Режимы работы микропроцессора

Реальный режим (Real Mode). После инициализации (системного сброса) МП находится в реальном режиме. В реальном режиме МП работает как очень быстрый 8086 с возможностью использования 32-битных расширений. Механизм адресации, размеры памяти и обработка прерываний (с их последовательными ограничениями) МП 8086 полностью совпадают с аналогичными функциями других МП IA-32 в реальном режиме.

Режим системного управления (System Management Mode). В новых поколениях МП Intel появился еще один режим работы - режим системного управления. Он предназначен для выполнения некоторых действий с возможностью их полной изоляции от прикладного программного обеспечения и даже от операционной системы. МП переходит в этот режим только аппаратно: по низкому уровню на контакте SMI# или по команде с шины APIC (Pentium+). Никакой программный способ не предусмотрен для перехода в этот режим. МП возвращается из режима системного управления в тот режим, при работе в котором был получен сигнал SMI#. Возврат происходит по команде RSM. Эта команда работает только в режиме системного управления и в других режимах не распознается, генерируя исключение #6 (недействительный код операции).

Защищенный режим (Protected Mode) является основным режимом работы МП. Ключевые особенности защищенного режима: виртуальное адресное пространство, защита и многозадачность. МП может быть переведен в защищенный режим установкой бита 0 (Protect Enable) в регистре CR0. Вернуться в режим реального адреса МП может по сигналу RESET или сбросом бита PE.

В защищенном режиме программа оперирует с адресами, которые могут относиться к физически отсутствующим ячейкам памяти, поэтому такое адресное пространство называется виртуальным. Размер виртуального адресного пространства программы может превышать емкость физической памяти и достигать 64Тбайт.

Виртуальный режим i8086 (V 86). В режим V86 процессор может перейти из защищённого режима, если установить в регистре флагов EFLAGS бит виртуального режима (VM-бит). Номер бита VM в регистре EFLAGS - 17. Когда процессор находится в виртуальном режиме, его поведение во многом напоминает поведение процессора i8086. В частности, для адресации памяти используется схема <сегмент:смещение>, размер сегмента составляет 64 килобайта, а размер адресуемой в этом режиме памяти - 1 мегабайт.  Виртуальный режим предназначен для работы программ, ориентированных на процессор i8086 (или i8088). Но виртуальный режим – это не реальный режим процессора i8086, имеются существенные отличия. Процессор фактически продолжает использовать схему преобразования адресов памяти и средства мультизадачности защищённого режима.

В виртуальном режиме используется трансляция страниц памяти. Это позволяет в мультизадачной операционной системе создавать несколько задач, работающих в виртуальном режиме. Каждая из этих задач может иметь собственное адресное пространство, каждое размером в 1 мегабайт.

Все задачи виртуального режима обычно выполняются в третьем, наименее привилегированном кольце защиты. Когда в такой задаче возникает прерывание, процессор автоматически переключается из виртуального режима в защищённый. Поэтому все прерывания отображаются в операционную систему, работающую в защищённом режиме.

Обработчики прерываний защищённого режима могут моделировать функции соответствующих прерываний реального режима, что необходимо для правильной работы программ, ориентированных на реальный режим операционной системы MS-DOS.

Память компьютера

Память – способность объекта обеспечивать хранение данных. 

Числовые и символьные операнды, равно как и команды, хранятся в памяти компьютера. Память состоит из ячеек, в каждой из которых содержится 1 бит информации, принимающий значения «0» или «1». Как правило, биты обрабатывают группами фиксированного размера. Для этого память организуется таким образом, что группы по n бит могут записываться и считываться за одну базовую операцию. Группа из n бит называется словом информации, а значение n – длиной слова. Слова последовательно располагаются в памяти компьютера.

Длина слова современных компьютеров составляет 16‑64 бит. Восемь последовательных битов называются байтом.

