Процессоры. История развития. Структура. Архитектура

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ



ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ



















Кафедра Систем информатики



Отчет по второй половине учебной практики на тему:

“ПРОЦЕССОРЫ. ИСТРОИЯ РАЗВИТИЯ. СТРУКТУРА. АРХИТЕКТУРА. ”







		











Выполнил студент группы : 637 – 1

637001  Cruel Angel









Оценка :              Дата защиты                        .                       







	Руководитель :       





		     

























г. Улан - Удэ, 1998 г.



Стр.Оглавление:



ВВЕДЕНИЕ ...............................................................................................3

16-РАЗРЯДНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ.........................................................7

1.1. Процессоры i8086/88...........................................................................8

  1.1.1. Организация памяти 8086/88............................................................8

1.1.2. Адресация ввода-вывода...................................................................9

1.1.3 Система команд..................................................................................9

1.2. Процессоры 80186/80188.....................................................................10

1.2.1. Математический сопроцессор 8087.................................................10

1.3. Процессор 80286..................................................................................10

1.3.1. Организация памяти 80286...............................................................11

1.3.2. Ввод-вывод........................................................................................12

           1.3.3. Начальный сброс и переход в защищенный режим.........................12

           1.3.4. Защита.................................................................................................13

2. АРХИТЕКТУРА 32-РАЗРЯДНЫХ ПРОЦЕССОРОВ.............................14 

           2.1.1. Организация памяти............................................................................15

           2.1.2. Прерывания и исключения..................................................................18

           2.1.3. Начальный сброс и самотестирование................................................19

           2.1.4. Ввод-вывод...........................................................................................19

           2.1.5. Режим системного управления SMM..................................................19

 2.1.6. Расширение ММХ................................................................................21

           2.1.7.  Внутренний кэш..................................................................................22

 2.2. Процессор 80386......................................................................................24

 2.3. Процессор 80486......................................................................................25

 2.4. Процессор Pentium...................................................................................25

           2.5. Процессор Celeron....................................................................................29

 2.6.  Процессор PENTIUM® II XEON®.........................................................30

 ПРИЛОЖЕНИЕ................................................................................................32

	 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................34



















































	

	

	

	

	

	

	

ВВЕДЕНИЕ 







































История процессоров началась в 1979 году, когда фирма Intel выпустила первый микропроцессор i4004. Он имел разрядность данных 4 бита, способность адресовать 640 байт памяти, тактовую частоту 108 кГц и производительность 0.06 MIPS. Такой процессор уже мог работать в качестве вычислительного ядра калькулятора. Он содержал 2300 транзисторов и выполнялся по технологии с разрешением 10 мкм. Через год появился его 8-битный “родственник” – i8008, адресующий уже 16 Кб памяти.

В 1974 году появился 8-разрядный процессор i8080, ставший весьма популярным устройством. Он уже имел частоту 2 Мгц и адресовал 64 Кб памяти. 6000 транзисторов позволила разместить 6-мкм технология изготовления. Процессор требовал трех источников питания (+5В, +12 В и –5В) и сложной двух контактной синхронизации.  На этом процессоре строились разнообразные терминалы,  контроллеры и даже первый ПК Altair. В нашей стране запоздалым эхом 8086 стали процессоры 580ИК80 и КР580ВМ80, на базе которых в начале и середине 80-ых годов строилось много “самодельный ” ПК. 

Следующим этапом стал процессор i8085 (5 Мгц, 0.37 MIPS, 6500 транзисторов, 3-мкм технология). Он сохранил популярную регистровую архитектуру 8080 и программную совместимость, но в него добавился порт последовательного интерфейса, упразднили специальные ИС поддержки (тактового генератора и системного контроллера) и несколько изменили внешний интерфейс. Главным подарком разработчикам аппаратуры стало одно питающее напряжение +5В. 

Вариацию на тему 8080 и 8085 представляет процессор Z80 фирмы Zilog. Сохранив программную совместимость с 8080, в него ввели дополнительные регистры, что позволило существенно повысить производительность. Результат оказался впечатляющим – еще недавно популярные компьютеры Sinclair, построенные на Z80, демонстрировали на играх графику, не уступающему PC на 16 –разрядном процессоре 286.

Первый 16–разрядный процессор 8086 фирма Intel выпустила в 1978 году. Частота 5 МГц, производительность 0.33 MIPS, но инструкции уже с 16-битными операндами (позже появились процессоры 8 и 10 МГц). Технология 3 мкм, 29 тыс. транзисторов. Адресуемая память 1 Мб. Регистровая архитектура и система команд  существенно отличалась от 8080, но естественно прослеживаются общие идеи.  Через год появился 8088 – тот же процессор, но с 8-битной шиной данных. С него началась история IBM PC, наложившая свой отпечаток на дальнейшее развитие этой линии процессоров Intel. Массовое распространение и открытость архитектуры PC привили к лавинообразному появлению программного обеспечения, разрабатываемого крупными, средними и мелкими фирмами и энтузиастами-одиночками. Технический требовал (и сейчас требует) развития процессоров, но груз программного обеспечения PC , которое должно работать и на более новых процессорах, в свою очередь требовал обратной программной совместимости. Таким образом, все нововведения в архитектуре последующих процессоров должны были пристраиваться к существующему ядру. А тут еще сама архитектура PC  “подбросила”, например, сложности с использованием вектора прерываний. Фирма Intel зарезервировала первые 32 вектора “для служебного пользования”, однако на них “наехали” прерывания BIOS PC. Один из результатов – дополнительный способ обработки исключений сопроцессора, применяемы в старших моделях PC. 

Процессор 80286, заменяющий следующий этап архитектуры, появился только в 1982 году. Он уже имел 134 тыс. транзисторов (технология 1.5 мкм) и адресовал до 16 Мб физической памяти. Его принципиальное новшество – защищенный режим и виртуальная память размером до 1 Гб – не нашли массового применения, процессор большей частью использовался как очень быстрый 8088.

Класс 32-разрядных процессоров  был открыт в 1985 году моделью 80386 (275 тыс. транзисторов, 1,5 мкм). Разрядность шины данных (как и внутренних регистров) достигла 23 бит, адресуемая физическая память - 4 Гб. Появились новые регистры, новые 32-битные операции, существенно доработан защищенный режим, появился режим V86, страничное управление памятью. Процессор нашел широкое применение в PC, и на благодатной почве его свойств стал разрастаться “самый большой вирус” – MS Windows с приложениями. С этого времени стала заметна тенденция “положительной обратной связи”: на появление нового процессора производители ПО реагируют выпуском новых привлекательных продуктов, последующим версиям которых становится явно тесно в рамках этого процессора. Появляется более производительный процессор, но после непродолжительного восторга и его ресурсы быстро “съедают” и т. д. Это “вечное” движение, конечно, естественно, но есть обоснованное подозрение, что большие ресурсы развращают (или, по крайней мере, расслабляют) разработчика ПО, не принуждая его напрягаться в поисках более эффективных способов решения задачи. Примером эффективного программирования можно считать игрушки на Sinclair ZX-Spectrum, которые реализуются на игрушечных ресурсах – 8-битном процессоре и 64 (128) Кбайт ОЗУ. С противоположными примерами большинство пользователей PC сталкиваются регулярно, но с процессором Pentium 200 и 32 Мб ОЗУ на них не всегда обращают внимание. 

История процессора 386 напоминает историю 8086: первую модель с 32 битной шиной данных (в последствии названной 386DX) сменил 386 SX с 16 битной шиной. Он довольно легко вписывался в архитектуру PC AT, ранее базировавшуюся на процессоре 286.

Процессор Intel486DX появился в 1989 году. Транзисторы –1,2 млн., технология 1мкм. От 386-го существенно отличается размещением на кристалле первичного кэша и встроенного математического сопроцессора (предыдущие процессоры имели возможность использования внешних x87 сопроцессоров). Кроме того, для повышения производительности в этом CISC-процессоре (как и в последующих) применено RISC-ядро. Далее появились его разновидности, отличающиеся наличием или отсутствием сопроцессор, применением внутреннего умножения частоты, политикой записи кэша и другими. Занялись энергосбережением (появился режим SMM), что отразилось и в продолжении линии процессоров 386 (появился процессор Intel386SL).

В 19993 году появились первые процессоры Pentium частотой 60 и 66 МГц – 32 разрядные процессоры с 64-битной шиной данных. Транзисторов 3,1 млн, технология 0,8 мкм, питание 5 В. От 486-го его принципиально отличается суперскалярной архитектурой – способностью за один такт выпускать с конвейеров до двух инструкций (что, конечно не означает возможность прохождение инструкций через процессор  за полтакта, или один такт). Интерес к процессору со стороны производителей и покупателей  PC сдерживался его очень высокой ценой. Кроме того, возник скандал с обнаружением ошибки сопроцессора. Хотя фирма Intel математически обосновала не высокую вероятность ее проявления (раз в несколько лет), она все-таки пошла на бесплатную замену уже проданных процессоров на исправленные. 

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100МГц, появившиеся  в 1994 году, представили уже второе поколение процессоров Pentium. При почти том же числе транзисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потребляемую мощность. От первого поколения они отличались внутреннем умножением частоты, поддержкой мультипроцессорных конфигураций и имели другой тип корпуса. Появились версии (75  МГц в миниатюрном корпусе) для мобильных применений (блокнотные ПК). Процессоры Pentium второго поколения стали весьма популярны в PC. В 1995 году появились процессоры на 120 и 133 МГЦ, выполненные уже по технологии 0,35 мкм (первые процессоры на 120 МГЦ делались еще по технологии 0,6 мкм). 1996-й называют годом Pentium –появились процессоры на 150, 166 и 200 МГЦ, и Pentium  стал рядовым процессором для PC широкого применения.

Параллельно с Pentium развился и процессор Pentium Pro, который отличался новшествами “динамического исполнения инструкций”. Кроме того, в его корпусе разместили и вторичный кэш,  для начала объемом 256 Кб. Однако на 16-битных приложениях, а также в среде Windows 95 его применение на дает преимуществ. Процессор содержит 5,5 млн транзисторов ядра, и 15,5 млн транзисторов для вторичного кэша объемом 256 Кб. Первый процессор с частотой 150 МГц появился в начале 1995 года (технология 0,6 мкм), а уже в конце года появились процессоры с частотой 166, 180, 200 МГц (технология 0,35 мкм), у которых кэш достигал 512 Кб.

После долгих обещаний в начале 1997 года появились процессоры Pentium MMX. Расширение ММХ предполагает параллельную обработку группы операндов одной инструкцией. Технология ММХ призвана ускорять выполнение мультимедийных приложений, в частности операции с изображениями и обработку сигналов. Ее эффективность вызывает споры в среде разработчиков, поскольку выигрыш в самих операциях обработки компенсируется проигрышем на дополнительных операциях упаковки-распаковки. Кроме того ограниченная разрядность ставит под сомнение применение ММХ в декодерах MPEG-2, в которых требуется обработка 80-битных операндов. Кроме расширения ММХ эти процессоры, по сравнению с обычным Pentium, имеют удвоенный объем первичного кэша, и некоторые элементы архитектуры, позаимствованные у Pentium Pr, что повышает производительность процессора Pentium ММХ и на обычных приложениях. Процессоры Pentium ММХ имеют 4,5 млн транзисторов и выполнены по технологии -,35 мкм. По состоянию на июнь 1997 г. имеются процессоры с тактовыми частотами 166, 200 и 233 МГц.

