И 64-разрядные микропроцессоров

Особенности построения и функционирования

Выпуск микропроцессорных комплектов больших интегральных схем (МПК БИС) с каждым годом неуклонно возрастает. Для удовлетворения запросов потребителей в настоящее время осуществляется производство микропроцессоров и периферийного оборудования, обеспечивающего их работу, разрядностью от 8 до 64 бит. На рис. 3 приведены зависимости, характеризующие объемы производства микропроцессоров и микроконтроллеров различной разрядности с 1994 г. по 2000 г. включительно.

Рис. 3. Объемы производства МП

и микроконтроллеров

Из рис. 3 очевидно, что рост 4-разрядных МП и микроконтроллеров с 1997 г. прекратился. Выпуск 8 - разрядных устройств, по крайней мере, до 2000 г., будет продолжать расти. Основу этого роста составляют микроконтроллеры, применяемые при разработке различных устройств промышленного (станкостроение, приборостроение, машиностроение, химическая промышленность и т.д.) и бытового назначения.

Рост высокоразрядных МП (выше 16 разрядов) менее заметен на фоне низкоразрядных процессоров, но он обладает устойчивостью на ближайшие 10-15 лет.

Наибольшее внимание при разработке новых МП уделяется повышению их разрядности. В настоящее время наибольшее общетехническое применение нашли 32- и 64-разрядные МП американских фирм Intel, Cyrix, AMD, Apple, Motorola, SUN Microsystems и др.

32-разрядные МП фирмы INTEL 80386 и 80486 были наиболее популярными микропроцессорами до появления Pentium. В этих МП реализованы многие логические свойства, которые еще недавно считались принадлежностью крупных ЭВМ (защита памяти, кэш - память, сегментированная виртуальная память и т.д.).

Фирмой Intel было разработано и выпущено несколько модификаций МП 80386 и 80486 (табл. 1).

Таблица 1

Микропроцессор	Год выпуска	Разрядность ШД	Разрядность ША	Тактовая частота ^*, МГц	Объем па- мяти ОЗУ, Мбайт	Объем кэш – памяти, Кбайт
80386 SX				25,33,40		-
80386 DX				25,33,40		-
80386 SL				25,33,40		-
80486 DX				33,40,50
80486 SX
80486 DX2
80486 DX4

^* - тактовые частоты различных изготовителей могут несколько отличаться от табличных значений.

Каждая из моделей МП 80386 и 80486, представленных в таблице, имеет незначительные конструктивно - технологические отличительные особенности, не влияющие на их функциональные особенности. Поэтому в дальнейшем будут рассмотрены обобщенные модели МП 80386 и 80486.

Микропроцессоры 80386

Микропроцессоры Intel 80386 —

крупный шаг в развитии технологии и архитектуры микропроцессорных средств. Они были изготовлены по КМОП - технологии с проектной нормой на ширину проводников 1,5 мкм, позволившей на кристалле площадью примерно 100 мм² разместить около 275 000 транзисторов. При тактовой частоте 33 Мгц МП выполняют до 12 млн. оп/с. Кристалл находится в керамическом корпусе со 132 выводами.

К основным особенностям архитектуры МП 80386 следует отнести:

- наличие средств, обеспечивающих реализацию мультипрограммного (многозадачного) и многопользовательского режимов работы МП и режима “системы виртуальных машин”, при котором пользовательские программы могут выполняться параллельно во времени под управлением разных операционных систем;

- непосредственный доступ к физическому адресному пространству в 4 Гбайт и виртуальной памяти емкостью 64 Тбайт (примерно 70 триллионов байт) (для 80386 DX);

- сегментно - страничная организация памяти;

- высокая производительность, в 2 - 3 раза превосходящая производительность МП 80286 и достигаемая за счет большей тактовой частоты, более быстрого доступа к памяти благодаря использованию размещенных на кристалле МП кэш - па­мяти, блока управления и защиты памяти (в том числе блока быстрого преобразования адресов);

- система команд МП является расширением системы команд МП 8086, обеспечивается программная совместимость с МП 8086 и 80286 (на уровне двоичных кодов программ);

- обработка данных различных типов: целые числа, числа с плавающей точкой, десятичные числа, байты, строки символов, цепочки бит до 4 Гбит;

- использование в командах 32-, 16-, 8 - разрядных операндов;

- наличие встроенных средств самотестирования, запускаемых сигналом сброса и проверяющих примерно 75 % всех транзисторов, расположенных на кристалле.

Упрощенная структура МП 80386 приведена на рис. 4.

Рис. 4. Структура МП 80386

Блок данных содержит восемь 32 - разрядных общих регистров. В целях создания условий для выполнения операций с 16- и 8 - разрядными словами (в том числе для совместимости с МП 8086 и 80286) в каждом общем регистре адресуемо младшее полуслово, а в каждом из четырех 16 - разрядных регистров адресуемо в отдельности старший и младшие байты. Для повышения быстродействия МП в блок данных введены 4 - разрядный сдвиговый регистр (“сдвигатель”) и аппаратурные средства ускоренного выполнения операций умножения и деления.

