Характеристики процессора.

Процессоры характеризуются рабочим напряжением, разрядностью, тактовой частотой, коэффициентом умножения тактовой частоты и объемом кэш – памяти.

Рабочее напряжение. Чем ниже рабочее напряжение, тем лучше. Во-первых, снижение напряжения дает возможность сократить расстояния между структурными элементами процессора без угрозы электрического пробоя. Во-вторых, убавляется и тепловыделение в процессоре, что позволяет повысить производительность, не опасаясь перегрева. Процессоры младших поколений 286, 386 использовали рабочее напряжение 5 В. В 486 оно уменьшено примерно в полтора раза.

Разрядность процессора определяет, сколько бит данных он способен принять за один раз (такт). Первые процессоры были 16-разрядными, 486 – 32х-разрядный.

Тактовая частота – это скорость обработки данных, измеряемая в мегагерцах. Чем она выше, тем больше команд процессор выполняет в единицу времени, тем выше производительность компьютера. Так, первые модели процессоров Intel (i808х) работали с тактовыми частотами, меньшими 5 МГц. Сегодня тактовая частота последних процессоров повышена до 1,2 ГГц и гонка за скоростью продолжается. Тактовая частота процессора Intel 80486 обычно находится в диапазоне 25 – 50 МГц.

Коэффициент умножения тактовой частоты. Тактовые импульсы генерируются и передаются процессору материнской платой. Однако, ее тактовая частота значительно ниже. Поэтому в процессоре происходит умножение тактовой частоты на определенный коэффициент.

Кэш - память. Обмен данными внутри процессора протекает заметно быстрее, чем с оперативной памятью. Поэтому для хранения копии областей оперативной памяти с наиболее частым доступом используется быстродействующая буферная память, которая называется кэш – памятью. Когда процессору требуются данные, он обращается в кэш – память, и только если там нет необходимых данных – в оперативную память. Чем больше объем кэш – памяти, тем выше производительность процессора. Работа кэш-памяти: когда процессор первый раз обращается к ячейке памяти, ее содержимое параллельно копируется в кэш, и в случае повторного обращения в скором времени может быть с гораздо большей скоростью выбрано из малого, но очень быстродействующего кэша, чем из относительно медленной основной памяти. Процессор 486 имеет внутренний (Internal) кэш объемом 8 кб, это своего рода небольшая сверхбыстрая память, предназначена для хранения промежуточных результатов. Он также обозначается как Primary (первичный) или L1 (Level 1 - первый уровень) в отличие от внешнего (External), расположенного на плате и обозначаемого Secondary (вторичный) или L2. Эта память чуть помедленнее, зато больше – 256 Кб. Обычно внешний кэш позволяет увеличить быстродействие и уменьшить полосу пропускания шины, требуемую процессором i486. Применение кэша совместно с обычной памятью примерно на 3-15% ускоряет обработку информации процессором.

Тип и размер кэш-памяти второго уровня системная плата определяет главным образом по установкам перемычек. После завершения этих установок нужно выполнить соответствующие настройки с помощью DIP-переключателей на системной плате. При запуске ВС в информационном окне BIOS указывается размер кэш-памяти.

Аппаратные средства поддержки мультипрограммирования имеются во всех современных процессорах. Несмотря на различия в реализации, для большинства типов процессоров эти средства имеют общие черты. Это в полной мере относится и к рассматриваемому ниже популярному семейству 32-разрядных процессоров Intel: 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium II, Celeron и Pentium III. Более того, средства поддержки операционной системы во всех этих процессорах построены почти идентично, поэтому далее в тексте для их обозначения используется обобщенный термин «процессоры Pentium».

Основным режимом работы процессора Pentium является защищенный режим (ргоtected mode). Для совместимости с программным обеспечением, разработанным для s предшествующих моделей процессоров Intel (главным образом, модели 8086), в процессорах Pentium предусмотрен так называемый реальный режим {real mode).

B реальном режиме процессор Pentium выполняет 16-разрядные инструкции и адресует 1 Мбайт памяти. В этом разделе рассматривается защищенный режим работы процессора, поскольку это основной режим, используемый современными мультипрограммными операционными системами. Регистры процессора В организации вычислительного процесса важную роль играют регистры про-Ябссора. В процессорах Pentium эти регистры делятся на несколько групп:

□ регистры общего назначения;

□ регистры сегментов;

□ указатель инструкций;

□ регистр флагов;

□ управляющие регистры;

□ регистры системных адресов;

□ регистры отладки и тестирования, а также регистры математического сопроцессора, выполняющего операции с плавающей точкой.

В процессоре Pentium имеется восемь 32-разрядных регистров общего назначения. Четыре из них, которые можно условно назвать А, В, С и D, используются для временного хранения операндов арифметических, логических и других команд Программист может обращаться к этим регистрам как к единому целому, используя обозначения ЕАХ, ЕВХ, ЕСХ, EDX, а также к некоторым их частям, как это показано на рис. 6.1. Здесь обозначение AL (L - Low) относится к первому, самому младшему байту регистра ЕАХ, АН (Н - High) - к следующему по старшинству байту, а АХ обозначает оба младших байта регистра. Приставка Е в обозначении этих регистров (а также некоторых других) образована от слова extended (расширенный), что указывает на то, что в прежних моделях процессоров Intel эти регистры были 16-разрядными, а затем их разрядность была увеличена до 32 бит.

