Микропроцессорная техника: Учебное пособие

Г.Г. Матушкин

                 МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ  ТЕХНИКА

   Учебное пособие для студентов 3 курса направлений:

551500 – «ПРИБОРОСТРОЕНИЕ»;

553400 – «БИОМЕДИЦИНСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ»;

654700 – «ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ».

НГТУ

2010

СОДЕРЖАНИЕ

                                                                                                                               стр

I.Общий обзор развития микропроцессорной техники………….…………  3

II.  Регистровая архитектура МП семейства Х86……………………………29

III. Управление памятью………………………………………………………45

IV. Кэш-память и принципы ее организации………………………………...78

V.  Система прерываний ………………………………………………………97

    VI. Методы защиты……………………………………………………………109

   VII. Организация мультизадачности………………………………………… 126

  VIII. Шинные циклы и конвейерная обработка команд……………………...137

IX. Режимы работы процессоров МП семейства Х86…………….………...147

X. Особенности микроархитектуры Intel Core………...……...…………….154

    XI. Особенности микроархитектуры Intel  Nehalem….…………………..…168

          ПРИЛОЖЕНИЯ

П.1 Формат команд МП семейства Х86………...…………….……....188

П.2 Введение в технологию программирования на ассемблере…….197

П.3 Перечень некоторых аббревиатур……………………….………..211

          ЛИТЕРАТУРА…………………………………………..………………… 216

I. ОБЩИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ.

1. Введение

          Процессор – это основной блок компьютера,  на который возложена задача обработки информации, в соответствии с заданным в программе пользователя алгоритмом, а также управления работой компьютера в целом.

          Микропроцессор (МП) – процессор, выполненныйв микроэлектронном исполнении в виде одной интегральной микросхемы. Поскольку в настоящее время процессоры всех без исключения компьютеров выполняются только в интегральном исполнении, то понятия процессора и микропроцессора стало, по сути дела, эквивалентным. Кроме того, современные микропроцессоры включают в себя не только устройства обработки и управления классического процессора, включая блок обработки чисел с плавающей запятой  (так называемый арифметический сопроцессор). На кристалле микропроцессора располагают  кэш-память первого и  второго уровня, а в МП Pentium 4XE, AMD Phenom, Intel Nehalem, или серверных микропроцессорах Intel Itanium – даже и третьего уровня. Более того, в последних разработках, в состав кристалла микропроцессора включают также блоки управления оперативной памятью компьютера, блок автоматической оптимизации работы микропроцессора по критерию максимальной производительности при заданном допустимом энергопотреблении и др.

          С другой стороны, в связи с тенденцией децентрализации процессов управления в современных компьютерах, для локального управления функционированием   отдельных блоков компьютера, в настоящее время, широко используют выделенные специализированные процессоры. Так для эффективного управления видеопамятью дисплея выделяются так называемые видеопроцессоры. Для конкретной реализации в высокопроизводительных компьютерах процесса обмена информацией с периферийными устройствами – процессоры ввода/вывода и т. д. Если функции управления, выполняемые такими процессорами, достаточно просты, то последние носят название контроллеров, например, контроллер памяти,  контроллер шины, контроллер прерываний, или контроллер прямого доступа к памяти.

Поэтому  процессор, на который возлагается основная обработка программ пользователя и управление работой всего компьютера в целом, обычно называют центральным процессором – CPU (Central Processor Unit).

          В настоящее время во всем мире выпускаются огромное количество микропроцессоров, предназначенных для использования в компьютерах самого различного назначения. При этом ведущее положение на рынке универсальных МП для персональных компьютеров занимают: фирма INTEL (Integrated Electronics) и AMD (Advanced Micro Device), которые ведут между собой острейшую конкурентную борьбу. На рынке МП для серверов, mainframes и суперкомпьютеров к ним присоединяются еще и такие мощные фирмы, как Motorola, IBM и ряд других.

Обычно, процессоры относятся к двум основным типам архитектур, рассматриваемых на уровне системы команд МП. Первые - с так называемой CISC -  архитектурой, и вторые -  с RISC – архитектурой.

          CISC (Complete Instruction Set Computing – вычисления с полным набором команд). Лидером в разработке МП с CISC – архитектурой считается фирма INTEL со своим семейством i80Х86 (iAPX86), начало которого было положено в 1978 году  появлением на рынке МП i8086. До последнего времени эта архитектура является практическим стандартом для рынка персональных компьютеров.      Для  CISC – процессоров характерно:

·  большое количество машинных команд (так для МП Pentium 4  насчитывалось более 360 команд), причем выполнение некоторых  из них может занимать достаточно большое количество тактов;

·  большое количество методов адресации (для МП серии Pentium – 11, в том числе  несколько видов косвенной адресации);

·  большое количество форматов команд различной длины (от 1 байта до 15 байт в МП семейства i80Х86, Pentium);

·  наличие команд обработки типа регистр – память.

К преимуществам МП с CISC – архитектурой можно отнести:

1. Трансляторы с языков высокого уровня для этих МП оказываются более простыми и более быстродействующими.

2.  Программирование на языке ассемблера существенно упрощается.

К недостаткам МП с CISC – архитектурой относится то, что при ней, обычно, усложняется декодирование команд, что сказывается на быстродействии компьютера в целом.

RISC (Reduced Instruction Set Computing – вычисления с сокращенным набором команд). МП с этой  архитектурой впервые появились в 1980 г., когда фирмой Silicon Graphics впервые были разработаны миникомпьютеры RISC-1 и RISC-2.

Для RISC – процессоров характерно:

·  резкое уменьшение числа машинных команд (до нескольких десятков). Они просты и реализуют одну простую операцию;

·  отсутствие косвенной адресации;

·  отделение команд обработки от команд обращения к памяти. Для этого команды обработки используют обширный набор РОН (от 32 до 128 и больше регистров по сравнению с 8…16 регистрами РОН, используемыми в CISC – процессорах). Это позволяет большему объему данных храниться в РОН на кристалле МП большее время и, следовательно, позволяет  процессору реже обращаться к оперативной памяти, а также упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные;

·  выполнение любой команды обычно занимает всего один такт;

·  форматы команд фиксированы, что позволяет легко декодировать их аппаратными методами;

·   для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения декодирования команд дает возможность сохранять большое число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.

К преимуществам МП с RISC – архитектурой можно отнести: