Тема 2.5 Основы программирования процессора

С увеличением длины программы все труднее становится запомнить коды различных операций. Некоторую помощь в этом отношении оказывают мнемонические обозначения.

Язык символического кодирования команд называется ассемблером .

Язык ассемблер – это язык, в котором каждое высказывание соответствует ровно одной машинной команде.

Ассемблированием называется преобразование программы с языка ассемблера, т. е. подготовка программы на машинном языке путем замены символических имен операций на машинные коды, а символических адресов – на абсолютные или относительные номера, а также включение библиотечных программ и генерация последовательностей символических команд путем указания конкретных параметров в микрокомандах. Данная программа обычно размещается в ПЗУ или вводится в ОЗУ с некоторого внешнего носителя.

Язык ассемблер имеет несколько особенностей, отличающих его от языков высокого уровня:

1. Это взаимно однозначное соответствие между высказываниями языка ассемблера и машинными командами.

2. Программист на языке ассемблера имеет доступ ко всем объектам и командам, присутствующим на целевой машине.

Представление об основах программирования на машинно-ориентированных языках полезно для:

Лучшего понимания архитектуры ПК и более грамотного использования компьютеров;

Для разработки более рациональных структур алгоритмов программ решения прикладных задач;

Возможности просмотра и корректировки исполняемых программ с расширением.exe и.com, компилированных с любых языков высокого уровня, в случае утраты исходных программ (вызвав указанные программы в отладчик программы DEBUG и декомпилировав их отображение на языке ассемблера);

Составления программ решения наиболее ответственных задач (программа, составленная на машинно-ориентированном языке, обычно эффективнее – короче и быстрее процентов на 30-60 программ, полученных в результате трансляции с языков высокого уровня)

Для реализации процедур, включаемых в основную программу в виде отдельных фрагментов в том случае, если они не могут быть реализованы ни на используемом языке высокого уровня, ни с использованием служебных процедур ОС.

Программа на языке ассемблера может работать только на ЭВМ одного семейства, а программа, написанная на языке высокого уровня, потенциально может работать на разных машинах.

Алфавит языка ассемблера составляют символы ASCII.

Числа только целые. Различают:

Двоичные числа, заканчиваются буквой В;

Десятичные числа, заканчиваются буквой D;

Шестнадцатеричные числа, заканчиваются буквой Н.

Оперативная память, регистры, представление данных

Для определённой серии МП используется индивидуальный язык составления программ – язык ассемблер.

Язык ассемблер занимает промежуточное положение между машинными кодами и языками высокого уровня. Программировать на этом языке проще. Программа на языке ассемблер более рационально использует возможности конкретной машины (точнее МП), чем программа на языке высокого уровня (который более прост для программиста, чем ассемблер). Основные принципы программирования на машинно-ориентированных языках рассмотрим на примере языка ассемблер для МП КР580ВМ80. Для программирования на языке используется общая методика. Конкретные же технические приемы записи программ связаны с особенностями архитектуры и системы команд целевого МП.

Программная модель микропроцессорной системы на основе МП КР580ВМ80

Программная модель МПС в соответствии с рисунком 1

МП Порты Память

Рисунок 1

С точки зрения программиста МП КР580ВМ80 имеет следующие программно-доступные регистры.

А – 8-битовый регистр аккумулятор. Является главным регистром МП. Любая операция, выполняемая в АЛУ, предполагает размещение одного из операндов, подлежащих обработке, в аккумуляторе. Результат операции в АЛУ тоже обычно хранится в А.

B, C, D, E, H, L – 8-битовые регистры общего назначения (РОН). Внутренняя память МП. Предназначены для хранения обрабатываемой информации, а также результатов операции. При обработке 16-разрядных слов из регистров образуют пары BC, DE, HL, причем сдвоенный регистр называется первой буквой – B, D, H. В регистровой паре старшим является первый регистр. Особым свойством обладают регистры H, L, используемые как для хранения данных, так и для хранения 16-разрядных адресов ячеек ОЗУ.

FL – регистр флагов (регистр признаков) 8-битовый регистр, в котором сохраняются пять признаков результата выполнения арифметических и логических операций в МП. Формат FL в соответствии с рисунком

Разряд С (CY - carry) - перенос, устанавливается в 1, если был перенос из старшего разряда байта при выполнении арифметических операций.

Разряд Р (parity) – четность, устанавливается в 1, если число единиц в разрядах результата четно.

Разряд АС – дополнительный перенос, предназначен для хранения значения переноса из младшей тетрады результата.

Разряд Z (нуль) – устанавливается в 1, если результат операции равен 0.

Разряд S (знак) – устанавливается в 1, если результат отрицательный, и в 0, если результат положительный.

SP –- указатель стека, 16-разрядный регистр, предназначен для хранения адреса ячейки памяти, куда был записан последний введенный в стек байт.

РС – программный счетчик (счетчик команд), 16-разрядный регистр, предназначен для хранения адреса следующей выполняемой команды. Содержимое счетчика команд автоматически увеличивается на 1 сразу же после выборки очередного байта команды.

В начальной области памяти адреса 0000Н – 07FF располагается управляющая программа и демонстрационные программы. Это область ПЗУ.

0800 – 0АFF - область адресов для записи исследуемых программ. (ОЗУ).

0В00 – 0ВВ0 - область адресов для записи данных. (ОЗУ).

0ВВ0 – начальный адрес стека. (ОЗУ).

Стек – специально организованная область ОЗУ, предназначенная для временного хранения данных или адресов. Число, записанное в стек последним, извлекается из него первым. Указатель стека хранит адрес последней ячейки стека, в которой записана информация. При вызове подпрограммы в стеке автоматически сохраняется адрес возврата в основную программу. Как правило, в начале каждой подпрограммы сохраняются в стеке содержимое всех задействованных при ее выполнении регистров, а в конце подпрограммы восстанавливают их из стека.

Формат данных и структура команд языка ассемблер

Память МП КР580ВМ80 представляет собой массив 8-ьитных слов, называемых байтами, Каждый байт имеет свой 16-разрядный адрес, определяющий его положение в последовательности ячеек памяти. МП может адресовать 65536 байт памяти, которая может содержать как в ПЗУ, так и в ОЗУ.

Формат данных

Данные хранятся в памяти в виде 8-битных слов:

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

Младшим битом является бит 0, старшим – бит 7.

Команда характеризуется форматом, т. е. числом отведенных для нее разрядов, которые разделены побайтно на определенные функциональные поля.

Формат команд

Команды МП КР580ВМ80 имеют одно, двух или трехбайтный формат. Многобайтные команды должны быть размещены в соседних ЯП. Формат команды зависит от особенностей выполняемой операции.

Первый байт команды содержит код операции, записанный в мнемоническом виде.

Он определяет формат команды и те действия, которые должны быть выполнены МП над данными в процессе ее выполнения, и способ адресации, а также может содержать информацию о нахождении данных.

Во втором и третьем байтах могут находиться данные, над которыми производятся операции, или адреса, указывающие местонахождение данных. Данные, над которыми производятся действия, называются операндами.

Формат однобайтовой команды в соответствии с рисунком 2

Рисунок 4

В командах на языке ассемблера код операции имеет сокращённую форму записи английских слов – мнемоническое обозначение. Мнемоника (от греческого mnemonic – искусство запоминания) позволяет легче запомнить команды по их функциональному назначению.

Перед исполнением исходная программа переводится с помощью программы трансляции, называемой ассемблером, на язык кодовых комбинаций – машинный язык, в таком виде размещается в памяти МП и далее используется при выполнении команды.

Методы адресации

Все коды операндов (входные и выходные) должны где-то располагаться. Они могут находиться во внутренних регистрах МП (наиболее удобный и быстрый вариант). Они могут располагаться в системной памяти (самый распространенный вариант). Наконец, они могут находиться в устройствах ввода-вывода (наиболее редкий случай). Определение места положения операндов производится кодом команды. Существуют разные методы, с помощью которых код команды может определить, откуда брать входной операнд и куда помещать выходной операнд. Эти методы называются методами адресации.

Для МП КР580ВМ80 существуют следующие методы адресации:

Непосредственная;

Регистровая;

Косвенная;

Стековая.

Непосредственная адресация предполагает, что операнд (входной) находится в памяти непосредственно за кодом команды. Операнд обычно представляет собой константу, которую надо куда-то переслать, к чему-то прибавить и т. д. данные содержатся во втором или во втором и третьем байтах команды, причем младший байт данных находится во втором байте команды, а старший – в третьем байте команды.

Прямая (она же абсолютная) адресация предполагает, что операнд (входной или выходной) находится в памяти по адресу, код которого находится внутри программы сразу же за кодом команды. Используется в трехбайтовых командах.

Регистровая адресация предполагает, что операнд (входной или выходной) находится во внутреннем регистре МП. Используется в однобайтовых командах

Косвенная (неявная)адресация предполагает, что во внутреннем регистре МП находится не сам операнд, а его адрес в памяти.

Стековая адресация предполагает, что команда не содержит адрес. Адресация к ячейкам памяти по содержимому 16-разрядного регистра SP (указателя стека).

Система команд

Система команд МП – это полный перечень элементарных действий, которые способен производить МП. Управляемый этими командами МП выполняет простые действия, такие как элементарные арифметические и логические операции, пересылку данных, сравнение двух величин и др. Число команд МП КР580ВМ80 - 78 (с учетом модификаций 244).

Различают следующие группы команд:

Передачи данных;

Арифметические;

Логические;

Команды перехода;

Команды ввода-вывода, управления и работы со стеком.

Символы и сокращения, применяемые при описании команд и составлении программ

Для того чтобы машина могла выполнить команды человека на аппаратном уровне, необходимо задать определенную последовательность действий на языке «ноликов и единиц». Помощником в этом деле станет Ассемблер. Это утилита, которая работает с переводом команд на машинный язык. Однако написание программы - весьма трудоемкий и сложный процесс. Данный язык не предназначен для создания легких и простых действий. На данный момент любой используемый язык программирования (Ассемблер работает прекрасно) позволяет написать специальные эффективные задачи, которые сильно влияют на работу аппаратной части. Основным предназначением является создание микрокоманд и небольших кодов. Данный язык дает больше возможностей, чем, например, Паскаль или С.

Краткое описание языков Ассемблера

Все языки программирования разделяются по уровням: низкий и высокий. Любой из синтаксической системы «семейки» Ассемблера отличается тем, что объединяет сразу некоторые достоинства наиболее распространенных и современных языков. С другими их роднит и то, что в полной мере можно использовать систему компьютера.

Отличительной особенностью компилятора является простота в использовании. Этим он отличается от тех, которые работают лишь с высокими уровнями. Если взять во внимание любой такой язык программирования, Ассемблер функционирует вдвое быстрее и лучше. Для того чтобы написать в нем легкую программу, не понадобится слишком много времени.

Кратко о структуре языка

Если говорить в общем о работе и структуре функционирования языка, можно точно сказать, что его команды полностью соответствуют командам процессора. То есть Ассемблер использует мнемокоды, наиболее удобные человеку для записи.

В отличие от других языков программирования, Ассемблер использует вместо адресов для записи ячеек памяти определенные метки. Они с процессом выполнения кода переводятся в так называемые директивы. Это относительные адреса, которые не влияют на работу процессора (не переводятся в машинный язык), а необходимы для распознавания самой средой программирования.

Для каждой линейки процессора существует своя При таком раскладе правильным будет любой процесс, в том числе и переведенный

Язык Ассемблера имеет несколько синтаксисов, которые будут рассмотрены в статье.

Плюсы языка

Наиболее важным и удобным приспособлением языка Ассемблера станет то, что на нем можно написать любую программу для процессора, которая будет весьма компактной. Если код оказывается огромным, то некоторые процессы перенаправляет в оперативную память. При этом они все выполняют достаточно быстро и без сбоев, если конечно, ими управляет квалифицированный программист.

Драйвера, операционные системы, BIOS, компиляторы, интерпретаторы и т. д. - это все программа на языке Ассемблера.

При использовании дизассемблера, который совершает перевод из машинного в можно запросто понять, как работает та или иная системная задача, даже если к ней нет пояснений. Однако такое возможно лишь в том случае, если программы легкие. К сожалению, в нетривиальных кодах разобраться достаточно сложно.

Минусы языка

К сожалению, начинающим программистам (и зачастую профессионалам) трудно разобрать язык. Ассемблер требует подробного описания необходимой команды. Из-за того, что нужно использовать машинные команды, растет вероятность ошибочных действий и сложность выполнения.

Для того чтобы написать даже самую простую программу, программист должен быть квалифицированным, а его уровень знаний достаточно высоким. Средний специалист, к сожалению, зачастую пишет плохие коды.

Если платформа, для которой создается программа, обновляется, то все команды необходимо переписывать вручную - этого требует сам язык. Ассемблер не поддерживает функцию автоматического регулирования работоспособности процессов и замену каких-либо элементов.

Команды языка

Как уже было сказано выше, для каждого процессора имеется свой набор команд. Простейшими элементами, которые распознаются любыми типами, являются следующие коды:

Использование директив

Программирование микроконтроллеров на языке (Ассемблер это позволяет и прекрасно справляется с функционированием) самого низкого уровня в большинстве случаев заканчивается удачно. Лучше всего использовать процессоры с ограниченным ресурсом. Для 32-разрядной техники данный язык подходит отлично. Часто в кодах можно заметить директивы. Что же это? И для чего используется?

Для начала необходимо сделать акцент на том, что директивы не переводятся в машинный язык. Они регулируют выполнение работы компилятором. В отличие от команд, эти параметры, имея различные функции, отличаются не благодаря разным процессорам, а за счет другого транслятора. Среди основных директив можно выделить следующие:

Происхождение названия

Благодаря чему получил название язык - "Ассемблер"? Речь идет о трансляторе и компиляторе, которые и производят зашифровку данных. С английского Assembler означает не что иное, как сборщик. Программа не была собрана вручную, была использована автоматическая структура. Более того, на данный момент уже у пользователей и специалистов стерлась разница между терминами. Часто Ассемблером называют языки программирования, хотя это всего лишь утилита.

Из-за общепринятого собирательного названия у некоторых возникает ошибочное решение, что существует единый язык низкого уровня (или же стандартные нормы для него). Чтобы программист понял, о какой структуре идет речь, необходимо уточнять, для какой платформы используется тот или иной язык Ассемблера.

Макросредства

Языки Ассемблера, которые созданы относительно недавно, имеют макросредства. Они облегчают как написание, так и выполнение программы. Благодаря их наличию, транслятор выполняет написанный код в разы быстрее. При создании условного выбора можно написать огромный блок команд, а проще воспользоваться макросредствами. Они позволят быстро переключаться между действиями, в случае выполнения условия или невыполнения.

При использовании директив макроязыка программист получает макросы Ассемблера. Иногда он может широко использоваться, а иногда его функциональные особенности снижаются до одной команды. Их наличие в коде облегчает работу с ним, делает его более понятным и наглядным. Однако следует все равно быть внимательным - в некоторых случаях макросы, наоборот, ухудшают ситуацию.

По назначению можно выделить команды (в скобках приводятся примеры мнемонических кодов операций команд ассемблера ПК типа IBM PC):

l выполнения арифметических операций (ADD и ADC - сложения и сложения с переносом, SUB и SBB - вычитания и вычитания с заемом, MUL и IMUL - умножения без знака и со знаком, DIV и IDIV - деления без знака и со знаком, CMP - сравнения и т. д.);

l выполнения логических операций (OR, AND, NOT, XOR, TEST и т. д.);

l пересылки данных (MOV - переслать, XCHG - обменять, IN - ввести в микропроцессор, OUT - вывести из микропроцессора и т. д.);

l передачи управления (ветвления программы: JMP - безусловного перехода, CALL - вызова процедуры, RET - возврата из процедуры, J* - условного перехода, LOOP - управления циклом и т. д.);

l обработки строк символов (MOVS - пересылки, CMPS - сравнения, LODS - загрузки, SCAS - сканирования. Эти команды обычно используются с префиксом (модификатором повторения) REP;

l прерывания работы программы (INT - программные прерывания, INTO - условного прерывания при переполнении, IRET - возврата из прерывания);

l управления микропроцессором (ST* и CL* - установки и сброса флагов, HLT - останова, WAIT - ожидания, NOP - холостого хода и т. д.).

С полным списком команд ассемблера можно познакомиться в работах .

Команды пересылки данных

l MOV dst, src - пересылка данных (move - переслать из src в dst).

Пересылает: один байт (если src и dst имеют формат байта) или одно слово (если src и dst имеют формат слова) между регистрами или между регистром и памятью, а также заносит непосредственное значение в регистр или в память.

Операнды dst и src должны иметь одинаковый формат - байт или слово.

Src могут иметь тип: r (register) - регистр, m (memory) - память, i (impedance) - непосредственное значение. Dst могут быть типа r, m. Нельзя в одной команде использовать операнды: rsegm совместно с i; два операнда типа m и два операнда типа rsegm). Операнд i может быть и простым выражением:

mov AX, (152 + 101B) / 15

Вычисление выражения выполняется только при трансляции. Флаги не меняет.

l PUSH src - занесение слова в стек (push- протолкнуть; записать в стек изsrc). Помещает в вершину стека содержимое src - любого 16-битового регистра (в том числе и сегментного) или двух ячеек памяти, содержащих 16-битовое слово. Флаги не меняются;

l POP dst - извлечение слова из стека (pop - вытолкнуть; считать из стека в dst). Снимает слово с вершины стека и помещает его в dst - любой 16-битовый регистр (в том числе и сегментный) или в две ячейки памяти. Флаги не меняются.

1. Архитектура ПК……………………………………………………………5

1.1. Регистры.

1.1.1 Регистры общего назначения.

1.1.2. Сегментные регистры

1.1.3 Регистр флагов

1.2. Организация памяти.

1.3. Представление данных.

1.3.1 Типы данных

1.3.2 Представление символов и строк

2. Операторы программы на ассемблере ……………………………………

1. Команды языка ассемблера

2.2. Режимы адресации и форматы машинных команд

3. Псевдооператоры ………………………………………………………….

3.1 Директивы определения данных

3.2 Структура программы на ассемблере

3.2.1 Программные сегменты. Директива assume

3.2.3 Упрощенная директива сегментации

4. Ассемблирование и компоновка программы ………………………….

5. Команды пересылки данных…………………………………………….

5.1 Команды общего назначения

5.2 Команды работы со стеком

5.3 Команды ввода-вывода

5.4 Команды пересылки адреса

5.5 Команды пересылки флагов

6. Арифметические команды ……………………………………………….

6.1 Арифметические операции над целыми двоичными числами

6.1.1 Сложение и вычитание

6.1.2 Команды приращения и уменьшения приемника на единицу

6.2 Умножение и деление

6.3 Изменение знака

7. Логические операции ………………………………………………….

8. Сдвиги и циклические сдвиги …………………………………………

9. Строковые операции …………………………………………………….

10. Логика и организация программ ………………………………………

10.1 Безусловные переходы

10.2 Условные переходы

10.4 Процедуры в языке ассемблера

10.5 Прерывания INT

10.6 Системное программное обеспечение

10.6.1.1 Чтение клавиатуры.

10.6.1.2 Вывод символов на экран

10.6.1.3 Завершение программ.

10.6.2.1 Выбор режимов дисплея

11. Дисковая память ……………………………………………………………..

