Память ЭВМ: операции доступа к памяти

Основные способы организации передачи данных между памятью и ПУ

В подсистемах ввода-вывода ЭВМ используются два базовых способа организации передачи данных между памятью и ПУ˸ программно-управляемая передача и прямой доступ к памяти (ЦДЛ).

Программно-управляемая передача данных осуществляется при непосредственном участии и под управлением процессора, который при этом выполняет специальную подпрограмму ввода-вывода. Операция ввода-вывода может инициироваться центральным процессором, ᴛ.ᴇ. текущей командой программы, или запросом прерывания от ПУ. Первый случай является простым в реализации, но при обработке команды ввода-вывода ЦП бесполезно тратит время, ожидая готовности ПУ. Это значительно снижает производительность ЭВМ. Программно-управляемая передача, инициируемая запросом прерывания от ПУ, позволяет организовать более гибкое взаимодействие между ЦП и ПУ. Предположим, что в качестве ПУ используется клавиатура (клавишное устройство), предназначенная для ввода в ЭВМ команд, инструкций и данных. Каждый раз, когда пользователь (оператор) нажимает клавишу, ПУ выдает в ЦП запрос на прерывание. ЦП приостанавливает работу по текущей программе и передает управление подпрограмме ввода-вывода. Подпрограмма обрабатывает запрос и по ее завершению ЦП возвращается к работе по текущей программе. Выполнение текущей программы продолжается до следующего нажатия клавиши, и далее процесс повторяется. В этом случае преимущество от использования прерывания очевидно.

При программно-управляемой передаче данных ЦП на всœе время этой передачи отвлекается от выполнения основной программы. Операция пересылки данных логически чересчур проста͵ чтобы эффективно загружать логически сложную быстродействующую аппаратуру процессора. Вместе с тем при пересылке блока данных ЦП приходится для каждой единицы передаваемых данных (байт, слово) выполнять довольно много инструкций, чтобы обеспечить буферизацию данных, преобразование форматов, подсчет количества переданных данных, формирование адресов в памяти и т.п. В результате скорость передачи данных при пересылке блока данных под управлением процессора оказывается недостаточной. По этой причине для быстрого ввода-вывода блоков данных и разгрузки ЦП от управления операциями ввода-вывода используют прямой доступ к памяти.

Прямой доступ к памяти — это такой способ обмена данными, который обеспечивает автономно от ЦП установление связи и передачу данных между ОП и ПУ. Прямой доступ к памяти освобождает процессор от управления операциями ввода-вывода, позволяет осуществлять параллельно во времени выполнение процессором программы с обменом данными между ОП и ПУ, производить данный обмен со скоростью, ограничиваемой только пропускной способностью ОП или ПУ.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, ПДП, разгружая процессор от обслуживания ввода-вывода, способствует возрастанию общей производительности ЭВМ. Повышение предельной скорости ввода-вывода информации делает машину более приспособленной для работы в системах реального времени. Прямым доступом к памяти управляет контроллер ПДП (рис. 5.1), который выполняет следующие функции˸

1. Управление инициируемой процессором или ПУ передачей данных между ОП и ПУ.

2. Задание размера блока данных, который подлежит передаче и области памяти, используемой при передаче.

3. Формирование адресов ячеек ОП, участвующих в передаче.

4. Подсчет числа единиц данных (байт, слов), передаваемых от ПУ в ОП или обратно, и определœение момента завершения заданной операции ввода-вывода.

В современных ЭВМ используется как программно-управляемая передача данных, так и прямой доступ к памяти.

 

Архитектура Intel IA-32.

Общая архитектура процессора определяет комплекс средств, предоставляемых пользователю для решения различных задач. Эта архитектура зада╦т базовую систему команд процессора и реализуемых способов адресации, набор программно-доступных регистров (регистровая модель), возможные режимы работы процессора и обращения к памяти и внешним устройствам (организация памяти и реализация обмена по системной шине), средства обработки прерываний и исключений.

В процессоре Pentium 4 реализуется архитектура IA-32 (Intel Architеcture-32), общая для всех 32-разрядных микропроцессоров Intel, начиная с i386. В табл. 1 приведены основные модели процессоров, в которых используется эта архитектура, и некоторые их характеристики. Отметим, что модели Pentium II Xeon и Pentium III Xeon ориентированы на работу в высокопроизводительных мультипроцессорных системах (серверах, рабочих станциях). Для этих же приложений планируется выпуск в 2001 году модификации процессора Pentium 4 с поддержкой мультипроцессорного режима работы (название проекта ≈ Foster). История архитектуры IA-32 насчитывает уже более 15 лет, и е╦ основные черты достаточно полно описаны в ряде монографий (например, в [2]). Поэтому ограничимся их кратким обзором.

В процессе развития IA-32 производилось расширение возможностей обработки данных, представленных в различных форматах (рис. 1). Процессоры i386 выполняли обработку только целочисленных операндов. Для обработки чисел с ⌠плавающей точкой■ использовался внешний сопроцессор i387, подключаемый к микропроцессору. В состав процессоров i486 и последующих моделей Pentium введ╦н специальный блок FPU (Floating-Point Unit), выполняющий операции над числами с ⌠плавающей точкой■. В процессорах Pentium MMX была впервые реализована групповая обработка нескольких целочисленных операндов разрядностью 1, 2, 4 или 8 байт с помощью одной команды. Такая обработка обеспечивается введением дополнительного блока MMX (Milti-Media Extension ≈ Мультимедийное Расширение). Название блока отражает его направленность на обработку видео- и аудиоданных, когда одновременное выполнение одной операции над несколькими операндами позволяет существенно повысить скорость обработки изображений и звуковых сигналов. Начиная с модели Pentium III, в процессоры вводится блок SSE (Streaming SIMD Extension ≈ Потоковое SIMD-расширение) для групповой обработки чисел с ⌠плавающей точкой■.

 

18.Система команд микропроцессора на примере Intel IA-32

Программную модель процессора в архитектуре IA-32 (INTEL ARCHITECTURE) процессоров INTEL составляет следующий набор ресурсов (рис. 1.1):

пространство адресуемой памяти до 232 байт (4 Гбайт), для Pentium II и выше — до 236 байт (64 Гбайт);

регистры для хранения данных общего назначения;

сегментные регистры;

регистры состояния и управления;

регистры устройства вычислений с плавающей запятой (сопроцессора);

набор регистров целочисленного MMX-расширения, отображенных на регистры сопроцессора (впервые появились в архитектуре процессора Pentium MMX);

набор регистров MMX-расширения с плавающей точкой (впервые появились в архитектуре процессора Pentium III);

программный стек — специальная информационная структура, для работы с которой предусмотрены специальные машинные команды. Кроме того, к ресурсам, поддерживаемым архитектурой IA-32, необходимо отнести порты ввода-вывода, счетчики мониторинга производительности. Программные модели более ранних процессоров (i486, первые Pentium до Pentium MMX включительно) отличаются меньшим размером адресуемого пространства оперативной памяти (максимально 232 адресов, так как разрядность их шины адреса составляет 32 бита) и отсутствием некоторых групп регистров. Поэтому на рис. 1.1 для каждой группы регистров в скобках показано, начиная с какой модели она появилась в программной модели процессоров INTEL. Если такого обозначения нет, то это означает, что данная группа регистров присутствовала в процессорах i386 и i486. Что касается еще более ранних процессоров i8086/88, то на самом деле они тоже полностью представлены на схеме, но составляют лишь небольшую ее часть. В программную модель этих процессоров входят 8- и 16-разрядные регистры общего назначения, сегментные регистры, регистры FLAGS, IP и адресное пространство памяти размером до 1 Мбайт.