1 килобайт (Кбайт) = 2¹⁰ = 1 024 байт

1 мегабайт (Мбайт) = 2¹⁰ Кбайт = 2²⁰ байт = 1 048 576 байт

1 гигабайт (Гбайт) = 2¹⁰ Мбайт = 2³⁰ байт = 1 073 741 824 байт

Для доступа к памяти с целью записи или чтения отдельных элементов информации, будь то слова или байты, необходимы имена, или адреса, определяющие их расположение в памяти. В качестве адресов используются числа из диапазона от 0 до  со значением k, достаточным для адресации всей памяти компьютера. Все 2 ^k адресов составляют адресное пространство компьютера.

Диапазон значений физических адресов зависит от разрядности шины адреса микропроцессора. Адресное пространство процессора i8086 составляет 1 Мбайт, для процессоров i486 и Pentium – 4 Гбайт (2³² байт), для микропроцессоров семейства P6 (Pentium Pro/II/III) – 64 Гбайт (2³⁶).

Чаще всего адреса назначаются байтам памяти. Память, в которой каждый байт имеет свой адрес, называется памятью с байтовой адресацией. При этом последовательные байты имеют адреса 0, 1, 2 и т. д.

Существует прямой и обратный способы адресации байтов. При обратном способе адресации байты адресуются слева направо, так что самый старший (левый) байт слова имеет наименьший адрес. Прямым способом называется противоположная система адресации. Наряду с порядком следования байтов в слове необходимо определить порядок следования битов в байте. Типичный способ расположения битов в байте:

обратная адресация                         прямая адресация

     

Обычно число занимает целое слово. Поэтому для того, чтобы обратиться к нему в памяти, нужно указать адрес слова, по которому это число хранится. Компиляторы высокоуровневых языков поддерживают прямой способ адресации.

Микропроцессор аппаратно поддерживает две модели памяти: сегментированную и страничную.

 

Организация стека

Стек – это такая структура данных в памяти, которая используется для временного хранения информации. Программа может поместить слово в стек (команда PUSH) или извлечь его из стека (команда POP). Данные в стеке упорядочиваются специальным образом. Извлекаемый из стека элемент данных – это всегда тот элемент, который был записан туда последним. Такая организация хранения данных сокращенно обозначается LIFO (Last In, First Out – последний поступивший удаляется первым). Если мы поместим в стек два элемента: сначала A, а затем B, то при первом обращении к стеку извлекается элемент B, а при следующем – A. Информация выбирается из стека в обратном по отношению к записи порядке.

В ЭВМ за стеком резервируется блок памяти, адресуемый регистром SS и указатель, называемый указателем стека SP (Stack Pointer). Указатель стека используется программой для того, чтобы фиксировать самый последний записанный в стек элемент данных. При выполнении команды POP или PUSH значение указателя стека соответственно увеличивается или уменьшается на 4.

 

Организация памяти

Физическая память, к которой микропроцессов имеет доступ по шине адреса, называется оперативной памятью ОП (или оперативным запоминающим устройством - ОЗУ).

Механизм управления памятью полностью аппаратный, т.е. программа сама не может сформировать физический адрес памяти на адресной шине.

Микропроцессор аппаратно поддерживает несколько моделей использования оперативной памяти:

- сегментированную модель

- страничную модель

- плоскую модель

В сегментированной модели память для программы делится на непрерывные области памяти, называемые сегментами. Сама программа может обращаться только к данным, которые находятся в этих сегментах.

Сегменты - это логические элементы программы. Сегмент представляет собой независимый, поддерживаемый на аппаратном уровне блок памяти.

Сегментация - механизм адресации, обеспечивающий существование нескольких независимых адресных пространств как в пределах одной задачи, так и в системе в целом для защиты задач от взаимного влияния.

Программист может либо самостоятельно разбивать программу на фрагменты (сегменты), либо автоматизировать этот процесс и возложить его на систему программирования.

Для микропроцессоров Intel принят особый подход к управлению памятью. Каждая программа в общем случае может состоять из любого количества сегментов, но непосредственный доступ она имеет только к 3 основным сегментам: кода, данных и стека и к 3 дополнительным сегментам данных.