Вектор состояния процессора образуют содержимые 32 - разрядных счетчика команд (смещение адреса команды относительно базового адреса) и регистра признаков (флажков). В регистре признаков формируются три группы признаков:

- признаки результата (знака результата, нуля, переноса, переполнения и др.);

- признаки управления (направление и др.);

- системные признаки (разрешение прерывания, режим виртуальной памяти, порог прерывания и др.).

Микропроцессор через шинный интерфейс имеет доступ к внешним 32 - разрядной шине адреса, 32 - разрядной двунаправленной шине данных, линиям управления шинами, линиями: захват (Hold), подтверждение захвата (Hold Acknowledge) запроса сопроцессора (PERCC).

Устройство управления (УУ), содержащее управляющую память (УП) микропрограмм, с учетом внешних сигналов (занято — Busy, ошибка — Error, прерывание — INTR, NMI, сброс — Reset, двойная тактовая частота — DFG) вырабатывает управляющие сигналы, инициирующие соответствующие микрооперации. В МП выполняется конвейерная обработка команд на восьми позициях, образованных восемью его основными блоками.

Используемая пользователем память может быть разделена на несколько сегментов, каждый размером до 4 Гбайт. Сегменты состоят из страниц размером 4 Кбайта.

При работе с сегментно-страничной памятью используются расположенные на кристалле МП сегментные регистры и быстродействующие (скрытые от пользователя) кэш - памяти, хранящие дескрипторы (описатели) сегментов и страниц. Так, дескриптор сегмента определяет базовый адрес сегмента, адресные границы, условия защиты и другие данные (рис. 5, а).

МП содержит следующие сегментные регистры: CS — сегмент командных кодов; DS — сегмент данных; SS — сегмент стека; ES, FS, GS — дополнительные сегменты данных. Сегментные регистры хранят “селекторы”, адресующие соответствующие дескрипторы в кэш - памяти таблицы дескрипторов сегментов. Сами сегментные регистры в командах явно не адресуются (подразумеваемая адресация).

Рис. 5. Организация сегментирования

Формирование “линейного адреса” в сегментированной памяти поясняется рис. 5,б. Адресный указатель, образованный смещением в команде и содержащимся в сегментном регистре селектором, определяющим соответствующий дескриптор сегмента, преобразуется в 32 - разрядный линейный адрес.

Микропроцессор 80386 в состоянии одновременно выполнять программы, предназначенные для МП 8086, 80286 и 80386. МП 80386 возможны два режима работы:

- реальный режим,

- защищенный режим виртуальной памяти.

В реальном режиме МП эмулирует с повышенной скоростью МП 8086/8088, работая в однопрограммном режиме с адресным пространством, ограниченным 1 Мбайт.

В защищенном режиме МП может использовать все свое адpecнoe пространство и реализовывать “систему виртуальных 80 ´ 86 - машин” с распределением памяти согласно рис. 4.

Рис. 4. Режим виртуальных процессоров 8086

Каждый пользователь виртуального МП 8086 получает для своей задачи 1 Мбайт в расширенной памяти, при этом задачи защищены друг от друга средствами защиты памяти, реализуемыми с помощью аппарата дескрипторов сегментов и страниц.

Однако возникают некоторые затруднения при попытках одновременного использования несколькими программами МП 8086 периферийных устройств, например, экрана дисплея. Вопрос может решаться путем применения специальной программы “виртуальный монитор”, перехватывающей обращения к операциям ввода - вывода программ виртуальных МП 8086 и организующей “виртуальный экран”.

Микропроцессоры 80486

32- разрядный однокристаль-

ный микропроцессор 80486 (i486) обеспечивает более высокую скорость (до 40 млн. оп/с) выполнения прикладных программ, написанных для операционных систем DOS, OS/2, Windows и UNIX, чем все предыдущие модели МП 80´86. Он программно совместим с микропроцессорами 80286, 80386 DX & SX и содержит около 1,2 млн. транзисторов (вместе с кэш - памятью, расположенной на одном с МП кристалле).

Для увеличения производительности в процессор введены математический сопроцессор (кроме моделей SX), дополнительная сверхбыстрая кэш-память для хранения часто используемой информации объемом 8 Кбайт, конвейерная обработка и т.д. Часто используемые операции выполняются за один цикл, что сравнимо со скоростью выполнения RISC - команд. Кэш-память соединена с шиной пакетного обмена данными и позволяет проводить обмен информацией со скоростью 80/106 Мбайт/сек при частоте 25/33 МГц.

Новые возможности, используемые в МП, расширяют многозадачность систем и увеличивают скорость работы с семафорами в памяти. Встроенная система тестирования проверяет микросхемную логику, кэш - память и микросхемное постраничное преобразование адресов памяти. Возможности отладки включают в себя установку ловушек контрольных точек в выполняемом коде и при доступе к данным.

