Процессор ЭВМ. Выполнение команды. Назначение и характеристики регистров процессора.

Процессор ЭВМ К настоящему времени сложилось понятие процессора (processor) как электронного устройства, реализованного, как правило, в виде однокристальной интегральной микросхемы. Процессор разрабатывается для физической реализации некоторого вычислительного процесса. Конструктор вычислительной системы (ВС) реализует с помощью процессоров необходимые функции по обработке данных. В ЭВМ это может быть управление обменом информацией между запоминающими устройствами разных типов, управление графическим изображением на экране монитора, или обработка нажатий клавиш на клавиатуре

Регистры. Общие положения Регистры — это встроенные в ЦП единицы памяти, время обмена с которыми на несколько порядков меньше, чем время обмена с ОП. Далее мы будем под термином " регистры" понимать только те из них, значения которых программист может изменять либо явно с помощью Регистры. Общие положения 39 команд чтения/записи, либо неявно, в результате выполнения других команд. Архитектурно предусмотрено 14 таких 16-битных регистров (слов). Каждый из регистров обладает как общими, так и особыми, отличными от других свойствами и функциями, определяемыми архи- тектурой ЦП. Каждый регистр (кроме флагов) имеет уникальное имя, которое используется (кроме имени регистра IP) в языке ассемблера в том виде, в каком оно определено на рис. 4. Структура процессора Внутренние функции ЦП логически разделены между двумя блоками. Это, как показано на рис. 4, Блок Выполнения Команд (БВК, EU Execution Unit) и Блок Связи с Шиной (БСШ, BIU — Bus Interface Unit). Блоки могут взаимодействовать синхронно, но чаще работают как раздельные асинхронные процессоры. БСШ выполняет функции чтения и организации очереди команд, чтения/записи их операндов, перемещения адресов ОП. Здесь сосредоточено также базовое управление шиной. БВК берет команды из очереди, созданной БСШ, и выполняет их. Эта структура обеспечивает эффективное временное совмещение процессов выполнения команд и чтения их из ОП в ЦП. Как правило, время, необходимое для чтения команды из ОП, не входит во время ее выполнения, поскольку Блок Выполнения Команд выполняет команду, уже прочитанную БСШ, что позволяет существенно увеличить быстродействие ЦП. Блок выполнения команд — БВК Находящееся в БВК 16-битовое арифметическое и логическое устройство (АЛУ) управляет статусом ЦП и битами регистра флагов, выполняет действия над значениями регистров общего назначения и получает команды из очереди команд, управляемой БСШ. Если команда требует доступа к ОП или УВВ для обмена, то БВК передает требование в БСШ для выполнения. Все регистры и пути данных в БВК имеют ширину 16 бит. БВК не имеет связи с шиной, не может читать или писать данные. Все адреса, которыми оперирует БВК, 16-битовые. Реализованный в БСШ механизм сегментации обеспечивает БВК доступ ко всему мегабайтовому адресному пространству ОП. В БВК входят восемь регистров общего назначения и регистр флагов.

Регистры Регистрами называют участки высокоскоростной памяти, расположенные внутри ЦПУ и предназначенные для оперативного хранения данных и быстрого доступа к ним со стороны внутренних компонентов процессора. Например, при выполнении оптимизации циклов программы по скорости, переменные, к которым выполняется доступ внутри цикла, располагают в регистрах процессора, а не в памяти.

Регистры общего назначения. Эти регистры используются в основном для выполнения арифметических операций и пересылки данных.

Особенности использования регистров. При выполнении команд процессором часть регистров общего назначения имеют особое значение.

• Содержимое регистра ЕАХ автоматически используется при выполнении команд умножения и деления. Поскольку этот регистр обычно связан с выполнением арифметических команд, его часто называют расширенным регистром аккумулятора (extended accumulator).

• Регистр ЕСХ автоматически используется процессором в качестве счетчика цикла.

• С помощью регистра ESP происходит обращение к данным, хранящимся в стеке. Стек — это системная область памяти, обращение к которой осуществляется по принципу «последним записали, первым взяли». Этот регистр обычно никогда не используется для выполнения обычных арифметических операций и команд пересылки данных. Его часто называют расширенным регистром указателя стека (extended stack pointer).

• Регистры ЕSI и ЕDI обычно используют для команд высокоскоростной пересылки данных из одного участка памяти в другой. Поэтому их иногда называют расширенными индексными регистрами источника и получателя данных (extended source index и extended destination index).

• Регистр EВР обычно используется в языках программирования высокого уровня для обращения к параметрам функции и для ссылок на локальные переменные, размещенные в стеке. Он не должен использоваться для выполнения обычных арифметических операций или для перемещения данных, за исключением случаев применения особых методик программирования опытными программистами. Его часто называют расширенным регистром указателя стекового фрейма (extended frame pointer).

Сегментные регистры. Эти регистры используются в качестве базовых при обращении к заранее распределенным областям оперативной памяти, которые называются сегментами. Существует три типа сегментов и, соответственно, сегментных регистров:

• кода (CS), в них хранятся только команды процессора, т.е. машинный код программы;

• данных (DS, ES, FS и GS), в них хранятся области памяти, выделяемые под переменные программы и под данные;

• стека (SS), в них хранится системная область памяти, называемая стеком, в которой распределяются локальные (временные) переменные программы и параметры, передаваемые функциям при их вызове.

Регистр указателя команд. В регистре EIP, который также называют регистром указателя команд, хранится адрес следующей выполняемой команды. В процессоре есть несколько команд, которые влияют на содержимое этого регистра. Изменение адреса, хранящегося в регистре ЕIP, вызывает передачу управления на новый участок программы.

Регистр флагов EFLAGS. Каждый бит этого регистра отвечает либо за особенности выполнения некоторых команд ЦПУ, либо отражает результат выполнения команд блоком АЛУ процессора. Для анализа битов этого регистра предусмотрены специальные команды процессора.