«(Учебное пособие) Иркутск 2007 УДК 681.3.6 С50 Смоленцев М.Ю. Программирование на языке Ассемблера для микропроцессоров i80x86: Учебное пособие.— Иркутск: ИрИИТ, 2007.— 600с. Ил. Табл. Библиогр.: назв. Рекомендовано ...»

Важнейшим компонентом любого персонального компьютера, его «мозгом» является микропроцессор, который управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки информации. Микропроцессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему, степень интеграции которой определяется размером кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов. Базовыми элементами микропроцессора являются транзисторные переключатели, на основе которых строятся, например, регистры, представляющие собой совокупность устройств, имеющих два устойчивых состояния и предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. Количество и разрядность регистров во многом определяют архитектуру микропроцессора.

Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, оперативной памятью и портами ввода/вывода). С внешними устройствами микропроцессор может общаться благодаря своим шинам адреса, данных и управления, выведенным на специальные контакты корпуса микросхемы. Разрядность внутренних регистров микропроцессора может не совпадать с количеством внешних выводов для линий данных, например, микропроцессор с 32-разрядными регистрами может иметь только внешних линий данных. Объем физически адресуемой микропроцессором памяти однозначно определяется разрядностью внешней шины адреса как 2N, где N — количество адресных линий.

Основные тенденции в развитии микропроцессоров Закон Мура. 19 апреля 1965 года, в журнале Electronics (vol. 39, №8) в рубрике «Эксперты смотрят в будущее» вышла статья «Cramming more components onto integrated circuits», в которой будующий основатель корпорации Intel Гордон Мур предсказал, что количество структурных элементов (транзисторов) на кристале процессора, а следовательно и вычислительная мощность процессоров будут удваиваться каждые полтора-два года. Прошло сорок лет, а закон Мура продолжает действовать.

Микропроцессор Год выпуска Число транзисторов Понижение рабочего напряжения По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров x86 имели рабочее напряжение 12 и 5 В, с переходом к процессорам Pentium оно было понижено до 3,3 В в настоящее время оно меньше 1 В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить растояние между структурными элементами в кристале процессора до долей микрона, не опасаясь электрического пробоя. Уменьшение размера, в свою очередь, позволяет разместить еще большее количество элементов на кристале. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать скорость его работы без угрозы пробоя, что в свою очередь приводит к увеличению рабочей частоты ядра процессора. Первые миропроцессоры x86 работали с частотой не выше 1 МГц, рабочая частота Pentium 4 доходит до 5 ГГц.

Увеличение разрядности процессора. Разрядность процессора показывает сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Микропроцессор фирмы i4004 был 4-разрядным, i — 8-разрядный, i8086 уже 16–разрядный, начиная с процессора i80386 микропроцессоры становятся 32-разрядными, Pentium хотя и остаются 32разрядными, но работают уже с 64-разрядной шиной данных. Компьютеры становятся двух-процессорными, то есть два 32-разрядных процессора параллельно обрабатывают 64-разрядные данные. В Pentium Pro появляется 128-pазpядная внешняя шина данных и компьютеры становятся уже четырех-процессорными. Ожидается появление полностью 64-разрядных микропроцессоров.

Микропроцессор, как универсальный блок обработки информации был разработан в 1962 году. Время поступления на рынок первых микро-ЭВМ совпало с завершением разработки однокристальных процессоров фирмой Intel, которая производилась по договору с японской фирмой Vidicon, производящей абонентские пункты. В 1969 году японская фирма Busicom заказала фирме Intel изготовить двенадцать типов микросхем для использования их в калькуляторах различных моделей. Малый объем каждой партии увеличивал стоимость их разработки. Инженер компании Intel Тед Хоф сконструировал объединенную микросхему — универсальное логическое устройство, которое отыскивало и отбирало прикладные команды из полупроводниковой памяти. Являясь ядром набора из четырех микросхем, этот центральный вычислительный блок не только соответствовал требованиям заказа компании Busicom и мог использоваться не только во всех типах заказанных калькуляторов, но и найти самое разнообразное применение без каких-либо переделок. С 1971 года фирма Intel начала промышленный выпуск микропроцессора i4004. Он представлял собой четырехразрядное параллельное вычислительное устройство. С его помощью можно было обрабатывать четырехразрядные двоичные числа, действия над более длинными операндами выполнялись по частям. Микропроцессор i4004 выполнял сорок пять различных команд и, тем не менее, его возможности были сильно ограничены. Четыре бита позволяли кодировать только цифры и символы, хотя этого и было достаточно для математических расчетов. i4004 применялся поначалу только в карманных калькуляторах. Позднее сфера его применения была расширена за счет использования в различных системах управления, например, для более эффективного управления дорожным движением микропроцессор i4004 встраивался внутрь светофоров. Одновременно с выпуском микропроцессоров i фирма Intel организовала производство специализированного набора микросхем: модулей управления вводом/выводом i4009, оперативных запоминающих устройств i4002, постоянных запоминающих устройств i4001 и других. Выбирая тот или иной комплект микросхем, разработчик мог построить небольшой калькулятор, управляемый программой записанной в ПЗУ.

Фирма Intel, правильно предугадав перспективность микропроцессоров, продолжила интенсивные разработки, и один из ее проектов в конечном итоге привел к крупному успеху, предопределившему будущий путь развития вычислительной техники. Им стал проект по разработке 8–разрядного микропроцессора i8008 (1972 год), разработку которого заказала японская фирма Seiko. ЭВМ должны работать не только с цифрами, но также и с текстами. Использование 6 бит позволяет различать все цифры, а также большие и малые латинские буквы (можно закодировать 2 6=64 символа). Но при этом остается мало значений для кодировки знаков пунктуации и управляющих символов, поэтому регистры i8008 сделали 8-разрядными (28 это уже 256 символов). По сравнению с i4004 микропроцессор i8008 имеет очень развитую систему команд. Первоначально i8008 предназначался только для управления терминалом. Но как только i8008 стал доступен разработчикам из других фирм, этот микропроцессор предоставил им безграничные возможности для творчества и новаторской деятельности. В продуктовых магазинах появились первые цифровые весы — микросхема преобразовывала вес продуктов в цены и считывала этикетки с покупаемых товаров. Новый микропроцессор внес революционные изменения во все сферы жизни — от медицинских инструментов до кассовых систем ресторанов «быстрого питания», от бронирования авиабилетов до заправки топливом на бензоколонках.

Модификация этой микросхемы i8080 (1974 год) представляла собой полноценное арифметико-логическое устройство, на базе которого было построено множество бытовых персональных компьютеров. Она же послужила прототипом для создания микропроцессора Z-80. Микропроцессор i8008 был использован при создании любительской мини-ЭВМ (прообраз персонального компьютера) «Altair-8800», которая была создана в конце 1974 фирмой MITS (Micro Instrumentation and Telemetry Systems). Для этого компьютера Бил Гейтс написал один из своих первых интерпретаторов языка Basic-80.

Микропроцессору i8080 требовалось три напряжения питания и два поступающих извне тактовых сигнала с уровнем 12В и частотой до 2 МГц с точно выдержанной задержкой между ними. Микропроцессор i8085 имел систему команд i8080, а так же ряд аппаратурных усовершенствований (единственное напряжение питания +5В, отсутствие «проблемы тактов» и т.д.), что упрощало применение микропроцессоров.

Микропроцессоры i8080 и i8085 относятся к классу 8-битных, каждый следующий микропроцессор фирмы Intel становился все более сложным и гибким.

В 1976 году фирма Intel закончила разработку 16–разрядного микропроцессора i8086. Он имел достаточно большую разрядность регистров ( бит) и системной шины адреса (20 бит), за счет чего мог адресовать до 1Мбайта (220=1.048.576106) оперативной памяти. Тактовая частота 4МГц.