1. Сегмент кодов (. CODE) – содержит машинные команды, которые будут выполняться. Обычно первая выполняемая команда находится в начале этого сегмента, и операционная система передает управление по адресу данного сегмента для выполнения программы. Регистр сегмента кодов (CS) адресует данный сегмент.

2. Сегмент данных (. DATA) – содержит определенные данные, константы и рабочие области, необходимые программе. Регистр сегмента данных (DS) адресует данный сегмент.

3. Сегмент стека (. STACK). Стек содержит адреса возврата как для программы (для возврата в операционную систему), так и для вызовов подпрограмм (для возврата в главную программу). Регистр сегмента стека (SS) адресует данный сегмент. Адрес текущей вершины стека задается регистрами SS:SP.

Регистры дополнительных сегментов (ES, FS, GS), предназначены для специального использования. На рис. 3 графически представлены регистры SS, DS и CS. Последовательность регистров и сегментов на практике может быть иной. Три сегментных регистра содержат начальные адреса соответствующих сегментов, и каждый сегмент начинается на границе параграфа.

Рисунок 3

Операционная система размещает сегменты программы в ОП по определенным физическим адресам, а значения этих адресов записывает в определенные места, в зависимости от режима работы микропроцессора:

- в реальном режиме адреса помещаются непосредственно в сегментные регистры (cs, ds, ss, es, gs, fs);

- в защищенном режиме - в специальную системную дескрипторную таблицу (Элементом дескрипторной таблицы является дескриптор сегмента. Каждый сегмент имеет дескриптор сегмента -8 байт. Существует три дескрипторные таблицы. Адрес каждой таблицы записывается в специальный системный регистр).

Для доступа к данным внутри сегмента обращение производится относительно начала сегмента линейно, т.е. начиная с 0 и заканчивая адресом, равным размеру сегмента. Этот адрес называется смещением (offset).

 

Двухбайтовое смещение (16-бит) может быть в пределах от 0000h до FFFFh или от 0 до 65535. Для обращения к любому адресу в программе, компьютер складывает адрес в регистре сегмента и смещение. Например, первый байт в сегменте кодов имеет смещение 0, второй байт – 01 и так далее.

Таким образом, для обращения к конкретному физическому адресу ОП необходимо определить адрес начала сегмента и смещение внутри сегмента.

Физический адрес принято записывать парой этих значений, разделенных двоеточием

           segment: offset  

Например, 0040:001Ch; 0000:041Ch; 0020:021Ch; 0041:000Ch.

В качестве примера адресации допустим, что регистр сегмента данных содержит 045Fh, и некоторая команда обращается к ячейке памяти внутри сегмента данных со смещением 0032h. Несмотря на то, что регистр сегмента данных содержит 045Fh, он указывает на адрес 045F0, то есть на границу параграфа. Действительный адрес памяти поэтому будет следующий:

Адрес в DS:              045F0

Смещение:                0032

Реальный адрес:       04622

Адрес указывается как DS:0032h

ОС строит для каждого исполняемого процесса соответствующую таблицу дескрипторов сегментов и при размещении каждого из сегментов в ОП или внешней памяти в дескрипторе отмечает его текущее местоположение (бит присутствия).

Дескриптор содержит поле адреса, с которого сегмент начинается и поле длины сегмента. Благодаря этому можно осуществлять контроль

1) размещения сегментов без наложения друг на друга

2) обращается ли код исполняющейся задачи за пределы текущего сегмента.

В дескрипторе содержатся также данные о правах доступа к сегменту (запрет на модификацию, можно ли его предоставлять другой задаче) и защита.

