Архитектура ЭВМ. Вычислительные системы, сети, телекоммуникации (стр. 24 )

Устройство сопряжения с системной магистралью содержит управляющие регистры, конвейер команд, АЛУ команд, устройство управления исполнительным блоком МП и интерфейс памяти (соединяющий внутреннюю магистраль МП с системной магистралью ПЭВМ).

Управляющие регистры BIU: CS (указатель командного сегмента), DS указатель сегмента данных), SS (указатель сегмента стека), ES (указатель дополнительного сегмента) и др. служат для определения физических адресов ОП - операндов и команд. Регистр IP (Instruction Pointer) является указателем адреса команды, которая будет выбираться в конвейер команд в качестве очередной команды (в отечественной литературе такое устройство называется счетчик команд). Конвейер команд МП хранит несколько команд, что позволяет при выполнении линейных программ совместить подготовку очередной команды с выполнением текущей.

К управляющим регистрам МП относится и регистр флагов, каждый разряд которого имеет строго определенное назначение. Обычно разряды регистра флагов устанавливаются аппаратно при выполнении очередной операции в зависимости от получаемого в АЛУ результата. При этом фиксируются такие свойства получаемого результата, как нулевой результат, отрицательное число, переполнение разрядной сетки АЛУ и т. д. Но некоторые разряды регистра флагов могут устанавливаться по специальным командам. Некоторые разряды имеют чисто служебное назначение (например, хранят разряд, (выпавший” из АЛУ во время сдвига) или являются резервными (т. е. не используются).

Все флаги младшего байта регистра устанавливаются арифметическими или логическими операциями МП. Все флаги старших байтов, за исключением флага переполнения, устанавливаются программным путем, для этого в МП имеются команды установки флагов (STC, STD, STI), сброса (CLC CLD, CLI), инвертирования (CMC).

Взаимодействие элементов при работе микропроцессора

Работой МП управляет программа, записанная в ОП ЭВМ. Адрес очередной команды хранится в счетчике команд IP (Instruction Pointer) и в одном из сегментных регистров, чаще всего в CS. Каждый из них в реальном режиме имеет длину 16 бит, тогда как физический адрес ОП должен иметь длину 20 бит. Несогласованность длины машинного слова (16 бит) и длины физического адреса ОП (20 бит) приводит к тому, что в командах невозможно указать физический адрес ОП - его приходится формировать, собирать из разных регистров МП в процессе работы.

В реальном режиме вся ОП делится на сегменты (длина сегмента - 64 Кбайта). Адрес ОП разделяется на две части: номер сегмента в ОП (база сегмента) и номер ячейки внутри данного сегмента (смещение относительно начала сегмента). Базовый адрес сегмента образуется добавлением к номеру сегмента справа четырех нулей. Поскольку последние четыре разряда абсолютного (физического) адреса сегмента всегда нулевые, сегмент может начинаться не с любой ячейки ОП, а только с “параграфа” - начала 16-байтного блока ОП. В структуре микропроцессора имеется несколько регистров сегментов, например в i8086 - четыре:

С S - программный сегмент;

DS - сегмент данных (информационный сегмент);

SS - стековый сегмент;

ES - расширенный сегмент (дополнительный сегмент данных).

Номер ячейки внутри сегмента (смещение) называется также исполнительным адресом. В большинстве случаев в адресной части команды указывается именно исполнительный адрес - номер сегмента чаще всего подразумевается по умолчанию. Однако допускается указание и полного адреса ОП в виде префиксной структуры: “сегмент: смещение”. Если сегмент в команде не указывается, значит, работа ведется внутри текущего сегмента (характер выполняемой работы и какой из сегментных регистров определяет текущую базу сегмента, зависят от вида выполняемой команды).

Номер сегмента так же, как и смещение, имеет длину 2 байта. При вычислении физического адреса ОП сегмент и смещение суммируются, но сегмент перед суммированием сдвигается влево на 4 бита. В результате суммирования образуется физический адрес ОП длиной 20 бит.

В защищенном режиме базовые адреса сегментов хранятся в дескрипторных таблицах и имеют длину 24 или 32 бита (в зависимости от типа МП). В сегментных же регистрах хранится селектор, содержащий номер дескрипторной таблицы и дескрипторное смещение, т. е. порядковый номер дескриптора (в котором и хранится базовый адрес сегмента) в данной дескрипторной таблице (рис.5.6).

Рис. 5.6. Формирование физического адреса ОП в защищенном режиме

Физический адрес очередной команды через внутреннюю магистраль МП и интерфейс памяти поступает на шину адреса системной магистрали. Одновременно из устройства управления (УУ) исполнительного блока на шину управления выдается команда (управляющий сигнал) в ОП, предписывающая выбрать число, находящееся по адресу, указанному в системной магистрали. Выбранное число, являющееся очередной командой, поступает из ОП через шину данных системной магистрали, интерфейс памяти, внутреннюю магистраль МП на регистр команд (INST).