Технология ММХ была соединена с архитектурой Pentium Pro – и в мае 1997 года появился процессор Pentium II. Он представляет собой слегка урезанный вариант ядра  Pentium Pro с более высокой внутренней тактовой частотой, в которое внесли поддержку ММХ. Трудности размещения вторичного кэша в одном корпусе с процессором преодолели нехитрым способом – кристалл с ядром процессора и набор кристаллов статической памяти и дополнительных схем, реализующих вторичный кэш, разместили на небольшой печатной плате-картридже. Все кристаллы закрыты общей специальной крышкой и охлаждаются специальным вентилятором. Тактовые частоты ядра – 233, 266 и 300 МГц.

Конечно же, перечисленным моделями не исчерпывается весь мировой ассортимент микропроцессоров. Это только представители семейства процессоров, имеющих обобщенное название х86. Ряд фирм (DEC? Motorola, Texas Instruments и другие) имею разработки, существенно отличающиеся от данного семейства; есть другие классы процессоров и у Intel. Среди них есть гораздо более мощные процессоры относящиеся, к таким классам как RISC, так и CISC архитектуру. Однако процессоры Pentium особенно с поддержкой ММХ, имеют самую сложную в мире систему команд.

Процессоры, совместимые с семейством х86, выпускаются не только  фирмой Intel. Традиционный конкурент – AMD – выпускает совместимые процессоры обычного несколько позже, но заметно дешевле, иногда по ряду технических свойств они даже опережают аналогичные процессоры Intel. Фирма Cyrix славится своими быстрыми сопроцессорами. 

Как уже упоминалось выше, по системе команд и архитектуре различаются процессоры RISC и CISC.

RISC – Reduced (Restricted) Instruction Set Computer – процессоры (компьютеры) с сокращенной системой команд. Эти процессоры обычно имеют набор однородных регистров универсального назначения, и их система команд отличается относительной простотой. В результате аппаратная реализация такой архитектуры позволяет с небольшими затратами выполнить за минимальное (в пределе 1)  число тактов синхронизации. 

CISC – Complete Instruction Set Computer – процессоры (компьютеры) с полным набором инструкций, к которым и относится семейство х86. Состав и назначения их регистров существенно не однородны, широкий набор усложняет  декодирование инструкций, на что расходуются аппаратные ресурсы. Возрастает и число тактов необходимое для выполнения инструкций. 

В процессорах рассматриваемого семейства, начиная с 486-го, применяется комбинированная архитектура – CISC-процессор имеет RISC-ядро.

Семейство 80х86 фирмы Intel началось с 16-разрядного процессора 8086. Все старшие модели процессоров, в том числе 32-разрядные (386-й, 486-й, Pentium, Pentium Pro) и с 64-разрядным расширением ММХ, включают в себя подмножество системы команд и архитектуры нижестоящих моделей, обеспечивая совместимость с ранее написанным ПО.



 



























ГЛАВА 1 

16-разрядные процессоры



































































16-разрядные процессоры сами по себе уже представляют в основном лишь исторический интерес. Но именно на них “выехали” миллионы РС, обеспечивающих живучесть и подстегивающих развития всего семейства. 



 1.1. Процессоры i8086/8088

Процессоры 8086, выпущенные фирмой Intel в 1978 году, относятся к первому поколению 16-битных процессоров. Годом позже появилась его модификация 1088. Оба эти процессора выполняют 8/86-битные логические и арифметические операции, включая умножение и деление, операции с строками и операции ввода-вывода. Процессоры имеют 20-разрядную шину адреса, которая позволяет адресовать до 1 Мб памяти. Шина данных у 8086 16-разрядная, у 8088 разрядность внешней шины  данных сокращена до 8 бит. Это сокращение, сделанное с целью удешевления системы в целом, оборачивается некоторым снижением производительности: 8086 за счет большей разрядности шины работает примерно на 20-60% быстрее, чем 8088 с той же тактовой частотой. Функциональные различия этих процессоров, обусловлены разной разрядностью шины, появляются только в способе подключения 8- и 16-разрядных внешних устройств. С программной точки зрения эти процессоры идентичны, их система команд и набор процессоров включены во все процессоры РС- совместимых компьютеров. От родоначальника - процессора 8086 – пошло общее обозначения семейства: х86. Процессоры поддерживают аппаратные и программные прерывания и допускают разделяемое использование шины совместно с  другими процессорами или контроллерами (например к, прямого доступа к памяти – DMA) . Также предусмотрено использование математического сопроцессора 8087, существенно повышающего производительность вычислений. 

В процессорах применима конвейерная архитектура, позволяющая выполнить выборку кодов инструкций из памяти их декодирование во время выполнения внутренних операций. Конвейер повышает производительность процессора за счет сокращения  времени простоя его операционных узлов. Конвейер процессора 8086 имеет 6-байтную внутреннюю очередь инструкций. Блок предварительной выборки при наличии 2 свободных байт в очереди старается ее заполнить в то время, когда внешняя шина процессора не занята операциями обмена. Очередь у процессора 8088 сокращена до 4 байт, а предварительная выборка осуществляется уже при наличии одного свободного байта. Это отличия оптимизируют конвейер с учетом разрядности шины данных. Очередь обнуляется при выполнении любой команды передачи управления, даже при переходе на следующий адрес. Этим свойством часто пользуются при программировании управления устройствами ввода-вывода, требующими задержки между соседними операциями обмена.

Процессор имеет 14 регистров разрядностью 16 бит, операнды могут иметь 8 или 16 бит и представлять знаковые и беззнаковые и двоично-десятичные числа. Система команд имеет 24 режима адресации операндов. Среднее время выполнения команды занимает 12 тактов синхронизации, один цикл обмена на внешней шине занимает 2 такта (без тактов ожидания). Тактовая частота процессора 8088, применяемого в превых РС, была 4,77 МГц, в последствии появились процессоры с частотой 8 и 10 МГц (применялись в Turbo XT). 



1. 1. 1. Организация памяти 8086/88

Память для процессоров 8086/8088 представляется в виде линейной последовательности байт. Для обращения к памяти процессор (совместно с внешней схемой) формирует шинные сигналы MEMWR#  (Memory Write) и MEMRD# (Memory Read) для операции записи и считывания соответственно. Охват пространства размером 1 Мб обеспечивается 20-разрядной шиной адреса. Логическая память разбивается на сегменты размером 65 Кб. Физический адрес памяти (поступающий на шину адреса разрядностью 20 бит) состоит из двух 16-битных частей – адрес сегмента Seg и исполнительного адреса ЕА (executive address), суммируемых со смещением на 4 бита (рис 2.1). 









0000          СМЕЩЕНИЕ 





















СЕГМЕНТ            0000

























Рис. 2.1. Формирование физического адреса памяти процессором 8086/8088



Процессор может обращаться к одному байту памяти, так и слову, или двойному слову. При размещении слова в памяти с адресом, соответствующим адресу слова, содержит его младшую часть (Low), следующий байт содержит старшую часть (High). Слово может размещаться в памяти как по четному (Even), так и по не нечетному (Odd) адресу. Двойное слово обычно используется для хранения полного адреса, и в нем располагается сначала слово смещения (в порядке L, H), а затем сегмента (в том же порядке). Сегментация памяти в порядке L, H являются характерной чертой процессоров Intel. 

Все пространство памяти разбивается на параграфы – области из 16 смежных байт, начиная с нулевого адреса. Вполне очевидно, что любой сегмент может начинаться только на границе параграфа (четыре младших бита адреса – нулевые). 





1.1.2. Адресация ввода-вывода

Для обращения к устройствам ввода-вывода процессор имеет отдельные команды IN и OUT, результатом выполнения которых является формирование шинных сигналов IORD# (Input/ Output Write) для чтения или записи одного или двух байт. Данные при чтении могут помещаться только в регистр AL или AX и выводятся из этих же регистров. В циклах ввода-вывода используется только 16 младших бит шины адреса (старшие биты при этом нулевые), что позволяет адресовать до 64 Кб регистров ввода-вывода. Адрес устройства задается либо в команде (только младший байт, старший – нулевой), либо берется из регистра DX (полный 16-битный адрес).



1.1.3. Система команд

Набор команд 8086/88 включает следующие основные группы:

инструкции пересылки данных

арифметические и логические инструкции;

инструкции со строками;

инструкции передачи управления;

инструкции управления процессором;

Каждая команда имеет один или два байта инструкции, за которыми может следовать 1, 2 или 4 байты операнда. Перед кодом инструкции возможно применение префиксов CS;, DS;, ES;, SS;, указывающих на использование заданных сегментных регистров вместо обычного, префикса REP, указывающего на необходимость повтора инструкции указанное в регистре СХ число раз, и префикса LOCK, блокирующего системную шину на время выполнения инструкции. С позиции сегодняшнего  дня можно считать, что система команд 16-разрядного процессора 8086/88 является подмножеством команд 32-разрядных процессоров 80х86.



. Процессоры 80186/80188

Процессоры i80186/80188  и их модификации 80С186/80С188 не представляют нового представления архитектуры: как и 8085/8088, они являются процессорами с 16-разрядной внутренней архитектурой и программно совместимыми с 8086ю Разрядность шины адреса - 20 бит, шины данных у 80186 – 16 бит, у 80188 – 8 бит. Эти процессоры имеют встроенные периферийные контроллеры прерывания, прямого доступа к памяти, трехканальный таймер и генератор синхронизации. За счет архитектурных улучшений сокращенно число тактов, требуемых для выполнения некоторых команд. Процессоры 80С186/80С188 имеют средства управления энергопотреблением, есть их модификации со встроенными последовательными портами и контроллерами регенерации динамической памяти. Встроенная периферия этих процессоров имеет программный интерфейс, не совместимы с IBM РС - спецификациями. Эти процессоры используются во встраиваемых контроллерах и компьютерах, не требующих 100% IBM – совместимости  (возможно обеспечение совместимости на уровне MS DOS).



1.2.1. Математический сопроцессор 8087

Сопроцессор 8087, официально (фирмой Intel) называемый NPX (Numeric Processor eXtension), предназначен для расширения вычислительных возможностей центрального процессора (CPU) 8086/8088, 80186/80188. Его применение к системе команд 8086 добавляется 68 мнемоник, включающих арифметические, тригонометрические, экспоненциальные и логарифмические. 



Процессор 80286

Процессор 80286, выпущенный в 1982 году, представляет второе поколение 16-разрядных процессоров. Он имеет специальные средства для работы в многопользовательских и многозадачных системах. Самым существенным отличием от 8086/88 является механизм управления адресации памяти, который обеспечивает четырехуровневую систему защиты и поддержки виртуальной памяти. Специальные средства предназначены для поддержки механизма переключения задач (Task switching). Процессор имеет расширенную систему команд, которая кроме команд управления защитой включает все команды 8086 н и несколько новых команд общего назначения. Процессор может работать в двух режимах:

8086 Real Address Mode – режим реальной адресации (или просто реальный режим - Real Mode), полностью совместимый с 8086. В этом режиме возможна адресация до 1 Мбайт физической памяти (на самом деле, за счет “удачной” ошибки, почти на 64 Кб больше).

Protect Virtual Address Mode – защищенный режим виртуальной адресации (или просто защищенный режим - Protect Mode). В этом режиме процессор позволяет адресовать до 16 Мбайт физической памяти, через которые при использовании страничной адресации могут отображаться до 1 Гб виртуальной памяти каждой задачи. Система команд в этом режиме также включает набор команд 8086, расширенный для обеспечения аппаратной реализации функций супервизора многозадачной ОС и виртуальной памяти. Переключение в защищенный режим осуществляется одной командой (с предварительно подготовленными таблицами дескрипторов) достаточно быстро. Обратное переключение в реальный режим возможно только через аппаратный сброс процессора.

