Архитектура микропроцессора i8086

Микропроцессор Intel 8086 — существенно отличается от i8080. В нем применена новая значительно более мощная и гибкая система команд, есть возможность адресации 1 Мбайта памяти, обращения к 65536 устройствам ввода и такому же количеству устройств вывода информации.

В i8086 имеется возможность изменения внутренней аппаратной конфигурации с помощью специального управляющего сигнала. В более простом режиме 8086 ориентирован на использование в простых вычислительных и управляющих устройствах. При этом микропроцессор сам вырабатывает сигналы управления шиной и обеспечивает прямой доступ к ней посредством контроллера Intel 8257. В режиме полной конфигурации обеспечивается работа с контроллером шины 8288, который декодирует три сигнала состояния процессора и в зависимости от них выдает семь сигналов управления шиной. Такой режим используется в мультипроцессорных системах и в сложных вычислительных устройствах, в частности, в компьютере IBM PC/XT.

Интересно организована память: хранение 16-разрядных слов осуществляется в виде отдельных байтов, причем байты, передающиеся по восьми младшим линиям шины данных (D7-D0), собраны в банк 0, а передаваемые по восьми старшим линиям — в банк 1. Объем каждого банка составляет 512 Кбайт. Таким образом, нечетные байты хранятся в банке 1, а четные. — в банке 0. Выбор банка осуществляется с помощью младшего адреса и сигнала управления старшими разрядами шины данных.

Еще одна важная особенность — возможность обработки 256 типов прерываний (от 0 до 255), в том числе есть прерывания, определяемые пользователем, и пошаговые прерывания.

Микропроцессор Intel 8086 приспособлен для работы с несколькими процессорами в одной системе, причем возможно использование как независимых процессоров, так и сопроцессоров. Отличие заключается в том, что независимый процессор выполняет свою собственную последовательность команд, а сопроцессор следит за потоком команд центрального процессора и выделяет из него "свои" команды, расширяя набор команд основного процессора и улучшая таким образом характеристики системы. Для поддержки этих режимов используются команды ESC, LOCK и XCHG, а также специальные управляющие сигналы, позволяющие разрешать конфликты доступа к общим ресурсам.

Внешние шины адреса и данных в 8086 объединены, и поэтому наличие на шине в данный момент времени информации или адреса определяется порядковым номером такта внутри цикла. Процессор ориентирован на параллельное выполнение команды и выборки следующей команды. В целом выполнение команды происходит примерно так же, как и в 8080. Команда выбирается из памяти и принимается микропроцессором в свободный регистр очереди команд, причем в то же самое время выполняется предыдущая команда. Конвейеризация команд позволяет значительно повысить быстродействие системы. При выполнении команд проверяются состояния входов запросов прерываний и захвата шины, и при необходимости выполняются соответствующие действия.

Микропроцессор i8086 состоит из трех основных частей: устройства сопряжения шины, устройства обработки и устройства управления и синхронизации.

Устройство сопряжения шины состоит из шести 8-разрядных регистров очереди команд, четырех 16-разрядных регистров адреса команды, 16-разрядного регистра команды и 16-разрядного сумматора адреса (см. рис. 2). Оно выполняет следующие функции: выбирает команды из памяти и записывает их в регистр очереди команд, вычисляет и формирует физический адрес, читает операнды из памяти или из регистров и записывает результат выполнения команд в память или в регистры.

Рис.2. Внутренняя структура микропроцессора 8086. Увеличить рисунок

Устройство обработки преобразует данные. Команда из очереди команд по запросу устройства обработки поступает на внутреннюю шину команд, а с нее на микропрограммное устройство управления, декодирующее ее и генерирующее соответствующие последовательности микрокоманд, необходимые для выполнения текущей операции. В отличие от первых микропроцессоров, устройство обработки в 8086 не связано с внешней шиной, а обменивается с ней информации через регистр обмена устройства сопряжения шины.

Устройство обработки содержит 16-разрядное арифметико-логическое устройство, восемь 16-разрядных регистров общего назначения и 16-разрядный регистр флагов. Регистры могут использоваться как 16-разрядные или как пары 8-разрядных (при этом их количество удваивается).

Архитектура микропроцессора i80286

Кристалл 80286 представляет для читателя интерес прежде всего потому, что является, пожалуй, наиболее распространенным микропроцессором из применяющихся в персональных компьютерах. Как и его предшественник — 8086 — он имеет 16-разрядные шины данных и адреса и самым характерным его отличием можно считать, помимо большей тактовой частоты, возможность работы в режиме виртуальной адресации (адресация памяти объемом более 1 Мбайта), речь о котором пойдет ниже.