Достоинства сегментной организации памяти:

1) общий объем виртуальной памяти превосходит объем физической памяти

2) возможность размещать в памяти как можно больше задач (до определенного предела) увеличивает загрузку системы и более эффективно используются ресурсы системы

Недостатки:

1) увеличивается время на доступ к искомой ячейке памяти, т.к. должны вначале прочитать дескриптор сегмента, а потом уже, используя его данные, можно вычислить физический адрес (для уменьшения этих потерь используется кэширование - дескрипторы, с которыми работа идет в данный момент размещаются в сверхоперативной памяти - в специальных регистрах процессора);

2) фрагментация;

3) потери памяти на размещение дескрипторных таблиц

4) потери процессорного времени на обработку дескрипторных таблиц.

 

Страничная модель памяти – это надстройка над сегментной моделью.

ОП делится на блоки фиксированного размера 4 Кб (должно быть число, кратное степени двойки, чтобы операции сложения можно было бы заменить на операции конкатенации). Каждый такой блок называется страницей.

Основное применение этой модели связано с организацией виртуальной памяти.

Для того, чтобы использовать для работы программ пространство памяти большее, чем объем физической памяти используется механизм виртуальной памяти.

Суть его заключается в том, что у микропроцессора существует возможность по обмену страницами памяти с жестким диском. В случае, если программа требует памяти больше, чем объем физической памяти, редко используемые страницы памяти записываются на жесткий диск в специальный файл виртуальной памяти (файл обмена, или страничный файл, или файл подкачки, чаще swap-файлом, подчеркивая, что страницы этого файла замещают друг друга в ОП). Файл подкачки может динамически изменять свой размер в зависимости от потребностей системы.

Программа также разбивается на фрагменты - страницы. Все фрагменты программы одинаковой длины, кроме последней страницы. Говорят, что память разбивается на физические страницы, а программа - на виртуальные страницы.

 Трансляция (отображение) виртуального адресного пространства задачи на физическую память осуществляется с помощью таблицы страниц.

Для каждой текущей задачи создается таблица страниц.

Диспетчер памяти для каждой страницы формирует соответствующий дескриптор. Дескриптор содержит так называемый бит присутствия.

Если он = 1, это означает, что данная страница сейчас размещена в ОП.

Если он = 0, то страница расположена во внешней памяти.

Защита страничной памяти основана на контроле уровня доступа к каждой странице.

Каждая страница снабжается кодом уровня доступа (только чтение; чтение и запись; только выполнение). При работе со страницей сравнивается значение кода разрешенного уровня доступа с фактически требуемым. При несовпадении работа программы прерывается.

 Страничная модель памяти поддерживается только в защищенном режиме работы микропроцессора.

Основное достоинство страничного способа распределения памяти - минимально возможная фрагментация (эффективное распределение памяти).

Недостатки:

1) потери памяти на размещение таблиц страниц

2) потери процессорного времени на обработку таблиц страниц (диспетчер памяти).

3) программы разбиваются на страницы случайно, без учета логических взаимосвязей, имеющихся в коде (межстраничные переходы осуществляются чаще, чем межсегментные + трудности в организации разделения программных модулей между выполняющими процессами).

 

Сегментно-страничный способ распределения памяти

Программа разбивается на сегменты. Адрес, по-прежнему, состоит из двух частей: сегмент + смещение. Но смещение относительно начала сегмента может состоять из двух полей: виртуальной страницы и индекса.

Для доступа к памяти необходимо:

1) вычислить адрес дескриптора сегмента и причитать его;

2) вычислить адрес элемента таблицы страниц этого сегмента и извлечь из памяти необходимый элемент;

3) к номеру (адресу) физической страницы приписать номер (адрес) ячейки в странице.

Задержка в доступе к памяти (в три раза больше, чем при прямой адресации).

Чтобы избежать этого вводится кэширование (кэш строится по ассоциативному принципу).

 

Плоская модель памяти

Если считать, что задача состоит из одного сегмента, который, в свою очередь, разбит на страницы, то фактически мы получаем только один страничный механизм работы с виртуальной памятью.

Это подход называется плоской памятью.

Достоинства:

1) При использовании плоской модели памяти упрощается создание и ОС, и систем программирования.

2) уменьшаются расходы памяти на поддержку системных информационных структур

В абсолютном большинстве современных 32-разрядных ОС (для микропроцессоров Intel) используется плоская модель памяти.