Микропроцессор i8088 представляет собой 8-битный вариант микропроцессора i8086; он имеет меньше линий данных, но сохраняет все функциональные возможности микропроцессора i8086. Регистры микропроцессора i8088 полностью соответствуют регистрам i8086. Отличие этих микропроцессоров заключается только во внутренней реализации, а с точки зрения программирования они полностью идентичны.

В 1980 году руководство IBM приняло революционное решение о создании персонального компьютера. Исходя из текущей рыночной ситуации, корпорация IBM решает построить собственный 16-разрядный компьютер, подобный популярному Apple, с похожим программным обеспечением. При конструировании компьютера был применен принцип открытой архитектуры: его составные части были универсальными, что позволяло модернизировать компьютер по частям. Для уменьшения затрат на создание персонального компьютера IBM использовала разработки других фирм в качестве составных частей для своего детища, в частности, микропроцессор фирмы Intel — i8088 и программное обеспечение фирмы Microsoft. Появление IBM PC (персональный компьютер, Personal Computer) в 1981 году породило лавинообразный спрос на персональные компьютеры, которые стали теперь орудием труда людей самых разных профессий. Наряду с этим возник гигантский спрос на программное обеспечение и компьютерную периферию. На этой волне возникли сотни новых фирм, занявших свои ниши компьютерного рынка.

Также на основе микропроцессора i8088 в 1983 году создан компьютер XT (компьютер с расширенной технологией, Extended Technology).

Первоначально микропроцессор i8088 работал с частотой 4,77 МГц и имел быстродействие около 0,33 млн. инструкций в секунду (Million Instruction Per Second, MIPS), однако впоследствии были разработаны его клоны, рассчитанные на более высокую тактовую частоту (например, 8МГц).

Микропроцессор i80186 (1982 год), является однокристальным расширением микропроцессора i8086, с внутренним генератором синхронизации, логикой управления прерываниями, схемой таймеров, контроллерами ПДП (прямого доступа к памяти) и программируемыми схемами выбора кристалла. i80186 обладал более высоким быстродействием и дополнительными вычислительными возможностями, которые особенно важны при проектировании сложных микросхем. В основном i80186, нашел применение в микроконтроллерах.

Модификация микропроцессора i80186 с восьмиразрядной шиной данных.

В 1982 году был создан i80286. Этот микропроцессор представлял собой улучшенный вариант i8086. Оснащенный встроенным устройством управления памятью, он стал первым микропроцессором, совместимым со своими предшественниками. Он поддерживал уже несколько режимов работы: реальный, когда формирование адреса производится по правилам i8086, и защищенный, который аппаратно реализовывал многозадачность и управление виртуальной памятью. i80286 имел также большую разрядность адреса — 24 разряда против 20 у i8086, и поэтому он мог адресовать до 16Мбайт (224=16.777.216) оперативной памяти. На основе микропроцессора i80286 в 1984 году создан компьютер AT (компьютер с улучшенной технологией, Advanced Technology).

16 октября 1985 года фирма Intel представила первый 32-разрядный микропроцессор i80386, аппаратно совместимый снизу вверх со всеми предыдущими микропроцессорами этой фирмы. Он был гораздо мощнее своих предшественников, имел 32-разрядную архитектуру и мог прямо адресовать до 4 Гбайт (232=4.294.967.296) оперативной памяти. Первым компьютером, использующим этот микропроцессор, был Compaq DeskPro 386. 32-разрядная архитектура нового микропроцессора дополнена расширенным устройством управления памятью (Memory Management Unit, MMU). На тактовой частоте 16 МГц быстродействие i80386 составило примерно 6 MIPS. Кроме того, был введен новый режим — режим виртуального процессора i8086 (V86). В этом режиме могли одновременно выполняться несколько задач, предназначенных для i8086.

Первые i80386 пугали людей, как своей работой, так и ценой. Корпорация Intel решила выпустить продукт, более доступный пользователям с менее мощным (зато более дешевым) микропроцессором i80386SX ( июня 1988 года). В очередной раз происходит ухудшение качества микропроцессора, как это уже случалось с i8088, с i80188, а затем произойдет с Celeron. i80386SX имел внутреннюю полностью 32-разрядную архитектуру, но использовал 16-разрядную внешнюю шину данных и 24-разрядную адресацию. Индекс микропроцессора SX происходит от SiXteen (шестнадцать) в соответствии с разрядностью шины данных. Чтобы не путать микропроцессор i80386 с менее мощной микросхемой i80386SX, Intel переименовала i80386 в i80386DX.

Первоначально математический сопроцессор, называемый также арифметическим сопроцессором, представлял собой специализированную интегральную схему, работавшую во взаимодействии с центральным микропроцессором. Данная микросхема была предназначена только для выполнения математических операций с плавающей точкой. Во всех микропроцессорах Intel от i80486DX и выше сопроцессор интегрирован на кристалл основного процессора.

Математический сопроцессор необходим при работе с векторной графикой (особенно трехмерной), электронными таблицами, пакетами САПР, специальными математическими пакетами и т.п. При работе же с базами данных или обычными текстовыми редакторами использование сопроцессора не дает ощутимых результатов. Он бесполезен и при работе с сетевыми операционными системами.

Первым математическим сопроцессором для персональных компьютеров IBM был i8087 компании Intel. Далее последовали i80287, i80387, i80487SX. Клоны сопроцессоров Intel выпускали такие фирмы, как ULSI, AMD, Cyrix (Texas Instruments), IIT, Chips. Кроме того, фирмой Weitek выпускались сопроцессоры, программно не совместимые с продукцией Intel. Начиная с процессоров пятого поколения (за исключением быстро исчезнувших с рынка Nex Gen Nx 586), сопроцессор стал стандартным компонентом ядра процессора, и поэтому в настоящее время сопроцессоры общего назначения не выпускаются.

Кэш-память (cache memory) — запоминающее устройство с малым временем доступа (в несколько раз меньшим, чем время доступа к основной оперативной памяти), используемое для временного хранения промежуточных результатов и содержимого часто используемых ячеек. Вообще кэшированием данных называется размещение данных в области памяти с более быстрым доступом. В качестве житейской аналогии можно привести библиотеку школьника, у которого нужные каждый день учебники лежат на рабочем столе, изредка читаемые классики стоят на книжной полке, а старые ненужные тетради сложены в ящиках. В случае необходимости время доступа к этим источникам будет разным, однако и вероятность того, что потребуется учебник или старая тетрадь, тоже разная.

В мире компьютерной памяти этот принцип применим потому, что более быстрая память обычно стоит существенно дороже более медленной, однако применение малого объема быстрой (но дорогой) кэш-памяти, в комплексе с большим объемом медленной (но дешевой) памяти позволяет создать приемлемое по цене и скорости решение. Применение кэширования особенно эффективно, когда доступ к данным осуществляется преимущественно в последовательном порядке. Тогда после первого запроса на чтение данных, расположенных в медленной (кэшируемой) памяти можно заранее выполнить чтение следующих блоков данных в кэш-память для того, чтобы при следующем запросе на чтение данных почти мгновенно выдать их из кэш-памяти. Такой прием называется упреждающим чтением.

Упреждающее чтение применяется во всех современных жестких дисках, имеющих от 64 до 1024 Кбайт кэш-памяти, выполненной на основе динамической RAM (Random Access Memory — запоминающее устройство с произвольной выборкой). Считываемые с диска данные с некоторым запасом помещаются в кэш-память диска и определенное время там хранятся. При повторном обращении к тем же данным они считываются уже из кэш-памяти, что происходит в 10-1000 раз быстрее.

Кэширование данных применяется также в процессорах. Внутри кристалла процессора находится малый объем (от 1 до 1024 Кбайт) очень быстрой статической памяти, работающей на частоте процессора. Эта память используется для кэширования существенно более медленной оперативной памяти, выполненной на основе динамической RAM. Таким образом, в различных ситуациях одна и та же память может быть как кэшем, так и кэшируемой памятью.

