Z histórie procesorov INTEL 80x86 - adresovanie.

Procesor INTEL 8086

Procesor Intel 8086 bol uvedený na trh v rokoch 1979 - 1980. Je to plnohodnotný 16bitový procesor. Je vybavený 16bitovou vnútornou architektúrou, která mu dovoľuje počas jedinej inštrukcie spracovať maximálně 16bitové číslo (tj. číslo v rozsahu 0 až 2¹⁶-1 resp. 0 až 65535). Okem toho 8086 disponuje 16bitovou dátovou zbernicou, ktorá umožňuje prenášať dáta do (z) čipu po 16 bitoch. Ďalej je vybavený 20bitovou adresovou zbernicou, pomocou ktorej dokáže adresovať pamäťový priestor s kapacitou max. 1 MB (t.j. 2²⁰ B = 1048576 B). Táto adresa je tvorená z dvoch šestnáctibitových častí označovaných segment a offset, ktoré se sčítajú posunuté o 4 bity. Tým je vytvorená výsledná 20-bitová adresa.

Schéma adresovania procesora 8086

Veľkosť jednoho segmentu, v rámci ktorého je možné sa pohybovať iba na základe zmeny hodnoty offsetu, je 64 kB. Adresa se zapisuje v tvare segment : offset. Např. 4000:B000 určuje adresu 4B000 (hexadecimálne), tj. 307200 (dekadicky).

Intel 8086 bol vyrábaný v púzdre DIP (DIL) so 40 vývodami a na svojom čipe integruje asi 29000 tranzistorov. Procesor Intel 8086 bol osadzovaný najčastejšie v počítačoch označených IBM PC a IBM PC / XT

Procesor INTEL 8088

Procesor Intel 8088 bol veľmi podobný procesoru 8086. Bol používaný v rovnakých typoch počítačov ako procesor 8086. Nebol to plnohodnotný 16bitový procesor, ale o procesor, který mal 16bitové jadro a iba 8bitovú dátovú zbernicu. Táto 8bitová zbernica znižovala výkon procesora, ale umožňovala jednoduchší návrh a jednoduchšiu matičnú dosku, která mohla vzniknúť menšími úpravami matičnej dosky určenej pre procesor 8080.(Pozn. - v tom čase počítače boli 10 násobne drahšie) Vďaka týmto vlastnostiam bol počítač s procesorom 8088 lacnejší než počítač s procesorem 8086. Pre vytváranie adresy používal rovnaký model ako procesor 8086.

Z hľadiska užívateľa a programátora je to úplne kompatibilný procesor s procesorem Intel 8086, ktorý pri rovnakej frekvencii poskytoval asi o 15% nižší výkon.

Staršie typy tohoto procesora, označované 8088-1, pracovali s frekvenciami do 5 MHz. Naopak novšie verzie tohto procesora, označované 8088-2, mohli dosahovať frekvencie až 8 MHz.

Procesory INTEL 80186 a 80188

Tieto procesory boli veľmi podobné procesorom 8086 a 8088. Nemali príliš veľa nových vlastností. Používali rovnaký model tvorby adresy a používali rovnako široké zbernice (80186 jel plnohodnotný 16bitový procesor a 80188 je vnútorne 16bitový procesor s 8 bitovou dátovou zbernicou).

V niečom sa predsa len líšili od predošlých mikroprocesorov a to výkonnejší mikrokódom, ktorý umožňoval vyšší výkon. Tieto procesory boli dodávané v púzdre PGA.

Z dôvodu, že tieto procesory neposkytovali žiadne výraznejšie zlepšenia, nezaznamenali väčší komerčný úspech a nedošlo k ich väčšiemu rozšíreniu.

Procesor INTEL 80286

Procesor 80286 bol uvedený na trh v roku 1981 a znamenal veľký technologický skok v procesoroch série 80x86. Vyrábal sa v púzdre PGA a neskôr v lacnejšom púzdre PLCC. Procesor 80286 poskytuje oveľa väčší výkon než procesor 8086 (8088) a na svojom čipe integruje približne 130000 tranzistorov. Je to plnohodnotný 16-bitový procesor, ktorý môže pracovať v dvoch rôznych režimoch:

reálný režim (real mode, režim reálnej adresy): V reálnom režime je procesor 80286 plno kompatibilný zo svojimi predchodcami. Procesor v tomto režime pracuje úplne rovnako ako procesor 8086 (8088). Používá 20 bitov pre tvorbu adresy, která je vytváraná podľa rovnakého modelu ako to používa procesor 8086. V tomto režime môžu sa na procesore 80286 spúšťať programy napísané pre predošlý typ procesora.
chránený režim (protected mode, režim virtuálnej adresy): Nový režim, nezlučiteľný s 8086. Tento režim podporuje multiprogramovanie (paralelné spracovanie viac programov). Je teda nevyhnutné, aby procesor v tomto režime poskytoval ochranu mezi jednotlivými spustenými programami a rôzne úrovne oprávnenia přístupu k prostriedkom počítača. Procesor v tomto režime používa nový model pre vytváranie adresy. Adresa je vytváraná z dvoch 16 bitových zložiek nazývaných selektor a offset s pomocou tzv. tabuliek deskriptorov. Výsledná adresa je potom 24 bitová, čo umožňuje procesoru adresovať maximálne 2²⁴ B = 16 MB operačnej pamäti.

Schéma adresácia procesoru 80286 v chránenom režime

Prvná čásť logickej adresy nazývaná selektor je rozdělena na tri časti:
- nejnižšie dva bity sú nazývané RPL (Requested Privilege L evel) a určujú požadovanú úroveň oprávnenia k segmenetu pamäti. Z toho vyplýva podpora 4 úrovní oprávnenia.
- bit 2 je označovaný ako TI (Table Index) a určuje, či pri tvorbe adresy bude použitá lokálna tabuľka deskriptorov (LDT - Loacal Descriptor Table) alebo globálna tabuľka deskriptorov (GDT - Global Descriptor Table).
- najvyšších trinásť bitov potom slúži ako index do příslušnej tabuľky deskriptorov. Jedna položka tabuľky deskriptorov má 64 bitov, z ktorých je vybratých 24 bitov, ktoré slúžia ako tzv. bázová adresa. K tejto bázovej adrese se potom pripočíta 16bitový offset (pripočítanie je uskutočnené bez akéhokoľvek posunu). Výsledok je 24bitová fyzická adresa, pomocou ktorej je možné adresovať maximálne 16 MB operačnej pamäte.
  Jedna položka tabuľky deskriptorov obsahuje:
  - bázovú adresu segmentu (24 bitov), tj. adresu, na ktorej segment začína.
  - prístupové práva k segmentu (8 bitov), z ktorých je možné určiť typ segmentu:
    - kódový segment
    - datový segment
    - špeciálny systémový segment
  - limit segmentu (16 bitov), ktorý určuje maximálnu veľkosť segmentov
  - ostávajúce bity deskriptora sú nastavené vždy na nulu (kvôli kompatibilite s procesorom 80386)
Veľkou nevýhodou tohoto procesora je stále 16bitový offset, který nedovoľuje väčší segmenet než 64 kB.

Počítače osadené týmto procesorom boli označované PC/AT.

Procesor INTEL 80386

Procesor 80386 je prvý plnohodnotný 32bitový procesor od firmy Intel, ktorý používa 32bitovoú adresovú zbernicu. Na trh byl uvedený v roku 1986 pod oficiálnym názvom 80386DX. Tento procesor byl dodávaný najskôr v púzdre PGA a neskôri v lacnejšom púzdre PQFP. V oboch prípadoch čip obsahoval asi 275000 tranzistorov. Tento procesor zahrňuje v sebe veľké bohatstvo programovacích možností včítane možnosti prevádzkovať programy systému MS-DOS v režime paralelného spracovávania úloh s pomocou programového vybavenia operačnými systémami ako OS/2 alebo Windows. Procesor 80386 môže pracovať v troch režimoch:

reálný režim (real mode): veľmi podobný reálnemu režimu predchádzajúcich procesorov. Používá rovnaký adresovací mechanismus a má rovnakú maximálnu veľkosť operačnej pamäti (1 MB) ako aj rovnakú maximálnu veľkosť segmentu (64 kB). V tomto režime môžu pracovať programy určené prpre predošlé procesory (8086/8088).
chránený režim (protected mode): Režim, ktorý je veľmi podobný chránenému režimu procesora 80286. Šířka adresovej zbernice v tomto režime je 32 bitov, čo umožňuje adresovať operačnú pamäť až do kapacity do 4 GB.

Schéma adresácie procesora 80386 v chránenom režime

Tento režim znova používa pre tvorbu adresy dve zložky (selektor, offset). Selektor je znova rozdelený do troch častí, ktoré majú rovnaký význam ako u procesora 80286. Na rozdiel od procesora 80286 je však bázová adresa, která se vyberá z tabuľky deskriptorov už nie 24bitová, ale 32bitová. Druhým rozdiel je vo veľkosti offsetu, ktorého veľkosť je u procesora 80386 32 bitov. Vďaka tomuto zväčšeniu na 32 bitov je možné, aby procesor 80386 adresoval až 4 GB (2³²B) operačnej pamäte a aby veľkosť jednoho segmentu byla taktiež 4 GB.
Jedna položka tabuľky deskriptorov obsahuje:
- bázovú adresu (32 bitov): adresa začiatku segmentu
- limit segmentu (20 bitov): maximálnu veľkosť segmentu, která je určovaná buď v bytoch (max. 1 MB), alebo v násobkoch 4 kB (max. 4 GB)
- přístupové práva k segmentu (8 bitov): rovnako ako u procesora 80286
- ďaľšia informácia (4 B): napr. výšie uvedená interpretácia limitu segmentu.
Ďaľším rozdielom od procesora 80286 je, že adresa určená touto schémou nemusí byť ešte fyzickou adresou ukazujúcou priamo do operačnej pamäti, ale je možné, aby bola ďalej transformovaná mechanizmom zvaným stránkovánie.

Schéma stránkovacieho mechanizmu procesora 80386

32bitová lineární adresa je rozdelená na tri časti:
- Adresár: tvorený najvyššími 10 bitmi, slúži ako index tabuľky zvanej adresár, odkiaľ je vybraná 20 bitová báza tabuľky stránok.
- Tabuľka: tvorená nižšími 10 bitmi, slúži ako index do tabuľky stránok. Z tejto tabuľky se vyzvihne 20 bitová báza stránky, která tvorí 20 nejvyšších bitov fyzickej adresy.
- Offset: tvorený nejnižšími 12 bitmi. Offset sa potom sčíta s o 12 bitov posunutou (t.j. vynásobenou 4096) bázou stránky tak, že tvorí nejnižších 12 bitov fyzickej adresy.
Mechanismus stránkovania je spojený s problémom dvoch prístupov do tabuliek, které sú uložené v operačnej pamäti a prístup k nim môže procesor zdržovať. Aby sa tento mechanizmus urýchlil má procesor 80386 zabudovánú rýchlu vyrovnávaciu cache pamäť ktorá sa nazýva TLB (Translation Lookaside Buffer), v ktorej sú uchovávané naposledy používané lineárne adresy a k nim odpovedajúce adresy fyzické.
virtuálny režim: V tomto režime procesor 80386 pracuje podobne ako procesor 8086 (8088), ale je plno podriadený chránenému režimu. Je možné takto virtualizovat 1 MB operačnej pameti, ktorý mohol adresovať procesor 8086 a uložiť ho na ľubovolné miesto v 4 GB operačnej pamäti.