Вычислительные машины, системы и сети (стр. 13 )

Детальное описание новых команд можно найти в фирменных источниках Intel.

Контрольные вопросы

1. В какой модели процессора объединились ЦП и АП в одном кристалле?

2. Объясните главное назначение ММХ-расширения. Какие новые регистры данных добавились для его реализации?

3. Чем отличаются программные модели Pentium II и Pentium IV?

4. Какие форматы вещественных чисел доступны для параллельной обработки в SSE и SSE2 расширениях команд?

5. Что нового дало совершенствование технологии с введением SS3-расширения?

6. В чем сущность и каково назначение команд упаковки и распаковки?

7. Какие операции выполняются быстрее за счет удвоения внутренней тактовой частоты ЦП?

8. В чем отличие ситуации кэш-промаха и кэш-попадания?

9. Обратная или прямая запись в основную память используется в ЦП Pentium IV и почему?

10. Объясните особенности пакетно-сетевой архитектуры ЦП Pentium IV.

11. Сколько регистров данных образуют программную модель ЦП Pentium IV?

12. В чем заключается назначение регистра управления-состояния MXCSR?

13. Что происходит при «переполнении» по команде paddusw MM0,MM1?

14. Поясните назначение кэш-памяти микрокоманд ЦП.

15. Перечислите команды управления кэшированием и объясните их предназначение.

16. Сколько уровней внутренней кэш-памяти включает Pentium IV и как они распределяются между обрабатываемыми данными?

17. Почему увеличение числа стадий конвейера позволяет увеличить тактовую частоту работы ЦП?

18. Каков размер блока регистров расширения и для чего эти регистры служат?

19. Что является задачей блока трассировки и предсказания ветвлений и как он работает?

20. Объясните суть технологии удвоения внутренней тактовой частоты (Rapid Execution Engine).

21. Для чего служит кэш-память микрокоманд и что дает ее использование?

22. В чем заключаются основные отличия архитектуры Pentium MMX и Pentium III?

23. Дайте сравнительную характеристику ЦП Pentium III и Pentium IV.

24. Объясните назначение команд упаковки и распаковки и приведите примеры их использования.

25. Поясните как выполняется умножение по команде ppaddwd MM0,MM1?

26. На какие типы данных указывает каждый из суффиксов b, w, d, q в ММХ-командах?

27. Какие действия выполняются по команде pandn (логическое И-НЕ)?

28. К какому расширению относится команда punpckhbw?

29. Сколько данных одновременно могут обрабатывать параллельные арифметические операции?

30. Какие суффиксы имеют мнемокоды скалярных и параллельных операций?

4.1. Программируемый контроллер прерываний

Задача контроллера состоит в приеме запросов прерывания от ВУ, сравнении их приоритетов и посылки запроса прерыва­ния в ЦП вместе с информацией о местоположении соответству­ющей подпрограммы. В функции ПКП также входит изменение дисциплины обслуживания ВУ, т. е. установка различных режи­мов присвоения приоритетов ВУ в соответствии с общими требо­ваниями к системе.

Один контроллер позволяет обслу­живать восемь ВУ, число которых может быть увеличено путем каскадирования контроллеров. Так, в ВМ используется два ПКП и число обслуживаемых аппаратных прерываний равно 15. На рис. 4.1 изображе­на схема ПКП.

Буфер данных БД вместе со схемой управления обменом по ШД D7 – D0 обеспечивает прием управляющих слов (команд) в контроллер при программировании, а также выдачу состояний регистров контроллера и информации об адресе подпрограммы. Регистр запросов прерываний РЗП служит для запоминания всех запросов от ВУ по входам IR7-IR0. Регистр масок преры­ваний РМП хранит маску, с помощью которой можно запретить обслуживание запросов по любому входу. Схема сравнения прио­ритетов СхСПр выбирает запрос с наибольшим приоритетом сре­ди вновь поступивших и уже обслуживаемых запросов. Регистр обслуживаемых прерываний РОП. содержит единицы на позици­ях, соответствующих обслуживаемым запросам, причем каждая единица запрещает обслуживание запросов с меньшим приоритетом, если отсутствует режим специального маскирования.

Управляющее устройство УУ, содержащее регистры команд инициализации РКИ и регистры рабочих команд РРК, обеспечивает выработку внешних и внутренних управляющих сигналов. Блок каскадирования БК осуществляет связь ведущей БИС контроллера с ведомыми при использовании нескольких ПКП в микропроцессорной системе.