Кэш-память также может быть организована в виде иерархической структуры. В случае процессоров i80x86 характерно использование кэша первого уровня (Level 1 или L1-кэша), расположенного непосредственно на кристалле процессора, и более медленного кэша второго уровня (Level или L2-кэша), расположенного в другой микросхеме или вообще на другой плате. При этом кэш первого уровня кэширует L2-кэш, а тот, в свою очередь, кэширует еще более медленную оперативную память. В RISC-процессорах зачастую используется L3-кэш и кэш более высоких порядков.

Существуют различные алгоритмы работы кэш-памяти, которые очень сильно влияют на эффективность процедуры кэширования. Помимо кэширования операций чтения данных можно выполнять кэширование записи данных (это называется отложенной записью, или lazy writes, для жестких дисков и обратной записью, или write back, для процессоров).

Применение отложенной записи еще больше увеличивает скорость работы диска, но повышает риск потери данных, которые не успели записаться из кэш-памяти в кэшируемую память, в случае внезапного краха системы.

Микропроцессор i80486DX выпущен в апреле 1989 года. В микропроцессоре i80486 математический сопроцессор был интегрирован на одном кристалле с основным процессором. С микропроцессором i80486 появилось понятие конвейеризации вычислений (глава «Архитектура микропроцессора i80x86»).

Микропроцессор i80486 стал дополняться внутренней кэш-памятью.

Кэширование — это способ увеличения быстродействия системы за счет хранения часто используемых данных и кодов в так называемой «кэш-памяти первого уровня» (быстрой памяти), находящейся внутри микропроцессора. i80486 содержал блок встроенной кэш-памяти размером 8 Кбайт, который использовался для кэширования и кодов, и данных. Существовали модификации этого процессора: i80486SX, i80486DX, i80486DX2 и i80486SL. Тактовая частота до 120 МГц Микропроцессор Pentium выпускался с 1993 года. Имеет 32-разрядную архитектуру и 64-разрядную шину данных и адреса, за счет чего может адресовать до 16 Тэрабайт (так как 2 10=1024103, поэтому 264=24260161018) оперативной памяти. К выходу этой книги в 2007 году выпущена уже четвертая модификация микропроцессора Pentium — Pentium-IV с тактовой частотой 5 ГГц. Скалярным называют процессор с единственным конвейером, к этому типу относятся все процессоры Intel до 486 включительно. Суперскалярный (superscalar) процессор имеет более одного конвейера, способных обрабатывать инструкции параллельно. Pentium является двухпотоковым процессором (имеет два конвейера), процессоры от Pentium-II до Р6 — трехпотоковые. В Pentium’е было введено раздельное кэширование кода и данных. Pentium содержит два блока кэш-памяти: один для кода и один для данных, каждый по 8 Кбайт. При этом становится возможным одновременный доступ к коду и данным, что увеличивает скорость работы компьютера.

Выпускается с 1993 года. Тактовая частота 66 и 60 МГц. По базовой регистровой архитектуре и системе команд он является 32-разрядным процессором, но имеет 64-битную шину данных. Шина ареса позволяет адресовать 4 Гигабайта физической памяти. Интерфейс расчитан на применение внешнего вторичного кэша и внутреннего первичного с возможностью работы как со сквозной (WT), так и с обратной записью. Интерфейс позволял объединять до двух процессоров на одной шине.

Pentium содержит два арифметико-логических устройства, благодаря чему две команды могут быть выполнены за один такт синхронизации.

Pentium имеет также два раздельных кэша по 8 Кбайт: один для команд, другой — для данных. Pentium первый массовым процессор Intel с суперскалярной архитектурой и динамическим предсказанием переходов в исполняемых программах. В Pentium была существенно повышена производительность модуля вычислений с плавающей запятой, добавлена аппаратная поддержка самотестирования, текущего контроля производительности и расширенной отладки. Благодаря встроенному в Pentium контроллеру прерываний многопроцессорных систем получили распространение двухпроцессорные серверы и рабочие станции на его основе.

Pentium с тактовой частотой 66 МГц имел производительность около 112 MIPS. Несколько лет выпускались версии Pentium второго поколения с внутренним умножением частоты в 1,5, 2, 2,5 и 3 раза на 75/50, 90/60, 100/66, 120/60, 133/66, 150/60, 166/66 и 200/66 МГц и напряжением питания 3,3В, построенные с использованием 0,6- и 0,35-микронной технологии.

В 1995 году фирма Intel выпустила микропроцессор Pentium Pro. В его основе лежит комбинация технологий Dynamic Execution: многократное предсказание ветвлений (multiple branch prediction), анализ потоков данных (data flow analysis) и эмуляция выполнения инструкций (speculative execution). Глубина конвейера составляла 14 ступеней (против 5 у Pentium), благодаря чему на исполнение одной команды в среднем приходится на 33% меньше времени. В Pentium Pro впервые реализована архитектура DIB (Dual Independent Bus) — двойная независимая шина. Одна шина, работающая на частоте процессора, связывает процессор и встроенную кэш-память, другая, работающая на внешней тактовой частоте 60 или 66 МГц, — процессор и системную плату. В Pentium Pro впервые введена 128-pазpядная внешняя шина данных.

В корпусе микросхемы размещены два кристалла — собственно процессор и кэш-память второго уровня объемом 256, 512 или 1024 Кбайт, работающая на частоте процессора. На кристалле процессора, как обычно, расположен 16-Кбайтный (8+8) кэш. В семейство Pentium Pro входят микропроцессоры с тактовыми частотами 200, 180, 166 и 150 МГц. Pentium Pro поддерживает 2-х и 4-процессорные конфигурации, а также позволяет строить системы с числом процессоров более 4 с применением технологий кластеризации. Pentium Pro имеет 36-разрядную шину адреса и способен адресовать до 65 Гбайт оперативной памяти. Недостатком объединения в одном корпусе двух отдельных микросхем (собственно процессора и кэш-памяти второго уровня) является высокая стоимость производства, поскольку при наличии дефекта только в одной из них приходится отбраковывать весь процессор.

Препятствием к дальнейшему повышению тактовой частоты является высокая стоимость изготовления микросхем кэш-памяти, способной работать на одной частоте с процессором. Если микросхема Pentium Pro выпускалась согласно технологическим нормам 0,6 мкм, то все остальные процессоры с более высокой тактовой частотой выпускались с использованием 0,35-микронных технологии. Напряжение питания процессора составляет 3,3В.

Процессор оптимизирован для выполнения 32-разрядных инструкций и демонстрирует максимальную производительность под 32-разрядными операционным и системами (Windows NT, OS/2, UNIX). 16-разрядные инструкции вызывают частую перезагрузку конвейера, что приводит к меньшей производительности этого процессора в 16- и 16/32-разрядных ОС (MS DOS, Windows 3.1/3.11, Windows 95).

Процессор Pentium Pro и наборы микросхем для него позволяют создавать многопроцессорные системы, благодаря чему основной областью применения этого процессора были высокопроизводительные сервера.

В начале 1997 года корпорация Intel представила процессор Pentium с технологией MMX — микропроцессор, в котором впервые со времени выпуска i80386 произошло крупное расширение системы команд процессора за счет включения 57 новых инструкций, разработанных для более эффективной работы с мультимедиа-данными (MMX: Multi Media Extensions, расширения для мультимедиа). Новые инструкции ориентируются на параллельное исполнение повторяющихся последовательностей команд целочисленной арифметики, часто встречающихся при работе мультимедиа-приложений. В основе MMX лежит применяемый в процессорах цифровой обработки сигналов принцип SIMD (Single Instruction — Multiple Data, один поток команд — множество потоков данных), который состоит в применении одной инструкции для массива однородных данных. Для обработки MMX-инструкций используются регистры математического сопроцессора. Использование MMX-инструкций ускоряет работу программ обработки изображений, видео или звука на 50-400%.