По составу и назначению в реальном режиме регистры 80286 в основном совпадают с регистрами 8086/88. Изменения касаются назначения бит регистра 8086, процессор 80286 имеет 16-битную шину данных и очередь команд 6 байт. За счет архитектуры сокращенно время выполнения операций: процессор 20286 с тактовой частотой 12,5 МГц работает более чем в 6 раз быстрее чем 8086 с тактовой частотой 5 МГц. Предусмотрена возможность использования высокопроизводительного процессора 80287, программно совместимого с 8087. 

Под управлением MSDOS процессор 80286 обычно используют в реальном режиме работы. Защищенный режим используют ОС типа XENIX, UNIX, OS/2, NetWare286 и оболочка MS Windows. Хотя его преимущества в РС реализованы лишь частично (он в основном использовался как быстрый процессор 8086), именно с этим процессором связан настоящий “бум” на рынке РС.



1.3.1. Организация памяти 80286

Как и у процессоров 8086/8088, для обращения к памяти процессор (совместно с внешней схемой) формирует шинные сигналы MEMWR# (Memory Write) и MEMRD# (Memory Read) для операции записи и считывания соответственно. Шина адреса разрядностью 24 бита позволяет адресовать 16 Мб физической памяти, но  в реальном режиме доступен только 1 Мб, начинающийся с младших адресов. С программной точки зрения память также организуется в виде сегментов, но управление сегментацией имеет существенные различия для реального и защищенного режимов. 

 В реальном режиме по адресации памяти декларируется полная совместимость с процессором 8086, который своей 16-битной адресной шиной охватывает пространство в 1 Мб. На самом деле на радость разработчиков программного обеспечения РС, 80286 имеет ошибку, “узаконенною” и в следующих поколения процессоров. При вычислении физического адреса возможно возникновение переполнения, которое с 20-битной шиной адреса просто игнорируется. Например, Seg=FFFFh и EA=FFFF, физический адрес, вычисленный по формуле PA=16*Seg+EA=10FFEF, процессором 8086 трактуется как 0FFEF – адрес, принадлежащий первому мегабайту. Однако на выходе А20 процессора 80286 в этом случае устанавливается единичное значение, что соответствует адресу ячейки из второго мегабайта физической памяти. Для обеспечения полной программной совместимости с 8086 в схему РС был введен специальный вентиль Gate A20, принудительно обнуляющий бит А20 системной шины адреса. Не оценив потенциальной выгоды от этой ошибки, управление вентилем узаконили через программно-управляемы бит контроллера клавиатуры 8042. Когда оперативная память подешевела, а “аппетит” программного обеспечения вырос, в эту небольшую область (64К-16 бит) стали помещать некоторые резидентные программы или даже часть операционный системы, а для ускорения управлением вентилем появились более быстрые способы (Gate A20 Fast Control).

В отличии от 8086 процессор 80286 имеет средства контроля за переходом через границу сегмента, работающие в реальном режиме. При попытке адресации к слову, имеющему смещение FFFh (его старший байт выходит за границу сегмента), или выполнения инструкции, все байты которой не умещаются в одном сегменте, процессор вырабатывает прерывание – исключение 13 (0Dh) – Segment Overrun Exception. При попытке выполнения инструкции ES-CAPE с операндом памяти, не умещаемся в сегменте, вырабатывается исключение 9 – Processor Extension Segment Interrupt.

В защищенном режиме работают не все режимы адресации, допустимые для 8086 и реального режима 80286. Отличия касаются определения сегментов:

сегментные регистры CS, DS, SS и ES хранят не сами базовые адреса сегментов, а селекторы, по которым из таблицы, хранящейся в ОЗУ, извлекаются дескрипторы сегментов;

дескриптор описывает базовый адрес, размер сегмента (1-64 Кб) и его атрибуты;

базовый адрес сегмента имеет разрядность 24 бита, что и обеспечивает адресацию 16 Мб физической памяти.

Селекторы, загружаемые в 16-битные сегментные регистры, имеют три поля:

RPL (биты 0, 1), TI (бит 2) и INDEX (биты 3-15):

RPL (Requested Privilege Level) – запрошенный уровень привилегий;

TI (Table Indicator) – индикатор использования GDT – глобальный (TI=0) или LDT – локальной (TI=1) таблицы дескрипторов;

INDEX – номер дескриптора в таблице.

Дескрипторы хранятся в слове и занимают по четыре смежных слова (8 байт). При загрузке нового значения селектора дескрипторы считываются из ОЗУ и кэшируются во внутренних   программно не доступных (и невидимых) регистрах процессора. До смены значения селектора при обращения к памяти используются значения дескрипторов только из кэш-регистров. Обращение к дескрипторам выполняются как заблокированные шинные циклы, что обеспечивает целостность дескрипторов и при наличии других контроллеров шины.

Для функций передачи управления и переключения задач определенны специальные типы дескрипторов





1.3.2. Ввод-вывод

Как и 8086, процессор 80286 позволяет адресовать до 64К однобайтных или 32К двухбайтных регистров в пространстве, отдельном от памяти (команды ввода-вывода вызывают шинные циклы с активными сигналами IORD#, IOWR#). В адресном пространстве ввода-вывода область 00F8-00FF зарезервирована для использования сопроцессором. При операциях ввода-вывода  старшие биты адреса (линии А[16:20]) не используются. Адрес устройства либо задается в команде (только младший байт, старший – нулевой), либо берется из регистра DX (полный 16-битный адрес). Строковые команды REP INSB/INSW, REP OUTSB/OUTSW обеспечивают блочный ввод-вывод со скоростью, превышающей аналогичные операции со стандартным контроллером DMA.

В защищенном режиме инструкции ввода-вывода являются привилегированными. Это означает, что они могут исполнятся задачами только с определенным уровнем привилегий, определяемым полем IOPL регистра флагов. Несанкционированная попытка выполнения этих инструкций вызывает исключение 13 – нарушения защиты (знаменитое сообщение “General Protection Error”).



1.3.3. Начальный сброс и переход в защищенный режим

По высокому уровню сигнала на входе RESET процессор прекращает выполнение инструкций и перестает управлять локальной шиной. После аппаратного сброса процессор переходит к выполнению команды, считанной по физическому адресу FFFF0h. Сброс (и только сброс!) переводит процессор в реальный режим и устанавливает значения некоторых регистров. 

Только после сброса и до первой команды межсегментного перехода или вызова на шине адреса в реальном режиме бита А[20:23] в циклах выборки команд имеют единичное значения. Из этого следует, что по крайней мере на начальный период времени после сигнала RESET компьютер должен иметь образ BIOS в адресах FFFFF0-FFFFFFh, в то время как РС на 8086/88 ROM BIOS располагалась под границей 0FFFFFh. Перемещение BIOS из первого мегабайта памяти в старшие адреса “навсегда” невозможно, поскольку векторы прерывания, ссылающиеся  на  сервисы BIOS, в реальном режиме могут адресоваться только к памяти в диапазоне адресов 0-0FFFFh (0-10FFEF при открытом вентиле Gate A20). Таким образом, у РС/AT на процессоре 80286 (и старше) ROM BIOS отображается по крайней мере на две области памяти, расположенные под верхними границами первого и последнего мегабайтов физической памяти.

Перевод процессора в защищенный режим осуществляется загрузкой в MSW слова с единичным значением бита РЕ (Protect Enable). Перед этим в памяти должны быть проинициализированы  необходимые таблицы дескрипторов IDT и GDT, а в базовые регистры IDT и GDT должны быть занесены  их физические адреса (24-битные) и размер. После выполнения инструкции LMSW, устанавливающий бит РЕ, сразу должна выполнятся команда внутрисегментного перехода JMP для очистки очереди инструкций, декодированных в реальном режиме. 

Для установки регистров процессора в начальное состояние защищенного режима, предполагаемое системное ПО, выполняют инструкцию JMP с ссылкой на селектора начального TSS системы. При этом загрузится регистр задачи, регистры LDT, регистры сегментов и общие регистры. Регистр задачи TR должен указывать на действительный TSS, поскольку операция переключения задач повлечет сохранение текущего состояния задач. 





1.3.4. Защита 

Процессор 80286 имеет механизмы защиты от несанкционированного выполнения критических инструкций – команды HLT, которая останавливает процессор, и команд, влияющих на сегменты кода и данных. Механизмы сгруппированы в три группы:



		ограничения использования сегментов (например, запрет на записи в только читаемые сегменты данных); доступность использования только сегментов, дескрипторы которых описаны в GDT и LDT;

		ограничения доступа к сегментам через правила привилегий;

		выделение привилегированных инструкций или операций, которые можно выполнять только при определенных уровнях CPL и IOPL (биты 13 и 14 регистра флагов).



























































































ГЛАВА 2

Архитектура 32-разрядных процессоров























































История 32-разрядных процессоров началась с процессора  Intel386. Эти процессора вобрали в себя все свойства своих 16-разрядных предшественников 8086/88 и 80286 для обеспечения программной совместимости с громадным объемом ранее написанного ПО. Однако в них по современным меркам преодолено очень жесткое ограничение на длину непрерывного сегмента памяти – 64 Кб. В защищенном режиме 32-битных процессоров оно отодвинулось до 4 Гб – предела физически адресуемой памяти, что како-то время можно считать “почти бесконечностью“. Все эти процессоры имеют поддержку виртуальной памяти объемом до 64 Тб, встроенный блок управления памятью поддерживает механизмы сегментации и страничной трансляции адресов (Paging). Процессоры обеспечивают четырехуровневую системы защиты памяти и ввода-вывода, переключения задач. Они имеют расширенную систему команд, включающую все команды 8086, 80286. Процессор может работать в двух режимах, между которыми обеспечивается достаточно быстрое переключение в обе стороны:

Real Address Mode – режим реальной адресации, полностью совместимый с 8086. В этом режиме возможна адресация до 1 Мб физической памяти (на самом деле почти на 64 Кб больше). 

Protected Virtual Address Mode – защищенный режим виртуальной адресации. В этом режиме процессор позволяет адресовать до 4 Гб физической памяти, через которые при использовании механизма страничной адресации могут отображаться до 16 Тб виртуальной памяти каждой задачи. Существенным дополнением является Virtual 8086 Mode – режим виртуального процессора 8086. Это режим является особым состоянием задачи защищенного режима, в котором процессор функционирует как 8086. На одном процессоре в таком режиме могут одновременно исполняться несколько задач с изолированными друг от друга реальными ресурсами. При этом использование физического адресного пространства памяти управляется механизмами сегментации и трансляции страниц. Попытки выполнения команд, выхода за рамки отведенного пространства памяти и разрешенной области ввода-вывода контролируется системой защиты. 

Процессоры могут оперировать с 8, 16 и 32-битными операндами байт, слов и двойных слов, а также с битам, битовыми полями и строками бит.

Рассмотрим базовую архитектуру, общую для всех существующих на данный момент 32-разрядных процессоров: 386, 486, Pentium, Pentium Pro и Pentium II.



2.1.1. Организация памяти

Память для процессоров 80х86 разделяются на байты (8 бит), слова (16 бит), двойные слова (32 бит). Слова записываются в двух смежных байтах, начиная с младшего. Адресом слова является адрес его младшего байта. Двойные слова записываются в четырех смежных байтах.

Более крупными единицами являются страницы и сегменты. Память может логически организовываться в виде одного или множества сегментов переменной длины ( в реальном режиме – фиксированной). Сегменты могут выгружаться  на диске и по мере необходимости с него подкачиваться в физическую память. Кроме сегментации, в защищенном режиме возможно разбиение логической памяти на страницы размером 4 Кб (Paging), каждая из которых может отображаться на любую область физической памяти. Сегментация и разбиение на страницы могут применяться в любых сочетаниях.  Сегментация является средством организации логической памяти, используемым на прикладном уровне. Разбиение на страницы применяются на системном уровне для управлении физической памятью. 