Возможности микропроцессора 80486 включают в себя:

- полную программную совместимость с МП 80386 DX, 80386 SX, встроенным 80376(TM) процессором, процессорами 80286, 8086 и 8088;

- реализацию блоком выполнения команд часто встречающихся операций за один цикл;

- 32 - разрядный процессор для выполнения арифметических и логических операций;

- встроенный модуль обработки арифметических операций с плавающей точкой для поддержки 32, 64, и 80 -разрядных форматов;

- внутреннюю кэш - память, которая обеспечивает быстрый доступ к часто используемым данным и операциям;

- сигналы управления шиной для поддержки непротиворечивости кэш-памяти в многозадачных системах;

- сегментацию, осуществляющую управление памятью для создания независимых, защищенных адресных пространств;

- постраничное разбиение, позволяющее управление памятью таким образом, что обеспечивается доступ к структурам данных, превышающим доступное пространство памяти за счет хранения данных частично в памяти, частично на диске;

- перезапускаемые операторы, которые позволяют перезапуск программы после исключения (необходимы для поддержки постраничного доступа к виртуальной памяти);

- конвейерное выполнение команд, перекрывающееся по времени с интерпретацией других команд;

- регистры отладки для аппаратной поддержки контрольных точек в командах и данных;

Микропроцессор 80486 имеет три режима выполнения программ:

- защищенный режим, где используется естественное множество 32 - разрядных команд процессора. В данном режиме доступны все команды и все его архитектурные возможности.

- режим реальной (прямой) адресации (называемый также “реальным режимом”), в котором осуществляется эмуляция программной среды процессора 8086, с некоторыми дополнительными возможностями (такими, например, как возможность прервать данный режим). При перезагрузке процессор устанавливается именно в этот режим.

- виртуальный режим 8086, который является другой формой эмуляции режима 8086. В отличие от режима прямой адресации, виртуальный режим 8086 совместим с защитой и управлением памятью. Процессор может установить виртуальный режим 8086 из защищенного режима, чтобы выполнить программу, написанную для процессора 8086, а затем, выйдя из виртуального режима 8086 и перейдя в защищенный режим продолжить выполнение программы, которая использует множество 32 - разрядных команд.

Программно - доступные регистры МП. Процессор 80486 содержит блок регистров из 16 программно - доступных регистров, которые могут использоваться программистами. В него входят:

- 32 - разрядные регистры общего назначения,

- сегментные регистры, содержащие селекторы сегментов, соответствующих различным формам доступа к памяти.

- системные регистры.

1. Регистры общего назначения - это 32 - битные регистры EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESP, ESI и EDI. Данные регистры используются для хранения операндов логических и арифметических команд. Кроме того, они могут использоваться для хранения операндов при вычислении адресов (кроме регистра ESP, который не может быть использован как индексный операнд).

Все РОН могут использоваться для адресных вычислений и для получения результатов большинства арифметических и логических операций. Однако некоторые команды используют фиксированные регистры для хранения операндов.

2. Сегментные регистры CS, DS, SS, ES, FS и GS содержат 16 - разрядные селекторы сегментов, которые указывают на таблицу распределения памяти. Данная таблица содержит базовые адреса сегментов и другую информацию, регламентирующую доступ к памяти.

В каждый момент времени в памяти непосредственно доступны не более шести сегментов. Их селекторы содержатся в сегментных регистрах. Каждый регистр указывает на конкретный сегмент, используемый программой. Остальные сегменты могут быть использованы после загрузки соответствующих селекторов в сегментные регистры.

Селектор сегмента кода, содержащего последовательность исполняемых команд, содержится в регистре CS. Процессор 80486 выбирает команды из этого сегмента, используя содержимое указателя команд ЕIP как относительный адрес внутри сегмента. Содержимое регистра CS изменяется в результате выполнения межсегментных команд управления потоком, прерываний и исключений.

Вызовы подпрограмм, записи параметров и активизация процедур обычно требует стековой области памяти. Все операции со стеком используют регистр SS. В отличие от регистра CS, регистр SS может быть загружен явно с помощью команды программы.

Остальные четыре регистра - DS, ES, FS и CS, являются регистрами сегментов данных, каждый из которых используется текущей исполняемой программой. Наличие четырех раздельных областей данных имеет целью повысить эффективность программ и безопасность доступа при обращении к различным типам структур данных, например, при разнесении по разным сегментам собственных данных программного модуля, данных, полученных, из модуля более высокого уровня, при динамически создаваемых структур данных и данных, разделяемых текущим модулем с другими модулями.

Механизм сегментации позволяет ограничить разрушения неправильно работающей вследствие ошибки программы только теми сегментами, которые выделены текущей программе. Операнды, расположенные внутри сегмента данных адресуются указанием их смещения непосредственно внутри команды или в РОН.

В некоторых случаях (при сложной структуре данных) может возникнуть необходимость иметь доступ к более чем к четырем сегментам данных. Доступ к дополнительным сегментам осуществляется путем перезагрузки регистров DS, ES, FS и GS прикладной программой в процессе выполнения.

3. Системные регистры предназначены для использования системными программистами. Системные регистры управляют средой, в которой происходит выполнение прикладных программ. В большинстве систем доступ к этим регистрам из прикладных программ запрещен (хотя возможно построение и таких систем, в которых все программы работают на наиболее привилегированном уровне, что означает возможность доступа к системным регистрам и их модификацию из прикладных программ).

Они делятся на следующие категории:

- регистр флагов EFLAGS,

- регистры управления памятью,

- управляющие регистры,

- отладочные регистры,

- тестовые регистры.