Из команды в регистре команд выделяется код операции, который поступает в УУ исполнительного блока для выработки управляющих сигналов, настраивающих микропроцессор на выполнение требуемой операции.

В зависимости от используемого в команде режима адресации организуется выборка необходимых исходных данных.

Работа микропроцессора при выполнении программного прерывания

Программы-обработчики прерываний могут находиться в различных частях основной памяти (место их расположения в разных версиях операционной системы может быть различным). Для обеспечения совместимости программ под разными версиями DOS обращение к обработчикам прерываний осуществляется по их номерам.

Связь между номером прерывания и адресом основной памяти, соответствующим точке входа в обработчик прерывания, осуществляется через таблицу векторов прерываний, занимающую 1 Кбайт сегмента 0 основной памяти.

Поскольку адрес любого байта основной памяти определяется базовым адресом сегмента (2 байта) и смещением в сегменте (2 байта), вектор прерываний разделен на четверки байтов, имеющие структуру, показанную на рис.5.7.

1байт	2 байта	3 байта	4 байта
Смещение	Сегмеит

Рис. 5.7. Структура записи в векторе прерываний

Для получения адреса обработчика прерывания № nh необходимо:

● по номеру прерывания определить адрес первого байта “четверки” в векторе прерываний (он равен п*4);

● выбрать 4 байта из 0 сегмента основной памяти, начиная с байта 4nh;

● два последних байта поместить в регистр CS;

● два первых байта поместить в счетчик команд IP.

После этого начнет выполняться первая команда обработчика прерывания № nh.

Таблица векторов прерываний используется не только для хранения адресов обработчиков прерываний, но и для указания на места хранения в ОП служебной информации. Для этой цели служат векторы прерываний IDh, lEh, IFh, 41h, 43h, 46h, 4Ah. Так, вектор IDh содержит адрес таблицы параметров видеосистемы (а не обработчика прерывания); вектор lEh - таблицы параметров дискет; 1Fh - адрес знакогенератора адаптера CGA и т. д.

Команда ЮТ, кроме определения адреса обработчика прерывания, выполняет следующие действия:

• сохраняет в стеке часть слова состояния процессора:

(SP) <— (SP)-2

(вершина стека) <—— (регистр флагов)

(SP) <—— (SP)-2

(вершина стека) <—— (CS)

(SP) <—— (SP) – 2

(вершина стека) <—— (IP)

• сбрасывает флаги разрешения прерывания и трассировки:

(IF) <—— О

(TF) <—— О

• заносит адрес точки входа обработчика прерываний в регистры CS и IP:

(CS) <—— (номер_прерывания * 4 + 2)

(IP) <—— (номер_прерывания * 4)

Команда INT относится к парным командам - каждый обработчик прерывания заканчивается командой IRET (возврат из прерывания).

По команде IRЕТ (без параметров) выполняются следующие действия:

(IP) <—— (вершина стека)

(SP) <—— (SP)+2

(CS) <—— (вершина стека)

(SP) <—— (SP)+2

(регистр флагов) <—— (вершина стека)

(SP) <—— (SP)+2

Каждый обработчик прерываний BIOS и DOS может выполнять несколько различных функций. В команде INT никак не определяется, какую именно функцию должен выполнить обработчик прерываний. Поэтому перед обращением к команде INT в регистры микропроцессора должна быть занесена информация, определяющая, какую функцию необходимо выполнить.

Например, по команде INT 13h могут быть выполнены следующие функции:

00h - сброс дисковой системы;

0lh - определение состояния дисковой системы (успешное завершение, некорректная команда, не найдена адресная метка и т. д.);

02h - чтение секторов в основную память;

03h - запись секторов из основной памяти;

04h - контроль секторов (есть ошибка - нет ошибки);

05h - форматирование дорожки;

06h - для жесткого диска - форматирование дорожки с установкой флагов плохих секторов;

07h - для жесткого диска - форматирование диска, начиная с указанной

дорожки;

08h - определение типа и текущих параметров диска...

и т. д.

Нужно иметь в виду, что одни и те же номера функций могут обозначать разные операции для различных устройств; некоторые функции отсутствуют в ранних версиях операционной системы, а некоторые — претерпели изменения в последующих версиях.

При выполнении команды INT номер функции должен содержаться в регистре АН микропроцессора. Остальные регистры должны включать необходимые для этой функции параметры. Например, для функции 02h остальные регистры микропроцессора должны содержать:

AL - число читаемых секторов;

СН - номер дорожки, на которой расположены читаемые сектора;

CL - номер сектора;

DH - номер головки;

DL - номер дисковода;

ES:BX - адрес буфера для чтения.

В результате выполнения этой функции при возникновении ошибки флаг CF устанавливается в 1; в регистр AL заносится число считанных секторов, в регистр АН записывается код состояния, сформированный после окончания операции: