HOLD (Bus Hold Request) – запросзахваташины. Синхронный входной сигнал, устанавливаемый другим CPU, или интеллектуальным УВВ для работы с шиной. Анализируется фронтом CLK2 и, пока HOLD активен, CPU следит за его уровнем, устанавливая в конце цикла обмена ответный сигнал HLDA.
HLDA (Bus Hold Asknowlege) – синхронный выход подтверждения передачи управления шиной другому, активному CPU или УВВ. В ответ на запрос HOLD, CPU переходит в состояние подтверждения захвата. На входе NMI возможно появление только одного запроса, запоминающегося в CPU для обработки его после снятия сигнала HOLD.
INTR (Interrupt –прерывание) – асинхронный вход, инициирующий последовательность прерывания в CPU, аналогичен для любого i80x86 CPU.
NMI (Non Maskable Interrupt) – немаскируемое прерывание, сигнализирует CPU о появлении критической ошибки в ВС, не позволяющей правильно продолжить операцию (например, – ошибка адресов или данных в ОЗУ). Текущая программа прерывается и ситуация обрабатывается специальной программой для принятия решения (перезапрос данных, повторное выполнение операции, или сигнализация о неработоспособности ВС).
PE REQ (Co-processor Request) – запроспрерыванияот FPU. Асинхронный вход, указывающий, что FPU нужен обмен с памятью (сам FPU обменом не управляет). CPU отвечает сигналом синхронизации, после чего FPU выполняет циклы обмена между локальной шиной и портами регистров данных FPU.
/BUSY (занят) – асинхронный вход, анализируемый по уровню командой WAIT, автоматически выдаваемой CPU, при обнаружении активного входа /BUSY=L (признак наличия ошибки, особой ситуации, или выполнения FPU очередной операции). На время активизации сигнала /BUSY, CPU выполняет такты ожидания. Если во время среза RESET сигнал /BUSY=L, то CPU выполняет процедуру самодиагностики.
ERROR (ошибка), – асинхронный вход, анализируемый по уровню. Указывает, что при выполнении команды в FPU сформирован незамаскированный в регистре состояния FPU код ошибки. CPU вырабатывает прерывание типа 10h, но чаще – аппаратное прерывание типа 75h по линии IRQ13.
Какие именно байты (A, B, C или D), из четырех возможных, машинного слова будет передаваться по системной шине ISA за один цикл обмена, определяются кодами управляющих сигналов ВЕ3# - BE0#. Коды передачи байтов по системной шине приведены в таблице 1.2.
Возможные типы циклов шины приведены в таблице 1.3. Символ #, стоящий после названия сигнала означает, что активный уровень сигнала – нижний. Сигнал М означает обмен с DRAM, IO – обмен с портом, D – передача данных, С – передача команды, W – запись, R – чтение DRAM или порта соответственно.
Таблица 1.2. Коды передачи байтов по системной шине.
/BЕ3 /ВЕ2 /ВЕ1 /ВЕ0 БАЙТЫ В 32-БИТОВОМ СЛОВЕ ДАННЫХ 1 1 1 0 - - - A
1 1 0 1 - - B -
1 0 1 1 - C - C
0 1 1 1 D - D -
1 1 0 0 - - BA
1 0 0 1 - CB -
0 0 1 1 DCDC
1 0 0 0 - CBA
0 0 0 1 DCBA
0 0 0 0 DCBA
Таблица 1.3. Типы циклов шины.
M/IO# D/C# W/R#
0 0 0 - подтверждение прерывания
0 0 1 - не используется
0 1 0 - чтение данных из УВВ
0 1 1 - запись данных в УВВ
1 0 0 - чтение команды из ОЗУ
1 0 1 - 1) останов: Addr=2, /BE0-/BE3=1101, A[31/2]=0
- 2) отключение: Addr=0, /BE0-BE3=1111,A[31/2]=0
1 1 0 - чтение данных из ОЗУ
1 1 1 - запись данных в ОЗУ
Из таблицы типов циклов шины видно, что циклов шины может быть восемь:
1) чтение ОЗУ без блокировки шины (/LOCK=H),
2) чтение ОЗУ с блокировкой шины (/LOCK=L),
3) запись в ОЗУ без блокировки шины (/LOCK=H),
4) запись в ОЗУ с блокировкой шины (/LOCK=L),
5) чтение из УВВ или регистров FPU,
6) запись в УВВ или в регистры FPU,
7) подтверждение прерывания,
8) цикл останова или выключения.
Но основных, обменных циклов, – четыре: чтение ОЗУ, запись в ОЗУ, чтение порта ввода-вывода и запись в порт ввода-вывода. Остальные циклы шины либо варианты основных (с блокировкой или без блокировки), либо служебные, а не обменные.
1.4.3.3) Конвейерная обработка команд в CPU
Шесть автономных блоков микропроцессора i386 составляют систему конвейерного выполнения команд.
Исполнение команды, в общем виде, состоит из 6 тактов:
ФАК──>ВК──>ФАО──>ВО──>ОП──>ЗпРез
здесь:
ФАК – формирование адреса команды,
ВК – выборка команды,
ФАО – формирование адреса операнда,
ВО – выборка операнда,
ОП – выполнение текущей операции,
ЗпРез – запись результата операции.
Конвейерное выполнение программы – это когда в разных автономных блоках микропроцессораодновременно выполняются разные такты нескольких смежных команд. Например, ЗпРез команды n-1, собственно ОП команды n, ФАК команды n+1, ВК команды n+2 и ФАК команды n+3.
