Лекция 2: Регистровая структура универсального микропроцессора

Регистровая структура универсального микропроцессора

В универсальном 32-разрядном микропроцессоре выделяют следующие группы регистров:

• основные функциональные регистры;
• регистры процессора с плавающей точкой;
• системные регистры;
• регистры отладки и тестирования.

Первые две группы регистров используются прикладными программами, последние две группы - системными программами, имеющими наивысший уровень привилегий.

Рассмотрим каждую из этих групп подробнее.

Основные функциональные регистры

В состав регистров этой группы входят:

• регистры общего назначения;
• регистр указателя команд;
• регистр флагов;
• сегментные регистры.

Состав и структура регистров общего назначения представлены на рис. 2.1.

Блок состоит из восьми 32-разрядных регистров. К каждому из них можно обращаться как к одному двойному слову (32 разряда).

Отметим, что понятие "слово" в данной архитектуре не идентично разрядности микропроцессора. Исторически сложилось так, что под словом понимается единица информации длиной 2 байта, или 16 двоичных разрядов. К младшим 16 разрядам регистров общего назначения можно обращаться так же, как и в 16-разрядном микропроцессоре (AX, BX…SP). Четыре 16-разрядных регистра AX, BX, CX, DX допускают обращение отдельно к своему старшему и младшему байту. Тем самым регистры позволяют на программном уровне работать либо с восемью 32-разрядными, либо с восемью 16-разрядными, либо с восемью 8-разрядными регистрами.

Рис. 2.1. Регистры общего назначения

Все эти регистры используются для хранения промежуточных результатов вычислений и составных частей адреса при различных режимах адресации операндов, расположенных в памяти.

Кроме того, ряд регистров этого блока имеют свое, присущее только им назначение:

• EAX/AX/AL - регистр-аккумулятор, используется для сокращения длины команды при работе с непосредственными операндами;
• AX/AL - приемник (источник) данных в командах ввода (вывода) данных из (в) внешнего устройства;
• DX - определяет адрес ВУ в командах ввода (вывода) данных;
• ECX - используется в качестве счетчика циклов в командах циклов;
• BP, SP - используются при работе со стеком;
• ESI, EDI ( DI, SI ) - определяют положение строк в памяти в командах обработки строк.

Регистр указателя команд и регистр флагов имеют длину 32 разряда.

Младшее слово каждого из этих регистров (разряды 0-15) функционально соответствует аналогичным разрядам в 16-разрядном микропроцессоре (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Регистр указателя команд и регистр флагов

Регистр указателя команд EIP хранит смещение адреса команд относительно начала сегмента кода (сегмента команд).

Регистр флагов EFLAGS содержит признаки результата выполненной команды, а также разряды, управляющие работой микропроцессора: обработкой маскированных прерываний, последовательностью вызываемых задач, вводом-выводом и рядом других действий. Из этих флагов рассмотрим только наиболее значимые и интересные с точки зрения дальнейшего изучения работы микропроцессора.

К битам состояния регистра флагов относятся:

• ZF - признак нуля результата ( ZF = 1, если все разряды результата равны 0);
• SF - знак результата ( SF = 1, если старший разряд результата равен 1, то есть если результат отрицательный);
• OF - признак переполнения ( OF = 1, если при выполнении арифметических операций над числами со знаком происходит переполнение разрядной сетки);
• CF - флаг переноса ( CF = 1, если выполнение операции сложения приводит к переносу за пределы разрядной сетки), устанавливается также в некоторых других операциях;
• PF - признак четности (дополняет до нечетного числа единиц младший байт результата);
• AF - флаг полупереноса (используется при операциях над двоичнодесятичными числами);
• DF - устанавливается пользователем и определяет порядок обработки строк символов в соответствующих командах: декремент (при DF = 1 ) или инкремент (при DF = 0 ) содержимого индексных регистров ESI, EDI ( SI, DI ) после обработки одного символа.

В состав флагов управления входят:

• IF - флаг прерываний (при IF = 1 разрешается обработка маскированных аппаратных прерываний);
• TF - флаг ловушки, или трассировки (при ТF = 1 после выполнения каждой команды возникает прерывание, используемое отладчиками;);
• NТ - бит вложенной задачи (показывает, что данная задача была вызвана из другой программы, аналогично подпрограмме, и возврат из этой задачи должен проводиться по механизму переключения задач);
• IOPL - 2-разрядное поле уровня привилегий ввода/вывода (определяет уровень привилегий программ, которым разрешено выполнение операции ввода-вывода);
• VM - режим виртуального микропроцессора i8086 (при работе микропроцессора в защищенном режиме установка VM = 1 вызывает переключение в режим виртуального микропроцессора i8086; в этом случае микропроцессор функционирует как быстрый МП i8086, но реализует механизмы защиты памяти, страничной адресации и ряд других дополнительных возможностей; бит VM может быть установлен только в защищенном режиме).

Блок сегментных регистров состоит из шести 16-разрядных регистров, которые указывают на различные сегменты, расположенные в памяти компьютера:

• CS ( Code Segment ) - сегмент кода программы;
• DS ( Data Segment ) - сегмент данных;
• SS ( Stack Segment ) - сегмент стека;
• ES, FS, GS - дополнительные сегменты данных.

При работе микропроцессора в реальном режиме в сегментном регистре содержатся старшие 16 разрядов 20-разрядного базового адреса сегмента. Физический адрес начала сегмента получается умножением этой величины на 16:

Получающийся 20-разрядный адрес позволяет адресовать память емкостью 2²⁰ байт = 1 Мбайт. При этом сегменты имеют постоянную длину 2¹⁶ байт. Разработчики первых персональных компьютеров полагали, что оперативная память, большая чем 1 Мбайт, никогда не потребуется пользователю, поэтому вся архитектура строилась исходя именно из этого положения.

При переходе к 32-разрядной архитектуре стало необходимым обеспечить возможность адресации памяти емкостью до 2³² байт. Кроме того, введение защищенного режима работы микропроцессора потребовало хранения большого количества дополнительной информации о сегменте: его длине, которая стала переменной, уровне привилегий, его типе и т. д. Простое увеличение разрядности сегментных регистров до 32 бит не обеспечило бы возможности хранения всей этой информации. Поэтому все данные о сегменте стали размещаться в специальных структурах - дескрипторах (описателях) сегментов, которые хранятся в таблицах дескрипторов, расположенных в памяти, а сегментные регистры, сохранив свою первоначальную длину в 16 разрядов, содержат так называемый селектор (указатель), который используется для того, чтобы найти нужный дескриптор в этих таблицах.

Регистры процессора с плавающей точкой

К этой группе регистров относятся (рис. 2.3):

• регистры данных;
• регистры тегов;
• регистр состояния;
• указатели команд и данных FPU;
• регистр управления FPU.