11.2 Таблица распределения файлов

11.3 Операции ввода-вывода на диск

11.3.1 Запись файла на диск

11.3.1.1 Данные в формате ASCIIZ

11.3.1.2 Файловый номер

11.3.1.3 Создание дискового файла

11.3.2 Чтение дискового файла

Введение

Язык ассемблера - это символическое представление машинного языка. Все процессы в персональном компьютере (ПК) на самом низком, аппаратном уровне приводятся в действие только командами (инструкциями) машинного языка. По-настоящему решить проблемы, связанные с аппаратурой (или даже, более того, зависящие от аппаратуры как, к примеру, повышение быстродействия программы), невозможно без знания ассемблера.

Ассемблер представляет собой удобную форму команд непосредственно для компонент ПК и требует знание свойств и возможностей интегральной микросхемы, содержащей эти компоненты, а именно микропроцессора ПК. Таким образом, язык ассемблера непосредственно связан с внутренней организацией ПК. И не случайно практически все компиляторы языков высокого уровня поддерживают выход на ассемблерный уровень программирования.

Элементом подготовки программиста-профессионала обязательно является изучение ассемблера. Это связано с тем, что программирование на ассемблере требует знание архитектуры ПК, что позволяет создавать более эффективные программы на других языках и объединять их с программами на ассемблере.

В пособии рассматриваются вопросы программирования на языке ассемблера для компьютеров на базе микропрцессоров фирмы Intel.

Данное учебное пособие адресуется всем, кто интересуется архитектурой процессора и основам программирования на языке Ассемблер, в первую очередь, разработчикам программного продукта.

Архитектура ПК.

Архитектура ЭВМ – это абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию.

Все современные ЭВМ обладают некоторыми общими и индивидуальными свойствами архитектуры. Индивидуальные свойства присущи только конкретной модели компьютера.

Понятие архитектуры ЭВМ включает в себя:

структурную схему ЭВМ;

средства и способы доступа к элементам структурной схемы ЭВМ;

набор и доступность регистров;

организацию и способы адресации;

способ представления и формат данных ЭВМ;

набор машинных команд ЭВМ;

форматы машинных команд;

обработка прерываний.

Основные элементы аппаратных средств компьютера: системный блок, клавиатура, устройства отображения, дисководы, печатающие устройства (принтер) и различные средства связи. Системный блок состоит из системной платы, блока питания и ячеек расширения для дополнительных плат. На системной плате размещены микропроцессор, постоянная память (ROM), оперативная память (RAM) и сопроцессор.

Регистры.

Внутри микропроцессора информация содержится в группе из 32 регистров (16 пользовательских, 16 системных), в той или иной мере доступных для использования программистом. Так как пособие посвящено программированию для микропроцессора 8088-i486, то логичнее всего начать эту тему с обсуждения внутренних регистров микропроцессора, доступных для пользователя.

Пользовательские регистры используются программистом для написания программ. К этим регистрам относятся:

восемь 32-битных регистров (регистры общего назначения) EAX/AX/AH/AL, EBX/BX/BH/BL, ECX/CX/CH/CL, EDX/DX/DLH/DL, EBP/BP, ESI/SI, EDI/DI, ESP/SP;

шесть 16 -,битовых регистров сегментов: CS,DS, SS, ES, FS,GS;

регистры состояния и управления: регистр флагов EFLAGS/FLAGS, и регистр указателя команды EIP/IP.

Через наклонную черту приведены части одного 32-разрядного регистра. Приставка E (Extended) обозначает использование 32-разраядного регистра. Для работы с байтами используются регистры с приставками L (low) и H(high), например, AL,CH - обозначающие младший и старший байты 16-разрядных частей регистров.

Регистры общего назначения.

EAX/AX/AH/AL(Accumulator register) –аккумулятор . Используются при умножении и делении, в операциях ввода-вывода и в некоторых операциях над строками.

EBX/BX/BH/BL – базовый регистр (base register), часто используется при адресации данных в памяти.

ECX/CX/CH/CL – счетчик (count register), используется как счетчик числа повторений цикла.

EDX/DX/DH/DL –регистр данных (data register), используется для хранения промежуточных данных. В некоторых командах использование его обязательно.

Все регистры этой группы позволяют обращаться к своим «младшим» частям. Использование для самостоятельной адресации можно только младшие 16- и 8-битовые части этих регистров. Старшие 16 бит этих регистров как самостоятельные объекты недоступны.

Для поддержки команд обработки строк, позволяющих производить последовательную обработку цепочек элементов имеющих длину 32, 16 или 8 бит используются:

ESI/SI (source index register) – индекс источника . Содержит адрес текущего элемента источника.

EDI/DI (distination index register) – индекс приемника (получателя). Содержит текущий адрес в строке приемнике.

В архитектуре микропрцессора на программно-аппаратном уровне поддерживается структура данных – стек. Для работы со стеком есть специальные команды и специальные регистры. Следует отметить, что стек заполняется в сторону меньших адресов.

ESP/SP (stack poINTer register) –регистр указателя стека . Содержит указатель вершины стека в текущем сегменте стека.

EBP/BP (base poINTer register) –регистр указателя базы стека . Предназначен для организации произвольного доступа к данным внутри стека.

1.1.2. Сегментные регистры

В программной модели микропроцессора имеются шесть сегментных регистров: CS, SS, DS, ES, GS, FS. Их существование обусловлено спецификой организации и использования оперативной памяти микропроцессорами Intel. Микропроцессор аппаратно поддерживает структурную организацию программы состоящей из сегментов. Для указания сегментов доступных в данный момент предназначены сегментные регистры. Микропроцессор поддерживает следующие типы сегментов:

Сегмент кода. Содержит команды программы Для доступа к этому сегменту служит регистр CS (code segment register) – сегментный регистр кода . Он содержит адрес сегмента с машинными командами, к которому имеет доступ микропроцессор.

Сегмент данных. Содержит обрабатываемые программой данные. Для доступа к этому сегменту служит регистр DS (data segment register) – сегментный регистр данных , который хранит адрес сегмента данных текущей программы.

Сегмент стека. Этот сегмент представляет собой область памяти, называемую стеком. Микропроцессор организует стек по принципу – первый «пришел», первый «ушел». Для доступа к стеку служит регистр SS (stack segment register) – сегментный регистр стека , содержащий адрес сегмента стека.

Дополнительный сегмент данных. Обрабатываемые данные могут находиться еще в трех дополнительных сегментах данных. По умолчанию предполагается, что данные находятся в сегменте данных. При использовании дополнительных сегментов данных их адреса требуется указать явно с помощью специальных префиксов переопределения сегментов в команде. Адреса дополнительных сегментов данных должны содержаться в регистрах ES, GS, FS (extenSIon data segment registers).

Регистры управления и состояния

Микропроцессор содержит несколько регистров, которые содержат информацию о состоянии, как самого микропроцессора, так и программы, команды которой в данный момент загружены в конвейер. Это:

Регистр указателя команд EIP/IP;

регистр флагов EFLAGS/FLAGS.

Используя эти регистры, можно получать информацию о результатах выполнения команд и влиять на состояние самого микропроцессора.

EIP/IP (instruction poINTer register) –указатель команд . Регистр EIP/IP имеет разрядность 32 или 16 бит и содержит смещение следующей выполняемой команды относительно содержимого сегментного регистра CS в текущем сегменте команд. Этот регистр непосредственно недоступен, но изменение его производится командами перехода.

EFLAGS/FLAGS (Flag register) – регистр флагов . Разрядность 32/16 бит. Отдельные биты данного регистра имеют определенное функциональное назначение и называются флагами. Флаг - это бит, принимающий значение 1 ("флаг установлен"), если выполнено некоторое условие, и значение 0 ("флаг сброшен") в противном случае. Младшая часть этого регистра полностью аналогична регистру FLAGS для i8086.

1.1.3 Регистр флагов

Регистр флагов является 32-разрядным, имеет имя EFLAGS (рис.1). Отдельные биты регистра имеют определенное функциональное назначение и называются флагами. Каждому из них присвоено определенное имя (ZF, CF и т.д). Младшие 16 бит EFLAGS представляют 16-разрядный регистр флагов FLAGS, используемый при выполнении программ, написанных для микропроцессора i086 и i286.

Рис.1 Регистр флагов

Некоторые флаги принято называть флагами условий; они автоматически меняются при выполнении команд и фиксируют те или иные свойства их результата (например, равен ли он нулю). Другие флаги называются флагами состояний; они меняются из программы и оказывают влияние на дальнейшее поведение процессора (например, блокируют прерывания).

Флаги условий:

CF (carry flag) - флаг переноса . Принимает значение 1, если при сложении целых чисел появилась единица переноса, не "влезающая" в разрядную сетку, или если при вычитании чисел без знака первое из них было меньше второго. В командах сдвига в CF заносится бит, вышедший за разрядную сетку. CF фиксирует также особенности команды умножения.

OF (overflow flag) - флаг переполнения . Устанавливается в 1, если при сложении или вычитании целых чисел со знаком получился результат, по модулю превосходящий допустимую величину (произошло переполнение мантиссы и она "залезла" в знаковый разряд).

ZF (zero flag) - флаг нуля . Устанавливается в 1, если результат команды оказался равным 0.

SF (SIgn flag) - флаг знака . Устанавливается в 1, если в операции над знаковыми числами получился отрицательный результат.

PF (parity flag) - флаг четности . Равен 1, если результат очередной команды содержит четное количество двоичных единиц. Учитывается обычно только при операциях ввода-вывода.

AF (auxiliary carry flag) - флаг дополнительного переноса . Фиксирует особенности выполнения операций над двоично-десятичными числами.

Флаги состояний:

DF (direction flag) - флаг направления . Устанавливает направление просмотра строк в строковых командах: при DF=0 строки просматриваются "вперед" (от начала к концу), при DF=1 - в обратном направлении.

IOPL (input/output privilege level) – уровень привилегий ввода-вывода. Используется в защищенном режиме работы микропроцессора, для контроля доступа к командам ввода-вывода, в зависимости от привилегированности задачи.