Применительно к памяти различают на три адресных пространства: логическое, линейное и физическое. Основным  режимом работы 32-разрядных процессоров считается защищенный режим, в котором работают все механизмы преобразования адресных пространств. 

Логический адрес, также называется виртуальным, состоит из селектора (в реальном режиме – просто сегмента) и смещение. Смещение формируется суммированием компонентов (base, index, disp) в эффективный адрес. Поскольку каждая задача может иметь до 16К селекторов, а смещение, ограниченное размером сегмента, может достигать 4 Гб, логическое адресное пространство для каждой задачи может достигать 64 Тб. Все это пространство виртуальной памяти в принципе доступно программисту (этот ‘принцип” должна реализовывать операционная система). 

Блок сегментации транслирует логическое адресное пространство в 32-битное пространство линейных адресов. Линейный адрес образуется сложением базового адресного сегмента с эффективным адресом. Базовый адрес сегмента в реальном режиме образуется умножением содержимого используемого сегментного регистра на 16 (как и в 8086). В защищенным режиме базовый адрес загружается из дескриптора, хранящегося в таблице, по селектору, загруженному в используемый сегментный регистр. 

Физический 32-битный адрес памяти образуется после преобразования линейного адреса блоком страничной переадресации. В простейшем случае (при отключенном блоке страничной переадресации) линейный адрес совпадает с физическим – присутствующим на внешней шине адреса процессора. Включенный блок страничной переадресации осуществляет трансляцию линейного адреса в физический блоками (страницами) размером 4 Гб. Этот блок может включаться только в защищенном режиме.

Как и у процессоров 8086/8088, для обращения к памяти процессор (совместно с внешней схемой) формирует шинные сигналы MEMWR# (Memory Write) и MEMRD (Memory Read) для операции записи и считывания соответственно. Шина адреса разрядностью 32 бита позволяет адресовать 4 Гб физической памяти, но в реальном режиме доступен только 1 Мб, начинающийся с младших адресов. 

В реальном режиме по адресации памяти обеспечивается совместимость с процессором 8086, который своей 16-битной адресной шиной охватывает пространство физической памяти в 1Мб. Для обеспечения совместимости с 80286 32-разрядные процессоры реализуют его ошибку, связанную с переполнением, возникающим при сложении адресов сегмента с эффективным адресом. При вычисление физического адреса возможно возникновение переполнение, которое вызовет появление единицы на линии А20 шины адреса. Максимальное значение адреса в реальном режиме 10FFEF достигается при Seg=FFFFh и EA=FFFFh. Для обеспечения полной программной совместимости с 8086 в РС используется вентиль Gate A20, принудительно обнуляющий бит А20 системной шины адреса. Вентиль в РС управляется через программно-управляемый бит контроля клавиатуры 8042 или более быстрым способом (Gate A 20 Fast Control), определяемым чипсетом системной платы. 

В реальном режиме размер сегмента фиксирован – как и 8086, он составляет 64 Кб (FFFFh). Попытка использования эффективного адреса, выходящего за границы сегмента, при 32-битной адресации вызывает исключение типа 13. При 16-битной адресации при вычисление эффективного адреса возможный перенос в разряд А16 игнорируется, и сегмент “сворачивается кольцом” (как и в 8086). Средства контроля следят и за переходом через границу сегмента во время обращения по “приграничному” адресу. При попытки адресации к слову, имеющему смещение FFFFh, или двойному слову со смещением FFFDh-FFFh (их старшие байты выходят за границу сегмента), или выполнения инструкции, все байты которой не умещаются в данном сегменте, процессор вырабатывает прерывание – исключение типа 13 (0Dh) – Segment Overrun Exception. При попытки выполнения инструкции ESCAPE с операндом памяти, не умещающимся в сегменте, вырабатывается исключение типа 9 – Processor Extension Segment Overrun Interrupt (только для 386).

8Система команд 32-разрядных процессоров предусматривает 11 режимов адресации операндов. Из них только два не имеют отношение к памяти:

операнд-регистр, который может находится в любом 8, 16 или 32-битном регистре процессора.;

непосредственный операнд (8, 16 или 32-бит), который может содержаться в самой команде. 

Остальные девять режимов (табл. 3.1.) используются при формировании эффективного адреса операнда из памяти. 

Эффективный адрес вычисляется с использованием комбинации следующих компонентов:

Смещение (Displacement или Disp) – 8-, 16- или 32-битное число, включенное в команду.

База (Base) – содержимое базового регистра. Обычно используется для указания на начало некоторого массива. 

Индекс (Index) – содержимое индексного регистра. Обычно используется для выбора элемента массива. 

Масштаб (Scale) – множитель (1, 2, 4 или 8), указанный в коде инструкции. Этот элемент используется для указания размера элемента массива. Доступен только в 32-битном режиме адресации. 

Эффективный адрес вычисляется по формуле EA=Base+Index*Scale+Disp.

Отдельные слагаемые в этой формуле могут и отсутствовать. Возможные режимы адресации приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Режимы адресации памяти 32-битных процессоров



Прямая адресация

EA=Disp

Косвенная регистровая адресная Register Index Mode

EA=Base

Базовая адресации  Based Mode

EA=Base+Disp

Индексная адресация Index Mode

EA=Index+Disp

Масштабированная индексная адресации Scaled Index Mode

EA=Scalex*Index+Disp*

Базово-индексная адресация Based Index Mode

EA=Base+Index*

Масштабированная базово-индексная адресация Based Scaled Index Mode 

EA=Base+Scale* Index

Масштабированная базово-индексная адресация Based Index Mode with Displacement

EA=Base+Index+Disp

Масштабированная базово-индексная адресации со смещение Based Scaled Index with Displacement

EA=Base+Scale*Index+Disp*



Процессор может использовать режимы 32-битной или 16-битной адресации. Режим 16-битной адресации соответствует режимам процессоров 8086 и 80286, при этом в качестве компонентов адреса используются младшие 16 бит соответствующих регистров. Режим 32-битной адресации использует расширенные 32-разрядные регистры и имеет дополнительные режимы, использующие масштабирование индекса. Различия 16- и 32-битных режимов адресации приведены в табл. 3.2. 

В реальном режиме по умолчанию используется 16-битная  адресация, но с помощью префикса изменение разрядн6ости адреса (Address Length Prefix) для текущей инструкции можно переключится в 32-битный режим. При этом появляются дополнительные возможности адресации (масштабирования), но вычисленное значение эффективного адреса все равно не может преодолеть 64-килобайтный барьер – при такой попытке генерируется исключение 13 – General Protection Fault.

В защищенном режиме адресация по умолчанию определяется битом D дескриптора используемого кодового сегмента: при D=0 – 15 бит, при D=1 – 32 бита. Префикс разрядности адреса переключает разрядность для текущей инструкции на противоположную. 

Таблица 3.2. Различия режимов адресации

Компоненты 

16-битная адресации

32-битная адресации

Базовый регистр

BX или BP

Любой 32-битный общего назначения

Индексный регистр 

SI или DI

Любой 32-битный общего назначение, кроме ESP

Масштаб

Нет (всегда 1)

1, 2, 4 или 8

Смещение

0, 8 или 16 бит

0, 8 или 32 бит

При обращениях к памяти использование сегментных регистров по умолчанию определяется типом обращения (табл. 3.3.). На время текущей инструкции при необходимости для большинства типов обращения возможно использование альтернативного сегментного регистра, на что указывает префикс замены сегмента (CS:; DS:; ES:; SS:; FS: или GS) перед кодом инструкции.

Таблица 3.3. Использование сегментных регистров при адресации памяти 



Тип обращения к памяти

Сегментный регистр



по умолчанию

альтернативный  

Выборка команд

CS

Нет 

Стековые операции

SS

Нет 

Строка-приемник

ES

Нет 

Любые ссылки к памяти, кроме использующих в качестве базового регистры BP, EBP или ESP

DS

CS,ES,SS

FS,GS

Ссылки к памяти, использующие в качестве базового регистры BP, EBP или ESP

SS

CS,DS,ES,

FS,GS



2.1.2. Прерывания и исключения

Прерывания и исключения нарушают нормальный ход выполнения программы для обработки внешних событий или сообщения о возникновении особых условий или ошибок. 

Прерывания подразделяются на аппаратные (маскируемые и немаскируемые), вызываемые электрическими сигналами на выходах процессора, и программные, вызываемые по команде INT xx. Программные прерывания процессором обрабатываются как разновидность исключений. 

Аппаратные прерывания подразделяются на маскируемые и немаскируемые. Процессор может воспринимать прерывания после выполнения каждой команды, длинные строковые команды имеют для восприятия прерываний специальные окна. 

Маскируемые прерывания вызывают переход и высокий уровень сигнала на входе INTR (Interrupt Request) при установленном флаге разрешения (IF=1). В этом случае процессор сохраняет с стеке регистр флагов, сбрасывает флаг IF  и вырабатывает два следующих друг за другом (back to back) цикла подтверждения прерывания, в которых генерируются управляющие сигналы INTA# (Interrupt Acknowledge). Высокий уровень сигнала INTR должен сохраняться по крайней мере до подтверждения прерывания. Первый цикл подтверждения холостой, по второму импульсу внешний контроллер прерываний передает по шине номер вектора, обслуживающего данный тип аппаратного прерывания. Прерывание с полеченным номером вектора выполняется процессором также, как и программное. Обработка текущего прерывания может быть в свою очередь прервана немаскируемым прерыванием, а если обработчик установит флаг IF, то и другим маскируемым аппаратным прерыванием. 

Немаскируемые прерывания выполняются не зависимо от состояния флага IF по сигналу NMI (Non Mascable Interrupt). Высокий уровень на этом входе вызовет прерывание с типом (вектором) 2, которое выполняется также, как и маскируемое. Его обработка не может прерваться под действием сигнала на входе NMI до выполнения команды IRET.

Исключения (Exceptions) подразделяются на отказы, ловушки и аварийные завершения.

Отказ (fault) – это исключение, которое обнаруживается и обслуживается до выполнения инструкции, вызывающей ошибку. После обнаружения этого исключения выполнение возвращается снова на туже инструкцию (включая все префиксы), которая вызвала отказ.  Отказы, использующиеся в системе виртуальной памяти, позволяют, например, подкачать с диска в оперативную память затребованную страницу или сегмент. 

Ловушка (trap) – это исключение, которое обнаруживается и обслуживается после выполнения инструкции, его вызывающей. После обслуживания этого исключения управление возвращается на инструкцию, следующей за вызывающей ловушку. К классу ловушек относятся и программные прерывания. 

Аварийное завершение (abort) – это исключение, которое не позволяет точно установить инструкцию, его вызвавшую. Оно используется для сообщения о серьезной ошибке, такой как аппаратное ошибка или повреждение системных таблиц. 

Набор и обработка исключений реального и защищенного режимов различны. Под исключения Intel резервирует векторы 0-31 в таблице прерываний, однако в РС часть из них перекрывается системными прерываниями BIOS и DOS. 



2.1.3. Начальный сброс и самотестирование

По высокому уровню сигнала на входе RESET процессор прекращает выполнение инструкции и перестает управлять локальной шиной. После аппаратного сброса процессор переходит к выполнению команды, считанной по физическому адресу FFFFFFF0h. Сброс переводит процессор в реальный режим и устанавливает значения некоторых регистров:

FLAGS = 0002h и биты VM и RF его расширения обнуляются;

в регистре CR0 обнуляются биты PG, TS, EM, MP и РЕ;

CS = F000h (база устанавливается FFFF0000h, лимит – 0FFFFh);

DS = ES = SS = FS = GS = 0000h

Регистр DH после сброса содержит идентификатора процессора Component Id (03-386, 04-486, 05-Pentium, 06-Pentium Pro или Pentium II), DL – номер модели (Revision Id).

