Ознакомление с архитектурой персонального компьютера

Цели и задачи работы:

Ознакомление со структурой персонального компьютера и микропроцессора Intel 8086(К1810ВМ86).

Краткие теоретические сведения:

Основными элементами аппаратных средств компьютера являются: системный блок, клавиатура, устройство отображения дисплей), дисководы, печатающее устройство (принтер) и различные средства для ассинхронной коммуникации и управления игровыми программами. Системный блок состоит из системной платы, блока питания и ячейки расширения для дополнительных плат, обеспечивающие подключение дисплея, дисководов и т. д.

На системной плате размещены:

• — микропроцессор (Intel 8086/8088)
• — постоянная память (ROM 40 Кбайт)
• — оперативная память (RAM 640 Кбайт)

Структура микропроцессора INTEL 8086.

Главным элементом или «мозгом «компьютера является микропроцессор (МП) Intel 8086 (отечественный аналог-К1810ВМ86), который выполняет обработку всех команд и данных и имеет 20-разрядную шину адреса и 16-тиразрядную шину данных.

Обычно процесс выполнения команд в МП включает в себя следующие этапы:

• 1) извлечение кода команды (операндов команды, если этого требует код команды) из памяти;
• 2) выполнение команды;
• 3) запись результата (если этого требует команда). В МП 8086 два раздельных процессорных блока (рис. 1) операционное устройство (ОУ) и шинный интерфейс (ШИ).

Работа ОУ заключается в декодировании и выполнении команд, в то время как ШИ подготавливает команды для выполнения, осуществляет связь с внешними устройствами, обеспечивает выборку команд и данных из памяти, формирует очередь команд. Операционное устройство содержит 16-разрядное арифметико-логическое устройство (АЛУ) с регистром состояния или регистром флагов, устройство управления и регистры общего назначения. Эти устройства обеспечивают выполнение команд, арифметические вычисления и логические операции.

Три элемента шинного интерфейса: устройство управления шиной, очередь команд и сегментные регистры осуществляют три важные функции: во-первых, ШИ управляет передачей данных на ОУ, память и на внешнее устройство ввода-вывода. Во-вторых, четыре сегментных регистра управляют объемом памяти до 1 Мбайта.

Третья функция ШИ это выборка команд. Так как все программные команды находятся в памяти, ШИ должен иметь доступ к ним для выборки их в очередь команд. В очереди может быть записано до четырех кодов команд. Это позволяет ШИ выдавать в ОУ сохраненные команды по мере необходимости без загрузки внешних магистралей МП. Блок ШИ организует получение нового кода команды, как только 2 байта в очереди команд будут переданы в ОУ. Пока ОУ занята выполнением первой в очереди команды, ШИ выбирает следующую команду из памяти. Коды команд поступают в операционное устройство последовательно так, как они записаны в программе. Если ОУ выполняет команду передачи управления в другое место программы, то ШИ очищает очередь команд, получает код команды из нового адреса, передает его в ОУ и начинает заполнять очередь заново.

Рис 1. Схема микропроцессора INTEL 8086.

Память. Микрокомпьютер имеет два типа внутренней памяти: постоянная память (ПЗУ) или ROM и оперативная память (ОЗУ) или RAM. ROM представляет собой специальную микросхему, из которой возможно только чтение информации. Поскольку данные специальным образом «прожигаются», они не могут быть изменены.

Основным назначением ROM является поддержка процедур начальной загрузки: при включении питания компьютера ROM выполняет различные проверки составных блоков компьютера (тестирование) и загружает в оперативную память RAM данные или с системной дискеты или с жесткого диска (например, DOS-операционную систему. Для целей программирования наиболее важным элементом ROM является BIOS — базовая система ввода-вывода и формы для графических символов.

Память, с которой имеет дело программист, представляет собой оперативную память или ОЗУ (RAM). Это память, доступная как для записи, так и для чтения. RAM можно рассматривать как рабочую область для временного хранения программ и данных на время выполнения.

Так как содержимое оперативной памяти теряется при отключении питания, необходима внешняя память для сохранения программ и данных. В качестве внешней памяти используются дискета или жесткий диск типа винчестера.

Рис. 2. Карта памяти персонального компьтера.

Адресация памяти. Все ячейки памяти пронумерованы последовательно от нулевого -00 минимального адреса памяти. Так как шина адреса микропроцессор, а 8086 20-разрядная, то максимальный физический адрес ячейки памяти в 16-ричной системе счисления будет FFFFF. Условно всю память можно разделить на сегменты.