NT (nested task) – флаг вложенности задачи. Используется в защищенном режиме работы микропроцессора для фиксации того факта, что одна задача вложена в другую.

Системные флаг:

IF (INTerrupt flag) - флаг прерываний . При IF=0 процессор перестает реагировать на поступающие к нему прерывания, при IF=1 блокировка прерываний снимается.

TF (trap flag) - флаг трассировки . При TF=1 после выполнения каждой команды процессор делает прерывание (с номером 1), чем можно воспользоваться при отладке программы для ее трассировки.

RF (resume flag) – флаг возобновления . Используется при обработке прерываний от регистров отладки.

VM (virtuAL 8086 mode) – флаг виртуального 8086. 1-процессор работает в режиме виртуального 8086. 0- процессор работает в реальном или защищенном режиме.

AC (ALignment check) –флаг контроля выравнивания. Предназначен для разрешения контроля выравнивания при обращении к памяти.

Организация памяти.

Физическая память, к которой микропроцессор имеет доступ, называется оперативной памятью (или оперативным запоминающим устройством - ОЗУ). ОЗУ представляет собой цепочку байтов, имеющих свой уникальный адрес (его номер), называемый физическим. Диапазон значений физических адресов от 0 до 4 Гбайт. Механизм управления памятью полностью аппаратный.

Микропроцессор аппаратно поддерживает несколько моделей использования оперативной памяти:

сегментированную модель . В этой модели память для программ делится на непрерывные области памяти (сегменты), а сама программа может обращаться только к данным, которые находятся в этих сегментах;

страничную модель . В этом случае оперативная память рассматривается как совокупность блоков фиксированного размера 4 Кбайта. Основное применение этой модели связано с организацией виртуальной памяти, что позволяет использовать для работы программ пространство памяти большее, чем объем физической памяти. Для микропроцессора Pentium размер возможной виртуальной памяти может достигать 4 Тбайта.

Использование и реализация этих моделей зависит от режима работы микропроцессора:

Режим реальных адресов (реальный режим). Режим аналогичный работе i8086 процессора. Необходим для функционирования программ, разработанных для ранних моделей процессоров.

Защищенный режим. В защищенном режиме появляется возможность многозадачной обработки информации, защиты памяти с помощью четырехуровнего механизма привилегий и ее страничной организации.

Режим виртуального 8086. В этом режиме появляется возможность работы нескольких программ для i8086. При этом возможна работа программ реального режима.

Сегментация – механизм адресации, обеспечивающий существование нескольких независимых адресных пространств. Сегмент представляет собой независимый, поддерживаемый на аппаратном уровне блок памяти.

Каждая программа в общем случае может состоять из любого количества сегментов, но непосредственный доступ она имеет к трем основным: кода, данных и стека – и от одного до трех дополнительных сегментов данных. Операционная система размещает сегменты программы в оперативной памяти по определенным физическим адресам, после чего помещает значения этих адресов в соответствующие регистры. Внутри сегмента программа обращается к адресам относительно начала сегмента линейно, то есть начиная с адреса 0 и заканчивая адресом, равным размеру сегмента. Относительный адрес или смещение, который микропроцессор использует для доступа к данным внутри сегмента, называется эффективным.

Формирование физического адреса в реальном режиме

В реальном режиме диапазон изменения физического адреса от 0 до 1 Мбайт. Максимальный размер сегмента 64 Кбайт. При обращении к конкретному физическому адресу оперативной памяти определяется адрес начала сегмента и смещение внутри сегмента. Адрес начала сегмента берется из соответствующего сегментного регистра. При этом в сегментном регистре содержатся только старшие 16 бит физического адреса начала сегмента. Недостающие младшие четыре бита 20-битного адреса получаются сдвигом значения сегментного регистра влево на 4 разряда. Операция сдвига выполняется аппаратно. Полученное 20-битное значение и является настоящим физическим адресом, соответствующим началу сегмента. То есть физический адрес задается как пара "сегмент:смещение",где "сегмент" (segment) - это первые16 битов начального адресасегмента памяти, которому принадлежитячейка, а "смещение" - 16-битовый адрес этой ячейки, отсчитанный от начала данного сегмента памяти (величина 16*сегмент+смещение дает абсолютный адрес ячейки). Если, например, в регистре CS хранится величина 1234h, тогда адресная пара 1234h:507h определяет абсолютный адрес, равный 16*1234h+507h =12340h+507h = 12847h. Такая пара записывается в виде двойного слова, причем (как и для чисел) в "перевернутом" виде: в первом слове размещается смещение, а вовтором - сегмент, причем каждое из этих словв свою очередь представлено в "перевернутом"виде. Например, пара 1234h:5678h будет записана так:| 78 | 56| 34 | 12|.

Данный механизм образования физического адреса позволяет сделать программное обеспечение перемещаемым, то есть не зависящим от конкретных адресов загрузки его в оперативной памяти.

