный код

Длинное целое 10

64 бита Дополнительный код

Упакованное десятичное 10

18 цифр Прямой код

Короткое вещественное

24 бита Неявный бит F

120

Длинное вещественное

308

54 бита Неявный бит F

Временное вещественное

4932

64 бита Явный бит F

Необходимо помнить, что с операндами размером 1 байт

арифметический сопроцессор не работает. Для представления чисел в

вещественном формате, как правило, используют директивы DD и DQ.

2.6.2.1. Команды передачи данных

Команды этой группы производят передачу данных между регистрами

стека, а также между вершиной стека и памятью. Одной командой число из

памяти, представленное в любом формате сопроцессора, преобразуется во

временный вещественный формат (10 байтов) и загружается (включается) в

стек. Аналогичным образом, но в обратном порядке осуществляется передача

числа в память.

Команды загрузки. В арифметическом сопроцессоре существует три

команды загрузки следующего вида:

FLD src загрузка вещественного числа (src – источник);

FILD src загрузка двоичного целого числа;

FBLD src загрузка десятичного целого числа.

Команды загрузки осуществляют декремент указателя стека и передачу

в новую вершину стека содержимое источника, т. е. производят включения в

стек. Например, даны три числа:

A DQ 5.672

B DW 342

C DT 10

Программа выглядит следующим образом:

FLD A

FILD B

FLD ST

FBLD C

После выполнения программы состояние сопроцессора будет:

ST(0) 10

ST(1) 342

ST(2) 342

ST(3) 5.672

В команде FLD источником может быть один из регистров стека или

память, а в командах FILD и FBLD – только память, причем команда FBLD

поддерживает только формат DT. Команды FILD и FBLD являются точными,

т. е. в них ошибки округления отсутствуют.

Для загрузки данных из массива чаще всего используют косвенную

адресацию. Например, если определен массив данных