Программная модель центрального процессора

Язык ассемблера / Программная модель центрального процессора

Центральный процессор (ЦП) - устройство, непосредственно предназначенное для выполнения вычислительных операций. Процессор работает под управлением программы, выполняя вычисления или принимая логические решения, необходимые для обработки информации.
Большинство современных центральных процессоров строятся на базе 32-битной архитектуры Intel-совместимых процессоров IA-32 (Intel Architecture), которая является третьим поколением базовой архитектуры x86.

Структура центрального процессора

Функционально центральный процессор можно разделить на две части:

  • операционную, содержащую арифметико-логическое устройство (АЛУ) и микропроцессорную память (МПП) - регистры общего назначения;
  • интерфейсную, содержащую адресные регистры, устройство управления, регистры памяти для хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие такты; схемы управления шиной и портами.

Программная модель центрального процессора

Обе части ЦП работают параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) происходит во время выполнения операционной частью предыдущей команды. Такая организация ЦП позволяет существенно повысить его эффективное быстродействие.
Устройство управления (УУ) вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций в другие блоки вычислительной машины. УУ формирует управляющие сигналы для выполнения команд центрального процессора.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.

Системная шина – набор проводников, по которым передаются сигналы, соединяющая процессор с другими компонентами на системной плате. Системная шина состоит из шины данных, шины адреса, шины управления.

  • Шина данных – служит для пересылки данных между процессором и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ).
  • Шина адреса – используется для передачи сигналов, с помощью которых определяется местоположение ячейки памяти для выполняемых процессором операций чтения/записи и ввода-вывода.
  • Шина управления – служит для пересылки управляющих сигналов. Каждая линия этой шины имеет своё особое назначение, поэтому они могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными.
Микропроцессорная память

Микропроцессорная память представляет собой набор регистров, которые условно можно разделить на 4 группы:

  • регистры общего назначения;
  • сегментные регистры;
  • регистр счетчика команд;
  • регистр признаков.

Регистр – устройство сверхбыстродействующей памяти в процессоре, служащее для временного хранения управляющей информации, операндов и/или результатов выполняемых операций. Совокупность регистров процессора называется набором регистров.

Набор регистров общего назначения 32-битной архитектуры центрального процессора включает в себя

  • 4 универсальных регистра: EAX, EBX, ECX, EDX;
  • 2 индексных регистра: ESI, EDI;
  • 2 регистра для работы со стеком: ESP, EBP.

Набор регистров центрального процессора

Каждый из 32-разрядных универсальных регистров представляет собой логическое объединение, позволяющее отдельно обращаться к своей младшей 16-разрядной части: AX, BX, CX, DX. Каждый 16-разрядный регистр позволяeт независимо обращаться к старшему (H) и младшему (L) байту. Соответствующие 8-разрядные регистры имеют имена AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH, DL.

Регистры общего назначения
Регистр EAX (аккумулятор) – автоматически применяется при операциях умножения, деления и при работе с портами ввода-вывода. Его использование в арифметических, логических и некоторых других операциях позволяет увеличить скорость их выполнения. Использует для записи возвращаемого значения из процедуры.
Регистр EBX (регистр базы) – может содержать адреса элементов оперативной памяти. По умолчанию эти адреса будут представлять собой смещение в сегменте данных.
Регистр ECX (счетчик) – используется в операциях повторения, например в циклах, в строковых командах и т.д.
Регистр EDX (регистр данных) – является единственным элементом, который может хранить адреса портов ввода-вывода в командах типа IN (получить из порта) и OUT (вывести в порт). Без его помощи невозможно обратиться к портам с адресами в адресном пространстве больше 1 байта. Автоматически применяется также в операциях умножения и деления.

Индексные регистры используются для выполнения косвенной адресации, а также автоматически используются в строковых командах. Каждый 32-разрядный индексный регистр представляет собой логическое объединение, позволяющее отдельно обратиться к своей младшей 16-разрядной части.
Регистр ESI (регистр индекса источника) может содержать адреса элементов в оперативной памяти. По умолчанию эти адреса будут представлять собой смещение в сегменте данных. При выполнении операций со строками в этом регистре содержится смещение строки источника в сегменте данных.
Регистр EDI (регистр индекса приемника) может содержать адреса элементов в оперативной памяти. По умолчанию эти адреса будут представлять собой смещение в сегменте данных. При выполнении операций со строками в этом регистре содержится смещение строки приемника в сегменте данных.

Сегментные регистры
Регистры для работы со стеком используются для хранения вершины стека (ESP) и текущего элемента (базы) - EBP. Каждый 32-разрядный регистр для работы со стеком представляет собой логическое объединение, позволяющее отдельно обратиться к своей младшей 16-разрядной части.
Регистр EBP (указатель базы) может содержать адреса элементов в оперативной памяти. Эти адреса будут представлять собой смещение в сегменте стека.
Регистр ESP (указатель стека) используется для записи данных в стек и чтения их из стека. Фактически он содержит смещение в сегменте стека, которое определяет нужное слово памяти. Значения этого регистра автоматически меняются командами для работы со стеком типов push, pop, pushf, popf, call, ret.
Регистры для работы со стеком

Сегментные регистры представляют собой набор 16-разрядных регистров (для 32-битной архитектуры центрального процессора).
Сегмент - это логический элемент программы, который представляет собой независимый, поддерживаемый на аппаратном уровне блок памяти.
reg4
Регистр CS (регистр сегмента кода) определяет стартовый адрес сегмента, в который помещается код выполняемой программы. Это единственный сегментный регистр, который нельзя загрузить непосредственно. Косвенно загрузить в регистр CS новое значение могут команды вида jxx, call, int, ret, iret.
Регистр DS (регистр сегмента данных) определяет стартовый адрес сегмента, в который помещаются данные для программы. По умолчанию смещения в сегменте данных задаются в регистрах EBX, ESI и EDI.
Регистр SS (регистр сегмента стека) определяет стартовый адрес сегмента, в который помещается стек для программы. По умолчанию смещения для сегмента стека задаются в регистрах ESP и EBP.
Регистры ES, FS, GS (регистры сегментов дополнительных данных) опредляют стартовый адрес сегмента, в который помещаются дополнительные данные для программы. Например, в случае строковых команд, DS определяет сегмент для строки-источника, а ES – сегмент для строки-приемника. За исключением строковых команд, доступ к данным в сегменте ES обычно менее эффективен, чем в сегменте DS.