 

Задание модели памяти

Модели памяти задаются директивой.MODEL, которая определяет модель памяти, используемую программой. Директива должна находиться перед любой из директив объявления сегментов (.DATA,.STACK,.CODE, SEGMENT). Параметр модель_памяти является обязательным.

.MODEL [модификатор] модель_памяти [,соглашение_о_вызовах] [,тип_ОС] [,параметр_стека]

 Основные модели памяти Ассемблера:

Таблица 3

Модель памяти	Адресация кода	Адресация данных	Операционная система	Чередование кода и данных
TINY	NEAR	NEAR	MS-DOS	Допустимо
SMALL	NEAR	NEAR	MS-DOS, Windows	Нет
MEDIUM	FAR	NEAR	MS-DOS, Windows	Нет
COMPACT	NEAR	FAR	MS-DOS, Windows	Нет
LARGE	FAR	FAR	MS-DOS, Windows	Нет
HUGE	FAR	FAR	MS-DOS, Windows	Нет
FLAT	NEAR	NEAR	Windows NT, Windows 2000, Windows XP, Windows Vista	Допустимо

Модель small поддерживает один сегмент кода и один сегмент данных. Данные и код при использовании этой модели адресуются как near (ближние).

Модель large поддерживает несколько сегментов кода и несколько сегментов данных. По умолчанию все ссылки на код и данные считаются дальними (far).

Модель huge практически эквивалентна модели памяти large.

Модель medium поддерживает несколько сегментов программного кода и один сегмент данных, при этом все ссылки в сегментах программного кода по умолчанию считаются дальними (far), а ссылки в сегменте данных — ближними (near).

Модель compact поддерживает несколько сегментов данных, в которых используется дальняя адресация данных (far), и один сегмент кода с ближней адресацией (near).

Модель tiny работает только в 16-разрядных приложениях MS-DOS. В этой модели все данные и код располагаются в одном физическом сегменте. Размер программного файла в этом случае не превышает 64 Кбайт.

Модель flat предполагает несегментированную конфигурацию программы и используется только в 32-разрядных операционных системах. Эта модель подобна модели tiny в том смысле, что данные и код размещены в одном сегменте, только 32-разрядном. Для разработки программы для модели flat перед директивой.model flat следует разместить одну из директив:.386,.486,.586 или.686. Желательно указывать тот тип процессора, который используется в машине, хотя на машинах с Intel Pentium можно указывать директивы.386 и.486. Операционная система автоматически инициализирует сегментные регистры при загрузке программы, поэтому модифицировать их нужно, только если необходимо смешивать в одной программе 16- и 32-разрядный код. Адресация данных и кода является ближней (near), при этом все адреса и указатели являются 32-разрядными.

Параметр модификатор используется для определения типов сегментов и может принимать значения use16 (сегменты выбранной модели используются как 16-битные) или use32 (сегменты выбранной модели используются как 32-битные).

Параметр соглашение_о_вызовах используется для определения способа передачи параметров при вызове процедуры из других языков, в том числе и языков высокого уровня (C++, Pascal). Параметр может принимать следующие значения: C, BASIC, FORTRAN, PASCAL, SYSCALL, STDCALL. При разработке модулей на ассемблере, которые будут применяться в программах, написанных на языках высокого уровня, обращайте внимание на то, какие соглашения о вызовах поддерживает тот или иной язык. Более подробно соглашения о вызовах мы будем рассматривать при анализе интерфейса программ на ассемблере с программами на языках высокого уровня.

Параметр тип_ОС равен OS_DOS по умолчанию, и на данный момент это единственное поддерживаемое значение этого параметра.

Параметр параметр_стека устанавливается равным NEARSTACK (регистр SS равен DS, области данных и стека размещаются в одном и том же физическом сегменте) или FARSTACK (регистр SS не равен DS, области данных и стека размещаются в разных физических сегментах). По умолчанию принимается значение NEARSTACK.