В процессоре Pentium MMX расширенный до 32 Кбайт кэш первого уровня и более эффективное предсказание условных переходов, что позволяет на 10-20% повысить производительность процессора.

Процессоры Pentium MMX выпускаются с внутренним умножением частоты в 2, 2,5, 3, 3,5, и 4 раза на 120/60, 133/66, 150/60 и 266/66 МГц для мобильных систем; 166/66, 200/66, 233/66 МГц для настольных и мобильных систем. Процессоры используют двойное напряжение питания: 2,8В для ядра процессора (от 2,45 до 1,9В в мобильных системах) и 3,3В для схем обрамления, и построены с использованием 0,35- и 0,25-микронных технологий.

Pentium II представлен в мае 1997. Добавление в ядро P6 блока обработки MMX-инструкций и вынесение из корпуса процессора кэш-памяти второго уровня резко снизило стоимость производства.

В процессоре Pentium II, объем кэш-памяти первого уровня был увеличен до 32 Кбайт (16+16). 512 Кбайт кэш-памяти второго уровня выполнены на отдельных серийных микросхемах BSRAM и смонтированы вместе с процессором на небольшой печатной плате. Использована архитектура двойной независимой шины DIB, но частота ее работы между процессором и кэш-памятью второго уровня уменьшена до половины от внутренней тактовой частоты процессора. Шагом назад по сравнению с Pentium Pro было снижение объема адресуемой памяти до 4 Гбайт (32-разрядная адресная шина), а также возможность создания только двухпроцессорных систем. Упрощение системной архитектуры позволило снизить цену на процессоры и добиться массового распространения Pentium II. Процессоры Pentium II первого поколения, выпускаемые с использованием 0,35-микронной технологии, имели тактовые частоты 233, 266, 300 и 333 МГц (коэффициент умножения частоты 3,5, 4, 4,5 и 5, внешняя тактовая частота МГц) и содержали 7,8 млн. транзисторов (без учета кэш-памяти второго уровня). Напряжение питания первого поколения процессоров составляло 2,8В. Intel учла недостатки Pentium Pro, поэтому процессор Pentium II был оптимизирован как для 32-, так и для 16-разрядных приложений за счет сегментирования кэш-памяти первого уровня.

Дальнейшее развитие Pentium II привело к появлению трех различных семейств процессоров на основе архитектуры P6: Deschutes, Celeron (включая Mendocino) и Pentium II Xeon.

В апреле 1998 года корпорация Intel представила Pentium II второго поколения. Модели с тактовыми частотами 350 и 400 МГц, производимые по 0,25-микронной технологии, использовали системную шину с частотой 100 МГц. За счет использования 0,25-микронной технологии и снижения напряжения питания до 2В, несколько уменьшены размеры кристалла, его энергопотребление и себестоимость. Все остальные характеристики Pentium II второго поколения остались прежними. В августе 1998 года появилась последняя модель семейства Pentium II с тактовой частотой МГц. Помимо процессоров для настольных систем выпускался Pentium II с тактовой частотой до 400 МГц для мобильных систем.

Выпущен в марте 1998 года. Celeron представлял собой Pentium II второго поколения, лишенный кэш-памяти второго уровня. Изначально процессор позиционировался как экономичное решение, ориентированное на разработчиков компьютерных систем начального уровня (Basic PC).

Celeron выпускался по 0,25-микронной технологии с тактовыми частотами 266 и 300 МГц. Celeron предназначался для работы с 66,6 МГц системной шиной с умножением частот на 4 и 4,5 (66,64= 266,4 и 66,64,5= 299,7).

Системная шина между памятью и процессором является узким местом при работе с большим коэффициентом умножения частоты, и отсутствие кэш-памяти второго уровня существенно снижает производительность системы. С другой стороны, производительность компьютера сильно зависит от типа решаемой задачи. Приложения, активно работающие с большими объемами памяти (базы данных, инженерные и научные программы), на процессоре Celeron исполнялись неэффективно, в то время как офисные приложения и большинство компьютерных игр демонстрировали на нем производительность, немного уступавшую оригинальному Pentium II.

Чтобы ускорить продвижение Celeron на рынок и преодолеть его недостаточную производительность, Intel форсировала выпуск процессора со встроенной памятью 128 Кбайт с тактовыми частотами 300 и 333 МГц, который был назван Celeron 300A и 333, соответственно. Процессор выпускался по 0,25-микронной технологии, коэффициент умножения частоты 4,5 и 5. Так как кэш-память второго уровня была расположена на одном кристалле с процессором, ее частота повышена до полной частоты процессора. В результате наблюдался значительный прирост производительности новых Celeron.

В 1999 году корпорация Intel начала выпуск новой серии процессоров Celeron (Celeron II) с ядром Coppermine (0,18 микрон, питание 1,5В).

размер вторичного кэша 128 Кбайт, частота шины 66 МГц, поддержка инструкций SSE Процессор Pentium III (1999) дальнейшее развитием Pentium II. Главным отличием этого микропроцессора является расширение набора инструкций командами SSE (Streaming SIMID Extention), основанных на новом блоке 128-разрядных регистров XXM. Этот блок позволяет одной инструкцией выполнять операции сразу над четырьмя комплектами 32-разрядных операндов в формате с плавающей точкой (одинарная точность).

При выполнении новых инструкций оборудование традиционного FPU/MMX не используется, что позволяет эфективно смешивать инструкции MMX с инструкциями над операндами с плавающей точкой. Появились новые возможности управления кэшированием. По возможностям мультипроцессорных конфигураций эти процессоры аналогичны своим предшественникам Pentium II и Pentium II Xeon. Частота ядра начинается с 500 МГц, частота системной шины 100 и 133 МГц. Вторичный кэш в первых моделях 512 Кбайт в виде отдельных микросхем Процессор Pentium 4, по микроархетектуре принадлежит к 7 поколению процессоров Intel. Содержит расширение команд SSE2. по набору регистров повторяет процессор Pentium III. Микроархетектура процессора — NetBurst, разработана с учетом высоких частот как ядра (1,4ГГц) так и системной шины (400 МГц). На одном кристале расположены кэш-память двух уровней. Вторичный кэш, общий для инструкций и данных, имеет размер 256Кбайт и 256-разрядную шину, работающую на частоте ядра.

Первичный кэш данных (8Кбайт) так же работает на частоте ядра. Первичный кэш инструкций заменен на кэш трассы (trace cache). В нем хранятся последовательность микроопераций в которые декодированы инструкции.

В этом кэше размещается до 12К инструкций. Шина адреса 36-разрядная, что позволяет адресовать 64Гбайта памяти, из которых кэшируется 4Гбайта. Шина данных 64-разрядная. Напряжение питания 1,6 В.

Контрольные вопросы:

1. Сформулируйте закон Мура.

2. Что означает понятие конвейеризации вычислений?

3. Какие микропроцессоры называются скалярными?

4. Что такое кэширование?

5. Для чего в архитектуру Pentium был введен блок предсказания переходов?

6. Предположим, что имеется 20 линий адреса и 16 линий данных:

а) определите адресное пространство памяти, если адресные пространства памяти и ввода-вывода различны; б) каков диапазон целых чисел в дополнительном коде, которые можно передавать по линиям данных?

7. Предположим, что имеется 16 линий адреса и 8 линий данных:

а) определите адресное пространство памяти, если адресные пространства памяти и ввода-вывода различны; б) каков диапазон целых чисел в дополнительном коде, которые можно передавать по линиям данных?

Для написания программ на языке ассемблера Вам придется использовать не только десятичную, но также двоичную и шестнадцатеричную систему счисления.