Только после сброса и до первой команды межсегментного перехода или вызова на шине адреса в реальном режиме биты A[20:31] в циклах выборки команд имеют единичное значение. Из этого следует, что по крайней мере на начальный период времени после сигнала RESET компьютер должен иметь образ BIOS в адресах FFFFFFF0-FFFFFFFFh, в то время, как в РС 8086/88 имели образ под границей 16-го мегабайта (FFFFFFh). Перемещение BIOS из первого мегабайта памяти в режиме нормальной работы невозможно, поскольку векторы прерывания, ссылающиеся на сервисы BIOS, в реальном режиме могут адресоваться только к памяти в диапазоне адресов 0-0FFFFFh (0-10FFEF) при открытом вентиле Gate A20).

Если во время спада сигнала RESET на определенном входе процессора удерживать низкий уровень сигнала, процессор начнет выполнять внутренний тест BIST (Built-In Self-Test). Тест для 386-го и 486-го процессоров выполняется примерно за 2 в 20-ой степени тактов, что занимает десятки миллисекунд. По окончанию самотестирования процессор начинает работу, как после обычного сброса, а регистр EAX содержит сигнатуру результата тестирования. Об успешном выполнении теста свидетельствует нулевое значение сигнатуры. 



2.1.4. Ввод-вывод

Как и 8086, 32-разрядные процессоры позволяют адресовать до 64К однобайтных или 32К двухбайтных регистров в пространстве, отдельном от памяти. Дополнительно имеется возможность обращения к 32-битным портам. При операциях ввода-вывода линии A[16:31] не используются. Адрес устройства задерживается либо в команде (только младший байт, старший – нулевой), либо берется из регистра DX (полный 16-битытный адрес). Команды ввода-вывода вызывают шинные циклы с активными сигналами IORD#, IOWR#. Строковые команды обеспечивают блочный ввод-вывод со скоростью, превышающей аналогичные операции со стандартным контроллером DMA. В адресном пространстве ввода-вывода область 0F8-0FF зарезервирована для использования сопроцессором (при обращении к сопроцессору 386 выставляет единицу на линии А31 шины адреса, что используется для упрощения дешифрации адресов). 

В защищенном режиме инструкции ввода-вывода являются привилегированными. Это означает, что они могут исполнятся задачами только  с определенным уровнем привилегий, определяемым полем IOPL регистра флагов или битовой картой разрешения ввода-вывода (I/O Remission Bitmap), хранящийся в сегменте состояния задачи. Несанкционированная попытка выполнения этих инструкций вызовет исключение 13 – нарушение защиты (знаменитое сообщение “General Protection Error ”).



2.1.5. Режим системного управления SMM

Современные модели 32-разрядных процессоров (начиная с некоторых модификаций 386-го и 486-го), кроме обычных режимов – реального, защищенного и режима V86, - имеют дополнительный режим системного управления SMM (System Management Mode). Этот режим предназначен для выполнения некоторых действий с возможностью их полной изоляции от прикладного программного обеспечения и даже операционный системы. Главным образом, этот режим предназначен для реализации системы управления энергопотреблением. 

В режим SMM процессор может войти только по сигналу на входе SMI# (System Management Interrupt), более совершенные процессоры могут войти в SMM и по приему соответствующего сообщения по шине APIC. Сигнал для процессора является запросом прерывания с наивысшим приоритетом. Обнаружив активный сигнал  (низкий уровень) SMI#, процессор по завершении текущей инструкции и выгрузки буферов записи переключается в режим SMM, о чем свидетельствует его выходной сигнал SMIACT#. Сразу при входе в SMM процессор сохраняет свой контекст – почти все регистры – в специальной памяти SMRAM. Эта память является выделенной областью физической памяти, доступ к которой обеспечивается внешними (по отношению к процессору) схемами в шинных циклах обращения к памяти только при наличии сигнала SMIAKT#. После сохранения контекста процессор переходит к выполнению обработчика SMI, который расположен в той же памяти SMRAM. Обработчика представляет собой последовательность обычных инструкций, исполняемых процессором в режиме, напоминающем реальный. При входе в режим SMM автоматически запрещаются аппаратные прерывания (включая и немаскируемые) и не генерируются исключения, так что действия процессора однозначно определяются программой обработчика SMI. Процедура обработки завершается инструкцией RSM, по которой процессор восстанавливает свой контекст из образа, хранящегося в SMRAM, и возвращается в обычный режим работы.

При возврате из SMM возможны некоторые варианты, заказанные обработчиком (в пределах возможности SMM данного процессора). Во-первых, обработчик может программно внести изменения в образ контекста процессора, и при его восстановлении процессор может вернуться не в то состояние, в котором произошло SMI. Во-вторых возможен выбор варианта для случая, когда прерывание SMI возникло во время останова процессора по инструкции HALT: можно вернуться снова на инструкцию останова, а можно перейти к выполнению следующей за ней инструкции. В-третьих, процессоры, начиная с Pentium второго поколения (и Enhanced 486 фирмы AMD), поддерживают возможность рестарта (повторного  выполнения) инструкции ввода-вывода, предшествующей появлению сигнала SMI#.

Возможность рестарта инструкции ввода-вывода является расширением режима SMM. Ее используют, например, когда прикладная программа (или системный драйвер) пытается обратиться операцией ввода-вывода к периферийному устройству, находящемуся в “спящем” режиме. Системная логика должна в этом случае выработать сигнал SMI# раньше сигнала RDY#, завершающего шинный цикл рестартуемой инструкции ввода-вывода. Обработчик SMI “разбудит” устройство, после чего операции ввода-вывода рестартует, и прикладное ПО (или драйвер)  “не заметит”, что устройство пребывало в спячке. Таким образом, управление потреблением может быть организованно на уровне BIOS способом, совершенно “прозрачным” для программного обеспечения (в том числе и ОС). Прозрачность SMM обеспечивается следующими свойствами режима:

возможность только аппаратно входа в SMM,

исполнением кода SMM в отдельном адресном пространстве,

полным сохранением состояния прерванной программы в области SMRAM,

запретом обычных прерываний,

восстановлением состояния прерванной задачи по выходу из режима SMM.

Память SMRAM должна быть физически или логически выделенной областью размером от 32 Кб (минимальные потребности SMM) до 4 Гб. SMRAM располагается, начиная с адреса SMIBASE (по умолчанию 30000h), и распределяется относительно адреса SMIBASE следующим образом:

FE00h-FFFFh (3FE00h-3FFFFh) – область сохранения контекста (распределяется, начиная со старших адресов по направлению к младшим). По прерыванию SMI сохраняются практически все регистры процессора, включая программно невидимые регистры CR1, CR2 и CR4, а также скрытые регистры дескрипторов для CS, DS, ES, FS, GS и SS. Автоматическое сохранение не производится для регистров DR5-DR0, TR7-TR3 и регистров FPU;

8000h (38000h) – точка входа в обработчик (SMI Handler);

0-7FFFh (30000h-37fffh) – свободная область.



2.1.6. Расширение ММХ

Расширение ММХ ориентированно на мультимедийное, 2D и 3D-графическое и коммуникационное применение. Основная идея расширения MMX заключается в одновременной обработки нескольких элементов данных за одну инструкцию – так называемая технология SIMD (single Instruction – Multiple Data).

Расширение ММХ  использует новые типы упакованных 64-битных данных:

упакованные байты (Packed byte) – восемь байт;

упакованные слова (Packed word) – четыре слова;

упакованные двойные слова (Packed doubleword) – два двойных слова;

учетверенное слово (Quadword) – одно слово.

Эти типы данных могут специальным образом обрабатываться в регистрах ММХ0-ММХ7, представляющих собой младшие биты стека 80-битных регистров FPU. Как и регистры FPU, эти регистры не могут использоваться для адресации памяти, совпадение регистров FPU и ММХ накладывает ограничения на чередование кодов FPU и ММХ – забота об их независимости лежит на программисте приложений ММХ.

Еще одна особенность технологии ММХ – поддержка арифметики с насыщением (saturating arithmetic). Ее отличие от обычной арифметики с циклическим переполнением (wraparound mode) заключается в том, что при возникновении переполнения в результате фиксируется максимальное возможное значение для используемого типа данных, а перенос игнорируется. В случае антипереполнения в результате фиксируется минимальное возможно значение. Граничные значения определяются типом (знаковые или беззнаковые) и разрядностью переменных. Такой режим вычислений актуален, например, для вычисления цветов в графике. 

В систему команд введено 57 дополнительных инструкций для одновременной обработки нескольких единиц данных. Одновременно обрабатываемое 64-битное слово может содержать как одну единицу обработки, так и 8 однобайтных, 4 двухбайтных или 2 четырехбайтных операнда. Новые инструкции включают следующие группы:

арифметические (Arithmetic Instructions), включающие сложение и вычитание в разных режимах, умножение и комбинацию умножения и сложения;

сравнение (Comparison Instructions) элементов данных на равенство или по величине;

преобразование форматов (Conversion Instructions);

логические (Logical Instructions) – И, И-НЕ, ИЛИ и Исключающее ИЛИ, выполняемые над 64-битными операндами;

сдвиги (Shift Instructions) – логические и арифметические;

пересылки данных (Data Transfer Instructions) между регистрами ММХ и целочисленными регистрами или памятью;

очистка ММХ (Empty MMX State) – установка признаков пустых регистров в слове тегов.

Инструкции ММХ не влияют на флаги условий. 

Регистры ММХ, в отличии от регистров FPU, адресуются физически а не относительно значения TOS. Более того, любая инструкция ММХ обнуляет поле TOS регистра состояния FPU. В слове тегов свободному регистру соответствует комбинация “11”, остальные комбинации указывают только на занятость регистра. После каждой операции ММХ биты тегов используемого регистра назначения обнуляются. Неиспользуемые в ММХ биты [79:64] регистров FPU заполняются единицами, так что ошибочное использование данных ММХ инструкций FPU приведет к исключению.

Инструкции ММХ не порождают новых исключений. Исключения при их выполнении могут возникать только при нарушении границ при обращениях к памяти (данные и инструкции). Однако если предшествующая инструкция FPU породила условие исключения, то оно произойдет при выполнении инструкции ММХ. После его обработки инструкция ММХ может быть благополучна исполнена. 

Инструкции ММХ доступны из любого режима процессора. При переключении задач необходимо следить за корректностью сохранения контекста, как и при работе с FPU. 

Часто чередование годов FPU и ММХ может снизить производительность за счет необходимости сохранения и восстановления весьма объемного контекста FPU. 



2.1.7.  Внутренний кэш

Внутренне кэширование обращений к памяти применяется в процессорах, начиная с 486-го. С кэшированием связаны новые функции процессоров, биты регистров и внешние сигналы. 

Процессоры 486 и Pentium имеют внутренний кэш первого уровня, в Pentium Pro и Pentium II имеется и вторичный кэш. Процессоры могут иметь как единый кэш инструкций и данных, так и общий. Выделенный кэш инструкций обычно используется только для чтения. Для внутреннего кэша обычно используется наборно-ассоциативная архитектура. 

Строки в кэш-памяти выделяются только при чтении, политика записи первых процессоров 486 – только Write Through (сквозная запись) – полностью программно-прозрачная. Более поздние модификации 486-го и все старшие процессоры позволяют переключаться на политику Write Back (обратная запись). 

Работу кэша рассмотрим на примере четырехканального наборно-ассоциативного кэша процессора 486, его физическая структура приведена на рис. 3.1.7. Кэш является несекторированным – каждый бит достоверности (Valid bit) относится к целой строке, так что стока не может являться “частично достоверной”.

Работу внутренней кэш-памяти характеризуют следующие процессы: обслуживание запросов процессора на обращение к памяти, выделение и замещение строк для кэширования областей физической памяти, обеспечение согласованности данных внутреннего кэша и оперативной памяти, управление кэшированием. 

Любой внутренний запрос процессора на обращение к памяти направляется на внутренний кэш. Теги четырех строк набора, который обслуживает данный адрес, сравниваются со старшими битами запрошенного физического адреса. Если адресуемая область представлена в строке кэш-памяти (случая попадания –cache hit), запрос на чтение обслуживается только кэш-памятью, не выходя на внешнюю шину. Запрос на запись модифицирует данную строку, и в зависимости от политики записи либо сразу выходит на внешнюю шину (при сквозной записи), либо несколько позже (при использовании алгоритма обратной записи). 



4 Ru

3 бита

4 бита

0

127



21 бит

16 байт

0

127



Строки

Теги

21 бит

16 байт

0

127



Строки

Теги







. . .

. . .

. . .

. . .

. . .









Теги действительности



Диспетчер



Канал 4

Канал 1







Рис 3.1.7. Структура первичного кэша процессора 486



В случае промаха (Cache Miss) запрос на запись направляется только на внешнюю шину, а запрос на чтение обслуживается сложнее. Если этот зарос относится к кэшируемой области памяти, выполняется цикл заполнения целой строки кэша – все 16 байт (32 для Pentium) читаются из оперативной памяти и помещаются в одну из строк кэша, обслуживающего данный адрес. Если затребованные данные не укладываются в одной строке, заполняется и соседняя. Заполнение строки процессор старается выполнить самым быстрым способом – пакетным циклом с 32-битными передачами (64-битными для Pentium и старше). 

Внутренний запрос процессора на данные удовлетворяется сразу, как только затребованные данные считываются из ОЗУ – заполнение строки до конца может происходить параллельно с обработкой полученных данных. Если в наборе, который обслуживает данный адрес памяти, имеется свободная строка (с нулевым битом достоверности), заполнена будет она и для нее установится бит достоверности. Если свободных строк в наборе нет, будет замещена строка, к которой дольше всех не было обращений. Выбор строки для замещения выполняется на основе анализа бит LRU (Least Recently Used) по алгоритму “псевдо-LRU”. Эти биты (по три на каждый из наборов) модифицируются при каждом обращении к строке данного набора (кэш-попадании или замещении).

Таким образом, выделение и замещение строк выполнятся только кэш-промахов чтения, при промахах записи заполнение строк не производится. Если затребованная область памяти присутствует в строке внутреннего кэша, то он обслужит этот запрос. Управлять кэшированием можно только на этапе заполнения строк; кроме того, существует возможность их аннулирования – объявления недостоверными и очистка всей кэш-памяти. 

Очистка внутренней кэш-памяти при сквозной записи (обнуление бит достоверности всех строк) осуществляется внешним сигналом FLUSH# за один такт системной шины (и, конечно же, по сигналу RESET). Кроме того, имеются инструкции аннулирования INVD и WBINVD. Инструкция INVD аннулирует строки внутреннего кэша без выгрузки модифицированных строк, поэтому ее неосторожное использование при включенной политике обратной записи может привести к нарушению целостности данных в иерархической памяти. Инструкция WBINVD предварительно выгружает модифицированные строки в основную память (при сквозной записи ее действие совпадает с INVD). При обратной записи очистка кэша подразумевает и выгрузку всех модифицированных строк в основную память. Для этого, естественно, может потребоваться и значительное число тактов системной шины, необходимых для проведения всех операций записи.  

Аннулирование строк выполняется внешними схемами – оно необходимо в системах, у которых в оперативную память запись может производить не только один процессор, а и другие контроллеры шины – процессор или периферийные контроллеры. В этом случае требуются специальные средства для поддержания согласованности данных во всех ступенях памяти – в первичной и вторичной кэш-памяти и динамического ОЗУ. Если внешний (по отношению к рассматриваемому процессору) контроллер выполняет запись в память, процессору должен быть подан сигнал AHOLD. По этому сигналу процессор немедленно отдает управление шиной адреса A[31:4], на которой внешним контроллером устанавливается адрес памяти, сопровождаемый стробом EADS#. Если адресованная память присутствует в первичном кэше, процессор аннулирует строку – сбрасывает бит достоверности этой строки (она освобождается). Аннулирование строки процессор выполняет в любом состоянии. 

Управление заполнением кэша возможно и на аппаратном и на программном уровнях. Процессор позволяет кэшировать любую область физической памяти. Внешние схемы могут запрещать процессору кэшировать определенные области памяти установкой высокого уровня сигнала KEN# во время циклов доступа к этим областям памяти. Этот сигнал управляет только возможностью заполнения строк кэша из адресованной области памяти. Программно можно управлять кэшируемостью каждой страницы памяти – запрещать единичным значением бита PCD (Page Cache Disable) в таблице или каталоге страниц. Для процессоров с WB-кэшем бит PWT (Page Write Through) позволяет постранично управлять и алгоритмом записи. Общее программное управление кэшированием осуществляется посредством бит управляющего регистра CR0:CD (Cache Disable) и NW (No Write Through). Возможны следующие сочетания бит регистра:

CD=1, NW=1 – если после установки такого значения выполнить очистку кэша, кэш будет полностью отключен. Если же перед установкой этого сочетания бит кэша был заполнен, а очистка не производилась, кэш превращается в “замороженную” область статической памяти;

CD=1, CW=0 – заполнение кэша запрещено, но сквозная запись разрешена. Эффект аналогичен временному переводу сигнала KEN# в высокое (пассивное) состояние. Этот режим может использоваться для временного отключения кэша, после которого возможно его включение без очистки;

CD=0, NW=1 – запрещенная комбинация (вызывает отказ общей защиты);

CD=0, NW=0 – нормальный режим работы со сквозной записью.

Для полного запрета кэша необходимо установить CD=1 и NW=1, после чего выполнить очистку (Flush). Без очистки кэш будет обслуживать запросы в случае попаданий. 

Процессоры 486 и старше имеют выходные сигналы PCD и PWT, управляющие работой вторичного (внешнего) кэша (они же управляют и внутренним кэшем). В циклах обращения к памяти, когда страничные преобразования не используются (например, при обращении к таблице каталогов страниц), источником сигналов являются биты PCD и PWT регистра CR3, при обращении к каталогу страниц – биты PCD и PWT из дескриптора соответствующего вхождения каталога, при обращении к самим данным – биты PCD и PWT из дескриптора страницы. Кроме того, оба этих сигнала могут принудительно устанавливаться общими битами управления кэшированием CD и NW регистра CRO.

Режим обратной записи может разрешаться только аппаратно сигналом WB/WT#, вырабатываемым внешними схемами.

В пространстве памяти РС имеются области, для которых кэширование принципиально недопустимо (например, разделяемая память адаптеров) или непригодна политика обратной записи. Кроме того, кэширование иногда полезно отключать при выполнении однократно исполняемых участков программы (например, инициализации) с тем,  чтобы из кэша не вытиснялись более часто используемые фрагменты. Напомним, что запретить можно только заполнение строк, а обращение к памяти, уже представленной действительными строками кэша, все равно будет обслуживаться из кэша. Для полного запрета работы кэша строки должны быть аннулированы. 

Программно при включенном режиме страничного преобразования кэшированием управляют биты атрибутов страниц (на уровне таблицы страниц и их каталога), биты PCD и PWT регистра CR3, и, наконец, глобально кэшированием управляют биты CD и NW регистра CR0.

Аппаратно (сигналом KEN#) внешние схемы могут управлять кэшированием (разрешать заполнение строк) для каждого конкретного адреса обращения к физической памяти. 





2.2. Процессор 80386

 Микропроцессор 80386 имеет два режима работы: режим реальных адресов, называемый реальным режимом, и защищенный режим. При подаче сигнала сброса или при включении питания устанавливается реальный режим, причем 80386 работает как очень быстрый 8086,  но,  по желанию программиста, с 32-разрядным расширением. В реальном режиме МП 80386 имеет такую же базовую архитектуру, что и МП 8086,  но обеспечивает доступ к  32-разрядным регистрам.  Механизм адресации,  размеры памяти и обработка прерываний МП 8086 полностью  совпадают  с  аналогичными функциями МП 80386 в реальном режиме.           Единственным способом выхода из реального режима является явное переключение  в защищенный режим.  В защищенный режим микропроцессор 80386 входит при установке бита включения защиты (РЕ) в  нулевом регистре управления (CR) с помощью команды пересылки (MOV to CR). Для совместимости с МП 80286 с целью установки  бита РЕ может быть также использована команда загрузки слова состояния машины LMSW. Процессор повторно входит в реальный режим в том случае,  если  программа командой пересылки сбрасывает бит  РЕ регистра CR.

        Полные возможности МП 80386 раскрываются в защищенном режиме.  Программы могут исполнять переключение между процессами с целью входа в задачи,  предназначенные для режима виртуального     МП 8086.  Каждая такая задача проявляет себя  в  семантике  МП 8086  (т.е.  в  отношениях между символами и приписываемыми им  значениями независимо от интерпретирующего  их  оборудования).    Это  позволяет  выполнять  на МП 80386 программное обеспечение для микропроцессора 8086 - прикладную программу или целую операционную систему. В то же время задачи для виртуального МП 8086 изолированы и защищены как друг от друга, так и от главной операционной системы МП 80386.  



2.3. Процессор 80486

В 1989 г. фирма Intel выпустила микропроцессор Intel-80486. Все процессоры семейства 486 имеют 32-разрядную архитектуру, внутреннюю кэш-память 8 КВ со сквозной записью (у  DX4 -16 КВ).  Модели SX не имеют встроенного сопроцессора.  Модели DX2 реализуют механизм внутреннего удвоения  частоты  (например, процессор  486DX2-66  устанавливается на 33-мегагерцовую системную плату),  что позволяет поднять быстродействие практически в  два раза,  так как эффективность кэширования внутренней кэш-памяти составляет почти 90  процентов.  Процессоры семейства DX4  - 486DX4-75 и 486DX4-100 предназначены для установки на 25-ти и 33-мегагерцовые платы.  По производительности они занимают нишу между DX2-66 и Pentium-60/66,  причем быстродействие компьютеров на 486DX4-100 вплотную приближается к  показателям  Pentium 60.  Напряжение питания составляет 3,3 вольта,  то есть их нельзя устанавливать на обычные  системные платы.  Процессор  486DX4-75 предназначен, прежде всего,  для использования к компьютерам типа Notebook, а 486DX4-100 - в настольных системах.



2.4. Процессор Pentium

В 1993 г. Intel анонсировала о новом детище – процессоре Pentium. Процессор Pentium  является одним из самых мощных в настоящее время.  Он  относится  к процессорам с полным набором команд, хотя его ядро имеет риск-архитектуру.  Это 64-разрядный суперскалярный процессор  (то  есть выполняет более одной команды за цикл),  имеет 16 КВ внутренней кэш-памяти - по 8  КВ  отдельно для данных и команд,  встроенный сопроцессор. Несколько слов о процессорах семейства OverDrive. В основном это процессоры с внутренним удвоением частоты, предназначенные для замены процессоров SX. Что касается широко разрекламированного в  свое  время  процессора  OverDrive на основе Pentium (так называемый P24T или Pentium SX),  то  сроки  его выпуска неоднократно срывались. Сейчас начало выпуска перенесено на последнюю  четверть  текущего  года.  Хотя  на  рынке представлено очень много системных плат,  предназначенных для установки кроме 486 процессоров и процессора Р24Т,  использовать его  на  этих платах, скорее всего, будет нельзя,  так как никакого тестирования плат с этим процессором изготовители не проводят ввиду его отсутствия, а ориентируются при изготовлении только  на  опубликованную  фирмой  Intel   спецификацию. Представители фирмы  Intel  заявили  недавно,  что существуют серьезные сомнения в работоспособности большинства этих  плат в связи с недостаточной проработкой вопросов, связанных с перегревом процессоров. Поскольку при  работе с существующим программным обеспечением процессоры Pentium не  достигают  максимального  быстродействия, фирма  Intel  для  оценки  производительности своих процессоров предложила специальный индекс - iCOMP (Intel COmparative Microprocessor Performance),  который, по ее мнению, более точно отражает возрастание производительности при переходе к  новому поколению процессоров (некоторые из выпущенных уже моделей компьютеров на основе Pentium при выполнении  определенных программ  демонстрируют  даже  меньшее быстродействие, чем компьютеры на основе 486DX2-66,  это связано как  с недостатками конкретных системных плат, так и с не оптимизированностью программных кодов). 