Регистр флагов EFLAGS управляет вводом / выводом, маскируемыми прерываниями, отладкой, переключением между задачами, а также виртуальным режимом 8086. Прикладными программами эти флаги должны игнорироваться, а попытки модификации их состояния из прикладных программ недопустимы. В большинстве систем попытка изменения системного флага из прикладной программы приводит к возникновению исключения (особой ситуации).

Регистр флагов включает:

- флаг AC, обеспечивающий режим контроля выравнивания в виртуальной памяти (виртуальный режим 8086),

- флаг RF временно отменяет действие отладочных исключений, поэтому после такого исключения может быть выполнена другая команда и это не приведет к немедленному генерированию другого отладочного исключения. При входе в отладчик этот флаг обеспечивает его нормальное функционирование; в противном случае отладчик выполнял бы рекурсивные вызовы самого себя до тех пор, пока не произошло бы переполнение стека.

- флаг NT - флаг вложенности задачи. Микропроцессор использует флаг вложенности задачи для управления последовательностью выполнения прерванных и вызванных задач.

- флаг IOPL - уровень привилегий ввода/вывода. Уровень привилегированности ввода/вывода используется механизмом защиты для управления доступом к адресному пространству ввода/вывода.

- флаг IF разрешения прерываний переводит процессор в режим, в котором он отвечает на запросы маскируемых прерываний (прерывания INTR). Очистка флага IF отменяет эти прерывания. Флаг IF не оказывает воздействия на особые ситуации или немаскируемые (NMI) прерывания.

- флаг TF ловушки переводит процессор в режим пошаговой работы для отладки программ. В этом режиме процессор после выполнения каждой команды генерирует отладочное исключение, что позволяет наблюдать за тем, как выполняется каждая команда программы. Пошаговое выполнение представляет собой одно из отладочных средств процессора 80486.

Регистры управления памятью микропроцессора 40486 задают расположение структур данных, которые управляют организацией сегментированной памяти. К ним относятся:

- регистр таблицы глобальных дескрипторов GDTR, который содержит 32 - битовый базовый адрес и 16 -битовую границу сегмента для таблицы глобальных дескрипторов.

- регистр таблицы локальных дескрипторов LDTR, который содержит 32 - битовый базовый адрес, 16 - битовую границу сегмента и 16 - битовый селектор сегмента для таблицы локальных дескрипторов.

- регистр таблицы дескриптора прерываний IDTR, который содержит 32 - разрядный базовый адрес и 16 -разрядную границу сегмента для таблицы дескрипторов прерываний. Когда происходит прерывание, вектор прерывания используется в качестве индекса для получения из данной таблицы дескриптора шлюза. Последний сдержит указатель, используемый для запуска обработчика прерываний.

- регистр задачи TR, который содержит 32 - разрядный базовый адрес, 16 - разрядную границу сегмента, атрибуты дескриптора и 16 - разрядный селектор сегмента для текущей выполняемой задачи. Он содержит ссылку на дескриптор сегмента состояния задачи, находящийся в таблице глобального дескриптора.

Управляющие регистры CR0, CR1, CR2 и CR3. В большинстве систем загрузка управляющих регистров из прикладных программ невозможна (хотя в незащищенных системах такая загрузка разрешается). Прикладные программы имеют возможность считывать эти регистры для определения наличия математического сопроцессора.

Регистр CR0 содержит системные управляющие флаги, которые управляют режимами или указывают на состояние процессора в целом, а не относительно выполнения конкретных задач. Программа не должна пытаться изменить состояние каких - либо битов в зарезервированных позициях. Эти зарезервированные биты всегда должны устанавливаться в то состояние, которое они имели ранее при считывании.

Регистр CR1 резервируется для выполнения отдельных программ, имеющих сложную структуру данных.

Регистр CR2 содержит 32 - разрядный линейный адрес, вызвавший это исключение.

Регистр CR3 является базовым регистром страничного каталога.

Отладочные регистры дают микропроцессору 80486 расширенные возможности отладки, включая контрольные точки данных и средство устанавливать контрольные точки команд без модификации кодовых сегментов (что может быть полезным при отладке ПЗУ - резидентного программного обеспечения). Доступ к этим регистрам имеют только программы с наивысшим уровнем привилегированности.

Тестовые регистры не являются формальной частью архитектуры процессора. Они представляют собой зависящее от конкретной реализации средство, предназначенное для тестирования ассоциативного буфера трансляции и кэш-памяти.

Операции со стеком поддерживаются тремя регистрами микропроцессора:

- регистр сегмента стека SS. Стек размещается в памяти. Количество стеков в системе ограничивается только максимальным числом сегментов. Размер стека не может превышать 4 Гбайт, что соответствует максимальному размеру сегмента для процессора 80486. В каждый момент времени доступен только тот стек, селектор сегмента которого содержится в регистре SS. Этот стек называется текущим. Регистр SS автоматически используется процессором для выполнения всех операций со стеком.

- регистр указателя стека ESP. В регистре ESP содержится относительный адрес вершины стека в текущем сегменте стека. Его значение используется командами вызова подпрограмм и возврата, исключениями и прерываниями. При занесении элемента в стек, процессор уменьшает значение регистра ESP, а затем записывает элемент по адресу новой вершины.