Сегмент — область, которая начинается на границе параграфа, т. е. по любому адресу, который делится на 16 без остатка. Можно считать, что началом сегмента является любой 20-разрядный физический адрес, младшие 4 разряда которого содержат 0000.

Хотя сегмент может располагаться в любом месте памяти по усмотрению программиста и иметь размер до 64 Кбайт, он требует столько памяти, сколько необходимо для выполнения программы.

Различают четыре сегмента:

• 1. СЕГМЕНТ КОДОВ. Сегмент кодов содержит машинные команды, которые будут выполняться. Обычно первая выполняемая команда находится в начале этого сегмента и операционная система передает управление по адресу данного сегмента для выполнения программы. Регистр сегмента кодов (CS) адресует данный сегмент.
• 2. СЕГМЕНТ ДАННЫХ. Сегмент данных содержит определенные данные, константы и рабочие области, необходимые программе. Регистр сегмента данных (DS) адресует данный сегмент.
• 3. СЕГМЕНТ СТЕКА. Сегмент стека содержит адреса возврата как для программы для возврата в операционную систему, так и для вызовов подпрограмм для возврата в главную программу. Регистр сегмента стека (SS) адресует данный сегмент.
• 4. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ СЕГМЕНТ. Дополнительный сегмент применяется как вспомогательный сегмент данных при операциях со строками. Регистр дополнительного сегмента (ES) адресует данный сегмент.

Чтобы понять метод адресации, применяемой для микропроцессора INTEL 8086, предположим, что любая ячейка памяти имеет два тип, а адресов: физический и логический. Физический адрес представляется 20-разрядным числом и однозначно определяет любую из 1Мбайт ячеек памяти. В 16-ричной системе счисления этот адрес лежит в диапазоне от 0 до FFFFF. Обмен информацией между памятью и МП осуществляется с помощью физических адресов.

Программа же задействует логические адреса и позволяет записывать команду без предварительных знаний места, где эта команда будет размещена в памяти. Команды программы и ее данные располагаются в разных сегментах. Это дает программисту гибкий механизм распределения ресурсов памяти при выполнении программ. Лог ический адрес состоит из двух составных частей: значения базы сегмента и значение смещения в сегменте. Базовый адрес и смещение в сегменте отражаются 16-ричными числами. Как только ШИ обращается к памяти, базовый адрес формирует физический по следующему правилу: значения базы сегмента сдвигаются на четыре разряда влево, и полученное 20-разрядное число (с четырьмя нулями в младших четырех разрядах) складывается со значением смещения в сегменте.

Таким образом, база сегмента (с 4-мя нулями, добавленными в качестве младших разрядов) задает для памяти сегменты длиной до 64 Кбайт, а значение смещения в сегменте — расстояние от начала сегмента до искомого адреса памяти. Максимально возможное смещение в сегменте 64 Кбайт.

Регистры микропроцессора. Микропроцессоры 8086/8088 имеют 14 регистров, которые по назначению можно разделить на 3 группы. Каждый регистр имеет длину в одно слово (16) бит и адресуется по имени.

Биты регистров принято адресовать слева направо:

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0.

компьютер микропроцессор intel.

Рис. 3 Схема формирования адреса в блоке ШИ.

Регистры общего назначения: AH, BX, CX, DX. При программировании регистры общего назначения являются «рабочими лошадками». Особенность этих регистров в том, что возможна адресация их как одного целого слова (2 байта) или как однобайтовой части. Левый байт является старшей частью (Hidh), а правый — младшей частью (Low).

• 1. Регистр AX. Регистр AX является основным сумматором и применяется как аккумулятор для всех операций ввода-вывода, некоторых операций над строками и арифметических операций. Например, команды умножения, деления и сдвига предполагают использование регистра AX.
• 2. Регистр BX. Регистр BX является базовым регистром. Это единственный регистр общего назначения, который может использоваться в качестве «индекса» для расширенной адресации. Другое его назначение — вычисления.
• 3. Регистр CX. Регистр CX является счетчиком. Он необходим для управяления числом повторений циклов и для операций сдвига влево или вправо. Используется также для вычислений.

Рис. 4 Регистровая модель микропроцессора 8086.

4. Регистр DX. Регистр DX является регистром данных. Он применяется для некоторых операций ввода-вывода и тех операций умножения и деления над большими числами, которые используют регистровую пару DX и AX. Любые регистры общего назначения могут использоваться для сложения и вычитания как 8-ми, так и 16-битовых значений.