МПС

Архитектура 16-разрядного микропроцессора (Лекция)

 

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Распределение адресного пространства

2. Способы адресации методы формирования исполнительного адреса

3. Система команд i8086

 

Переход к 16-разрядным микропроцессорам - i8086 и другие аналогичной вычислительной мощности - ознаменовался качественным скачком всех основных характеристик МП: не просто увеличение разрядности, но значительное изменение архитектуры, системы команд, принципов организации структуры. В машину пользователя i8086 включатся память объемом 1М байт и две области портов ввода и вывода по 64К каждая.

Рассмотрим "машину пользователя" на базе i8086 (К1810ВМ86):

Рис. 1. МП i8086 - машина пользователя

 

Разработчики i8086 старались сохранить возможность преемственности программного обеспечения i8080, поэтому в составе i8086 можно выделить подмножество регистров i8080 (соответствующие подмножество сохранено и в системе команд). Помимо операций с 16-разрядными регистрами общего назначения (РОН) AX..DX, допускается обращение к каждому байту этих регистров - AL..DL, AH..DH. В некоторых командах РОНы выполняют определенные по умолчанию функции счетчиков, индексных регистров и т.п. (см. Рис. 2.4).

16-разрядные регистры BP, SI, DI используются для образования исполнительных адресов памяти (см. ниже), SP - указатель стека, IP - программный счетчик (СчК), F - регистр флагов. Младший байт F полностью повторяет формат регистра признаков i8080, а старший имеет след. формат:

 

 

1. Распределение адресного пространства

Адресное пространство МП определяется в i8086 разрядностью шины адреса/данных + адреса и составляет 2²⁰ = 1М байт. В этом адресном пространстве МП одновременно доступны четыре сегмента, два из которых (DS и ES) предназначены для размещения данных, CS - сегмент кода (для размещения программы) и SS - сегмент стека.

Размеры сегментов определяются разрядностью логических адресов команд, данных и стека. Логические адреса команд и стека (верхушки) хранятся в 16-разрядных регистрах IP и SS соответственно, а логический адрес данных вычисляется в команде (см. ниже) и так же составляет 16 бит. Таким образом, размер каждого сегмента в i8086 составляет 64К байт. Положение сегмента в адресном пространстве (его начальный адрес) определяется содержимым одноименного сегментного регистра. Формирование физического адреса иллюстрируется схемой.

Граница сегмента в адресном пространстве может быть установлена не произвольно, а таким образом, чтобы начальный адрес сегмента был кратен 16.

 

Рис. 2. Формирование физического адреса

 

По умолчанию сегментные регистры выбираются для образования физического адреса след. образом: при считывании команды по адресу IP используется CS, при обращении к данным - DS или ES, при обращению к стеку - SS. С помощью специальных приставок к команде (префикса) можно назначить для использования произвольный сегментный регистр (кроме пары CS:IP, которая не подлежит модификации). Границы сегментов могут быть выбраны т.о., что сегменты будут изолированы друг от друга, пересекаться или даже полностью совпадать. Например, если загрузить CS=SS=DS=ES=0, то все сегменты будут совпадать друг с другом и начинаться с нулевого адреса - вариант организации адресного пространства i8080.

 

2. Способы адресации методы формирования исполнительного адреса

 

Длина команды i8086 может составлять от 1 до 6 байт. Формат команды представлен ниже.

Рис. 3. Формат команды МП i8086

 

Большинство команд i8086 являются двухадресными, причем один адрес определяет регистр процессора, а другой - память или регистр. Поля команды имеют следующие назначения:

D - определяет направление передачи информации: при D = 1 REG является приемником, иначе - источником;

W - определяет длину операндов в команде: при W = 1 длина операндов составляет 16 бит (слово - word), иначе - 8 бит(байт);

REG - определяет регистр для первого операнда.

 

Таблица. 1

 

Поля R/M и MOD определяют способ формирования адреса второго операнда, который располагается чаще всего в памяти. Далее приведены способы формирования адресов памяти для двух значений поля MOD.

Таблица 2

 

При операциях с d8 осуществляется его "знаковое расширение" до 16 бит - биты 15..8 принимают значение бита 7 (знака).

При значении MOD = 10 используются те же регистры, что при MOD = 01 (см. Табл. 2.4), но вместо d8 используется d16.

При MOD = 11 вторым операндом команды является регистр.

Таким образом, операнд в памяти может адресоваться прямо (MOD = 00, R/M = 110) или косвенно посредством содержимого базовых (BP, BX) или индексных (SI, DI) регистров, а так же их суммы. Режимы адресации спроектированы с учетом эффективной реализации языков высокого уровня. Например, к простой переменной можно обратиться в режиме прямой адресации, а к элементу массива - в режиме косвенной адресации посредством BX, SI. Режим адресации через BP предназначен для доступа к данным из сегмента стека, что удобно при реализации рекурсивных процедур и компиляторов языков высокого уровня.

 

3. Система команд i8086

Система команд насчитывает 113 базовых команд, объединенных в следующие группы.

 

1) Команды передачи данных:

а) между регистрами и памятью (включая стек), обмен содержимым источника и приемника;

б) ввода, вывода, табличного преобразования;

в) загрузка исполнительного адреса в РОНы, загрузка 4-байтового адресного объекта в регистры-указатели (начальный адрес сегмента и смещение в сегменте);

г) передача содержимого регистра F флагов в память, в стек и из стека.

2) Арифметические команды:

+ - × / двоичных чисел со знаком и без знаков (произведение и делимое представляются числами двойной длины),

коррекция десятичная + - упакованных двоично-десятичных чисел,

коррекция десятичная + - × / распакованных двоично-десятичных чисел.

3) Логические команды и сдвиги:

инверсия, конъюнкция, дизъюнкция, неравнозначность;

TEST - поразрядная конъюнкция операндов с установкой флагов но без занесения результатов;

сдвиги на 1 или заданное число разрядов (константа сдвига располагается в CL).

4) Команды передачи управления:

переходы, вызовы, возвраты - имеют две разновидности - внутрисегментные ("близкие") и межсегментные ("дальние").

При близких передачах загружается только IP, при дальних - IP и CS. Передачи управления могут быть прямыми (целевой адрес - в команде) или косвенными (целевой адрес вычисляется с использованием стандартных режимов адресации)

В 16 командах условных переходов проверяются отношения знаковых и беззнаковых чисел. Имеются 4 команды управления циклами, которые рассчитаны на передачу числа повторений цикла в регистре CX.

5) Команды обработки цепочек данных

Команды манипулируют последовательностями байт или слов в памяти. Время обработки цепочек этими командами гораздо меньше, чем соответствующей программной реализацией.