- регистр указателя базы кадра стека EBP. Данный регистр, как правило, используется для доступа к структурам данных, содержащимся в стеке. Например, при входе в подпрограмму стек содержит адрес возврата и некоторое число параметров, передаваемых в данную подпрограмму. Подпрограмма, при необходимости создания временных локальных переменных, использует стек, что приводит к изменению указателя стека по мере занесения и удаления данных в стеке. Если перед началом выполнения операций со стеком указатель стека копируется в базовый указатель кадра стека, последний может быть использован для доступа к данным, имеющим фиксированное смещение в сегменте стека. Если этого не делать, доступ к структурам данных, имеющим фиксированное смещение, может быть утерян в процессе занесения в стек и удаления из стека временных переменных.

При использование регистра EBP для хранения адреса памяти, текущий сегмент обязательно должен быть выбран (установлен регистр SS). Т. к. нет необходимости указывать сегмент стека в каждой команде, их кодирование становится более компактным. Для обеспечения удобного доступа к переменным регистр EBP может также использоваться для адресации других сегментов.

Указатель команд EIP содержит смещение в текущем сегменте кода следующей подлежащей выполнению команды. Указатель команд непосредственно не доступен программисту, но он управляется явно командами управления потоком (переходы, возвраты и т. д.), прерываниями и исключениями. Значение регистра EIP увеличивается, указывая последовательно на границы исполняемых команд.

Процессор 80486 не загружает команды поодиночке. Для загрузки команд перед их фактическим использованием, существует функция опережающего просмотра программы. Она обеспечивает загрузку выровненного 128 - битного блока кода, команды которого хранятся в процессоре в ожидании обработки. При этом выравнивание блока производится обнулением четырех последних битов его адреса. Данные блоки загружаются с игнорированием границ между командами. Таким образом, во время начала исполнения команды, она уже загружена в процессор и декодирована. Такой способ загрузки команд значительно повышает производительность процессора, т. к. позволяет совмещать выполнение команды, с загрузкой и декодировать команд.

Сегментация памяти. Подкачка страниц. Организация памяти представляет собой аппаратный механизм, позволяющий операционной системе создавать для выполняющихся программ упрощенную среду. Например, при одновременном выполнении нескольких программ каждой из них должно быть дано независимое адресное пространство. При разделении всеми этими программами одного и того же адресного пространства каждая из них должна была бы выполнять сложные и занимающие много процессорного времени проверки, чтобы избежать влияния на другие программы.

Для эффективного управления памятью используются такие средства, как сегментация памяти и подкачка страниц.

1. Сегментация памяти, как уже указывалось ранее, представляет собой разбиение всего адресного пространства памяти на отдельные блоки - сегменты. Доступ к сегментам управляется данными, в которых описаны их размер, уровень привилегированности, который нужен для доступа к ним, типы ссылок к памяти, применимые к этому сегменту (выборка команды, помещение или извлечение из стека, операция чтения, операция записи и т. д.), а также его присутствие в памяти.

Сегментация используется, во-первых, для нахождения ошибок при разработке программы, повышая тем самым надежность конечного продукта, во-вторых, для упрощения компоновки объектных модулей кода. Механизм сегментации делает ненужным создание кодов, независимых от позиции в памяти, поскольку все ссылки к памяти могут выполняться относительно базового адреса кодового сегмента и сегмента данных модуля.

Сложная программная система может использовать все средства, предоставляемые сегментацией. Например, система, в которой программы разделяют данные в режиме реального времени, может иметь возможность очень точно управлять доступом к этим данным. Когда программа делает попытку неверного доступа к данным, такая ошибка приводит к генерированию исключения. Это может служить как вспомогательное отладочное средство при разработке программы, а также может использоваться для запуска восстановительных процедур при ошибке в системах, предназначенных для конечного пользователя.

Аппаратное обеспечение сегментации транслирует сегментированный (логический) адрес в адрес непрерывного, несегментированного адресного пространства, который называется линейным адресом. Если разрешена подкачка страниц, то аппаратное обеспечение подкачки транслирует линейный адрес в физический адрес. Если подкачка страниц не разрешена, то в качестве физического адреса используется сразу линейный адрес.

Сегментация не прозрачна для прикладных программ. Эти программы должны в процессе выполнения должны обращаться к тем сегментам, которые были назначены для использования при разработке этих программ.

2. Подкачка страниц используется для поддержки среды, в которой большие адресные пространства моделируются на базе небольшой области оперативной памяти и некоторой дисковой памяти. Подкачка страниц обеспечивает доступ к структурам данных, превышающим по размеру доступное пространство оперативной памяти, благодаря тому, что часть таких структур держится в оперативной памяти, а часть - на диске. Подкачка выполняется по блокам размером в 4К, которые и называются страницами. Когда программа пытается обратиться к странице, которая в этот момент находится на диске, в программе происходит специальное прерывание. В отличие от прочих исключений и прерываний, исключение, генерируемое при транслировании адреса, восстанавливает содержимое регистров процессора в значения, позволяющие повторить выполнение команды, вызвавшей данное исключение. Такие специальные действия носят названия перезапуска команды. Это позволяет операционной системе прочесть страницу с диска, обновить отображение линейных адресов в физические адреса для данной страницы и перезапустить программу. Такой процесс прозрачен для программы.

