Структурная схема ПЭВМ (продолжение)

Микропроцессор. Ядром любой ПЭВМ является центральный микропроцессор, который выполняет функции обработки информа­ции и управления работой всех блоков ПЭВМ.

Конструктивно МП, как правило, выполнен на одном кристалле (на одной СБИС). В состав МП входят:

• центральное устройство управления,
• арифметико-логическое устройство,
• внутренняя регистровая память,
• КЭШ-память,
• схема формирования действительных адресов операндов для об­ращения к оперативной памяти,
• схемы управления системной шиной и др.

Рассмотрим структуру и функционирование микропроцессора на примере разработанной фирмой Intel модели i486.

АЛУ выполняет логические операции, а также арифметические операции в двоичной системе счисления и в двоично-десятичном ко­де, причем арифметические операции над числами, представленными в форме с плавающей точкой, реализуются в специальном блоке. В некоторых конфигурациях с этой целью используется арифметический сопроцессор (например, 180387). Он имеет собственные регист­ры данных и управления, работает параллельно с центральным МП, обрабатывает данные с плавающей точкой.

Устройство управления микропроцессорного типа обеспечивает конвейерную обработку данных с помощью блока предварительной выборки (очереди команд).

Блок предварительной выборки команд и данных осуществляет заполнение очереди команд длиной 32 байта, причем выборка байтов из памяти выполняется в промежутках между магистральными цик­лами команд.

Производительность микропроцессора значительно повышается за счет буферизации часто используемых команд и данных во внут­ренней КЭШ-памяти размером (в данном случае) 8 Кбайт. При этом сокращается число обращений к внешней памяти. Внутренняя КЭШ-память имеет несколько режимов работы, что обеспечивает гибкость отладки и выполнения рабочих программ.

Сегментация памяти является средством управления простран­ством логических адресов. Сегментированная память представляет собой набор блоков, характеризуемых определенными атрибутами,’ такими, как расположение, размер, тип (стек, программа, данные), класс защиты памяти. В МП i486 каждой задаче доступно до 16384* сегментов размером до 4 Гбайт каждый. Таким образом, каждая куча может использовать до 64 Гбайт виртуальной памяти.

В состав внутренней памяти МП входят доступные программисту функциональные регистры: регистры общего назначения, указа­тель команд, регистр флагов и регистры сегментов.

Восемь 32-разрядных регистров общего назначения используются для хранения данных и адресов. Они обеспечивают работу с данными разрядностью 1, 8,16,32 и 64 бита и адресами размером 16 и 32 бита. Каждый из таких регистров имеет свое имя, например ЕАХ или ESP.

32-разрядный указатель команд содержит смещение при опрелении адреса следующей команды. 32-разрядный регистр флагов указывает признаки результата выполнения команды.

Регистры сегментов содержат значения селекторов сегментов, оп­ределяющих текущие адресуемые сегменты памяти.

Кроме вышеуказанных регистровая память МП содержит регистры процессора обработки чисел с плавающей точкой, системные некоторые другие регистры.

Устройство управления микропроцессора обеспечивает многоза­дачность. Многозадачность — способ организации работы ПЭВМ, при котором в ее памяти одновременно содержатся программы и данные для выполнения нескольких задач. В составе МП i486 имеют­ся аппаратно-программные средства, позволяющие эффективно орга­низовать многозадачный режим, в том числе системы прерывания и защиты памяти.

Система прерывании обрабатывает запросы на прерывание как от внешних устройств, так и от внутренних блоков МП. Поступление за­проса на прерывание от внутреннего блока МП свидетельствует о воз­никновении исключительной ситуации, например, о переполнении раз­рядной сетки. Внешнее прерывание может быть связано с обслужива­нием запросов от периферийных устройств. Требуя своевременного обслуживания, внешнее устройство посылает запрос прерывания мик­ропроцессору. Микропроцессор в ответ приостанавливает нормальное выполнение текущей программы и переходит на обработку этого за­проса, чтобы в дальнейшем выполнить определенные действия по вво­ду-выводу данных. После совершения таких действий происходит воз­врат к прерванной программе. МП i486 способен обрабатывать до 256 различных типов прерываний, причем первые 32 типа отведены для внутрисистемных целей и недоступны пользователю.

Защита памяти от несанкционированного доступа в многозадач­ном режиме осуществляется с помощью системы привилегий, регу­лирующих доступ к тому или иному сегменту памяти в зависимости от уровня его защищенности и степени важности.

Защищенность определяется уровнем привилегии, требуемым для доступа к соответствующему сегменту. Уровни привилегии задаются номерами от 0 до 3. Наиболее защищенная область памяти — отве­денная под ядро операционной системы — имеет уровень 0. При об­ращении программы к сегментам программ или данных в защищен­ном режиме происходит проверка уровня привилегии и в случае, если этот уровень недостаточен, происходит прерывание.

Обмен информацией между блоками МП происходит через маги­страль микропроцессора, включающую 32-разрядную шину адреса, 32-разрядную двунаправленную шину данных и шину управления.

Шина адреса используется для передачи адресов ячеек памяти и регистров для обмена информацией с внешними устройствами.

Шина данных обеспечивает передачу информации между МП, памятью и периферийными устройствами. По этой шине возможна пересылка 32-, 16- и 8-разрядных данных. Шина двунаправленная, т.е. позволяет осуществлять пересылку данных как в прямом, так и в обратном направлении.

Шина управления предназначена для передачи управляющих сиг­налов — управления памятью, управления обменом данных, запросов на прерывание и т.д.

Внутренняя память ПЭВМ состоит из оперативной памяти и по­стоянной памяти (ПП).

Оперативная память (ОП) ПЭВМ. Она построена на БИС или СБИС и является энергозависимой: при отключении питания ин­формация в ОП теряется. В оперативной памяти хранятся исполняе­мые машинные программы, исходные и промежуточные данные и результаты. Емкость ОП в ПЭВМ измеряется в Кбайтах и Мбайтах. Иногда адресное пространство увеличивается до Гбайта. В наиболее распространенных конфигурациях ПЭВМ емкость ОП составляет 1 Мбайт и более.

В ОП обычно выделяется область, называемая стеком. Обращение, к стековой памяти возможно только в той ячейке, которая адресуется, указателем стека. Стек удобен при организации прерываний и обра­щении к подпрограммам.

Постоянная память (ПП). Она является энергозависимой, f используется для хранения системных программ, в частности так на­зываемой базовой системы ввода-вывода (BIOS — Basic Input and Output System), вспомогательных программ и т.п. Программы, хра­нящиеся в ПП, предназначены для постоянного использования мик­ропроцессором.