Обработка команды в CPU i386, в свою очередь, состоит из четырех этапов:
1) преобразование адресов при сегментированной или страничной организации памяти (выполняется в блоке MMU);
2) выборка полей команды из ОЗУ и накопление их в стеке очереди команд (выполняется в PU);
3) дешифрация команд из очереди и накопление дешифрованных кодов операций в стеке декодированных команд (выполняется в блоке IDU);
4) выполнение операции в EU, под микропрограммным управлением, и формирование статусных флагов.
Для ускорения выполнения команд в CPU, моделей i386 и старше, организован конвейер команд:
- каждая из команд в свое время находится в стадии выборки, хранения, дешифрации, формирования адреса и – выполнения;
- для смежных команд эти стадии (такты выполнения) обычно выполняются разными узлами CPU одновременно, в режиме совмещения, если соответствующие узлы микропроцессора в это время свободны;
- работа CPU, по отношению к системной магистрали, синхронна, а между узлами BIU, PU, IDU, EU – асинхронна.
Счетчик команд EIP в EU автоматически модифицирует адрес следующей команды по словам или двойным словам, в зависимости от длины команды, задаваемой входом /BS16. Информация в EIP, системных и сегментных регистрах блока MMU используется при формировании физического адреса для выборки следующей команды.
Одновременно с адресным формированием в EU, в работе находится одна из команд очереди в IDU, в которое, в свой черед, подгружается команда из PU.
Обмен данными между CPU и системой осуществляет BIU по запросу от EU, либо при наличии свободного места в очереди команд.
Если EU выполняет длинную команду, не требующую новых данных из системы, а узлы очередей заполнены, то BIU может находиться в, так называемом, холостом цикле.
В многопроцессорных системах, когда шина передается от одного ведущего модуля другому, отключаемые модули переводят свои шины в состояние высокого импеданса – Z-состояние. В это время отключенный от шины CPU, или контроллер имеет возможность автономно выполнять все команды, находящиеся в стеках, до тех пор, пока CPU не потребуется шина для обмена. Если же в это время шина все еще занята, то CPU прекращает работу, находясь в состоянии ожидания (Time-Out), пока шина не освободится (линия /READY=H, т. е. пассивна).
Контрольные вопросы.
1. Из каких тактов состоит выполнение команды в CPU?
2. Что такое цикл шины в РС?
3. В чем смысл сигнала HOLD?
4. В чем смысл сигнала HLDA?
5. Как реагирует микропроцессор на сигнал INTR?
6. В чем особенность сигнала NMI?
1.4.3.4) Режимы работы микропроцессора i386
CPUi386 допускает работу в четырех режимах:
- RM – реальном,
- РМ – защищенном,
- VM-86 – виртуальном и
- РРМ– страничном.
1. RM – режим реальной адресации, соответствует работе системы i8086 и используется только в MS DOS. Область адресов, шириной в 1 Мбайт, не защищена, реализовано до 20 адресных линий (из 32-х, возможных для микропроцессора i386), режим однопользовательский. Для работы с 32-разрядными операндами и реализации дополнительных режимов адресации используется префикс переадресации, двухбайтовый адрес не превышает границы сегмента в 64 Кбайт (0000 - FFFF), иначе фиксируется особая ситуация с прерыванием типа 13h. Для доступа к 1 Мбайт адресного пространства используются линии адреса [A19-А02] и /BE0 – /BE3. Страничный механизм доступа к памяти отключен, исполнительный адрес всегда соответствует физическому, все сегменты могут находиться в состоянии записи, считывания или выполнения.
2. РМ – защищенный режим, или режим виртуальной адресации. При включении РС всегда устанавливается режим RM, а для перевода его в РМ используются системные команды LMSW и SMSW. При установке бита PF=1 в MSW, CPU переходит в РМ. В режиме РМ реализуется доступ к 4 Гбайт ОЗУ в 32-битовом пространстве исполнительных адресов, а доступ к 64 Тбайт ОЗУ реализуется в логическом (виртуальном) адресном пространстве. Виртуальная адресация – это способ организации доступа к информации, большая часть которой располагается не в физическом ОЗУ, а во внешней (дисковой) памяти, откуда она, по мере необходимости, перекачивается в ОЗУ (swapping), но программа видит иллюзию размеров ОЗУ в 64 Тбайт. Предусмотрена защита памяти по многоуровневому принципу защиты ОС и прикладных программ и реализуется мультипрограммность. Для обратного перевода из режима РМ в RM, команды LMSW и SMSW не используются, а система должна быть перезагружена либо аппаратно ("холодный" рестарт), либо аппаратно-программно – через порты 64h и 60h контроллера 8048 (KBD), командой OUT и далее, через сигнал RS и узел Shut Down, – к входу RESET CPU, как при "теплом" рестарте, осуществляемом нажатием комбинации клавиш Ctrl+Alt+Del.
Для программного перехода из режима PM в RM может быть также использована ассемблерная команда MOV CR0 (LCR0).
3. VM-86 – это режим виртуальной адресации i86. Режим устанавливает исполнительную среду i8086 внутри многозадачной среды PM CPU i386. При этом поддерживается выполнение всех программ для предыдущих поколений микропроцессоров ix86. Сначала, в рамках VM86, формируется 20-разрядный линейный адрес по системе RM, но включается механизм страничной адресации и система двухуровневой защиты памяти. Адрес, шириной в 1 Мбайт, может быть разбит на 256 страниц по 4 Кбайт каждая и размещен в физическом адресном пространстве до 4 Гбайт. В этом объеме адресов ОЗУ можно, в окнах (frame) по 1 Мбайт, расположить множество копий MS DOS, или других ОС и пользовательских программ, представляющих отдельные виртуальные машины, работающие в многозадачном режиме.