Процессор 8086 имеет 14 шестнадцатиразрядных регистров, которые используются для управления исполнением команд, адресации и выполнения арифметических операций. Регистр, содержащий одно слово, адресуется по имени.
Регистры общего назначения. К ним относятся 16-разрядные регистры АХ, ВХ, СХ, DX, каждый из которых разделен на 2 части по 8 разрядов:
АХ состоит из АН (старшая часть) и AL (младшая часть);
ВХ состоит из ВH и BL;
СХ состоит из СН и CL;
DX состоит из DH и DL;
В общем случае функция, выполняемая тем или иным регистром, определяется командами, в которых он используется. При этом с каждым регистром связано некоторое стандартное его значение. Ниже перечисляются наиболее характерные функции каждого регистра:
регистр АХ служит для временного хранения данных (регистр аккумулятор); часто используется при выполнении операций сложения, вычитания, сравнения и других арифметических и логических операции;
регистр ВХ служит для хранения адреса некоторой области памяти (базовый регистр), а также используется как вычислительный регистр;
регистр СХ иногда используется для временного хранения данных, но в основном служит счетчиком; в нем хранится число повторений одной команды или фрагмента программы;
регистр DX используется главным образом для временного хранения данных; часто служит средством пересылки данных между разными программными системами, в качестве расширителя аккумулятора для вычислений повышенной точности, а также при умножении и делении.
Регистры для адресации. В микропроцессоре существуют четыре 16-битовых (2 байта или 1 слово) регистра, которые могут принимать участие в адресации операндов. Один из них одновременно является и регистром общего назначения — это регистр ВХ, или базовый регистр. Три другие регистра — это указатель базы ВР, индекс источника SI и индекс результата DI. Отдельные байты этих трех регистров недоступны.
Любой из названных выше 4 регистров может использоваться для хранения адреса памяти, а команды, работающие с данными из памяти, могут обращаться за ними к этим регистрам. При адресации памяти базовые и индексные регистры могут быть использованы в различных комбинациях. Разнообразные способы сочетания в командах этих регистров и других величин называются способами или режимами адресации.
Регистры сегментов. Имеются четыре регистра сегментов, с помощью которых память можно организовать в виде совокупности четырех различных сегментов. Этими регистрами являются:
CS — регистр программного сегмента (сегмента кода) определяет местоположение части памяти, содержащей программу, т. е. выполняемые процессором команды;
DS — регистр информационного сегмента (сегмента данных) идентифицирует часть памяти, предназначенной для хранения данных;
SS — регистр стекового сегмента (сегмента стека) определяет часть памяти, используемой как системный стек;
ES — регистр расширенного сегмента (дополнительного сегмента) указывает дополнительную область памяти, используемую для хранения данных.
Эти 4 различные области памяти могут располагаться практически в любом месте физической машинной памяти. Поскольку местоположение каждого сегмента определяется только содержимым соответствующего регистра сегмента, для реорганизации памяти достаточно всего лишь, изменить это содержимое.
Регистр указателя стека. Указатель стека SP – это 16-битовый регистр, который определяет смещение текущей вершины стека. Указатель стека SP вместе с сегментным регистром стека SS используются микропроцессором для формирования физического адреса стека. Стек всегда растет в направлении меньших адресов памяти, т.е. когда слово помещается в стек, содержимое SP уменьшается на 2, когда слово извлекается из стека, микропроцессор увеличивает содержимое регистра SP на 2.
Регистр указателя команд IP. Регистр указателя команд IP, иначе называемый регистром счетчика команд, имеет размер 16 бит и хранит адрес некоторой ячейки памяти – начало следующей команды. Микропроцессор использует регистр IP совместно с регистром CS для формирования 20-битового физического адреса очередной выполняемой команды, при этом регистр CS задает сегмент выполняемой программы, а IР – смещение от начала сегмента. По мере того, как микропроцессор загружает команду из памяти и выполняет ее, регистр IP увеличивается на число байт в команде. Для непосредственного изменения содержимого регистра IP служат команды перехода.
Регистр флагов. Флаги – это отдельные биты, принимающие значение 0 или 1. Регистр флагов (признаков) содержит девять активных битов (из 16). Каждый бит данного регистра имеет особое значение, некоторые из этих бит содержат код условия, установленный последней выполненной командой. Другие биты показывают текущее состояние микропроцессора.
X
X
X
X
OF
DF
IF
TF
SF
ZF
X
AF
X
PF
X
CF
Биты регистра флагов имеют следующее назначение:
OF (признак переполнения) – равен 1, если возникает арифметическое переполнение, то есть когда объем результата превышает размер ячейки назначения;
DF (признак направления) – устанавливается в 1 для автоматического декремента в командах обработки строк, и в 0 – для инкремента;
IF (признак разрешения прерывания) – прерывания разрешены, если IF=1. Если IF=0, то распознаются лишь немаскированные прерывания;
TF (признаков трассировки) - если TF=1, то процессор переходит в состояние прерывания INT 3 после выполнения каждой команды;
SF (признак знака) – SF=1, когда старший бит результата равен 1. Иными словами, SF=0 для положительных чисел, и SF=1 для отрицательных чисел;
ZF (признак нулевого результата) – ZF=1, если результат равен нулю;
AF (признак дополнительного переноса) – этот флаг устанавливается в 1 во время выполнения команд десятичного сложения и вычитания при возникновении переноса или заема между полубайтами;
PF (признак четности) – этот признак устанавливается в 1, если результат имеет четное число единиц;
CF (признак переноса) – этот флаг устанавливается в 1, если имеет место перенос или заем из старшего бита результата; он полезен для произведения операций над числами длиной в несколько слов, которые сопряжены с переносами и заемами из слова в слово;
X – зарезервированные биты.
Легко заметить, что все флаги младшего байта регистра флагов устанавливаются арифметическими или логическими операциями процессора. За исключением флага переполнения, все флаги старшего байта отражают состояние микропроцессора и влияют на характер выполнения программы. Флаги старшего байта устанавливаются и сбрасываются специально предназначенными для этого командами. Флаги младшего байта являются кодами условного перехода для изменения порядка выполнения программы.
Кеш
Кеш — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из оперативной (ОЗУ) и быстрее внешней (жёсткий диск или твердотельный накопитель) памяти, за счёт чего уменьшается среднее время доступа и увеличивается общая производительность компьютерной системы. Прямой доступ к данным, хранящимся в кэше, программным путем невозможен.
Диаграмма кэша памяти ЦПУ
Кэш — это память с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа (далее «основная память»). Кэширование применяется ЦПУ, жёсткими дисками, браузерами, веб-серверами, службами DNS и WINS.
Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти.
Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша. Если в кэше не найдена запись, содержащая затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становится доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.
Если кэш ограничен в объёме, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используются разные алгоритмы вытеснения.
При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.
В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.
В кэше с отложенной записью (или обратной записью) обновление происходит в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов данных записи кэша хранят признак модификации (изменённый или «грязный»). Промах в кэше с отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.
В случае, если данные в основной памяти могут быть изменены независимо от кэша, то запись кэша может стать неактуальной. Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность данных, называют протоколами когерентности кэша.
