Краткий обзор семейства микропроцессоров фирмы Intel
Микропроцессоры (МП) Intel 8086, 8088, 80286, 80386 и 80486, явившиеся в разные годы основой новых моделей персональных компьютеров фирмы IBM (IBM PC, PC/XT , PC/AT, PS/2) при всех своих различиях и особенностях сохраняют единство архитектурных принципов, системы команд и языка программирования, что обеспечивает программную совместимость многочисленных разновидностей компьютеров «типа IBM PC».
Важнейшей характеристикой любого микропроцессора является разрядность его внутренних регистров, также внешних шин адресов и данных. МП 8086 имеет 16-разрядную внутреннюю архитектуру и такой же разрядности шину данных. Все регистры внутри процессора, в которых могут хранится данные, имеют длину 16 битов. Таким образом, максимальное целое число (данное или адрес), с которым может работать микропроцессор, составляет 216-1=65536 (64К-1). Однако адресная шина МП 8086 содержит 20 линий, что соответствует адресному пространству 220-1 Мбайт. Для того, чтобы с помощью 16-разрядных адресов можно было обращаться в любую точку 20-разрядного адресного пространства, в микропроцессоре предусмотрена сегментная адресация памяти, реализуемая с помощью четырех сегментных регистров.
Суть сегментной адресации заключается в следующем. Исполнительный 20-разрядный адрес любой ячейки памяти вычисляется путем сложения начального адреса сегмента памяти, в котором располагается эта ячейка, со смещением к ней (в байтах) от начала сегмента, которое обычно называют относительным адресом или смещением. Сегментный адрес без четырех младших битов, т. е. Деленный на 16, хранится в одном из сегментных регистров. При вычислении исполнительного адреса процессор умножает содержимое сегментного регистра на 16 (путем сдвига влево на 4 двоичных разряда) и прибавляет к полученному 20-разрядному адресу относительный адрес.
Умножение базового адреса на 16 увеличивает диапазон адресуемых ячеек до величины 64 Кбайт * 16 = 1 Мбайт.
МП 8088 является, по существу, 8-разрядным вариантом МП 8086. В нем, как и в МП 8086, предусмотрена адресация физической памяти объемом до 1 Мбайт с помощью такого же набора сегментных регистров. Однако шина данных МП 8088 имеет ширину не 16, а 8 разрядов, т.е. доступ к памяти осуществляется байтами. Это обстоятельство никак не отражается на работе с процессором, так как, например, при считывании из памяти операнда-слова микропроцессор автоматически генерирует два цикла магистрали, реализующих чтение младшего и старшего байтов. С другой стороны, 8-разрядная шина данных облегчила согласование этого микропроцессора со схемами, разработанными ранее для 8-разрядных МП 8080 и 8085.
МП 80286, используемый как центральный процессор компьютеров IBM PC/AT, является усовершенствованным вариантом МП 8086, дополненным схемами управления памятью и ее защиты. МП 80286 работает с 16-разрядными операндами, но имеет 24-разрядную адресную шину, что соответствует адресному пространству 224=16 Мбайт. Однако описанный выше способ сегментной адресации памяти не позволяет выйти за пределы 1 Мбайт. Для преодоления этого ограничения в МП 80286 (так же, как и в МП 80386) используются два режима работы: реального адреса и виртуального защищенного адреса, или просто защищенный режим. В реальном режиме МП 80286 функционирует фактически так же, как МП 8086 с повышенным быстродействием и может обращаться лишь к 1 Мбайт адресного пространства. Оставшиеся 15 Мбайт памяти, даже если они установлены в компьютере, использоваться не могут.
В защищенном режиме по-прежнему используются сегменты и смещения в них, однако начальные адреса сегментов не вычисляются путем умножения на 16 содержимого сегментных регистров, а извлекаются из таблиц сегментных дескрипторов, индексируемых теми же сегментными регистрами. Каждый сегментный дескриптор занимает 6 байтов, из которых 3 байта (24 двоичных разряда) отводятся под сегментный адрес. Тем самым обеспечивается полное использование 24-разрядного адресного пространства.
В каждом сегментном регистре под индекс таблицы сегментных дескрипторов отводится 14 двоичных разрядов. Полный логический адрес адресуемой ячейки состоит из 14-разрядного индекса (номера) сегмента и 16-разрядного относительного адреса. Это позволяет каждой программе использовать до 230! байт логического, или виртуального пространства, которое, таким образом, в 64 раза превышает максимально возможный объем физической памяти. Операционная система виртуальной памяти хранит все сегменты выполняемых программ в большом дисковом пространстве, автоматически загружая в оперативную память те или иные сегменты по мере необходимости.
МП 80386 и 80486 являются высокопроизводительными процессорами с 32-разрядными шинами данных и адресов и 32-разрядной внутренней архитектурой. Последнее означает, что внутренние регистры этих процессоров, в отличие от процессоров ранних моделей, имеют длину 32 бита. Поэтому максимальное целое число, с который может работать микропроцессор, составляет 232-l=42949б729б (4Г-1). Во многих случаях использование 32-битовых операндов позволяет существенно упростить и ускорить вычисления. Помимо этого, в МП 80386 и 80486 расширен состав регистров, что также предоставляет программисту значительные удобства. Наконец, в новых моделях процессоров имеются встроенные средства поддержки многозадачного режима, а также мультипроцессорных систем. Естественно, что эти процессоры, как и МП 80286, могут работать в реальном и защищенном режимах. В последнем случае микропроцессор позволяет адресовать до 232=4 Гбайт физической памяти и 24б=64 Тбайт виртуальной. При этом следует подчеркнуть, что разработчиками обеспечена полная совместимость новых моделей процессоров со старыми, в том смысле, что программы, написанные для процессоров 8086-80286, т.е. с использованием 16-битовых операндов, выполняются на новых процессорах без всяких исправлений. Фактически программист, создающий программу, предназначенную для работы под управлением MS-DOS, может не задумываться над тем, какой процессор установлен на его компьютере.
Используемые в настоящее время версии MS-DOS работают в реальном режиме и не обеспечивают управление виртуальной памятью. В то же время обширные классы программ, в частности, программы управления технологическими процессами или научно-исследовательскими установками, не требуют использования защищенного режима и успешно работают в среде операционной системы MS-DOS. Вообще во многих случаях относительно простая и надежная система MS-DOS, получившая, к тому же, широчайшее распространение, оказывается удобнее более совершенных, но и значительно более сложных систем, реализующих все возможности современным микропроцессоров.