Остальные четыре регистра общего назначения - ESI, EDI, ЕВР и ESP - предназначены для задания смещения адреса относительно начала некоторого сегмента данных. Эти регистры используются совместно с регистрами сегментов в системе адресации процессора Pentium для задания виртуального адреса, который затем с помощью таблиц страниц отображается на физический адрес

Регистры сегментов CS, SS, DS, ES, FS и GS в защищенном режиме ссылаются на дескрипторы сегментов памяти — описатели, в которых содержатся такие параметры сегментов, как базовый адрес, размер сегмента, атрибуты защиты и некоторые другие. Регистры сегментов хранят 16-разрядное число, называемое селектором, в котором 12 старших разрядов представляют собой индекс в таблице дескрипторов сегментов, разряд указывает, в какой из двух таблиц, GDT или LDT, находится дескриптор, а три разряда поля RPL хранят значение уровня привилегий запроса к данному сегменту. Регистр CS {Code Segment) предназначен для хранения индекса дескриптора кодового сегмента, регистр SS {Stack Segment) — дескриптора сегмента стека, а остальные регистры используются для указания на дескрипторы сегментов данных. Все регистры сегментов, кроме CS, программно доступны, то есть в них можно загрузить новое значение селектора соответствующей командой (например, LDS). Значение регистра CS изменяется при выполнении команд межсегментных вызовов CALL и переходов JMP, а также при переключении задач. ( В этом разделе термин «задача» часто будет употребляться вместо равнозначного (и более распространенного) термина «процесс» в связи с тем, что именно этот термин выбрали иРвсвое время разработчики процессоров Intel x86 и он фигурирует в названиях регистров и структур данных )

Указатель инструкций EIP содержит смещение адреса текущей инструкции, которое используется совместно с регистром CS для получения соответствующего виртуального адреса.

Регистр флагов EFLAGS содержит признаки, характеризующие результат выполнения операции, например флаг знака, флаг нуля, флаг переполнения, флаг паритета, флаг переноса и некоторые другие. Кроме того, здесь хранятся некоторые признаки, устанавливаемые и анализируемые механизмом прерываний, в частности флаг разрешения аппаратных прерываний IF.

В процессоре Pentium имеется пять управляющих регистров — CRO, CR1, CR2, CR3 и CR4, которые хранят признаки и данные, характеризующие общее состояния процессора (рис. 6.2).

Регистр CR0 содержит все основные признаки, существенно влияющие на работу процессора, такие как реальный/защищенный режим работы, включение/ выключение страничного механизма системы виртуальной памяти, а также признаки, влияющие на работу кэша и выполнение команд с плавающей точкой. Младшие два байта регистра CR0 имеют название Mashine State Word, MSW — «слово состояния машины». Это название использовалось в процессоре 80286 для обозначения управляющего регистра, имевшего аналогичное назначение.

Регистр CR1 в настоящее время не используется (зарезервирован).

Регистры CR2 и CR3 предназначены для поддержки работы системы виртуальной памяти. Регистр CR2 содержит линейный виртуальный адрес, который вызвал так называемый страничный отказ (отсутствие страницы в оперативной памяти или отказ из-за нарушения прав доступа). Регистр CR3 содержит физический адрес таблицы разделов, используемой страничным механизмом процесcopa.

В регистре CR4 хранятся признаки, разрешающие работу так называемых архитектурных расширений, например возможности использования страниц размером 4 Мбайт и т. п.

Регистры системных адресов содержат адреса важных системных таблиц и структур, используемых при управлении процессами и памятью. Регистр GDTR1 {Global Descriptor Table Register) содержит физический 32-разрядный адрес глобальной таблицы дескрипторов GDT сегментов памяти, образующих общую часть виртуального адресного пространства всех процессов. Регистр IDTR {Interrupt Descriptor Table Register) хранит физический 32-разрядный адрес таблицы дескрипторов прерываний IDT, используемой для вызова процедур обработки прерываний в защищенном режиме работы процессора. Кроме этих адресов в регистрах GDTR и IDTR хранятся 16-битные лимиты, задающие ограничения нащ размер соответствующих таблиц.

Два 16-битных регистра хранят не физические адреса системных структур, а значения индексов дескрипторов этих структур в таблице GDT, что позволяет косвенно получить соответствующие физические адреса. Регистр TR {Task Register) содержит индекс дескриптора сегмента состояния задачи TSS. Регистр LDTR щ {Local Descriptor Table Register) содержит индекс дескриптора сегмента локальной таблицы дескрипторов LDT сегментов памяти, образующих индивидуальную часть виртуального адресного пространства процесса.

Регистры отладки хранят значения точек останова, а регистры тестирования Ш позволяют проверить корректность работы внутренних блоков процессора.