Всякая электронная вычислительная машина имеет дело с числами и вычислениями, поэтому в первую очередь возникает вопрос, как представить числа в каком-то физическом виде. В первых электронных вычислительных машинах это делалось путем изменения напряжения, и чем выше было напряжение, тем большему числу оно соответствовало. Такой принцип устройства вычислительных машин, называемый аналоговым, оказался малоудобным и ненадежным, и вскоре на смену таким машинам пришли цифровые ЭВМ, построенные на схемах, которые находятся либо в одном состоянии, либо в другом — третьего не дано. Считается, что одно состояние соответствует «логическому нулю», а другое — «логической единице». Использование таких бистабильных схем (триггеров) для представления и хранения чисел заставляет нас перейти к системе, где счет идет двойками, а не десятками, как мы привыкли.

Бит (англ. bit - кусочек), распространенное на Вест-Индских островах название части разрубленной серебрянной или золотой монеты. В веке это название перешло на мелкие испанские серебрянные монеты. Пираты, когда у них не было мелких денег разрубали дублон или пиастр на частей и одна восьмая монеты называлась битом, монета собранная из битов называлась байтом.

Слово bit также производят от словосочетания binary digit (двоичное число). Это число, состоящее из двоичных разрядов, или число с основанием 2.

Все системы счисления могут быть представлены формулой:

nn + n-1n-1 + … +22 + 11 + 00+ -1-1 + … +-k-k, (формула 1) где (альфа) — допустимая в данной системе цифра, (бета) — основание системы счисления, а показатели степени обозначают порядковый номер. Если рассматривать это уравнение на примере десятичной системы, то возможными значениями будут числа от 0 до 9, индекс при покажет порядок разрядности, равняется 10, а показатель степени — любое число от плюс бесконечности до минус бесконечности. Посмотрим на то, как представить этой формулой число 112233,4455:

15105+14104+23103+22102+31101+ 30100+ 4-110-1+4-210-2+5-310-3+ +5-210-3=(1100000)+ (110000)+ (21000)+ (2100)+ (310)+ (31)+ +(40,1)+(40,01)+(50,001) +(50,0001).

В результате сложения промежуточных сумм получаем число 112233,4455.

Пальцев на руках у человека 10, поэтому считать мы привыкли в системе счисления с основанием 10, то есть в десятеричной. Представте себе счеты, на каждый прут которых нанизано не 10, а 2 или 4, 8 или 16 костяшек и попробуем считать на них. После небольшой тренировки для вас не составит особого труда перейти на систему счисления с основанием, отличным от привычной. Кроме десятеричной (decimal) существуют двоичная (binary), восьмеричная (octal), шестнадцатиричная (hexadecimal) системы счисления (рис. 1).

Применим формулу 1 к двоичным числам. Возможные значения для в двоичной системе счисления: 0 и 1 (максимальное значение всегда на единицу меньше основания системы), а значение равно 2 (т.е. 2 основание системы). Двоичное число 11011,01 разлагается в 1424+1322+0222+1121+1020+0-12-1+1-22-2= (124)+(123)+(022)+(121)+(120)+(02-1)+(12-2)=27,25.

Когда мы пишем число 123 в десятиричной системе счисления, то подразумеваем: 1 раз 100 (10 раз по 10) + 2 раза 10 + 3 раза Если мы используем число 123 в шестнадцатиричной системе счисления, то подразумевается: 1 раз 256 (16 раз по 16) + 2 раза 16 + 3 раза 1 или десятеричное 291.

Шестнадцатеричное число 5BC собираем так:

5 раз 256 (16 раз по 16) + 11 раз 16 (по таблице B = 11) + 12 раз 1(по таблице С = 12) А теперь переведем 5BC из шестнадцатеричной в десятичную систему счисления: 5256 + 1116 + 12 = Преобразование числа 42936 из десятичного в шестнадцатеричный формат проводится следующим образом (в скобках - остаток):

42936 десятичное это шестнадцатеричное A7B обратный процесс — перевод из шестнадцатеричного числа в десятичное числа A7B8: A7B8 = Компьютер работает с двоичной информацией, а человеку удобно производить вычисления, используя десятичную систему счисления. Для перевода из десятичной в двоичную систему счисления можно использовать два способа.

Способ первый: Данное число последовательно делится на 2 до получения остатка равного единице. Эквивалент числа в двоичной системе это упорядоченная последовательность остатков от деления в порядке, обратном их получению.

1. Делим число на 2. Запишем частное q и остаток a;

2. Если в результате деления частное q 0, то принимаем его за новое делимое и возвращаемся к пункту 1;

3. Если в результате деления частное q = 0 выходим из цикла.

Для примера переведем в двоичный эквивалент десятеричное число Выписываем остатки в обратном порядке. Это и будет двоичный эквивалент исходного числа: 14710=100100112.

Способ второй: щелкаем по клавише «Пуск», открываем стандартные приложения, запускаем калькулятор в режиме инженерный, набираем десятер ичное число и нажимаем на клавишу F8 или мышкой по переключателю с надписью Bin. На экране калькулятора появится двоичный эквивалент числа.

Для обратного преобразования из двоичной системы счисления в десятичную представьте двоичное число 101001112 в следующем виде 1727+0626+1525+0424+0323+1222+1121+1020=128+32+4+2= или используйте калькулятор.

Двоичные числа могут представлять собой многометровые последовательности 0 и 1, а так как при запоминании или записи такого числа легко ошибиться — применяют следующий мнемонический прием — цифры в двоичном числе объединяют в группу по 3 или 4 цифры и запоминают уже эту итоговую цифру. То же самое двоичное число 11011, если добавить недостающие нули можно представить и как 011.011 или 33 восьмеричное, и как 0001.1011 или 1B шестнадцатеричное.

Для перевода целого двоичного числа в шестнадцатеричное число его разряды, начиная с крайнего правого, группируются по четыре, недостающие цифры слева заменяются нулями, а затем каждая группа заменяется, согласно таблице на соответствующий двоичный эквивалент. Например, двоичное число 110010010110101 в шестнадцатеричном виде представляется числом 64B Для перевода шестнадцатеричного числа в двоичное число каждая цифра шестнадцатеричного числа заменяется, согласно таблице на соответствующее двоичное значение.

Представление числа в двоичной, десятичной, восьмеричной или в любой другой системе представления чисел — это личное дело каждого, но вот компьютер оперирует исключительно с двоичными числами, т.е. с битами. Совокупность двоичных раз рядов, выражающих числовые или иные данные, образует некий битовый рисунок (рис. 2). Практика показывает, что с битовым представлением удобнее работать, если этот рисунок имеет регулярную форму. В настоящее время в качестве таких форм используются последовательность из восьми взаимосвязанных битов, которые называются байтами (BYTE). Биты называются взаимосвязанными, потому, что для значения байта важно не только сколько битов в нем включено (равно 1), но и их местоположение. Значение байта определяется по правилам позиционной арифметики, то есть чем левее расположены включенные биты, тем больше значение байта: 10000000>011111111.

Во многих случаях целесообразно использовать не 8-разрядное кодирование, а 16-разрядное, 24-разрядное, 32-разрядное и более.

Группа из 16 взаимосвязанных бит (двух взаимосвязанных байт) называется машинным словом (WORD). Соответственно группа из четырех взаимосвязанных байтов (32 бита или два слова) называется удвоенным словом (DOUBLE WORD), группа из восьми байтов (64 бита или два удвоенных слова) — учетверенным словом (QUADRUPLE WORD), группа из 16 байтов (128 бит или два учетверенных слова) — параграфом (PARAGRAPH), группа из 4096 байтов (256 параграфов) — страницей (PAGE).

2.1. Представление двоичных целых чисел под целое число можно отвести любое число соседних байтов памяти, однако система команд компьютера поддерживает работу с числами размером в байт, слово, двойное слово. Поэтому целые числа представляются только байтом, словом, двойным словом и т.д.