Модель 

Индекс iCOMP

486SX2-50

180

486DX2-50

231

486DX2-66

297

486DX4-75

319

486DX4-100

435

Pentium 60

510

Pentium 66

567

Pentium 90

735

Pentium 100

815





Более того, именно величина производительности с использованием индекса iCOMP используется фирмой Intel в новой системе маркировки процессоров Pentium. например, 735\90 и 815\100 для тактовой частоты 90 и 100 МГц. Кроме фирмы Intel,  на рынке  широко  представлены  другие фирмы, выпускающие  клоны  семейств 486 и Pentium. Фирма AMD (Advanced Micro Devices) производит 486DX-40, 486DX2-50, 486DX2-66. Процессоры 486DX2-80 и 486DX4-120 обеспечивают полную совместимость со всеми ориентированными  на  платформу  Intel программными продуктами и такую же производительность,  как и аналогичные изделия фирмы Intel (при одинаковой тактовой частоте). Кроме того,  они предлагаются по более низким ценам, а процессор на 40 МГц, отсутствующий в  производственной  программе Intel, конкурирует с 486DX-33, превосходя его по производительности на 20 процентов при меньшей стоимости. Фирма Cyrix разработала процессоры М6 и  М7   (аналоги 486SX2 и 486 0DX 2) на тактовые частоты 33 м 40 МГц, а также с удвоением частоты DX2-50  и  DX2-66. Они имеют более быстродействующую внутреннюю кэш-память 8 КВ с обратной записью и более  быстрый встроенный сопроцессор. По некоторым операциям производительность выше, чем у процессоров фирмы Intel, по некоторым - несколько ниже. Соответственно, существенно различаются и результаты на разных тестирующих программах.  Цены на 486  процессоры Cyrix значительно ниже, чем на Intel и AMD. По оценкам Intel,  эффективность Pentium при работе с таким программным обеспечением составляет около 70 процентов,  Cyrix же обещает 90, так как архитектура М1 более "рисковая":  он имеет 32 регистра вместо 8 и систему их динамической переадресации для обеспечения совместимости.  В то же время М1 по    операциям с плавающей точкой уступает процессору фирмы Intel. Собственные варианты процессоров семейства 486 - 486SX-33,486SX-40, 486SX-80,  486DX-40 предлагает фирма UMC. Они полностью совместимы с процессорами Intel. Из-за патентных ограничений они не поставляются в США. Первый клон процессора Pentium - изделие под названием 586 - выпустила фирма NexGen. Этот 64-разрядный процессор рассчитан на работу на тактовых частотах 60 и 66 МГц,  построен  на  основе запатентованной  суперскалярной  архитектуры  RISC86 и полностью совместим с семейством 80х86.  Напряжение питания - 3,3 вольта. Стоимость его существенно ниже, чем у Pentium. Для самых простых систем фирмой Texas Instruments  выпускала дешевые, но эффективные процессоры 486DLC, которые, занимая промежуточное положение между 80386  и  80486  семейством (они выполнены в конструктиве 386 процессора, обеспечивают производительность на уровне 80486 процессора при цене 80386. Новая  версия  - 486SXL с увеличенной до 8 КВ внутренней кэш-памятью еще ближе приближается к характеристикам 486 семейства. Все большую популярность завоевывали  риск-процессоры  семейства Power PC 601 (IBM,  Apple,  Motorola) ,  которые имеют отличную от Intel архитектуру (в основе -  архитектура  Power     фирмы IBM  с  внутренней  кэш-памятью 32 КВ).  Полагают,  что именно конкуренция между Power PC и  Pentium  является  самым существенным фактором для развития рынка процессоров и персональных компьютеров.  Power PC 601 примерно в два раза дешевле, чем  Pentium,  потребляет  в  два раза меньшую мощность и превосходит Pentium по производительности, особенно по операциям с плавающей точкой.  Сначала на процессоре 601 была реализована только система 6000 фирмы IBM и PowerMac фирмы  Apple. В  настоящее время большинство производителей компьютеров имеют свои варианты систем на базе Power PC,  однако,  решение об их производстве будет определяться, прежде всего, складывающейся конъюнктурой.

 Объем и сложность данных, обрабатываемых современными компьютерами, стремительно увеличивается. Новые средства связи, видео - и аудиоприложения выдвигают повышенные требования к производительности микропроцессора. ММХ - технология разработана для ускорения мультимедиа и коммуникационных программ. Она включает в себя новые команды и типы данных, что позволяет создавать приложения нового уровня. Технология основана на параллельной обработке данных. При этом сохраняется полная совместимость с существующими операционными системами и программным обеспечением. ММХ – технология – это самое значительное усовершенствование со времени создания процессора Intel-80386, т.е. создания 32 – разрядной архитектуры.

В процессоры семейства Р5 (Pentium и Pentium MMX) были добавлены следующие команды:

CMPXCHG8B  (compare and exchange 8 bytes)

CPUID  (CPU identification)

RDTSC  (read time-stamp counter)

RDMSR  ( read model-specific register)

WRMSR  (write model-specific register)

RSM  (resume from SSM)

Форма команды MOV, которая обращалась к регистрам тестирования, удалена из процессоров Р5 и всех последующих. Функция регистров тестирования теперь выполняют регистры MSR (Model Specific Register). Задействован новый регистр управления CR4. В регистр EFLAGS добавлены следующие флажки: 

VIF (virtual interrupt flag)

VIP (virtual interrupt pending)

ID (identification flag)





Рисунок 1. Формат  регистра EFLAGS в процессорах Р5

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

ID

VIP

VIF

AC

VM

RF

0

IIT

IOPL

IOPL

OF

DF

IF

TF

SF

ZF

0

AF

0

PF

1

CF



Изменения в прерываниях:

При попытке записать единицу в зарезервированный бит специальных регистров генерируется исключение #GP – нарушение общей защиты.

При обнаружении единицы в зарезервированном бите элемента каталога страниц или элемента таблицы страниц генерируется исключение #PG –страничное нарушение.

Добавлено новое исключение #18 – Machine Check Exception. Это исключение предназначено для сообщения об аппаратных ошибках. Исключение является специфическим для данной модели процессора и может быть изменено в последующих моделях. Управление исключением осуществляется через MSR-регистры.

Конвейер Pentium построен так, что позволяет выполнять до двух команд. Прозрачный для программ механизм предсказания ветвлений позволяет уменьшить задержки конвейера при переходах. В процессоре Pentium MMX в конвейер добавлены новые стадии. P5 может декодировать до двух инструкций за один такт и направлять их по двум логическим каналам (U и V – каналы). На этапе декодирования процессор проверяет, могут ли две команды выполнятся параллельно. Если да, то первая команда направляется в U-канал конвейера, а вторая – в V – канал. В противном случае только одна команда направляется в U – канал и ничего не поступает в V – канал.

На стадии предвыборки (PF – pre fetch) команды выбираются из кэша команд. Далее они поступают на стадию выборки (F – fetch). Здесь происходит разделение выбранной порции кода на отдельные команды, а также декодирование любых префиксов. Между стадией (F) и стадией (D1) находится FIFO – буфер. В нем может содержаться до четырех инструкций. FIFO – буфер прозрачен, т.е. он не отнимает времени, когда он пуст. В каждом такте из стадии (F) в FIFO – буфер может выпускаться до двух команд. Пара инструкций поступает (если это возможно) из FIFO на стадию (D1). Так как средняя скорость выполнения команд меньше чем две команды за такт, то FIFO обычно заполнен. Следовательно, FIFO может буферизировать задержки, возникающие на стадиях (PF) и (F), тем самым, предотвращая по возможности обеднение (когда в FIFO находится одна команда) или полную остановку конвейера. Если в одном из каналов возникла задержка, то команды, следующие за застрявшей командой, не могут продвигаться дальше, даже если застрявшая команда находится в другом канале. Например, параллельно по двум каналам следуют две команды, одна из которых требует один такт на стадии (EX), а другая – два такта. Пусть первая команда находится в V – канале, а вторая -  в U – канале. Попав на стадию (EX), первый такт эти команды выполняют вместе. В следующем такте команда в U – канале остается на стадии (EX), а команда в V – канале переходит на следующую стадию, при этом  на ее место ничего не поступает, т.е. параллельно с двухтактной командой не могут выполняться две однотактные. Решение о спаривании команд принимается только один раз при входе в конвейер. Это один из главных недостатков архитектуры P5.

PF – предвыборка команд.

F – определение границ команд.

D1 – декодирование команд.

D2 – генерация линейного адреса.

EX : INT – чтение операндов из памяти, выполнение команды, запись операндов в память.

        MMX – чтение операндов из памяти, далее переход на стадию Mex.

FPU – чтение операндов из памяти и регистров, далее переход на стадию X1,                   преобразование данных ко внешнему формату, запись в память (FST).

WB – запись результата в регистр.

Mex – выполнение MMX – команд. Первый такт команды умножения.

Wb/M2 – запись результата однотактных команд. Второй такт умножения.

M3 – третий такт умножения.

Wmul – запись результата умножения.

X1 – преобразование данных ко внутреннему формату, запись в регистр.

X2 – выполнение FPU – команд.

WF – округление и запись результата в регистр.

В отличие от целочисленных команд, которые целиком выполняются на стадии (EX), а затем уходят на свои стадии, где продолжаются выполняться дольше. FPU – команды не могут спариваться с целочисленными командами в начале конвейера, но , после того как FPU – команда уйдет на стадию (X1), следующие за ней целочисленные команды смогут продвигаться дальше. Например, если запустить в конвейер сначала команду Fmul, то следующие за ней целочисленные команды смогут продолжать выполняться параллельно с Fmul. Если же запустить команду Mul, то она застрянет на стадии (EX), блокировав дальнейшее продвижение следующих команд по обоим каналам.

В процессоры семейства Р6 (Pentium Pro и Pentium II) добавлены следующие команды:

CMOVcc (Conditional Move) – выполняет условную передачу данных

FCMOVcc (Floating – point Conditional Move) – выпоняет условную предачу FPU-регистра в вершину стека [ST(0)]

FCOMI (Floating – point Compare and set EFLAGS) – сравнивает значение двух FPU – регистров и устанавливает флажки регистра EFLAGS в соответствии с результатом.

RDPMC (Read Performance Monitoring Counters) – считывает содержимое специфических счетчиков для мониторинга производительности процессора.

UD2 (Undefined) – генерирует исключение недействительной операции).

Конвейер процессоров семейства Р6 существенно отличается от конвейера процессоров семейства Р5. В Р6 используется принципиально новый подход к выполнению команд. Применен ряд новых приемов для предотвращения заторов конвейера. Например, внеочередное выполнение команд (out-of-order execution), переименование регистров. Конвейер Р6 состоит из трех частей:

In-Order Issue Front End. На этом этапе происходит выборка команд из памяти и декодирование в микрооперации.