Если операционной системой не разрешен механизм подкачки страниц, то линейные адреса будут одновременно являться и физическими адресами. Это может быть в тех случаях, когда разработка, которая была сделана для 16 -разрядного процессора, адаптируется для использования 32 - разрядного процессора.

Операционная система, написанная для 16 - разрядного процессора, не использует механизма подкачки страниц, поскольку размер ее адресного пространства настолько мал (64Кбайт), что гораздо более эффективным является механизм свопинга между оперативной памятью и диском целых сегментов, нежели отдельных страниц памяти.

Подкачка страниц должна быть разрешена для операционных систем, которые могут поддерживать виртуальную память с подкачкой страниц. Подкачка страниц прозрачна для прикладного программного обеспечения, поэтому операционная система, которая должна поддерживать прикладные программы, написанные для 16 - битовых процессоров, может выполнять эти программы с разрешенной подкачкой страниц.

Диспетчер памяти. Эффективный доступ к памяти осуществляется диспетчером памяти. Его назначение заключается в следующем. Прикладные программы не используют прямой адресации к физической памяти, а адресуются к некоторой модели памяти - виртуальной памяти. Диспетчер памяти поддерживает механизмы сегментации и замещения страниц, то есть их подкачки. Возможно использование одного из указанных механизмов или их одновременное использование.

Адрес, используемый в программе, называется логическим адресом. Устройство сегментации преобразует логический адрес в некоторый промежуточный адрес несегментированного адресного пространства, называемый линейным. Устройство замещения страниц преобразует полученный линейный адрес в физический.

Логический адрес трактуется как смещение в сегменте и согласно этому преобразуется в линейный. Каждый сегмент имеет дескриптор, который содержит его базовый адрес и максимальный размер. Если смещение меньше размера и нет препятствий для чтения сегмента, линейный адрес получается сложением базового адреса и смещения.

Линейный адрес, выработанный устройством сегментации, используется непосредственно как физический адрес. Для преобразования линейного адреса в физический используется устройство подкачки страниц. Устройство подкачки страниц обеспечивает другой уровень организации памяти. Оно разбивает линейное адресное пространство на блоки фиксированной длины (4Кбайт) - страницы. Логическое адресное пространство отображается в линейное адресное пространство, которое отображается на несколько страниц. Страницы могут находиться как в памяти, так и на диске.

При обращении программы по логическому адресу, он транслируется в адрес на странице памяти, или генерируется исключение, если данная страница отсутствует в памяти. При генерации исключения управление передается операционной системе, которая в этом случае пытается считать нужную страницу с диска и обновить таблицу страниц. После этого, работа программы, которая вызвала исключение, возобновляется без генерации исключения.

Алгоритмы замещения страниц в некоторых ситуациях могут работать крайне неэффективно, что может быть исправлено специальной прикладной программой. Архитектура процессора 80486 дает свободу выбора модели памяти для каждой отдельной программы, даже если эти программы выполняются одновременно. Возможен выбор любой модели организации памяти, являющейся промежуточной между двумя следующими моделями:

- несегментированное или "плоское" адресное пространство, при котором пространства кодов, стека и данных отображаются в общие линейные адреса. В этом случае сегментация игнорируется и позволяется доступ любого типа указателя на память к любому типу данных.

- сегментированное адресное пространство с различными сегментами для пространств кода, данных и стека. Может быть использовано до 16383 линейных адресных пространств, размером до 4 Гбайт каждое.

Обе эти модели, кроме того, могут обеспечивать защиту памяти.

Несегментированная или "плоская" модель. Несегментированная модель - это самая простая модель памяти. Эффективный доступ к ячейкам памяти достигается отображением всех сегментов в единое линейное адресное пространство. В результате этого все операции с памятью обращаются к общему пространству памяти. В плоской модели сегменты могут покрывать весь 4 Гбайт диапазон физических адресов, или только те адреса, которые отображаются на физическую память.

Преимущество модели заключается в том, что она обеспечивает минимальный уровень аппаратной защиты от программных ошибок.

Сегментированная модель. В сегментированной модели организации памяти логическое адресное пространство содержит до 16383 сегментов, размером до 4 Гбайт каждый, т. е. общий объем может достигать 2⁴⁶ байт (64 Тбайт). МП отображает это 64 - терабайтовое логическое адресное пространство в физическое адресное пространство (до 4 Гбайт).

Преимущество сегментированной модели заключается в том, что смещение внутри каждого адресного пространства проверяется отдельно и доступ к каждому сегменту контролируются индивидуально. Размер сегмента определяется программистом, что позволяет делать его равным размеру содержащегося в нем модуля.

Доступ к сегментированному адресному пространству осуществляется с помощью указателя, который состоит из двух частей:

- 16 - разрядного поле селектора сегмента, которое идентифицирует сегмент.

- смещения, которое представляет собой 32 -разрядный адрес внутри сегмента.

Селектор сегмента используется для получения линейного адреса начала сегмента, называемого базовым адресом. Он указывает на информацию, определяющую сегмент, которая называется дескриптором сегмента. В программе может использоваться больше шести сегментов, селекторы которых занимают сегментные регистры.

Селектор сегмента идентифицирует дескриптор сегмента, задавая таблицу дескрипторов и позицию нужного дескриптора в этой таблице. Селекторы сегмента видны прикладной программе в качестве части переменной типа указателя, однако обычно значения селекторов назначаются или модифицируются редакторами связей или компонующими загрузчиками, но не прикладными программами.

Дескриптор сегмента представляет собой структуру данных в памяти, которая сообщает процессору размер и расположение в памяти сегмента, а также управляющую информацию и информацию о состоянии сегмента. Дескрипторы обычно создаются компиляторами, компоновщиками, загрузчиками или операционной системой, но не прикладными программами.

Обращение к памяти из программ осуществляется при помощи фиксированных смещений относительно данного базового адреса, что позволяет загружать в память и выполнять объектные модули без корректировки адресов (динамическая компоновка).

Микропроцессоры Pentium Р5

Выпуск высокопроизводительных МП начат в 1993г., когда фирмой Intel

был разработан процессор Pentium P5 класса 80´86, использующий архитектурную концепцию CISC (Completed Instruction Set Computer). Корпус процессора квадратный с 321 контактными выводами матричного типа, то есть выводы расположены по всему периметру корпуса в несколько рядов (конструктив Socket 7).

CISC - архитектурная концепция процессора, основанная на использовании довольно сложных команд, каждая из которых может производить по несколько простых действий. Во многих случаях эти команды представляют собой программы, написанные на микрокоде и записанные в постоянное запоминающее устройство процессора. Команды CISC имеют разную длину и время выполнения, а машинный код - язык довольно высокого уровня.

Он имеет тактовую частоту до 100 МГц и более, выполнен по субмикронной технологией (с шириной проводников менее 1 мкм), позволившей разместить на кристалле около 3,1 млн. транзисторов. Благодаря такой компактности сокращается время передачи данных внутри микропроцессора, и тем самым обеспечивается более высокая производительность работы системы в целом (до 200 млн. оп/с).

Процессор имеет выполненную на кристалле процессора кэш-память первого уровня (L1) объемом 32 Кбайт, разбитую на два банка: кэш-память данных и кэш-памяти команд, каждая из которых имеет объем 16 Кбайт. Кэш-память предназначена для временного хранения многократно используемых программой команд и данных, что позволяет процессору реже обращаться за ними к внешней медленнодействующей основной памяти (ОП). Каждый банк памяти соединяется с ядром собственной шиной и обеспечивает высокоскоростной обмен информацией по двум физически разнесенным шинам. Такая архитектура обеспечивает устранение конфликтов в системе при передаче команд и данных.

Кэш-память L1 работает на частоте процессора, что характеризует ее как самую быстродействующую память системы. От емкости L1 зависит быстродействие процессора, однако увеличение объема кэш-памяти приводит к усложнению кристалла процессора и, как следствие, к его удорожанию.

Несмотря на большую вычислительную мощность процессора Р5, обработка программ трехмерной графики, число которых неуклонно возрастает, является самым узким местом при обработке команд. Увеличение же производительности процессора за счет повышения тактовой частотой малоэффективно. Это связано с тем, что повышение тактовой частоты в два раза ведет к увеличению производительности в интервале 15 - 45%% в зависимости от тактовой частоты (чем выше тактовая частота процессора, тем меньше прирост производительности). Данное обстоятельство поставило задачу поиска иных путей повышения производительности процессоров.

Одним из таких путей является увеличение емкости кэш-памяти первого уровня с 16 до 32 Кбайт, второй путь - внедрение технологии ММХ (ММХ - Multi Media Extension).

Увеличения емкости кэш-памяти обеспечивает увеличение вероятности нахождения данных в кэш-памяти при их считывании процессором. Так при объеме кэш-памяти 8 Кбайт процессор в более чем в 80% случаев обращения к памяти без «промаха» находит данные в кэш-памяти. Двукратное увеличение объема кэш-памяти обеспечивает 5% прирост «попаданий», а четырехкратное увеличение – прирост около 8%. Очевидно, что дальнейшее наращивание оказывает­ся неоправданным: каждое последующее удвоение объема приносит лишь процент (или менее) увеличения вероятности «попадания». Иными словами, 32 Кбайт - опти­мальный объем, и поэтому кэш-память нового про­цессора Pentium была увеличена только вдвое.

Кроме того, несколько изменена ее структура: она сделана четырехканальной, что снизило вероятность остановки одного из конвейеров при невозможности получить из нее данные.

В конвейер команд была введена до­полнительная ступень определения взаи­мозависимости инструкций, благодаря че­му сказалось возможным усовершенство­вать механизм предсказания ветвлений. Все описанные меры позволили увеличить производительность примерно на 10-20%%.

Второй путь, связанный с внедрением технологии ММХ, обязан широкому использованию мультимедийных программ. ММХ – это архитектура процессора, обеспечивающая эффективное выполнение команд трехмерной графики за счет высокоскоростной обработки вещественных чисел (чисел с плавающей точкой). Она включает специальные наборы команд и устройств, которые используют принцип выполнения одного потока команд над множеством потоков данных - SIMD (Single Instruction Multiplay Data). В этом случае обеспечивается конвейеризация при выполнении команд: например, в 64-разрядном арифметико-логическом устройстве одновременно могут выполняться две 32 - разрядные, четыре 16-разрядные или восемь 8 – разрядных операций; введены комбинированные команды типа “умножение со сложением”, инструкции упаковки - распаковки данных и т.д.