возникает потребность представлять в двоичном коде отрицательные числа. Самое простое — отвести один разряд (старший) под знак числа, используя остальные для представления величины числа. Такой способ называется знаковеличинным или прямым и соответствует обычной записи числа со знаком. Но это далеко не лучшая форма представления чисел со знаком, особенно при выполнении вычислений, поскольку в данном случае операции вычитания и сложения выполняются по-разному (например, для сложения положительных чисел будет применяться один алгоритм, а для сложения положительного и отрицательного числа — другой). Кроме того, здесь будут присутствовать нули двух типов (+0 и –0) и при выборе нужного из них следует быть очень внимательным.

Вторым методом представления числа со знаком является смещенный код. Для того чтобы получить смещенный код какого-либо числа, нужно к этому числу, представленному в прямом коде, прибавить половину наибольшего возможного числа. Благодаря этой операции последовательность всех чисел, начиная со старшего отрицательного и кончая старшим положительным, будет представлять собой простую двоичную последовательность. Смещенный код используется в аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях, но он также не удобен для выполнения вычислений.

При выполнении операций над целыми числами наиболее часто используется представление чисел в форме дополнения до двух, или, иначе, в дополнительном коде.

Компьютер различает целые числа без знака (неотрицательные) и целые числа со знаком (рис 4). Для целых чисел со знаком самый старший бит считается знаковым. Если он равен 0, число считается положительным, если 1 — отрицательным. Положительное число записывается в прямом коде (как есть). Отрицательное — в дополнительном коде. Преобразовать положительное число в отрицательное можно тремя способами.

Способ первый — классический: взять число в прямом коде, преобразовать его в инверсный код. Для этого все нули этого числа необходимо заменить на единицы, а единицы на нули. К числу в инверсном коде добавить 1. Для примера преобразуем число +7 в –7 (рис 3) Способ второй — практический: возьмем максимальное число (для байта 28=256, для слова 216=65536) и отнимем от него наше число, получившееся число преобразуем в двоичный код: 256 – 7 = 249 = 1111 10012 = – 7.

Способ третий — студенческий: щелкаем по клавише «Пуск», открываем стандартные приложения, запускаем калькулятор в режиме инженерный, теперь щелкаем по клавише 7 и «+/–» на экранчике калькулятора появится –7. А теперь жмем на клавишу F8 или мышкой по переключателю с надписью Bin. Что мы видим на экране калькулятора? Число 1111111111111111 1111111111111001. Многовато, на экране — двойное слово. Жмем на F4 или мышью по переключателю с надписью Byte. Число приобрело нормальный вид 11111001.

На самом деле, нет необходимости пересчитывать отрицательные числа. Вы пишете –7, а транслятор автоматически подставит туда, где нужно число 11111001.

Если мы пренебрегаем знаковым разрядом, то диапазон чисел увеличивается в 2 раза: 27=128; 28=256.

С какой это стати, скажете Вы, –1 и 255 оказались одним и тем же числом? Ведет ли себя 255 (FF16) действительно как отрицательное число?

Пусть так, тогда если мы сложим FF (по нашей гипотезе –1) и 5, результат должен быть 4, так как 5–1=4. При сложении двух десятичных чисел мы выполняем перенос единицы в следующий столбец, как, например, в данном случае:

Сложение двух шестнадцатеричных чисел производится аналогично. Например, сложение 3 и F16 даст на 2 с переносом 1 в следующий столбец:

А теперь посмотрим, что произойдет, когда мы сложим 5 и FF16. Так как при F16+1=1016, происходит последовательный перенос единицы в крайнюю левую позицию, если проигнорировать эту единицу, мы получаем 5+FF16=5–1=4. Как это не странно, но число 25510 (FF16) ведет себя так же, как будто оно равно –1.

Арифметические операции в любой системе счисления выполняются по тем же алгоритмам, что и в десятичной системе. На рисунке (а) показано сложение, рисунке (б) — вычитание, на рисунках (в) и (г) — умножение и деление:

2.2. Представление чисел с плавающей запятой У десятеричных чисел каждая позиция числа соответствует степени числа 10, то есть число 1234,567=1103+2102+3101+4100+510-1+610-2.

Запятая показывает границу между позицией, соответствующей 100, и дробной частью. В дробной части позиции числа также являются степенями числа 10, но эти степени теперь отрицательные. Дробные двоичные числа записываются аналогично дробные десятичным, но основание системы счисления здесь 2, а не 10. Например, 1,1012 28 Чтобы получить эквивалент целого числа в двоичной системе мы использовали последовательное деление на 2. Чтобы получить эквивалент десятеричной дроби используем обратную операцию — последовательное умножение на 2.

Для перевода десятеричной дроби в двоичную систему можно использовать два способа, а уж который из них Вам покажется более удобным — выбирайте сами.

Способ первый. Дробную часть числа последовательно умножают на 2 пока либо дробная часть не станет равной нулю, либо не будет получено необходимое количество разрядов. Целые значения получаемые при умножении и будут являться эквивалентом десятеричной дроби в двоичной системе. Посмотрите на конкретные примеры.

0,12510=0,0012 0,1415910=0, Способ второй. Любое дробное двоичное число можно представить как, x1 0,5 + x2 0,25 + x3 0,125+… где x1, x2, …xn нули или единицы Для перевода вещественного целого числа в двоичну систему необходимо целую и дробную часть перевести по-отдельности в двоичну систему, а затем соединить их. Например число =3,14159 должно выглядеть вот так 11, Существует два способа записи вещественных чисел:

Первый способ — целая часть числа отделяется от дробной символом запятой, расположенной между конкретными разрядами в фиксированной позиции. Такой способ записи называют представлением вещественных чисел с фиксированной запятой. Если отвести под целую часть числа 8 разрядов, а под дробную 8 разрядов, то максимальное большое 11111111,111111112=255,99609375256, а минимальное возможное число 00000000,000000012=1/2560, Второй способ применяется в астрономии, физике, химии, математике для записи очень больших либо очень маленьких чисел. Любое число представляется в виде ±mRe. M — это часть числа, представляющую значащие разряды, его называют мантиссой. R — основание системы счисления. E — показатель степени определяющий на сколько разрядов вправо или влево необходимо переместить запятую в мантиссе, называется порядком числа. Такой способ записи называют представлением вещественных чисел с плавающей запятой. Если под мантиссу отвести 8 разрядов и 8 разрядов под порядок числа (из 8 разрядов 1 разряд отводится под знак и разрядов под число), то максимальное возможное наибольшое число 21271038, а минимальное возможное число 2—12710—38.

Для представления в компьютере дробного числа первый разряд числа считается знаковым и обозначает знак мантиссы. За ним следует мантисса — число со значением больше или равным 0 и меньшим или равным 1, и порядок — степень числа 2. Представление чисел в виде двух чисел — мантиссы и порядка позволяют сводить умножение и деление чисел к сложению и вычитанию показателей степеней, а возведение в степень и извлечение корня — к умножению и делению на показатель степени, что упрощает и сокращает сложные вычисления.

Число 193,7510=11000001,112=1,100000111227 в памяти компьютеров ранних моделей выглядело следующим образом:

Вещественные числа в памяти компьютера хранятся в нормализованном виде, то есть оно обязательно должно иметь следующий вид:

где m2 — двоичная мантиса числа, p — порядок двоичного числа.

Из-за того, что старший разряд двоичной мантиссы всегда равен 1, его предпочитают «хранить в уме» и не занимать место в памяти.

Для упрощения вычислений значение порядка хранят не в дополнительном, а в смещенном коде.

Поэтому число 193,7510=1,100000111227 в памяти современных компьютеров выглядит уже так:

100001102=8616=7F+7-порядок (1),1000001112 - мантисса 193,7510=4341C000h Микропроцессор i80x86 может работать с 32-битовыми и 64-битовыми дробными числами. Для собственных внутренних вычислений сопроцессор использует дробное число в виде 80-битового дробного числа.

