🗊Презентация Архитектура и система команд процесоров Intel. (Тема 1)

Системное программирование Лекция №1 Архитектура и система команд процесоров Intel

Системное программирование Капитонов Александр Георгиевич, доцент кафедры специализированных компьютерных систем

Архитектура и система команд

Архитектура и система команд Машинные команды — явно заданные инструкции, которые: управляют пересылкой информации внутри компьютера, а также между компьютером и его устройствами ввода-вывода; определяют подлежащие исполнению арифметические и логические операции. Программа — список команд, выполняющих некоторую задачу. Данные — числа или закодированные символы, используемые в качестве операндов команд.

Архитектура и система команд Память : первичная (primary storage) — быстродействие которой определяется скоростью работы электронных схем; вторичная (secondary storage) — дополнительная, более медленная и более дешевая. Cлово — группа ячеек памяти, содержимое которых может записываться или считываться за одну базовую операцию. Адрес — число, идентифицирующее положение слова в памяти. Регистр — высокоскоростная схема памяти для хранения операндов команд.

Архитектура и система команд Интерфейс : совокупность средств, обеспечивающих сопряжение устройств и программных модулей как на физическом, так и на логическом уровнях. Термин употребляют так же и для характеристики средств доступа пользователя к вычислительной системе - "интерфейс пользователя". Интерфейс состоит из нескольких контроллеров ввода/вывода, каждый из которых может содержать в себе одну или более микросхем СБИС.

Архитектура и система команд Архитектура ЭВМ — система команд, организация аппаратного обеспечения, ее реализующего, стандарты и алгоритмы, определяющие ее исполнение. Включает: Структурную схему ЭВМ; Средства и способы доступа к элементам структурной схемы ЭВМ; Организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ; Набор и доступность регистров; Организацию и способы адресации памяти; Способы и форматы данных ЭВМ; Набор машинных команд ЭВМ; Форматы машинных команд; Обработку нештатных ситуаций (прерываний).

Архитектура и система команд Принципы фон - неймановской архитектуры Принцип хранимой программы. Линейное пространство памяти. Последовательное выполнение программ. Безразличие к целевому назначению данных.

Архитектура и система команд Команды: ◆ арифметические; ◆ логические; ◆ передачи данных; ◆ перехода; ◆ пропуска; ◆ вызова подпрограммы; ◆ возврата из подпрограммы; ◆ смешанные.

Архитектура и система команд Формат команды ◆ поле префиксов — элемент команды, который уточняет или модифицирует действие команды в следующих аспектах: замена сегмента; изменение размерности адреса; изменение размерности операнда; необходимость повторения команды; ◆ поле кода операции; ◆ поле операндов (от 0 до 2 элементов).

Архитектура и система команд Типы операндов : ◆ байт; ◆ слово; ◆ десятичный операнд; ◆ разряд; ◆ число; ◆ составной операнд.

Архитектура и система команд Двоичная система исчисления 2310 = 1∙16 + 1∙4 + 1∙2 + 1∙1 = 1∙24 +0∙23 +1∙22 +1∙21 +1∙20 = 101112 1,37510 = 1 + 0,25 + 0,125 = 1∙1 + 1∙(1/4) + 1∙(1/8) = 1∙20 +0∙2-1 +1∙2-2 +1∙2-3 = 1,0112 Номера битов: 7 6 5 4 3 2 1 0 Значения битов: 0 0 0 1 0 1 1 1

Архитектура и система команд Двоичная система - сложение 01000001 65 00101010 42 01101011 107 00111100 60 00110101 53 01110001 113

Архитектура и система команд Дополнительный код - вычитание 00110101 53 11001010 -53 в инверсном коде 00000001 11001011 -53 в дополнительном коде 00111100 60 11001011 -53 00000111 7

Архитектура и система команд Дополнительный код Для представления отрицательного двоичного числа в дополнительном коде необходимо инвертировать все биты и прибавить 1. +2 00000010 +1 00000001 0 00000000 -1 11111111 -2 11111110

Архитектура и система команд Шестнадцатиричная система исчисления 2310 = 1∙16 + 7∙1 = 1∙161 +7∙160 = 1716 1,37510 = 1 + 0,375 = 1∙1 + 6∙(1/16) = 1∙160 +6∙16-1 = 1,616 Цифры: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F 2610 = 000110102 = 1A16 1,7510 = 0001,11002 = 1,C16