Так, если для выполнения большинства офисных задач хватало да­же производительности 100 МГц Pentium, то полноразмерное экранное видео с одновременной обработкой звуко­вой информации оказывалось на пределе возможностей самых производительных процессоров. В то же время обработку ау­дио- и видеоинформации вполне можно было бы поручить специализированному встроенному сопроцессору, подобно имеющемуся в Pentium для ускорения опе­раций с плавающей запятой. Длятого, что­бы как можно меньше переделывать уст­ройство дешифрации команд, коды мультимедийных инструкций были сделаны совпада­ющими с кодами математического сопро­цессора и запрещена его одновременная работа со встроенным мультимедийным сопроцессором. В результате при обработ­ке мультимедиа информации включается одни сопроцессор, при математических расчетах - другой. Переключение осуществляется установкой или сбросом соответствующего флага. Таким образом, подобный мультимедийный процессор может работать с аудио- и видеоинформацией на 50-80%% быстрее своего не мультимедийного аналога.

Первые мультимедийные процессоры на 166 МГц P5 ММХ и на 200 МГц P5 ММХ появились в январе 1997 г. Корпуса процессоров P5 и P5 MMX аналогичны по исполнению Р5.

Архитектурно-структурные особенности. Характерной чертой процессоров Р5 являются многочисленные архитектурно-структурные особенности, которые включают следующие:

- использование суперскалярной архитектуры;

- раздельное кэширование программного кода и данных;

- наличие буфера адреса ветвления;

- использование высокопроизводительного блока вычислений с плавающей запятой;

- наличие расширенной 64 - битовой шины данных;

- обеспечение поддержки многопроцессорного режима работы;

- применение средств задания размера страницы памяти;

- использование средств обнаружения ошибок и функциональной избыточности;

- управление производительностью;

- наращиваемость с помощью Intel Overdrive процессора.

Суперскалярная архитектура. Суперскалярная архитектура Р5 представляет собой совместимую только с INTEL двухконвейерную архитектуру, позволяющую процессору достигать новых уровней производительности посредством выполнения более, чем одной команды за один период тактовой частоты.

Термин “суперскалярная” обозначает микропроцессорную архитектуру, которая содержит более одного вычислительного блока. Эти вычислительные блоки, или конвейеры, являются узлами, где происходят все основные процессы обработки данных и команд. Возможность выполнять множество команд за один период тактовой частоты существует благодаря тому, что Р5, имея два конвейера, может выполнять две инструкции одновременно. Двойной конвейер Р5 выполняет простую команду за пять этапов:

- предварительная подготовка,

- первое декодирование (декодирование команды),

- второе декодирование (генерация адреса),

- выполнение,

- обратная выгрузка.

Поэтапное выполнение команд позволяет нескольким командам находиться в различных стадиях выполнения, увеличивая тем самым вычислительную производительность.

Двухконвейерная обработка данных осуществляется двумя секциями обработки данных - U и V (рис. 5).

Каждая из них включает блок формирования адреса и АЛУ. Первичная U - секция может выполнять все операции над целыми числами и операции с плавающей запятой. Вторичная V-секция может выполнять только простые операции с целыми числами и частично - операции с плавающей запятой. Входящие в секции блоки чтения-записи разделены на блоки чтения и блоки записи. Каждое из них снабжено своим буфером-накопителем. Такое исполнение ядра процессора позволяет последовательно идущие команды чтения и записи вести одновременно, что полностью исключает конфликтные ситуации в магистрали и повышает скорость при вводе-выводе команд.

Рис. 5. Архитектура микропроцессора Pentium Р5

Для эффективного обмена внутренняя магистраль выполнена 64-разрядной. При этом она представляет собой две независимые 32-разрядные шины, к каждой из которой могут подключаться устройства в зависимости от ее состояния – свободна шина или занята передачей информации.

Одновременное выполнение двух команд в разных секциях называется сдваиванием. Не все последовательно выполняемые команды допускают сдваивание. В этом случае используется только одна U - секция. Чтобы добиться максимальной эффективности работы процессора P5, желательно перекомпилировать программы так, чтобы можно было сдвоить наибольшее количество команд.

P5 использует аппаратное выполнение команд, заменяющее множество микрокоманд, используемых в предыдущих семействах микропроцессоров. Эти инструкции включают загрузки, запоминания и простые операции АЛУ, которые могут выполняться аппаратными средствами процессора, без использования микрокода.

Раздельное кэширование программного кода и данных является другим важнейшим усовершенствованием, реализованным в Р5. В нем имеется кэш-память первого уровня L1, разбитая на две кэш-памяти по 8 (позже по 16) Кбайт каждый - программный кэш и кэш данных, управляемые своим контроллером. Схемы кэш - контроллера и сами блоки кэш-памяти размещены на кристалле МП. В кэш-память из различных областей системного ОЗУ копируется информация - данные и программные коды.

Дата добавления: 2015-06-04