Out-of-Order Core. На этом этапе процессор выполняет микрооперации. Выполнение может происходить вне очереди.

In-Order Retirement unit. На этом этапе происходит удаление команд с конвейера.



Следует заметить, что в семействе Р5 допущены следующие ошибки:

Микропроцессоры Pentium раннего производства, ошибка связанная с операцией FDIV.

Микропроцессоры Pentium и Pentium MMX с ошибкой F0, т.е. процессоры «зависают» при выполнении последовательности четырех байтов F0, 0F, C7, C8.





2.5. Процессор Celeron

7 июня 1998 компания Intel представила процессор Celeron с тактовой частотой 300 МГц и снизила цену на ранее выпускавшуюся модель 266 МГц. Компания, однако, предпочитает не афишировать, что эти частоты – далеко не предел возможностей Celeron, и безо всяких переделок процессор способен на нечто большее.

Известный среди любителей «железа» сайт Tom’s Hardware Guide сообщает, что выпускаемые модели Celeron способны работать на гораздо более высокой частоте. Этому есть две объективные причины. Ядро Celeron изготовляется по последней, 0.25 – микронной технологии и имеет кодовое название Deschutes. Оно такое же, как у процессоров Pentium II, предназначенных для работы на частотах 333, 350 и 400 МГц (в младших моделях Pentium II используется ядро Klamath с 0.35 – микронной технологией). А кристалл процессора, грубо говоря, «не знает», в какой корпус его установили, Celeron или Pentium II. С другой стороны, у Celeron отсутствует кэш второго уровня (за счет чего, в основном, и достигается его дешевизна). Именно благодаря этому обстоятельству Celeron является практически идеальной моделью для «разгона» – ведь увеличению тактовой частоты мешает, в первую очередь, именно кэш – память со слишком большим временем доступа. Усилиями своих создателей Celeron пока от этой проблемы избавлен – только его наследник под названием Mendocino будет иметь немного кэша второго уровня и, следовательно, будет более чувствительным к поднятию тактовой частоты.

Так что можно на свой страх и риск брать Celeron, вставлять его в системную плату с чипсетом BX, выставлять 100 МГц на шине, и вперед... Здесь есть два момента. Во-первых, бескорпусный Celeron предназначен для использования в платах EX, и его нельзя «защелкнуть» в разъеме для Pentium II. Впрочем, он не будет выскакивать из слота, если компьютер не подвергать особо сильным ударам. Но есть еще второе, более существенное препятствие. Платы BX, изготовленные согласно спецификации Intel, автоматически определяют, способен ли процессор поддерживать частоту шины 100 МГц. Celeron, естественно, «говорит», что нет, и плата выставляет 66 МГц. Но и эту проблему можно обойти, причем довольно очень остроумно – с помощью кусочка липкой ленты или капельки лака для ногтей.. В последнее время, кстати, появилось много системных плат BX, в которых такая проверка отсутствует или ее можно отключить. Не «разгоняемостью» ли Celeron вызвано это явление?

Представитель фирмы Intel так прокомментировал это сообщение: «Для Celeron был придуман более мягкий 20 – ватный термальный пакет (у Pentium II 233 МГц – 24 – ваттный). Поскольку все это нужно помещать в корпус micro – ATX, и с Celeron используются радиаторы с меньшей площадью, то, естественно, приходиться снижать частоту, для того, что бы все не перегревалось». А вот что пишут на популярном в России сайте iXBT (ixbt.stack.net), посвященном технической поддержке PC: «последовал многочисленным соблазнам в том числе и на страницах iXBT. Разобрал картридж своего Celeron, прикрутив к его радиатору два вентилятора с обычных китайских кулеров, поставил 4*112=450 МГц. После 5 часов достаточно тяжелой для его работы, я полагаю, - Quake 2, Xwing Vs TieFighter, Die by Sword без 3D – акселераторов – радиатор процессора был на 3-4 градуса теплее температуры в комнате».

Почему же Intel не торопится поднимать частоту Celeron? Вероятно, это чисто маркетинговый ход, чтобы не уронить продажи Pentium II 233 и 266 МГц. Кроме того, неожиданное увеличение тактовой частоты Celeron произошло после сообщений о первых успехах процессора AMD K6-2.



2.6.  Процессор PENTIUM® II XEON®

Процессор Pentium II Xeon с тактовой частотой 450 МГц для двухпроцессорных серверов и рабочих станций

6 октября 1998 г. – Сегодня корпорация Intel анонсировала самую быстродействующую версию процессора Pentium® II Xeon™ с тактовой частотой 450 МГц, предназначенную для двухпроцессорных (двухканальных) серверов и рабочих станций. Как ожидается, появление новой модели придаст новый импульс идущему полным ходом процессу широкого принятия на вооружение рабочих станций и серверов на базе процессора Pentium II Xeon. Многочисленные пользователи двухпроцессорных (двухканальных) серверов и рабочих станций в настоящее время переходят на системы, оснащенные процессорами Pentium II Xeon, для работы с требовательными к ресурсам приложениями, которые предназначены для решения наиболее ответственных задач. Уже на этой неделе Intel планирует приступить к поставкам процессоров Pentium II Xeon 450 МГц, а ряд крупнейших изготовителей компьютерных систем, включая Compaq, Dell, Fijutsu, Gateway, HP, IBM, Intergraph, NEC, Siemens Nixdorf (SNI) и UMAX, намеревается начать реализацию двухканальных серверов и рабочих станций на базе процессора Pentium II Xeon 450 МГц еще до конца текущего месяца. 

"Быстрое наращивание производительности серверов и рабочих станций, происходящее вследствие постоянного совершенствования процессорных технологий Intel, ведет к стремительному расширению данного сегмента рынка, - отметил Оливье Ривьер (Olivier Riviere), менеджер по маркетингу подразделения Intel по реализации продукции для рабочих станций в странах Европы, Ближнего Востока и Африки. - Первые версии процессора Pentium II Xeon помогли архитектуре Intel завоевать популярность среди новых категорий потребителей, и представленный сегодня процессор Pentium II Xeon с тактовой частотой 450 МГц придаст этой тенденции дальнейшее ускорение". 

Как и прочие представители семейства процессоров Pentium II Xeon, новая модель на 450 МГц обеспечивает наивысший в отрасли уровень производительности благодаря увеличенной емкости и быстродействию кэш-памяти 2-го уровня (L2), возможности установки нескольких процессоров, а также наличию системной шины, работающей на частоте 100 МГц. Сочетание высокой производительности процессора Pentium II Xeon с системной масштабируемостью выводит показатель соотношения "производительность/цена" на уровень, не имеющий аналогов на рынке двухканальных серверов и рабочих станций. Набор микросхем 440GX AGPset для серверов и рабочих станций, обеспечивающий возможность установки одного или двух процессоров, поддерживает до 2 Гб системной памяти и быструю графическую шину AGP. 

Процессор Pentium II Xeon с тактовой частотой 450 МГц и кэш-памятью 2-го уровня емкостью 512 Кб поставляется партиями в 1.000 единиц по цене 824 доллара США за штуку. Выпуск процессора Pentium II Xeon с тактовой частотой 450 МГц для четырехканальных серверов намечен на начало 1999 г. 

































































Приложение

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

70-е годы

80-е годы

90-е годы

Табл1. Процессоры 70-х годов 



4004 

8008

8080

8086

8088

Объявлено о выпуске


15/11/71

1/4/72

1/4/74

8/6/78

1/6/79

Тактовая частота


108 КГц

108 КГц

2 МГц

5 МГц, 8 МГц, 10 МГц

5 МГц, 8 МГц

Разрядность шины


4 бит

8 бит

8 бит

16 бит

8 бит

Количество транзисторов


2 300
(10 микрон)

3 500

6 000
(6 микрон)

29 000
(3 микрона)

29 000
(3 микрона)

Адресуемая память


640 байт

16 Кбайт

64 Кбайт

1 Мб

1 Мб

Виртуальная память


--

--

--

--

--

Краткая характеристика


Первая микросхема, выполняющая арифметические вычисления 

Обработка цифровых и текстовых данных 

10-кратный рост производительности по сравнению с процессором 8008 

10-кратный рост производительности по сравнению с процессором 8080 

Аналог процессора 8086, но с 8-разрядной внешней шиной 



Табл.2. Процессоры 80-х годов 



80286 

Микропроцессор
Intel386TM DX

Микропроцессор 
Intel386TM SX

Центральный процессор 
Intel486TM DX

Объявлено о выпуске


1/2/82

17/10/85

16/6/88

10/4/89

Тактовая частота


6 МГц, 8 МГц, 10 МГц, 12.5 МГц

16 МГц, 20 МГц, 25 МГц, 33 МГц

16 МГц, 20 МГц, 25 МГц, 33 МГц

25 МГц, 33 МГц, 50 МГц

Разрядность шины


16 бит

32 бит

16 бит

32 бит

Количество транзисторов


134 000
(1,5 микрон)

275 000
(1 микрон)

275 000
(1 микрон)

1,2 миллиона
(1 микрон)
(0,8 микрона на частоте 50 МГц)



Продолжение Табл.2.Адресуемая память


16 мегабайт

4 гигабайт

4 гигабайт

4 гигабайт



Виртуальная память


1 гигабайт

64 терабайт

64 терабайт

64 терабайт

Краткая характеристика


Рост производительности в 3-6 раз по сравнению с процессором 8086 

Первая микросхема архитектуры X86, способная обрабатывать 32-разрядные наборы данных 

Недорогое устройство с возможностью 32-разрядной обработки данных благодаря 16-битной адресной шине 

Встроенная кэш-память 1-го уровня 



Табл.3. Процессоры 90-х годов 



Микропроцессор Intel486TM SX

Процессор Pentium®

Процессор Pentium® Pro 

Процессор Pentium® II 

Объявлено о выпуске


22/4/91

22/3/93

01/11/95

07/5/97

Тактовая частота


16 МГц, 20 МГц,
25 МГц, 33 МГц

60 МГц, 66 МГц,

150 МГц, 166 МГц, 180 МГц, 200 МГц

200 МГц, 233 МГц, 266 МГц, 300 МГц





75 МГц, 90 МГц,









100 МГц, 120 МГц,









133 МГц, 150 МГц,









166 МГц





Разрядность шины


32 бит

32 бит

64 бит

64 бит

Количество транзисторов


1,185 миллиона 
(1 микрон)

3,1 миллиона 
(0,8 микрон)

5,5 миллионов 
(0,6 микрон)

7,5 миллионов

Адресуемая память


4 гигабайт

4 гигабайт

64 гигабайт

64 гигабайт

Виртуальная память


64 терабайт

64 терабайт

64 терабайт

64 терабайт

Краткая характеристика


Конструктивный аналог Intel486TM DX, но без математического сопроцессора

Пятикратный рост производительности по сравнению с процессором Intel486TM DX 33-МГц благодаря применению суперскалярной архитектуры 

Высокопроизводительный процессор с применением архитектуры динамического исполнения

Двойная независимая шина, динамическое исполнение, технология Intel MMXTM









Список литературы



Гук. М. Процессоры intel от 8086 до Pentium; С-Питербург  -“Питер Паблишинг” – 1997.

Е.М. Бердышев; Технология MMX; Москва – «Диалог – МИФИ» - 1998.

В.Э. Фигурнов IBM PC для пользователя;  5 издание; Москва - «Финансы и

Еженедельник Computer World Россия;N 46(111);  9 декабря 1997

Еженедельник Computer World Россия; N 47(112); 16 декабря 1997

статистика» – 1994.

Обзор процессоров и шин ПВМ; Москва – 1995.

 Еженедельник Компьютерра; N 23 (251); 16 июня 1998















2