ASCII (American National Standard Code for Information Interchange)

Структурная схема МП семейства Р6

Режимы работы процессора архитектуры IA-32 Режим реальных адресов, или просто реальный режим (real mode) — режим работы i8086. Защищенный режим (protected mode) позволяет максимально реализовать возможности архитектуры IA-32, начиная с i80286. Программы, разработанные для реального режима, не могут функционировать в защищенном режиме. Режим виртуального процессора 8086 предназначен для организации многозадачной работы программ, разработанных для реального режима, совместно с программами защищенного режима. Переход в этот режим возможен из защищенного режима. Режим системного управления (System Management Mode, SMM) — режим работы процессора, впервые появившийся в процессоре Pentium. Обеспечивает ОС механизмом для выполнения машинно-зависимых функций (перевод компьютера в режим пониженного энергопотребления; выполнение действий по защите системы).

Программная модель IA-32 Программная модель описывает видимые для программиста объекты архитектуры процессора: пространство адресуемой памяти до 232 - 1 байт (4 Гбайт), для Pentium III/IV — до 236 - 1 байт (64 Гбайт); набор регистров для хранения данных общего назначения; набор сегментных регистров; набор регистров состояния и управления; набор регистров устройства вычислений с плавающей точкой; набор регистров целочисленного MMX-расширения, отображенных на регистры сопроцессора; набор регистров MMX-расширения с плавающей точкой; программный стек

Организация памяти ОЗУ организовано как последовательность ячеек — байтов. Один байт состоит из восьми битов. Каждому байту соответствует свой уникальный адрес (его номер), называемый физическим. Механизм управления памятью полностью аппаратный: программа не может сама сформировать физический адрес памяти на адресной шине. Процессор аппаратно поддерживает две модели использования оперативной памяти: В сегментированной модели программе выделяются непрерывные области памяти (сегменты), а сама программа может обращаться только к данным, которые находятся в этих сегментах. Страничную модель можно рассматривать как надстройку над сегментированной моделью. В случае использования этой модели оперативная память рассматривается как совокупность блоков фиксированного размера (4 Кбайт и более).

Формирование физического адреса в реальном режиме

Формирование физического адреса в реальном режиме

Формирование физического адреса в реальном режиме

Регистры общего назначения Регистры общего назначения используются в программах для хранения: операндов логических и арифметических операций; компонентов адреса; указателей на ячейки памяти. Имеют длину в 32 бит. Они поддерживают операнды-данные длиной 1, 8, 16, 32 и (при использовании двух регистров) 64 бит; битовые поля от 1 до 32 бит; операнды-адреса длиной 16 и 32 бит. Регистры называются EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP. Доступ к младшим 16 бит этих регистров выполняется независимо при использовании соответствующих имен 16-битных регистров: AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP и SP. Также могут использоваться индивидуально младший (биты 0-7) и старший (биты 8-15) байты регистров AX, BX, CX, DX. Им соответствуют обозначения AH, DH, CH, BH и AL, DL, CL, BL.

Регистры общего назначения РОН могут быть неравнозначны и при использовании определенных инструкций могут иметь специальное значение: EAX - аккумулятор, операнд-источник или приемник результата (некоторые инструкции могут быть короче на один байт при использовании EAX); EBX - указатель на данные в сегменте DS; ECX - счетчик для цепочечных (например, MOVS) и циклических (с префиксом REP) инструкций; EDX - адрес порта ввода-вывода для инструкций IN/INS, OUT/OUTS; ESI - указатель на операнд-источник в сегменте DS для цепочечных инструкций; EDI - указатель на операнд-приемник в сегменте ES для цепочечных инструкций; EBP - указатель на данные в сегменте SS. ЕSP - указатель на вершину стека (для других целей не используется!).

Сегментные регистры Любая программа состоит из трех сегментов: кода, данных и стека. Имеется 6 сегментных регистров CS, SS, DS, ES, GS, FS, служащих для доступа к четырем типам сегментов: Сегмент кода содержит команды программы. Для доступа к этому сегменту служит регистр сегмента кода CS. Сегмент данных содержит обрабатываемые программой данные. Для доступа к этому сегменту служит регистр сегмента данных DS. Сегмент стека представляет собой область памяти, называемую стеком. Работу со стеком процессор организует по следующему принципу: последний записанный в эту область элемент выбирается первым. Для доступа к этой области служит регистр сегмента стека SS. Дополнительный сегмент данных. Адреса дополнительных сегментов данных должны содержаться в регистрах дополнительного сегмента данных ES,GS, FS.

Регистры состояния и управления 2 регистра, постоянно содержащие информацию о состоянии как самого процессора, так и программы, команды которой он в данный момент обрабатывает: регистр-указатель команд EIP/IP - содержит смещение следующей подлежащей выполнению команды относительно содержимого регистра сегмента кода CS в текущем сегменте команд; регистр флагов ЕFLAGS/FLAGS - отдельные биты данного регистра имеют определенное функциональное назначение и называются флагами. Флаги можно разделить на три группы: 8 флагов состояния; 1 флаг направления; 8 системных флагов.

Регистр флагов

Флаги состояния Флаг переноса (carry flag) CF: 1 — арифметическая операция произвела перенос из старшего бита результата (7й, 15й или 31й бит в зависимости от размерности операнда); 0 — переноса не было. Флаг четности (parity flag) PF: 1— 8 младших разрядов (флаг только для 8 младших разрядов операнда любого размера) результата содержат четное число единиц; 0 — 8 младших разрядов результата содержат нечетное число единиц. Вспомогательный флаг переноса (auxiliary carry flag) AF - только для команд, работающих с BCD-числами. Фиксирует факт заема из младшей тетрады результата: 1 — в результате операции сложения был произведен перенос из разряда 3 в старший разряд или при вычитании был заем в разряд 3 младшей тетрадыиз значения в старшей тетраде; 0 — переносов и заемов не было. Флаг нуля (zero flag) ZF: 1 — результат нулевой; 0 — результат ненулевой.

Флаги состояния Флаг знака (sign flag) SF: 1 — старший бит результата (бит 7, 15 или 31 для 8-, 16- или 32-разрядных операндов соответственно) равен 1; 0 — старший бит результата равен 0. Флаг переполнения (overflow flag) OF: 1 — в результате операции происходит перенос в старший, знаковый бит результата или заем из старшего, знакового бита результата; 0 — в результате операции переноса не происходит. Уровень привилегированности ввода-вывода (Input/Output privilege level) IOPL - используется в защищенном режиме работы процессора для контроля доступа к командам ввода-вывода в зависимости от привилегированности задачи. Флаг вложенности задачи (nested task) NT используется в защищенном режиме работы процессора для фиксации того факта, что одна задача вложена в другую.

Флаг управления Флаг направления (directory flag) DF. Определяет направление поэлементной обработки в цепочечных операциях: от начала строки к концу (DF = 0) либо, наоборот, от конца строки к ее началу (DF =1). Для работы с флагом DF существуют специальные команды CLD (снять флаг DF) и STD (установить флаг DF).

Системные флаги Флаг трассировки (trace flag) TF: 1 — процессор генерирует прерывание с номером 1 после выполнения каждой машинной команды (может использоваться при отладке программ, в частности отладчиками); 0 — обычная работа. Флаг прерывания (interrupt enable flag) IF: 1 — аппаратные прерывания разрешены; 0 — аппаратные прерывания запрещены. Флаг возобновления (resume flag) RF используется при обработке прерываний от регистров отладки. Флаг режима виртуального процессора 8086 (virtual 8086 mode) VM: 1 — процессор работает в режиме виртуального процессора 8086; 0 — процессор работает в реальном или защищенном режиме. Флаг контроля выравнивания (alignment check) AC предназначен для разрешения контроля выравнивания при обращениях к памяти.

Системные флаги Флаг виртуального прерывания (virtual interrupt flag) VIF - при определенных условиях (одно из которых — работа процессора в v-режиме) является аналогом флага IF. Используется совместно с флагом VIР. Флаг отложенного виртуального прерывания (virtual interrupt pending flag) VIP: 1 - индикация отложенного прерывания. Используется при работе в v-режиме совместно с флагом VIF. Флаг идентификации (identification flag) ID используется для того, чтобы показать факт поддержки процессором инструкции CPUID. Если программа может установить или сбросить этот флаг, это означает, что данная модель процессора поддерживает инструкцию CPUID.