Рис. 4.1. Схема программируемого контроллера прерываний
Intel 8259A

Последовательность действий при обслуживании прерываний:

1. ПКП воспринимает запросы прерывания по входам IR от одного или нескольких ВУ, записывает единицы в соответствующие разряды РЗП, проверяет маскирование, определяет запрос с наивысшим приоритетом и посылает сигнал прерывания INT на соответствующий вход ЦП.

2. Если прерывания разрешены, ЦП заканчивает выполнение текущей команды и активизирует сигнал подтверждения прерывания INTA.

3. По получении первого импульса INTA ПКП устанавливает в «1» разряд регистра РОП, соответствующий запросу, подлежащему обслуживанию, а одноименный разряд регистра РЗП сбрасывается в «0».

4. ЦП вырабатывает второй импульс INTA, по получении которого контроллер посылает по ШД в ЦП8-разрядный указатель (вектор), используемый для определения начального адреса подпрограммы обслуживания прерывания.

5. ЦП переходит на выполнение подпрограммы обслуживания прерывания.

В режиме автоматического окончания прерывания AEOI цикл входа в прерывание завершается по окончании второго импульса INTA, по которому соответствующий разряд РОП сбрасывается в «0». В режиме обычного окончания разряд регистра РОП, соответствующий текущему уровню прерывания, остается в «1> до появления команды EOI - конец прерывания.

Программирование контроллера прерываний.

Контроллер программируется с помощью команд, которые формируются в регистре АL центрального процессора и передаются в ПКП по команде OUT. Различают два вида команд программирования: команды инициализации ICW, используемые для начальной подготовки контроллера к работе, и рабочие команды OCW, предназначенные для задания маски, различных режимов работы ПКП, а также для обеспечения контрольного считывания содержимого регистров ПКП. Управляющие сигналы, которые сопровождают подачу команд, приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1.

A0	D4	D3	RD	WR	CS	Операция
0	0	0	1	0	0	ШД -> ОСW2
0	0	1	1	0	0	ШД -> ОСW3
0	1	Х	1	0	0	ШД -> ICW1
1	Х	Х	1	0	0	ШД -> ICW2, ICW3, ICW4, OCW1
0	-	-	0	1	0	РЗП, РОП -> ШД
1	-	-	0	1	0	РМП -> ШД
Х	Х	Х	1	1	0	Нет операции (выходы D7 – D0
Х	Х	Х	Х	Х	1	- в третьем состоянии)

Различают четыре основных режима работы контроллера: полной вложенности, циклического приоритета, специального маскирования и поллинга (последовательного опроса). Режим полной вложенности, при котором каждый вход запроса прерываний имеет фиксированный приоритет от высшего уровня (вход IRO) до низшего (вход IR7), является стандартным и не требует использования рабочих команд. Остальные режимы, а также состояние регистра маски РМП могут быть заданы с помощью следующих рабочих команд.

Команда OCW1 устанавливает и сбрасывает разряды регистра РМП: установленный в «1» i-ый разряд регистра маскирует вход IRi; во всех режимах, в результате чего запросы по этому входу не будут вызывать перехода к программе обслуживания.

Команда OCW2 управляет режимами сдвигов приоритетов и окончаний прерываний.

Команда OCW3 служит для установки режимов маскирования, считывания статуса и поллинга.

Режимы работы контроллера.

Режим полной вложенности - устанавливается сразу после окончания инициализации. Приоритеты запросов прерывания упорядочиваются в сторону убывания от 0 до 7. Добавим, что в системе с каскадированием контроллеров полная вложенность обеспечивается только по входам ведущего контроллера. При обслуживании запроса по какому-либо входу ведомого контроллера запросы по другим его входам (даже с более высоким приоритетом) не обслуживаются.

Специальный режим полной вложенности. Применяется тогда, когда в системе используется каскадирование контроллеров и вложенность приоритетов должна сохраняться для каждого контроллера. Этот режим, устанавливаемый командой ICW4, отличается от обычного режима полной вложенности следующим:

- когда обслуживается запрос от некоторого ведомого контроллера, этот контроллер не закрыт от приоритетной логики ведущего контроллера и дальнейшие запросы на прерывание от входов с более высоким приоритетом в пределах ведомого контроллера будут распознаваться ведущим контроллером и инициировать запрос прерывания для ЦП (в обычном режиме полной вложенности ведомый контроллер маскируется, если его запрос находится в обслуживании, так что другие запросы от него не воспринимаются);

- если запускается подпрограмма обслуживания прерывания, то программным путем необходимо проверить, является ли данное прерывание единственным от этого ведомого контроллера. Это. делается с помощью посылки неспецифической команды окончания прерывания EOI на подчиненный контроллер с последующим чтением содержимого РОП и проверкой его на нуль. Если проверка удовлетворена, то такая же команда EOI посылается на ведущий контроллер для анализа его РОП.

