Принципы
формирования адресного пространства (Лекция)
ПЛАН
ЛЕКЦИИ
1.
Среда выполнения задачи
2.
Архитектурные решения микропроцессоров
1. Среда выполнения задачи
Любая
задача, запущенная на микропроцессоре IA-32, оперирует определенным набором
ресурсов для исполнения инструкций, сохранения данных и состояния задачи. Этот
набор ресурсов называется средой
выполнения. Функционирование некоторых элементов среды выполнения
микропроцессора зависит от режима работы микропроцессора. К среде выполнения
задачи относят:
·
адресное пространство (размер адресного
пространства и способы его адресации зависят от режима работы);
·
регистры (8 регистров общего назначения, 6
сегментных регистров, регистр флагов и указатель
команды);
·
регистры сопроцессора (восемь 80-битовых регистров
данных, регистр управления, регистр статуса, указатель
команды, указатель операнда, слово тэгов);
·
стек (для реализации вложенных подпрограмм и
передачи параметров между ними).
Кроме
перечисленных ресурсов, среда выполнения микропроцессора содержит так
называемые системные ресурсы, предназначенные для поддержки операционных систем
и системного программного обеспечения:
·
пространство портов ввода-вывода (обеспечивает
взаимодействие с периферийными устройствами);
·
управляющие регистры (определяют режим работы
процессора и состояние задачи);
·
регистры управления памятью и дескрипторные
таблицы (используются в защищенном режиме);
·
регистры отладки;
·
прочие регистры (MTRRs,
MSRs и др.)
2. Архитектурные
решения микропроцессоров
Анализируя адресные
пространства программ и данных, определяют:
·
МП с архитектурой фон Неймана (память программ и
память данных находятся в едином пространстве и нет
никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти)
и
·
МП с архитектурой Гарвардской лаборатории (память
программ и память данных разделены, имеют свои адресные пространства и способы
доступа к ним).
Мы рассмотрим более подробно основные типы архитектурных решений, выделяя связь со способами адресации памяти.
1. Регистровая
архитектура определяется наличием достаточно большого регистрового файла внутри
МП. Команды получают возможность обратиться к операндам, расположенным в одной
из двух запоминающих сред: оперативной памяти или регистрах. Размер регистра
обычно фиксирован и совпадает с размером слова, физически реализованного в
оперативной памяти. К любому регистру можно обратиться непосредственно,
поскольку регистры представлены в виде массива запоминающих элементов -
регистрового файла. Типичным является выполнение арифметических операций только
в регистре, при этом команда содержит два операнда (оба операнда в регистре или
один операнд в регистре, а второй в оперативной памяти).
К данному типу
архитектуры относится микропроцессор фирмы Zilog. Процессор Z80 - детище фирмы
Zilog помимо расширенной системы команд, одного номинала питания и способности
исполнять программы, написанные для i8080, имел архитектурные "изюминки".
Рис. 1. Микропроцессор Z80 фирмы Zilog
В дополнение к
основному набору РОН, в кристалле был реализован второй комплект аналогичных
регистров. Это значительно упрощало работу при вызове подпрограмм или процедур
обслуживания прерываний, поскольку программист мог использовать для них
альтернативный набор регистров, избегая сохранения в стеке содержимого РОНов для основной программы с помощью операций PUSH. Кроме
того, в систему команд был включен ряд специальных инструкций, ориентированных
на обработку отдельных битов, а для поддержки регенерации динамической памяти в
схему процессора введены соответствующие аппаратные средства. Z80 применялся
в машинах Sinclair ZX, Sinclair Spectrum, Tandy TRS80.
Предельный вариант -
архитектура с адресацией посредством аккумуляторов (меньший набор команд).
МП фирмы Motorola имел
ряд существенных преимуществ. Прежде всего, кристалл МС6800 требовал для работы
одного номинала питания , а система команд оказалась
весьма прозрачной для программиста. Архитектура МП также имела ряд
особенностей.
Рис.2. Микропроцессор МС6800 фирмы Motorola
Микропроцессор МС 6800
содержал два аккумулятора, и результат операции АЛУ мог быть помещен в любой из
них. Но самым ценным качеством структуры МС 6800 было автоматическое сохранение
в стеке содержимого всех регистров процессора при обработке прерываний (Z80
требовалось для этого несколько команд PUSH). Процедура восстановления РОН из
стека тоже выполнялась аппаратно.
Стековая архитектура дает возможность создать поле памяти с упорядоченной последовательностью записи и выборки информации.
В общем случае команды неявно адресуются к элементу стека, расположенному на его вершине, или к двум верхним элементам стека.
Архитектура МП,
ориентированная на оперативную память (типа "память-память"),
обеспечивает высокую скорость работы и большую информационную емкость рабочих
регистров и стека при их организации в оперативной памяти. Архитектура этого
типа не предполагает явного определения аккумулятора, регистров общего
назначения или стека; все операнды команд адресуются к области основной памяти.