• в 32-битовом числе: 1 бит отведен под поле знака, под поле порядка отводится 8 битов, мантисса занимает 23 бита;

• в 64-битовом числе: знак — 1 бит, порядок числа — 11 битов, мантисса — 52 бита;

• в 80-битовом числе: знак — 1 бит, порядок числа — 15 битов, мантисса — 64 бита.

Число, равное 3,1415926535897932384626433832795, можно представить как 32-битное число 40490FDBh, можно как 64-битое 400921FB54442D18h, а также как 80-битое 4000C90FDAA22168C233h. Для записи вещественного числа в программе пересчет вещественного десятичного числа в шеснадцатиричное самому делать не обязательно, просто запишите десятиричное число используя в качестве разделителя точку вместо запятой:

Pi dt 3. Компилятор сам подставит 80 битный эквивалент.

Непрерывная последовательность бит, в которой каждый бит является независимым и может рассматриваться как отдельная переменная. Битовое поле может начинаться с любого бита и содержать до 32 бит.

Компьютеры обрабатывают не только числа, но и главным образом тексты, поэтому для ввода данных с клавиатуры и для последующего их вывода на принтер или на экран договорились рассматривать байты не как числа, а как буквено-цифровые символы. Для того, чтобы данные можно было передавать между ЭВМ и периферийными устройствами различных производителей договорились использовать один из стандартных кодов для обмена информацией. Существует несколько стандартных буквено-цифровых кодов, например 8-разрядный двоично-десятичный код EBCDIC, применяющийся на мэйнфреймах IBM, код Холлерита, для записи информации на перфокартах, 5-разрядный код Бодо, который долгое время являлся стандартным кодом для телетайпов. Наиболее широко распространенным буквенно-цифровым кодом является ASCII (или ANSI).

ASCII — аббривиатура от American Standard Code for Information Interchange (Американский стандартный код для обмена информацией).

Для представления всех букв, цифр и служебных знаков, появляющихся на экране компьютера, обычно используется всего один байт. Всего в ASCIIкоде 28=256 символов. ASCII-код используется в мини- и микро-ЭВМ, в том числе и в системах построенных на базе микропроцессоров i80x86.

Символы ASCII включают все символы «американской пишушей машинки» (коды от 32 до 127), специальные «управляющие» коды, такие, как табуляция, возврат каретки и т.д. (коды от 0 до 31), символы псевдографики и символы для иностранных алфавитов (коды от 128 до 255, так называемая расширенная таблица символов) (рис. 2.13) При нажатии например клавиши «W» на клавиатуре произойдет формирование и передача в компьютер соответствующего этой букве ASCII-кода — 57h. Если же компьютер посылает на монитор или принтер ASCII-код, например 59h, монитор или принтер должны дешифровать эти биты и отреагировать соответствующим образом — вывести на экран или на бумагу букву «Y». ASCII-код используется также для создания файлов в общем формате для многих различных программ и ЭВМ. Хранение данных в формате ASCII обычно менее компактно, чем в двоичном формате, однако преимущество кода состоит в том, что он является стандартной основой для обмена данными.

Кроме буквенно-цифровых кодов ASCII содержит непечатаемые управляющие символы частично заимствованные из телетайпных кодов:

NULL (нуль) — символ содержащий нули во всех разрядах и применяющийся для разделения цепочки символов, а также для других целей, CR (возврат каретки) и LF (перевод строки), устанавливающиеся при печати новой строки, FF (перевод формата), использующийся для перехода к новой странице, ESC (авторегистр 2), служащий часто в качестве разделителя команд, ETX (конец текста или «управляющее C»), которое многими операционными системами интерпретируется как указание прервать выполнение программы. Код буквы «Z» – 5Ah (01011010b). Чтобы получить код строчной латинской буквы, нужно взять код соответствующей прописной буквы и установить в 5-ом разряде 1. Код буквы «z» – 7Ah (01111010b).

Для символов цифр значение кода равно самому числу плюс число 30h. Символы, представляющие собой цифры, следуют в возрастающем порядке, поэтому для сравнения значений применимы арифметические действия непосредственно над кодами чисел. Числа передаются в(из) компьютер(а) в виде последовательности символов, представленных в коде ASCII. Например, число 1234 передается как 31h, 32h, 33h, 34h. Компьютер, принимая число, может запомнить его без модификации, что соответствует неупакованному BCD формату (глава «Двоично-десятичные числа»); может удалить старшие тетрады и получить упакованный BCD формат — 12h,34h; наконец он может преобразовать это число в двоичный формат — 04D2h (428+1324+220=1234). Выбор того или иного способа преобразования зависит от выполняемой программы.

Непрерывный набор смежных байтов, слов или двойных слов максимальной длиной до 4 Гбайт.

Контрольные вопросы и упражнения:

1. Почему максимальное положительное число в 8-разрядном дополнительном коде равно 127, а максимальное отрицательное 2. преобразовать следующие десятичные числа в двоичные:

а) 19, б) 79, в) 463, г) 1209, д) 11355.

3. преобразовать следующие двоичные числа в десятичные:

а) 10110, б) 1011011, в) 10010010, г) 10110001110110.

4. преобразовать следующие числа в шестнадцатеричные:

а) 3510, б) 29810, в) 85210, г) 16202310. д) 101102, е) 100100102, г)101100011101102.

5. найти двоичные и десятичные эквиваленты следующих шестнадцатеричных чисел:

а) D5, б) 9A26, в) 7BF52A, г) 2A01BF57.

6. пусть A=001100102, B=010010102, C=111010012, D=101110102.

Выполнить следующие операции в дополнительном коде:

а)A+B, б)A+C, в)C+B, г)C+D, д)A–B, е)C–A, ж)D–C, з)A+D–C.

7. пусть A=056116, B=035216, C=9B6F16, D=917D16.

Выполнить следующие операции в дополнительном коде:

а) A+B, б) A+C, в) C+D, г) A–B, д) C–D, е) B–C.

8. Сложите следующие двоичные числа:

а) 00010101+00001101, б) 00111110+00101001, в) 00011111+ 9. Найдите двоичные дополнения для следующих двоичных чисел: а) 00010011, б) 00111100, в) 00111001.

10. Найдите положительные значения для следующих отрицательных двоичных чисел: а) 11001000, б) 10111001, в) 10000000.

11. Найдите двоичные дополнения для следующих шестнадцатеричных чисел: а) 325116, б) 12. Какие из следующих шестнадцатеричных чисел отрицательные а) F10016, б) 015516, в) A01116, г) 000516, д) 71FF16?

13. Пусть n — некоторое десятичное 14-значное целое число.

Можно ли поместить значение n в 48-битное машинное слово, состоящее из 47 битов под значение плюс 1 бит под знак?

14.Даны восемь чисел: 128, 192, 224, 240, 248,252, 254, 255. Как расположить эти числа на плоскости, чтобы образовались два прямоугольных трехугольника?

Глава 3. Архитектура микропроцессора i80x 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 програмы.

Команы 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. 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 контактах. Каждый контакт соответствует одному биту, и процессору нужно различать только две градации напряжения: «высокий» уровень напряжения и «низкий» уровень напряжения. Одному уровню напяжения 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 2N, где N — количество адресных линий.

Поэтому объем памяти компьютера определяется в числах, кратных степеням двойки:

тэрабайт 1.099.511.627.776 1.073.741.824 1.048.576 1. Старая шутка: начинающий программист считает, что в килобайте 1000 байтов, а законченный программист — что в килограмме 1024 граммов.

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. Размещением 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; при этом 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 позволяют избежать ввода программы в такие устройства при каждом их включении.

3.2. Внутренняя архитектура микропроцессора i80x Внутренняя архитектура микропроцессора i80x86 представлена на рисунке 3.2.

В состав микропроцессора i80x86 входит арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое выполняет такие операции, как сложение, дополнение, сравнение, перемещение, сдвиг и т.д. 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.

За исключением регистра команд (регистр EIP), которым фактически служит 20-ти байтная очередь, регистры управления и рабочие регистры разделены на три группы в соответствии с выполняемыми им функциями.

Имеются группа регистров данных (регистры общего назначения, РОН), представляющая собой, по существу, набор арифметических регистров;

указательная группа (регистры ESI, EDI, EBP), содержащая базовые и индексные адреса, а также программный счетчик (регистр EIP) и указатель стека (регистр ESP), и сегментная группа, в состав которой входят специальные базовые регистры (регистры CS, DS, SS, ES, FS и GS).

Устройство управления и синхронизации обеспечивает связь микропроцессора i80x86 с памятью и устройствами ввода/вывода.

Для управления памятью микропроцессор использует расширенное устройство управления памятью (Memory Management Unit, MMU) Триггером называется элемент электронных схем, который может находиться в любом из двух устойчивых состояний, а также многократно переходить из одного состояния в другое. Эти два состояния соответствуют ВЫСОКОМУ и НИЗКОМУ уровням напряжения на выходе логической схемы. Применительно к логическим схемам эти два уровня напряжения соответствуют логической 1 и логическому 0. Таким образом, триггеры являются одноразрядными элементами памяти, способными хранить минимальное количество информации в 1 бит. Простейшим видом триггера является RS-триггер. Для выполнения конкретных функций используются различные виды триггеров, в том числе JK-триггеры, D-триггеры, T-триггеры, двухступенчатые MS-триггеры. Триггерные ячейки памяти являются основой построения двоичных счетчиков и регистров.

Регистром называется совокупность триггеров, используемых для хранения информации в вычислительной системе и обеспечения быстрого доступа к ней. В регистре, состоящем из n триггеров, можно запомнить слово из n битов информации. Совокупность битов, запомненная в регистре, может быть интерпретирована по-разному; например, эта совокупность может представлять команду, двоичное число, буквенно-цифровой символ и т.д. Часто регистр имеет тот же размер, что и машинное слово;

однако при необходимости он может иметь длину в байтах или символах, отличающуюся от длины слова. Набор D-триггеров, у которых соединены вместе тактовые и управляющие входы, а индивидуальные D-входы и Qвыходы выведены вовне называются параллельным регистром. Набор Dтриггеров, в которых Q-выходы соединены через комбинационно логические схемы с D-входами следующих триггеров называются последовательным регистром. Основное назначение последовательного регистра — сдвиг информации, которая в нем хранится на один или несколько разрядов, поэтому его называют еще и сдвиговым регистром. Универсальные регистры объединяют в себе свойства параллельных и сдвиговых регистров.

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-х битные процессоры имеют 16 основных регистров и еще 11 регистров для работы с числами с плавающей запятой (FPU) и мультимедийными приложениями (MMX). Помимо основных регистров из реального режима доступны также регистры управления памятью (GDTR, IDTR, TR, LDTR) регистры управления (CR0, CR1 – CR4), отладочные регистры (DR0 – DR7) и машинно-специфичные регистры.

32-х битные регистры общего назначения EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP и ESP 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. 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, ESI и EDI в качестве операндов.

Основные случаи использования регистров общего назначения:

• EAX -используется для хранения операндов и результатов операций;

• EBX -как указатель на данные в сегменте DS;

• ECX -как счетчик для строковых операций и циклов;

EDX -указатель для ввода/вывода, по умолчанию регистры EAX и EDX используются для умножения и деления;

ESI -указатель на данные в сегменте DS, а также как указатель на источник в командах работы со строками;

EDI -указатель на данные в сегменте ES, а также как указатель на приемник в командах работы со строками;

• ESP -указатель вершины стека в сегменте SS;

• EBP -указатель на некоторые данные в стеке.

В регистрах, оканчивающихся на X, можно обращаться к младшим 16-и битам (AX, BX, CX и DX соответственно), которые в свою очередь можно разделить на старший байт (AH, BH, CH и DH) и младший (AL, BL, CL и DL) и работать с ними, как с регистрами длиной 8 бит. Регистры-указатели ESP (указатель вершины стека) и EBP (базовый регистр), а также индексные регистры ESI (индекс источника) и EDI (индекс приемника) допускают только 32-битное обращение.

Регистры сегментов (CS, DS, SS, ES, FS и GS) хранят 16-ти 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 4Гб в режиме реальной адресации, максимальный размер сегмента ограничен на 64Кб.

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, FS, GS указывают на дополнительные сегменты данных.

3.3.3. Обрабатывающая часть микропроцессора Основой микропроцессора является арифметико-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для обработки информации. АЛУ содержит две входные (A и B) и одну выходную (F) 32-разрядные шины. Информация на и входных шинах обрабатывается в АЛУ в ссответствии с набором управляющих сигналов на управляющих шинах АЛУ: M и S0 — S3. Результат обрабатки 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. Эти регистры допускают считывание и запись информации, поэтому содержат входную и выходную шины данных, адресную шину и управляющие вход, информация на котором задает режим работы: запись, хранение или чтение информации.

На рисунке 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 уазанные в таблице 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 выбранного из первого РОН слова транзитом через БР и АЛУ во второй РОН;

— увеличение или уменьшение на 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 Рсдв, сдвига этого числа и записи через АЛУ в тот же регистр.

Образующийся при выполнении арифметических операций сигнал переноса хранится в тригере CF, там же сохраяется значение вытесняемого при сдвиге разряда из Рсдв. Выходной код АЛУ может быть проанализирован на «все нули» (ZF) и на значение старшего знакового разряда (SF) В 1976 году фирма Intel закончила разработку 16-разрядного микропроцессора i8086. Он имел достаточно большую разрядность регистров ( 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 2 16=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 i80x86. Хотя адрес формируется из двух 16-разрядных регистров, микропроцессоры i80x86 не формируют для адреса 32-разрядного числа, (он показался инженерам Intel чрезмерно большим) а обходятся 20-разрядным адресом. Микропроцессор разбивает память на перекрывающиеся сегменты. Сегмент — это 64К байтный участок памяти. Каждый новый сегмент начинается через каждые 16 байт. Первый сегмент (сегмент 0) начинается в памяти с ячейки 0(=0000.00002); второй (сегмент 1) начинается с 16 (1016=0001.00002); третий — с 32 (2016=0010.00002) 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 битов начального адреса сегмента памяти. Для микропроцессора i 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).

Физический адрес = сегмент 16 + смещение (формула 2) Например, адресная пара регистр ES=123416 и регистр DI=005316 задают следующий абсолютный адрес:

ES:DI=1016123416+005316=1234016+5316=1239316.

Обратите внимание, что при других значениях в ES=100016 и DI=239316 мы получим тот же абсолютный адрес:

ES:DI=1016100016+239316=1000016+239316=1239316.

При сложении максимальных значений сегмента и смещения формула даст адрес 0FFFF016+0FFFF16=10FFEF16 но из-за 20-разрядного ограничения на шину памяти эта комбинация указывает на адрес 0FFEF16. Таким образом у нас получается совмещение адресов от 100000 160 до 10FFEF160FFEF16. Начиная с i80286 шина адреса увеличена до 24 разрядов, i80386 до 32, а с Pentium Pro до 36 разрядов. Меняются и способы аресации к памяти. Микропроцессор i80x86 позволяет 24 режима способа адресации.

Для того чтобы процессы не мешали друг другу (по недосмотру или умышленно, требуются меры принудительной защиты критических ресурсов. Современные операционные системы используют защищенный режим процессора, в котором эти меры реализуются на аппаратном уровне. Поскольку программа может взаимодействовать с подсистемами компьютера только через пространства памяти и портов ввода-вывода, а также аппаратные прерывания, то защищать нужно эти три типа ресурсов. Самую сложную защиту имеет память. Операционная тема выделяет каждому процессу области памяти — сегменты — различного назначения и с разными правами доступа. Из одних сегментов можно только читать данные, в другие возможна и запись. Для программного кода выделяются специальные сегменты, инструкции могут выбираться и исполняться только из них.