Структурная организация универсальных микропроцессоров. Регистровая архитектура

• Министерство  образования Республики Беларусь

Учреждение  образования

«Белорусский  государственный университет

информатики и радиоэлектроники» 
 

Кафедра микро- и наноэлектроники 
 
 
 
 
 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «СИСТЕМОТЕХНИКА» 

ЗАДАНИЕ №22 «Структурная организация универсальных микропроцессоров. Регистровая архитектура» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил

студент 5 курса  гр.700301       Бобаков М.В. 
 

Проверил

Доцент, к.т.н.                 Черных А.Г. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Минск 2011

Основные  понятия и характеристики архитектуры микропроцессоров

Микропроцессор (МП) - это программно управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки и выполнено в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). 

Понятие большая интегральная схема в настоящее время четко не определено. Ранее считалось, что к этому классу следует относить микросхемы, содержащие более 1000 элементов на кристалле. И действительно, в эти параметры укладывались первые микропроцессоры. Например, 4-разрядная процессорная секция микропроцессорного комплекта К584, выпускавшегося в конце 1970-х годов, содержала около 1500 элементов. Сейчас, когда микропроцессоры содержат десятки миллионов транзисторов и их количество непрерывно увеличивается, под БИС будем понимать функционально сложную интегральную схему. 

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, основу которой составляет микропроцессор. 

Микропроцессор  характеризуется большим количеством параметров и свойств, так как он является, с одной стороны, функционально сложным вычислительным устройством, а с другой - электронным прибором, изделием электронной промышленности. Как средство вычислительной техники он характеризуется прежде всего своей архитектурой, то есть совокупностью программно-аппаратных свойств, предоставляемых пользователю. Сюда относятся система команд, типы и форматы обрабатываемых данных, режимы адресации, количество и распределение регистров, принципы взаимодействия с оперативной памятью и внешними устройствами (характеристики системы прерываний, прямой доступ к памяти и т. д.). По своей архитектуре микропроцессоры разделяются на несколько типов (рис. 1.1). 

Универсальные микропроцессоры предназначены для решения задач цифровой обработки различного типа информации от инженерных расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями на время выполнения задания. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. К нему относятся такие известные микропроцессоры, как МП ряда Pentium фирмы Intel и МП семейства Athlon фирмы AMD. 
 

 
Рис. 1.1.  Классификация микропроцессоров 

Характеристики  универсальных микропроцессоров: 

• разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ);
• виды и форматы обрабатываемых данных;
• система команд, режимы адресации операндов;
• емкость прямоадресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса;
• частота внешней синхронизации. Для частоты синхронизации обычно указывается ее максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы. Для функционально сложных схем, к которым относятся и микропроцессоры, иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, где не требуется высокое быстродействие, снижение частоты синхронизации - одно из направлений энергосбережения. В ряде современных микропроцессоров при уменьшении частоты он переходит в <спящий режим>, при котором сохраняет свое состояние. Частота синхронизации в рамках одной архитектуры позволяет сравнить производительность микропроцессоров. Но разные архитектурные решения влияют на производительность гораздо больше, чем частота;
• производительность: определяется с помощью специальных тестов, при этом совокупность тестов подбирается таким образом, чтобы они по возможности покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, влияющие на производительность.

Универсальные микропроцессоры принято разделять на CISC - и RISC-микропроцессоры. CISC-микропроцессоры(Completed Instruction Set Computing - вычисления с полной системой команд) имеют в своем составе весь классический набор команд с широко развитыми режимами адресации операндов. Именно к этому классу относятся, например, микро процессоры типа Pentium. В то же время RISC-микропроцессоры (reduced instruction set computing - вычисления с сокращенной системой команд) используют, как следует из определения, уменьшенное количество команд и режимов адресации. Здесь прежде всего следует выделить такие микропроцессоры, как Alpha 21x64, Power PC. Количество команд в системе команд - наиболее очевидное, но на сегодняшний день не самое главное различие в этих направлениях развития универсальных микропроцессоров. Другие различия мы будем рассматривать по мере изучения особенностей их архитектуры. 

Однокристальные микроконтроллеры (ОМК или просто МК) предназначены для использования в системах промышленной и бытовой автоматики. Они представляют собой большие интегральные схемы, которые включают в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор (как правило, целочисленный), ЗУ команд, ЗУ данных, генератор тактовых сигналов, программируемые устройства для связи с внешней средой (контроллер прерывания, таймеры-счетчики, разнообразные порты ввода/вывода), иногда аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т. д. В некоторых источниках этот класс микропроцессоров называется однокристальными микро-ЭВМ (ОМЭВМ). 

В настоящее  время две трети всех производимых микропроцессорных БИС в мире составляют МП этого класса, причем почти две трети из них имеет  разрядность, не превышающую 16 бит. К  классу однокристальных микроконтроллеров прежде всего относятся микропроцессоры серии MCS-51 фирмы Intel и аналогичные микропроцессоры других производителей, архитектура которых де-факто стала стандартом. 

Отличительные особенности архитектуры  однокристальных  микроконтроллеров: 

• физическое  и логическое разделение памяти команд и памяти данных (гарвардская архитектура), в то время как в классической неймановской архитектуре программы и данные находятся в общем запоминающем устройстве и имеют одинаковый механизм доступа;
• упрощенная и ориентированная на задачи управления система команд: в МК, как правило, отсутствуют средства обработки данных с плавающей точкой, но в то же время в систему команд входят команды, ориентированные на эффективную работу с датчиками и исполнительными устройствами, например, команды обработки битовой информации;
• простейшие режимы адресации операндов.

Основные  характеристики микроконтроллеров (в качестве примера численные значения представлены для MK-51): 

1. Разрядность (8 бит).
2. Емкость внутренней памяти команд и памяти данных, возможности и пределы их расширения:
• внутренняя память команд - 4 Кбайт (в среднем команда имеет длину 2 байта, таким образом, во внутренней памяти может быть размещена программа длиной около 2000 команд); возможность наращивания за счет подключения внешней памяти до 64 Кбайт;
• память данных на кристалле 128 байт (можно подключить внешнюю память общей емкостью до 64 Кбайт).

3. Тактовая частота:
• внешняя частота 12 МГц;
• частота машинного цикла 1 МГц.

4. Возможности взаимодействия с внешними устройствами: количество и назначение портов ввода-вывода, характеристики системы прерывания, программная поддержка взаимодействия с внешними устройствами.

Наличие и  характеристики встроенных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) для упрощения согласования с датчиками и исполнительными устройствами системы управления. 

Секционированные  микропроцессоры (другие названия: микропрограммируемые и разрядно-модульные) - это микропроцессоры, предназначенные для построения специализированных процессоров. Они представляют собой микропроцессорные секции относительно небольшой (от 2 до 16) разрядности с пользовательским доступом к микропрограммному уровню управления и средствами для объединения нескольких секций. 

Такая организация  позволяет спроектировать процессор необходимой разрядности и со специализированной системой команд. Из-за своей малой разрядности микропроцессорные секции могут быть построены с использованием быстродействующих технологий. Совокупность всех этих факторов обеспечивает возможность создания процессора, наилучшим образом ориентированного на заданный класс алгоритмов как по системе команд и режимам адресации, так и по форматам данных. 

Одним из первых комплектов секционированных микропроцессоров были МП БИС семейства Intel 3000. В нашей стране они выпускались в составе серии К589 и 585. Процессорные элементы этой серии представляли собой двухразрядный микропроцессор. Наиболее распространенным комплектом секционированных микропроцессоров является Am2900, основу которого составляют 4-разрядные секции. В нашей стране аналог этого комплекта выпускался в составе серии К1804. В состав комплекта входили следующие БИС: 

• разрядное секционное АЛУ;
• блок ускоренного переноса;
• разрядное секционное АЛУ с аппаратной поддержкой умножения;
• тип схем микропрограммного управления;
• контроллер состояния и сдвига;
• контроллер приоритетных прерываний.

Основным  недостатком микропроцессорных  систем на базе секционированных микропроцессорных  БИС явилась сложность проектирования, отладки и программирования систем на их основе. Использование специализированной системы команд приводило к несовместимости разрабатываемого ПО для различных микропроцессоров. Возможность создания оптимального по многим параметрам специализированного процессора требовала труда квалифицированных разработчиков на протяжении длительного времени. Однако бурное развитие электронных технологий привело к тому, что за время проектирования специализированного процессора разрабатывался универсальный микропроцессор, возможности которого перекрывали гипотетический выигрыш от проектирования специализированного устройства. Это привело к тому, что в настоящее время данный класс микропроцессорных БИС практически не используется. 

Процессоры  цифровой обработки  сигналов, или цифровые сигнальные процессоры, представляют собой бурно развивающийся класс микропроцессоров, предназначенных для решения задач цифровой обработки сигналов - обработки звуковых сигналов, изображений, распознавания образов и т. д. Они включают в себя многие черты однокристальных микро-контроллеров: гарвардскую архитектуру, встроенную память команд и данных, развитые возможности работы с внешними устройствами. В то же время в них присутствуют черты и универсальных МП, особенно с RISC-архитектурой: конвейерная организация работы, программные и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей запятой, аппаратная поддержка сложных специализированных вычислений, особенно умножения. 

Как электронное изделие микропроцессор характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которых являются следующие: 

1. Требования  к синхронизации: максимальная частота, стабильность.
2. Количество и номиналы источников питания, требования к их стабильности. В настоящее время существует тенденция к уменьшению напряжения питания, что сокращает тепловыделение схемы и ведет к повышению частоты ее работы. Если первые микропроцессоры работали при напряжении питания+-15В, то сейчас отдельные схемы используют источники менее 1 В.
3. Мощность рассеяния - это мощность потерь в выходном каскаде схемы, превращающаяся в тепло и нагревающая выходные транзисторы. Иначе говоря, она характеризует показатель тепловыделения БИС, что во многом определяет требования к конструктивному оформлению микропроцессорной системы. Эта характеристика особенно важна для встраиваемых МПС.
4. Уровни сигналов логического нуля и логической единицы, которые связаны с номиналами источников питания.
5. Тип корпуса - позволяет оценить пригодность схемы для работы в тех или иных условиях, а также возможность использования новой БИС в качестве замены существующей на плате.
6. Температура окружающей среды, при которой может работать схема. Здесь выделяют два диапазона:
• коммерческий (0 ⁰С … +70⁰С);
• расширенный (-40 ⁰С … +85 ⁰С).

7. Помехоустойчивость - определяет способность схемы выполнять свои функции при наличии помех. Помехоустойчивость оценивается интенсивностью помех, при которых нарушение функций устройства еще не превышает допустимых пределов. Чем сильнее помеха, при которой устройство остается работоспособным, тем выше его помехоустойчивость.
8. Нагрузочная способность, или коэффициент разветвления по выходу, определяется числом схем этой же серии, входы которых могут быть присоединены к выходу данной схемы без нарушения ее работоспособности. Чем выше нагрузочная способность, тем шире логические возможности схемы и тем меньше таких микросхем необходимо для построения сложного вычислительного устройства. Однако с увеличением этого коэффициента ухудшаются помехоустойчивость и быстродействие.
9. Надежность - это способность схемы сохранять свой уровень качества функционирования при установленных условиях за установленный период времени. Обычно характеризуется интенсивностью отказов (час-1) или средним временем наработки на отказ (час). В настоящее время этот параметр для больших инте- гральных схем обычно не указывается изготовителем. О надежности МП БИС можно судить по косвенным показателям, например, по приводимой разработчиками средств вычислительной техники надежности изделия в целом.
10. Характеристики технологического процесса. Основной показатель здесь - разрешающая способность процесса. В настоящее время она составляет 32 нм, то есть около 30 тыс. линий на 1 мм. Более совершенный технологический процесс позволяет создать микропроцессор, обладающий большими функциональными возможностями.

 
Рис. 1.2.  Затраты на производство микропроцессорной системы 

Затраты на изготовление устройств, использующих микропроцессорные БИС, представлены на рис. 1.2. Здесь: 

1. затраты на изготовление БИС (чем больше степень  интеграции элементов на кристалле, тем дороже обходится производство схемы);
2. затраты на сборку и наладку микропроцессорной системы (с увеличением функциональных возможностей МП потребуется меньше схем для создания МПС);
3. общая стоимость микропроцессорной системы, которая складывается из затрат (1) и (2). Она имеет некоторое оптимальное значение для данного уровня развития технологии;
4. переход на новую технологию (оптимальным будет уже другое количество элементов на кристалле, а общая стоимость изделия снижается).

В 1965 году Гордон Мур сформулировал гипотезу, известную  в настоящее время как <закон  Мура>, согласно которой каждые 1,5-2 года число транзисторов в расчете на одну интегральную схему будет удваиваться. Это обеспечивается непрерывным совершенствованием технологических процессов производства микросхем. 

Наиболее  развитая в технологическом отношении  фирма Intel в жизненном цикле полупроводниковых  технологий, создаваемых и применяемых в корпорации, выделяет шесть стадий. 

Самая ранняя стадия проходит за пределами Intel - в  университетских лабораториях и  независимых исследовательских  центрах, где ведутся поиски новых  физических принципов и методов, которые могут стать основой научно-технологического задела на годы вперед. Корпорация финансирует эти исследования. 

На второй стадии исследователи Intel выбирают наиболее перспективные направления развития новых технологий. При этом обычно рассматривается 2-3 варианта решения. 

Главная задача третьей стадии - полная черновая проработка новой технологии и демонстрация ее осуществимости. 

После этого  начинается четвертая стадия, главная  цель которой - обеспечить достижение заданных значений таких ключевых технических и экономических показателей, как выход годных изделий, надежность, стоимость и некоторые другие. Завершение этапа подтверждается выпуском первой промышленной партии новых изделий. 

Пятая стадия - промышленное освоение новой технологии. Эта проблема не менее сложна, чем разработка самой технологии, поскольку необычайно трудно в точности воспроизвести в условиях реального производства то, что было получено в лаборатории. Обычно именно здесь возникают задержки со сроками выпуска новых изделий, с достижением запланированного объема поставок и себестоимости продукции. 

Последняя, шестая стадия жизненного цикла технологии (перед отказом от ее применения) - зрелость. Зрелая технология, подвергаясь  определенному совершенствованию  с целью повышения производительности оборудования и снижения себестоимости продукции, обеспечивает основные объемы производства. По мере внедрения новых, более совершенных технологий <старые> производства ликвидируются. 

Но не сразу: сначала они переводятся на выпуск микросхем с меньшим быстродействием или с меньшим числом транзисторов, например, периферийных БИС.

Регистровая структура универсального микропроцессора

В универсальном 32-разрядном микропроцессоре выделяют следующиегруппы 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 2³²байт. 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.

 
Рис. 2.3.  Структура регистров процессора с плавающей точкой 

Блок  регистров данных. Доступен либо как стек (его вершина TOP определена в регистре состояний FPU ), либо как набор пронумерованных регистров. 

Старший разряд 80-разрядного регистра данных кодирует знак мантиссы хранящегося в нем  числа с плавающей точкой. Следующее  поле отведено под кодирование порядка. Порядок представлен в виде так  называемого машинного, или смещенного, порядка (Псм) без знака: 
 

где  - истинный порядок числа, а величина  определяется следующим образом:  При этом самый большой по модулю отрицательный истинный порядок преобразуется в нулевой смещенный, а все остальные истинные порядки преобразуются в положительные. Тем самым упрощаются операции обработки чисел с плавающей точкой. 

В последнем  поле регистра данных записывается мантисса числа. 

Количество разрядов, отводимых под поле порядка и поле мантиссы, определяется регистром управления FPU. 

Данный блок может также использоваться для  хранения двоичнодесятичных чисел. Они представляются в упакованной  форме и содержат 18 тетрад, каждая из которых соответствует одному десятичному разряду. 

Для представления  знака такого числа используется старший разряд старшего байта (бит 79), в остальных разрядах этого  байта устанавливаются нули. 

Микропроцессор  может обрабатывать числа следующих  типов (табл. 2.1): 
 

Таблица 2.1. Типы чисел 32-разрядного микропроцессора

Помимо этого  микропроцессор может обрабатывать символьные данные, данные типа "строка" и типа"указатель". 

Регистр тегов. Определяет содержимое регистра данных с целью оптимизации обработки: 

• 00 - достоверное  значение;
• 01 - нуль (нулевое значение);
• 10 - не-числа (например, бесконечность);
• 11 - пусто (содержание регистров не определено).

Операции  с плавающей точкой требуют довольно много времени. 

Использование тегов позволяет в определенных случаях сократить время выполнения команды. Например, если известно, что один из сомножителей равен нулю, то произведению можно присвоить нулевое значение без выполнения каких-либо действий. 

Регистр состояния содержит указатель вершины блока данных, работающего в режиме стека ( TOP ), признаки результата и ошибок, возникающих при выполнении операции в FPU, а также флаг переполнения и антипереполнения стека регистров данных. 

Регистр управления управляет округлением (к ближайшему значению, вниз, вверх, к нулю), точностью (длина мантиссы 24, 53 или 64 бита), а также содержит маску признаков ошибок, фиксируемых в регистре состояния. 

Указатели команд и данных содержат адрес команды, вызвавшей ошибку, и адрес использованного операнда. Эти регистры имеют 48-разрядный формат: 16 разрядов содержат селектор соответствующего сегмента, а остальные 32 разряда - смещение в нем.

Системные регистры

Системные регистры управляют функционированием микропроцессора  в целом и режимами работы отдельных его блоков. Эти регистры доступны только в защищенном режиме для программ, имеющих максимальный уровень привилегий. Они включают в свой состав 2 группы регистров: 

• регистры  управления ( CR0...CR4 );
• регистры системных адресов и системных сегментов.

Регистр управления CR0 содержит биты, определяющие режим работы процессора: 

• PE - разрешение защиты: установка PE = 1 переводит микропроцессор в защищенный режим;
• PG - включение страничной адресации памяти (при PG = 1 страничный механизм включен);
• CD, NW - управление режимами работы внутренней кэш-памяти ( CD = 1 - запрещение заполнения кэш-памяти; NW = 1 - запрет сквозной записи).

Ряд бит ( MP, EM, TS, NE ) управляют режимами работы FPU. 

Регистр CR1 был  зарезервирован для последующего развития. Однако начиная с МП Pentium в микропроцессорах появился регистр управления CR4, а регистр CR1 так и остался зарезервированным. 

Регистр CR2 содержит линейный адрес, который вызвал страничную ошибку, например, отсутствие страницы в оперативной памяти или недостаточный уровень привилегий. 

В регистре CR3 находится базовый адрес каталога таблицы страниц (старшие 20 разрядов), а также биты PCD и PWT, управляющие работой кэш-памяти при страничной адресации (при PCD = 1 загрузка содержимого страницы в кэш-память запрещена; при PWT = 1 реализуется режим сквозной записи, а при PWT = 0 - обратной записи). 

Регистр CR4 содержит биты, обеспечивающие расширение функциональных возможностей микропроцессора, начиная с Pentium. В частности, он содержит следующие управляющие разряды: 

• VME, PVI - управляют работой виртуальных прерываний;
• PAE - обеспечивает расширение физического адреса до 36 разрядов (при PAE = 1 ); PGE - определяет некоторые страницы (часто используемые или используемые несколькими процессорами) как глобальные (при PGE = 1 );
• PSE - расширяет размер адресуемых страниц до 4 Мбайт (при PSE = 1 ), при PSE = 0 сохраняет размер страницы 4 Кбайт.

Регистры  системных адресов  и системных сегментов представлены на рис. 2.4. 
 

 
Рис. 2.4.  Структура регистров системных адресов и системных сегментов 

В их число  входят GDTR - регистр глобальной таблицы дескрипторов и IDTR - регистр таблицы дескрипторов прерываний. В этих регистрах определяются базовый адрес и размер соответствующей таблицы. К 

В этой группе относятся также LDTR - регистр локальной таблицы дескрипторов и TR - регистр задач. Регистры LTDR иTR представляют собой селекторы, которые указывают на положение дескрипторов, описывающих соответственно сегмент, содержащий локальную таблицу дескрипторов, и сегмент состояния задачи (Task State Segment - TSS). 

Использование этих регистров в дальнейшем будет  рассмотрено более подробно.

Регистры  отладки и тестирования

32-разрядные регистры отладки ( DR0...DR7 ) имеют следующее назначение: 

• DR0...DR3 - содержат линейные адреса 4 контрольных точек останова при отладке;
• DR4 и DR5 зарезервированы;
• DR6 - регистр состояния: показывает текущее состояние МП при останове в этих точках;
• DR7 - регистр управления: задает условия останова в контрольных точках. Регистры DR4 и DR5 не используются.

Регистры  тестирования ( TR3...TR7 ) используются при тестировании кэш-памяти и буфера ассоциативной трансляции адресов страниц ( TLB ). 

По мере развития архитектуры микропроцессора их количество расширилось и дополнилось новым содержанием. В частности, с помощью регистра TR12 можно запретить предсказание и трассировку ветвлений, параллельное выполнение инструкций и выполнить некоторые другие действия. 

Литература 

1. Гуров В.В.Архитектура  микропроцессоров  
   БИНОМ. Лаборатория знаний, Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2010
2. Северов Д.С. Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем 
   Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2004
3. Новиков Ю.В. Введение в цифровую схемотехнику 
   БИНОМ. Лаборатория знаний, Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2006
4. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники

БИНОМ. Лаборатория знаний, Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2008