Режимы циклического приоритета. Используются в тех случаях, когда требуется установить одинаковые приоритеты на обслуживание ВУ. При этом любое обслуженное ВУ получает низший приоритет, а приоритеты остальных устройств циклически сдвигаются относительно него. Повторное обслуживание ВУ возможно лишь после обслуживания всех остальных устройств. Такой режим автоматического сдвига приоритетов называется режимом А и устанавливается командой OCW2.

В контроллере имеется также режим программного сдвига приоритетов - режим В. В этом случае разработчик может с помощью команды OCW2 задавать номер входа, которому будет присвоен низший приоритет, а приоритеты других входов зафиксируются по отношению к заданному.

Режим cпециального маскирования. Применяется для того, чтобы программы обслуживания прерываний могли динамически изменять структуру системных приоритетов в процессе работы. Например, при выполнении какой-либо части подпрограммы обслуживания необходимо запретить запросы более низких уровней, а при выполнении другой части - разрешить их. Трудность реализации таких действий состоит в том, что пока выполняется подпрограмма и соответствующий разряд в регистре РОП не сброшен, контроллер не реагирует на запросы с более низким приоритетом. Для разрешения прерываний со всех уровней (в том числе и с более низких) устанавливается режим специального маскирования (затенения), при котором запрещается только прерывание на данном уровне. Этот режим задается и отменяется командой OCW3.

Рис. 4.2. Схема каскадирования ПКП

Режим опроса (поллинга). Применяется для организации обслуживания запросов прерываний по инициативе программы, выполняемой МП. При этом прерывания ЦП запрещаются путем сброса флага IF и используется команда POLL, которая задается с помощью OCW3. Тогда контроллер воспринимает следующий импульс по входу RD как подтверждение прерывания и выдает на ШД следующий байт: D7 = 1 - устанавливается .в «1», если на вход данного контроллера поступил запрос; D2 - D0 - задают двоичный код входа высшего уровня среди тех, по которым поступили запросы. С помощью команды POLL последовательно опрашиваются все контроллеры прерываний в системе, что позволяет легко наращивать число уровней приоритетов сверх 64. В этом режиме таблица адресов подпрограмм обслуживания не используется, и он полезен в тех случаях, когда одна подпрограмма применяется для обслуживания нескольких уровней прерываний.

Каскадирование контроллеров прерываний. Контроллеры прерываний имеют встроенные средства для их каскадирования с целью увеличения числа уровней прерываний. На рис. 4.2 показана схема каскадирования, содержащая три контроллера, в которой контроллер ПКП0 является ведущим, а остальные два - ведомыми. Включение контроллера в качестве ведущего или ведомого определяется соответствующим подключением вывода SP/EN к источнику питания в первом случае и к общей шине - во втором. Шины каскадирования CAS0–CAS2 всех контроллеров соединяются параллельно, причем выводы CAS0-CAS2 ведущего контроллера работают как выходы, а у ведомых контроллеров - как входы. Когда активизируется вход запроса ведомого контроллера, ведущий контроллер разрешает ведомому выдать номер соответствующего уровня прерывания по второму импульсу INTA.

4.2. Программируемый контроллер ПДП

Контроллер прямого доступа к памяти (ПДП) предназначен для обмена данными между устройствами ввода-вывода и ОЗУ без использования центрального процессора, что позволяет освободить процессор для выполнения вычислений параллельно с обменом и независимо от него. Наиболее часто возможности ПДП используются при работе с дисковыми накопителями, однако реализовано использование ПДП и рядом других устройств. Ощутимые преимущества дает использование ПДП в процессе обмена с устройствами, принимающими или передающими данные достаточно большими порциями с высокой скоростью. В компьютерах IBM функции контроллера ПДП выполняет микросхема Intel 8237А. Контроллер имеет 4 независимых канала, каждый из которых может обслуживать одно устройство ввода-вывода.