Регистры

Как и любой процессор, Intel 80286 содержит некоторое количество ячеек памяти быстрого доступа, называемых регистрами. В состав i286 входят три набора по четыре регистра и один специальный регистр — указатель команды.

Регистры общего назначения

Первый набор включает в себя регистры общего назначения или РОН, необходимые для временного хранения тех операндов и результатов вычислений, доступ к которым постоянно повторяется в процессе выполнения программы. Использование РОН в подобных случаях существенно ускоряет работу системы за счет сокращения времени чтения/записи и пересылки данных из ОЗУ. Всего регистров общего назначения четыре, они, разумеется, 16-разрядные, но могут использоваться и как 8-разрядные (однобайтные), при этом их количество удваивается.

Функции всех РОН, в основном, идентичны, но в некоторых случаях архитектура предполагает их строгую специализацию. Например, при выполнении команд обработки строк и циклов, в одном из регистров должно храниться число, равное количеству итераций. Этот регистр выполняет роль счетчика (counter) и носит название CX. Остальные регистры выполняют функции аккумулятора (AX), базы (BX) и ячейки временного хранения данных (DX). Как мы уже знаем, каждый регистр из числа РОН может быть разделен на два однобайтных, один из которых (0-7) называется младшим (Low), а другой (7-15) — старшим (High). В соответствии с этим, каждый 8-разрядный регистр получил свое название: младшие именуются AL, BL, CL, DL, а старшие — AН, BН, CН и DH (рис. 3).

Рис.3. Регистры общего назначения

Перед тем как познакомиться с назначением и функциями остальных наборов регистров, разберемся, каким образом процессору с 16-разрядной шиной адреса удается работать с памятью объемом в 1 Мбайт.

Режим реального адреса

Адресная шина процессора 80286 имеет ширину 16 бит, к тому же известно, что максимальное двоичное число длиной в два байта равно 2¹⁶ или 64 Кбайт и, если адрес задается таким числом, то, вроде бы, пространство ОЗУ, с которым может работать процессор, не должно превышать 64 Кбайт. С другой стороны, 1 Мбайт памяти можно адресовать с помощью двоичного числа длиной 20 бит (2²⁰). Как быть?

Можно, например, воспользоваться двойным адресом, ведь в повседневной жизни нам приходится постоянно сталкиваться с многоступенчатыми адресами: мы пишем на почтовом конверте сначала название города, потом — улицы, дома и т.д. (Предположим на мгновенье, что все квартиры в СССР пронумерованы последовательно, каково придется почте в такой ситуации?) Разработчики 80286 решили проблему подобным же образом: полный адрес ячейки памяти состоит из комбинации двух 16-разрядных чисел, причем одно из них предназначили для адресации внутри некоторой области ОЗУ размером 64 К байта, а второе — для локализации этой области во всем пространстве ОЗУ. Область, внутри которой происходит адресация, называется сегментом, а адрес внутри сегмента — внутрисегментным смещением. Адрес, локализующий положение сегмента в оперативной памяти, содержится в одном из специальных сегментных регистров процессора, но он тоже 16-разрядный. Для того, чтобы при помощи этого адреса можно было перекрыть все пространство ОЗУ, со стороны младшего байта его дополняют четырьмя нулями. Например, если содержимое сегментного регистра: 0001.1101.1000.1111 (или 1D8F₁₆) то адрес начала соответствующего сегмента будет равен: 0001.1101.1000.1111.0000 (или 1D8F0₁₆). Таким образом можно искусственно разделить всю память на сегменты, начинающиеся по адресам, кратным 16₁₀. Предположим, что внутрисегментное смещение нашей ячейки задано числом 1001.1011.0010.0101 или 9В25₁₆, в этом случае ее реальный адрес будет равен сумме адреса сегмента и внутрисегментного смещения: 1D8F0₁₆+9B25₁₆ = 27015₁₆ (рис. 4).

Рис.4. Формирование адресов байта или слова

Выполняемая программа может обращаться к любому из четырех сегментов, именуемых: текущий сегмент кода (то есть программы), текущий сегмент данных, текущий сегмент стека и текущий дополнительный сегмент.

Теперь вернемся к регистрам.