Регистр счетчика команд
Регистр EIP (указатель команд) содержит смещение в сегменте кода следующей выполняемой команды. Как только некоторая команда начинает выполняться, значение регистра EIP увеличивается на ее длину так, что будет адресовать следующую команду. Физический адрес команды в памяти выполняемой программы определяет пара регистров CS:EIP, то есть к физическому адресу начала сегмента кода добавляется смещение следующей команды в сегменте кода, хранящееся в регистре EIP.

Обычно команды выполняются в той последовательности, в которой они расположены в программе. Нарушают эту последовательность только команды переходов (они начинаются с буквы j: jxx), команды вызова подпрограммы (call), обработчиков прерываний (int) и возврата (ret, iret). Непосредственно содержимое EIP нельзя изменить или прочитать. Косвенно загрузить в регистр EIP новое значение могут только команды jxx, call, int, ret, iret. Регистр EIP является 32-битным. Младшая 16-битная часть регистра счетчика команд имеет имя IP.

Регистр признаков
Регистр признаков EFLAGS включает биты, каждый из которых устанавливается в единичное или в нулевое состояние при определенных условиях. Регистр EFLAGS 32-битный. Младшая 16-битная часть регистра признаков имеет имя FLAGS.
Регистр признаков
Все биты регистра признаков подразделяются на

  • s - биты состояния (STATUS);
  • c - биты управления (CONTROL);
  • x - системные биты (SYSTEM).

Регистр признаков

CF – бит переноса: устанавливается в 1, когда арифметическая операция генерирует перенос или выход за разрядную сетку результата. сбрасывается в 0 в противном случае. Этот флаг показывает состояние переполнения для беззнаковых целочисленных арифметических действий. Он также используется в арифметических действиях с повышенной точностью. Может быть установлен командой STC или сброшен командой CLC.

PF – бит четности: устанавливается в 1, если результат последней операции имеет четное число единиц.

AF – бит вспомогательного переноса: устанавливается в 1, если арифметическая операция генерирует перенос из младшей тетрады битов (из 3 бита в 4), сбрасывается в 0 в противном случае. Этот флаг используется в двоично-десятичной арифметике.

ZF – бит нулевого значения: устанавливается в 1, если результат нулевой, сбрасывается в 0 в противном случае.

SF – знаковый бит: устанавливается равным старшему биту результата, который определяет знак в знаковых целочисленных операциях (0 – положительное число, 1 – отрицательное число).

TF – бит пошаговой отладки: устанавливается в 1 для включения режима пошаговой отладки программы, сбрасывается в 0 в противном случае.

IF – бит прерываний: при значении 1 микропроцессор реагирует на внешние аппаратные прерывания по входу INTR. При значении 0 микропроцессор игнорирует внешние прерывания.

DF – бит направления: управляет строковыми командами (MOVS, CMPS, SCAS, LODS, STOS). Если DF = 1 (команда STD), то содержимое индексных регистров ESI, EDI увеличивается, если DF = 0 (команда CLD), то содержимое индексных регистров ESI, EDI уменьшается.

OF – бит переполнения: устанавливается в 1, если целочисленный результат выходит за пределы разрядной сетки. Тем самым данный бит указывает на потерю старшего бита результата.

IOPL – уровень приоритета: 2-битовое поле, которое отображает уровень приоритета ввода-вывода для выполняемой в данное время программы или задачи. Действительный приоритет задачи может быть меньше или равен IOPL.

NT – флаг вложенной задачи: управляет последовательностью вызванных и прерванных задач. Установлен в 1, если текущая задача связана с предыдущей, сброшен в 0, если текущая задача не связана с другими задачами.

RF — флаг возобновления: используется при обработке прерываний от регистров отладки.

VM — флаг виртуального 8086: признак работы процессора в режиме виртуального 8086: 1 – процессор работает в режиме виртуального 8086, 0 – процессор работает в реальном или защищенном режиме.

AC — флаг контроля выравнивания: предназначен для разрешения контроля выравнивания при обращениях к памяти. Если требуется контролировать выравнивание данных и команд по адресам, кратным 2 или 4, то установка данных битов приведет к тому, что все обращения по некратным адресам будут вызывать исключительную ситуацию.

VIF — флаг виртуального прерывания: при определенных условиях (одно из которых – работа микропроцессора в V-режиме) является аналогом флага IF. Флаг VIF используется совместно с флагом VIP.

VIP — флаг отложенного виртуального прерывания: устанавливается в 1 для индикации отложенного прерывания. Используется совместно с VIF в виртуальном режиме.

ID — флаг поддержки идентификации процессора: используется для отображения поддержки микропроцессором инструкции CPUID.

Назад

Комментариев к записи: 2

  • подключаются к плате для того, чтобы наблюдать за происходящим и передавать управляющие сигналы в шину, чтобы создавать необычные ситуации во время работы процессора


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *