Базовая архитектура микропроцессора

1. Этап выборки команды:
Цикл 1 – на шину адреса выдается адрес следующей команды, а на шину данных – слово состояния процессора, сопровождаемые соответствующими сигналами SYNC и WR.
Цикл 2 – анализируется наличие сигнала READY, если его нет – переход на ожидание, если есть – чтение команды, сопровождаемое сигналом DBIN.

2 Этап исполнения команды. :
Цикл 1 – код операции команды поступает на дешифратор, инициируется исполнение соответствующей микропрограммы обработки команды.
Цикл 2 – инициируется схема передачи из памяти или из соответствующего регистра первого операнда в буферный регистр БР1.
Цикл 3 – инициируется схема передачи из памяти или из соответствующего регистра второго операнда в буферный регистр БР2.
Цикл 4 – выполняется операция в АЛУ, результат попадает в аккумулятор.
Цикл 5 – результат размещается по адресу нахождения первого операнда.

и действий, которые необходимы для обработки входной информации и формирования массивов информации для внешних устройств отображения, порождает необходимость использования постоянно расширяемых наборов команд, называемых системой команд микропроцессора.
Система команд должна обладать двумя свойствами – функциональной полнотой и эффективностью.
Функциональная полнота – достаточность системы команд для описания любого алгоритма обработки информации. Известно, что свойством функциональной полноты обладает система, состоящая всего из трех команд (присвоение 0, проверка на 0, присвоение 1), однако построение программ на ее основе неэффективно.
Эффективность системы команд – степень соответствия системы команд назначению ПЭВМ, т.е. классу алгоритмов, для выполнения которых предназначена ПЭВМ. Необходимо отметить, что реализация развитой системы команд требует расширения операционной части процессора, увеличению числа и разрядности дополнительных групп регистров, что приводит к увеличению стоимости и энергоемкости процессоров.
Система команд процессора характеризуется форматами команд, способами адресации и системой операций.

размер, положение, назначение и способ кодирования ее полей.
Состав команды включает в себя следующие виды информации:
Тип (код) операции, которую следует реализовать в данной команде (КОП),
Адрес памяти, откуда следует взять первый операнд (А1),
Адрес памяти, откуда следует взять второй операнд (А2),
Адрес памяти, куда следует поместить результат (А3).
Для сокращения размера команды в качестве А3 используется обычно последний вычисленный адрес, т.е. А2 или А1.
Формат команды имеет вид:

КОП

А1

А2

При использовании регистра-аккумулятора второй адрес не требуется.
Существуют и безадресные команды управления состоянием процессора.
Поле кода операции может содержать указатели на тип формата операнда: байт, слово или двойное слово.
Для уточнения формата данных отдельных команд может использоваться дополнительное поле префикса команды.

А3

следует использовать информацию, размещенную в поле адреса команды.
Существует пять основных способов адресации операндов:
Непосредственная – в поле адреса команды располагается не адрес, а непосредственно сам операнд (константа),
Прямая - в поле адреса команды располагается адрес операнда,
Косвенная - в поле адреса команды располагается не адрес операнда, а адрес ячейки памяти, в которой хранится адрес операнда (адрес адреса операнда),
Относительная – адрес операнда формируется, как сумма двух слагаемых: базы, хранящемся в специальном регистре или в одном из регистров общего назначения и смещения, извлекаемого из поля адреса команды. Иногда к базе добавляется индекс, увеличивающий или уменьшающий свое значение на единицу после каждого обращения.
Безадресная – поле адреса в команде отсутствует, а адрес операнда или не имеет смысла, так как сам операнд не нужен )что характерно для системных команд), или адрес его подразумевается по умолчанию (например, аккумулятор). Одной из разновидностей безадресного обращения является использование стековой памяти или стека.

по кодам операций машинных команд принято подразделять на пять основных классов:
Арифметико-логические и специальные – команды, по которым процессор выполняет собственно преобразование информации (сложение, вычитание, умножение, деление, логические операции конъюнкции, дизъюнкции, инверсии и т.д.),
Пересылки и загрузки – передача информации между регистрами процессора и памятью или между уровнями памяти,
Ввода/вывода – обеспечивают передачу информации между процессором и внешними устройствами через адресное пространство портовых регистров,
Передачи управления – команды, которые изменяют естественный порядок следования команд программы с изменением содержания счетчика команд. Существует три разновидности команд передачи управления:
- внутрипрограммные переходы,
- вызовы подпрограмм,
- возвраты из подпрограмм.
Системные – выполняющие управление процессом обработки информации или состоянием внутренних ресурсов процессора.

регистр признаков (флагов) – слово состояния ЦП,
АЛУ - арифметическое логическое устройство – сумматор,
РК - регистр команд (регистр приема кода операции),
ДшК - дешифратор команд (дешифратор кода операции),
МПЛ - мультиплексор выбора регистров,
СВР - схема выбора и подключения регистров к шине данных,
AH, AL, DH, DL, CH, CL, BH, BL – блок регистров общего назначения (РОН),
SP - 16-разрядный регистр – указатель стека,
IP - программный счетчик (счетчик команд),
CS - 16-разрядный регистр адреса,
DS - 16-разрядный регистр данных.
Внешние сигналы:
RESET - сигнал начальной установки состояния процессора,
READY - сигнал готовности памяти или порта ввода/вывода к обмену данными
INT - сигнал запроса на прерывание (от контроллера прерываний),
HOLD - сигнал запроса на захват шины (от контроллера прямого доступа),
SYNC - сигнал сопровождения выдачи на шину данных слова состояния ЦП,
WAIT - сигнал ожидания готовности READY,
INTE - сигнал разрешения прерывания выполнения программы,
HLDA - сигнал подтверждения захвата шины,
DBIN - сигнал, подтверждающий, что буфер данных включен на чтения,
WR - сигнал, подтверждающий, что буфер данных включен на запись,
Ф1, Ф2 - сигналы генератора синхронизации с различным сдвигом фаз.

архитектуре с х86, в разное время проектировались и выпускались фирмами IBM, Cyrix, VIA, AMD и другими.

типа) емкостью в один байт или одно слово (т.е. 8, 16 или 32 двоичных разряда), используемая для времен-ного хранения данных в ходе выполнения программы.
Схема 8-разрядного регистра –
Программно-доступные регистры ПЭВМ.
1. 16 (шестнадцать) Общепользовательских регистров, из них:
Восемь 32-битных регистров общего назначения eax (ax, ah, al),
ebx (bx, bh, bl), edx (dx, dh, dl), ecx (cx, ch, cl), ebp/bp, esi/si, edi/di, esp/sp.
Шесть 16-битных регистров сегментов cs, ds, ss, es, fs, gs.
Два 32-битных регистра состояния и управления – флагов eflags/flags, счетчика (указателя) команд eip/ip.
2. 8 (восемь) 32-битных отладочных регистров - dr0 .. dr7.
3. 8 (восемь) 32-битных регистров тестирования - tr0 .. tr7.
4. 5 (пять) 32-битных управляющих регистра cr0, cr1, cr2, cr3, cr4.
5. 4 (четыре) 48-битных системных адресных регистра gdtr, idtr, tr, ldtr.
6. 24 регистра данных математического сопроцессора, имеющих стековую структуру хранения обрабатываемых вещественных чисел, из них:
- 8 (восемь) 80-битных регистра для размещения вещественных чисел,
- 8 (восемь) 80-битных регистра данных MMX (блок ММХ) mmx0 .. mmx7,
- 8 (восемь)128-битных регистра данных XMM (блок ХММ) xmm0 .. xmm7 для обработки 3D-графических изображений.

DX CX BX

EAX EDX ECX EBXEBP ESI EDI ESP

EIP EFLAGS

– аккумулятор для хранения результата операции,
ebx (bx, bh, bl) - базовый регистр для хранения базовой части адреса,
edx (dx, dh, dl) – регистр хранения промежуточного результата (данных),
ecx (cx, ch, cl) - регистр – счетчик цикла (например, в команде LOOP),
ebp/bp – регистр–указатель базовой части адреса стека (база стека),
esi/si - регистр индекса источника (величины постоянного смещения адреса),
edi/di- регистр индекса приемника (величины постоянного смещения адреса),
esp/sp – регистр–указатель адреса последней записи в стеке (вершина стека),
Примечание: все регистры общего назначения кроме фиксированного назначения могут использоваться для адресных вычислений и для хранения результатов большинства арифметических и логических операций.
Сегментные регистры.
cs – регистр параграфа адреса исполняемой команды (сегмент кода),
ds – регистр параграфа адреса расположения области стека (сегмент стека),
ss – регистр параграфа адреса области данных (сегмент данных),
es, fs, gs – дополнительные сегментные регистры, замещаемые по префиксу
Регистры состояния и управления.
eflags/flags – регистр системных флагов результата исполнения команды,
eip/ip – регистр адреса исполняемой команды (эффективная часть адреса).

флаг возобновления флаг виртуальной 8086 флаг контроля выравнивания

Флаги состояния :
Флаг вложенности задачи уровень привилегированности ввода-вывода
флаг переполнения
флаг переноса
флаг четности
вспомогательный флаг
переноса
флаг нуля
флаг знака

Флаг управления :
Флаг направления

EFLAGS FLAGS

команды в байтах ( Lmax= 15 байт )

режим адресации режим масштабирования адреса
mod – 00 – абсолютный адрес операнда (байта смещения нет)
01 – имеется один байт смещения адреса операнда
10 – имеется два байта смещения адреса операнда
11 – операнд в регистре
reg – 000 – AL или AX при w=1 ss – 00 - множитель 1
001 – CL или CX при w=1 01 - множитель 2
010 – DL или DX при w=1 10 - множитель 4
011 – BL или BX при w=1 11 - множитель 8
100 – AH или SP при w=1
101 – CH или BP при w=1
110 – DH или SI при w=1
111 – BH или DI при w=1

префиксы

Максимум 3 префикса

3Fh.
67h
66h
2Eh…
0Fh

A - Прямая адресация: команда не имеет байта modR/M; адрес операнда содержится непосредственно в команде; регистр базы, регистр индекса, коэффициент масштабирования не используется.
C - Поле reg байта modR/M указывает управляющий регистр.
D - Поле reg байта modR/M указывает регистр отладки.
E - За кодом операции следует байт modR/M, описывающий операнд. Операндом может быть регистр общего назначения или адрес памяти. Если это адрес памяти, он вычисляется исходя из сегментного регистра и следующих величин: регистр базы, индексный регистр, масштабирование, смещение.
F - Регистр флагов.
G - Поле reg байта modR/M указывает регистр общего назначения.
I - Непосредственные данные (константа). Значение операнда кодируется последовательностью байтов непосредственно в команде.
J - Команда содержит относительное смещение, прибавляемое к регистру счетчика команд (EIP).
M - Байт modR/M может ссылаться только на память.
O - Команда не содержит байта modR/M; относительный адрес операнда кодируется как слово или двойное слово (в зависимости от атрибута размера адреса) непосредственно в команде. Регистр базы, регистр индекса, коэффициент масштабирования не используется.
R - Поле mod байта modR/M может указывать только на регистр общего назначения.
S - Поле reg байта modR/M указывает сегментный регистр.
T - Поле reg байта modR/M указывает регистр.
X - Адресация памяти при помощи пары регистров DS:SI; например, MOVS, COMPS, OUTS.
Y - Адресация памяти при помощи пары регистров DS:DI; например, MOVS, COMPS, INS,.

- Два операнда длиной в слово в памяти или два операнда длиной в двойное слово в памяти, в зависимости от атрибута размера операнда (используется для команды BOUND).
b - Байт (независимо от атрибута размера операнда).
c - Байт или слово, в зависимости от атрибута размера операнда.
d - Двойное слово (независимо от атрибута размера операнда).
p - 32- или 48-разрядный указатель, в зависимости от атрибута размера операнда.
s - 6-разрядный псевдо-дескриптор.
v - Слово или двойное слово, в зависимости от атрибута размера операнда.
w - Cлово (независимо от атрибута размера операнда).
Коды регистров в таблице.
Когда в качестве операнда используется закодированный в команде регистр, он определяется по имени, например AX, CL или ESI.
Имя регистра определяет его размер - 32, 16 или 8 бит. В случае, если размер регистра определяется атрибутом размера операнда, используется запись такого формата eXX.
Например, запись eAX означает, что при атрибуте размера операнда равном 16,
используется регистр AX, а при атрибуте размера операнда равном 32 - регистр EAX.
Для нахождения строки, содержащей нужную операцию необходимо использовать значение старших четырех битов кода операции, а для нахождения столбца - значение младших четырех битов. Если код операции равен 0FH, необходимо обратиться к таблице двухбайтовых кодов операций и использовать значение второго байта кода операции для нахождения соответствующей строки и столбца.

кодов операций машинных команд, доступных через первый байт КОП:
1. Команды математического сопроцессора.
Эти наборы команд доступны через инструкцию 11011ххх (или D8x) первого байта (см. основную таблицу кодов), которая называется ESC-командой.
Наборы команд математического сопроцессора содержат 8 дополнительных таблиц команд, т.е. позволяют реализовать до 1280 дополнительных машинных команд, для различных модификаций математического сопроцессора архитектуры х86.
В связи с тем, что в настоящее время реализовано только 63 машинные команды для 84-х команд ассемблера, этот набор команд обладает большой избыточностью
2. Команды дополнительных модулей SSE-расширений архитектуры х86.
Эти наборы команд сведены в отдельную таблицу команд, доступную через первый байт КОП 00001111 (или 0f), либо располагаются в таблицах команд математического сопроцессора и доступны через инструкцию 11011ххх (или D8x) первого байта (см. основную таблицу кодов).
3. Команды дополнительных модулей 3DNow!-расширений для процессоров AMD Athlon, совмещенных с архитектурой х86.
Данные наборы имеют в своем составе 3 байта КОП. Причем первые два имеют конструкцию 00001111 00001111 (или 0f 0f), т.е. расположены в собственной таблице, спроектированной фирмой AMD для своих процессоров дополнительно к х86.
4. В настоящее время разработчиками архитектур процессоров ведется работа по расширению наборов команд Ассемблера и соответствующих машинных команд для мультипроцессорных систем.

1 в регистр 2 88
Из регистра 2 в регистр 1 8В
Регистр – память 88
Константа – регистр С6
Константа – память С6
Сумматор – память А3
Команда SAHF загрузка регистра флагов flags в регистр AH
9Е
Команда CBW/CWDE Преобразование байта в слово/слова в двойное слово
CBW 98
CWDE 99

ассемблера.

для обработки простых чисел со знаком.
При выполнении операций с вещественными числами на процессор поступа-
ют соответствующие команды (начинающиеся с символа «F») с кодом операции,
начинающимся с инструкции 11011.
Все обрабатываемые операнды передаются в буферные регистры математи-
ческого сопроцессора, представляющего собой цифровой автомат с жесткой
схемной логикой. Здесь над ними производятся все необходимые для вычислений
математические операции. Результат возвращается в аккумулятор центрального
процессора.
Если математический сопроцессор отсутствует, то исполнение математичес-
ких операций над вещественными числами осуществляется соответствующими
программами BIOS, эмулирующими работу математического сопроцессора.
Однако, при этом, вещественное число преобразуется в совокупность
простых чисел (мантиссу и степень), с которыми работает АЛУ центрального
процессора, затем производится обратное преобразование.
Программное эмулирование процесса обработки вещественных чисел
математическим сопроцессором приводит к существенному замедлению (на 2
порядка) процесса вычислений.

данных

Внутренняя шина процессора

Матричные схемы умножения и деления чисел с плавающей точкой

WR1

WR2

Error

S

80-разрядный стековый регистр st(1)

80-разрядный стековый регистр st(2)

80-разрядный стековый регистр st(3)

80-разрядный стековый регистр st(4)

80-разрядный стековый регистр st(5)

80-разрядный стековый регистр st(6)

80-разрядный стековый регистр st(7)

данных

Сравнения данных

Арифметические

Трансцендентные

Управления

Вещественные данных

Целочисленные данных

Десятичные данных

Загрузка констант

Обмен данными

Условная пересылка

Вещественные данных

Целочисленные данных

Анализ st(0)

С нулем

Условное сравнение

Вещественные данных

Целочисленные данных

Вспомогательные арифметические команды

Сложение

Вычитание

Умножение

Деление

Сложение

Вычитание

Умножение

Деление

Вычисление тригонометри-ческих функций

Синус

Косинус

Тангенс

Арктангенс

Вычисление логарифмов и степеней

Инициализация сопроцессора

Работа со средой

Работа со стеком

Переключение режимов

fnop

fwait

данных

Сравнения данных

Арифметические

Упаковки (сжатия)

Инициализации

Прямая пересылка

Пересылка с расширением

Сложение

Вычитание

Умножение

Сдвигов

Логические

Дополнительные ММХ-команды (SSE)

Вычисления

Перемещения

Извлечения знака

Сложение

Вычитание

Умножение

Сложение

Вычитание

Умножение

данных

Сравнения данных

Арифметические

Преобразования данных

Логические

Параллельные

Скалярные

Квадратный корень

max / min

Сложение

Вычитание

Умножение

Деление

Блок дополнитель-ных команд Integer MMX

Квадратный корень

max / min

Сложение

Вычитание

Умножение

Деление

Перерас-пределения

Управления состоянием

Управления кэширова-нием

Скалярные

Параллельные

С установкой eflags

Скалярные

Параллельные

И

ИЛИ

И-НЕ

Искл. ИЛИ

3DNow!-расширения
Всего 26 команд

Пересылки упакованных данных

Сравнения и округления упакованных данных

Арифметические действия с упакованными данными с плавающей точкой

Упаковки (сжатия) данных 4-х операндов

Прямая пересылка

Пересылка с расширением

Сложение

Вычитание

Умножение

Выборка, сдвиг и переста-новка упакованных данных

Логические действия с упакованными данными

Квадратный корень

max / min

Деление

– считается лучшим 32-х битным отладчиком приложений. Имеет встроенный анализатор машинного кода, который распознает и визуально обозначает процедуры, циклы, константы и строки, а также внедренные в код обращения к функциям API NT и их параметры.
2. IDA Pro (www.hex-rays.com/idapro) – интерактивный дизассемблер и отладчик приложений Работает через функции MS Debugging API в NT или библиотеку ptrace в UNIX.
3. Syser Kernel Debugger (www.sysersoft.com) – отладчик ядра ОС и процессов (не работает в Windows 7 и MS Server 2008).
4. SoftICE (в настоящее время не поддерживается) – отладчик для Windows на уровне ядра.
5. Fasm (www.flatassembler.net) - свободно распространяемый многопроходной кросс-ассемблер. Обладает небольшими размерами и очень высокой скоростью компиляции. Поддерживает как объектные форматы, так и некоторые форматы исполняемых файлов.
Помимо базового набора инструкций процессора и сопроцессора Fasm v.1.68 поддерживает наборы инструкций MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4.1, SSE4.2, SSE4a и 3DNow!, а также EM64T и AMD64 (включая AMD SVM и Intel SMX).
6. WinHex (www.x-ways.net/winhex) - Один из лучших шестнадцатеричных редакторов машинного кода. Позволяет редактировать файлы размером более 4 Гб с жестких дисков, внешних накопителей, флешек. Имеет собственный механизм работы с файловыми системами FAT, NTFS, Ext2/3, ReiserFS, Reiser4, UFS, CDFS, UDF, а также RAID-массивами и динамическими дисками (независимо от операционной системы). В программу также встроены средства для восстановления данных, безопасного удаления файлов, инструмент для редактирования содержимого оперативной памяти, алгоритмы шифрования и т.д.