Программирование на уровне машинных команд - это тот минимальный уровень, на котором возможно составление программ. Система машинных команд должна быть достаточной для того, чтобы реализовать требуемые действия, выдавая указания аппаратуре вычислительной машины.

Каждая машинная команда состоит из двух частей:

• операционной — определяющей, «что делать»;
• операндной — определяющей объекты обработки, «с чем делать».

Машинная команда микропроцессора, записанная на языке ассемблера, представляет собой одну строку, имеющую следующий синтакический вид:

метка команда/директива операнд(ы) ;комментарии

При этом обязательным полем в строке является команда или директива.

Метка, команда/директива и операнды (если имеются) разделяются по крайней мере одним символом пробела или табуляции.

Если команду или директиву необходимо продолжить на следующей строке, то используется символ обратный слеш: \.

По умолчанию язык ассемблера не различает заглавные и строчные буквы в написании команд или директив.

Примеры строк кода:

Count db 1 ;Имя, директива, один операнд
mov eax,0 ;Команда, два операнда
cbw ; Команда

Метки

Метка в языке ассемблера может содержать следующие символы:

• все буквы латинского алфавита;
• цифры от 0 до 9;
• спецсимволы: _, @, $, ?.

В качестве первого символа метки может использоваться точка, но некоторые компиляторы не рекомендуют применять этот знак. В качестве меток нельзя использовать зарезервированные имена Ассемблера (директивы, операторы, имена команд).

Первым символом в метке должна быть буква или спецсимвол (но не цифра). Максимальная длина метки – 31 символ. Все метки, которые записываются в строке, не содержащей директиву ассемблера, должны заканчиваться двоеточием: .

Команды

Команда указывает транслятору, какое действие должен выполнить микропроцессор. В сегменте данных команда (или директива) определяет поле, рабочую область или константу. В сегменте кода команда определяет действие, например, пересылка (mov) или сложение (add).

Директивы

Ассемблер имеет ряд операторов, которые позволяют управлять процессом ассемблирования и формирования листинга. Эти операторы называются директивами . Они действуют только в процессе ассемблирования программы и, в отличие от команд, не генерируют машинных кодов.

Операнды

Операнд – объект, над которым выполняется машинная команда или оператор языка программирования.
Команда может иметь один или два операнда, или вообще не иметь операндов. Число операндов неявно задается кодом команды.
Примеры:

• Нет операндов ret ;Вернуться
• Один операнд inc ecx ;Увеличить ecx
• Два операнда add eax,12 ;Прибавить 12 к eax

Метка, команда (директива) и операнд не обязательно должны начинаться с какой-либо определенной позиции в строке. Однако рекомендуется записывать их в колонку для большего удобства чтения программы.

В качестве операндов могут выступать

• идентификаторы;
• цепочки символов, заключенных в одинарные или двойные кавычки;
• целые числа в двоичной, восьмеричной, десятичной или шестнадцатеричной системе счисления.

Идентификаторы

Идентификаторы – последовательности допустимых символов, использующиеся для обозначения таких объектов программы, как коды операций, имена переменных и названия меток.

Правила записи идентификаторов.

• Идентификатор может состоять из одного или нескольких символов.
• В качестве символов можно использовать буквы латинского алфавита, цифры и некоторые специальные знаки: _, ?, $, @.
• Идентификатор не может начинаться символом цифры.
• Длина идентификатора может быть до 255 символов.
• Транслятор воспринимает первые 32 символа идентификатора, а остальные игнорирует.

Комментарии

Комментарии отделяются от исполняемой строки символом; . При этом все, что записано после символа точка с запятой и до конца строки, является комментарием. Использование комментариев в программе улучшает ее ясность, особенно там, где назначение набора команд непонятно. Комментарий может содержать любые печатные символы, включая пробел. Комментарий может занимать всю строку или следовать за командой на той же строке.

Структура программы на ассемблере

Программа, написанная на языке ассемблера, может состоять из нескольких частей, называемых модулями . В каждом модуле могут быть определены один или несколько сегментов данных, стека и кода. Любая законченная программа на ассемблере должна включать один главный, или основной, модуль, с которого начинается ее выполнение. Модуль может содержать сегменты кода, сегменты данных и стека, объявленные при помощи соответствующих директив. Перед объявлением сегментов нужно указать модель памяти при помощи директивы.MODEL.

Пример «ничего не делающей» программы на языке ассемблера:

686P
.MODEL FLAT, STDCALL
.DATA
.CODE
START:

RET
END START

В данной программе представлена всего одна команда микропроцессора. Эта команда RET . Она обеспечивает правильное окончание работы программы. В общем случае эта команда используется для выхода из процедуры.
Остальная часть программы относится к работе транслятора.
.686P — разрешены команды защищенного режима Pentium 6 (Pentium II). Данная директива выбирает поддерживаемый набор команд ассемблера, указывая модель процессора. Буква P, указанная в конце директивы, сообщает транслятору о работе процессора в защищенном режиме.
.MODEL FLAT, stdcall — плоская модель памяти. Эта модель памяти используется в операционной системе Windows. stdcall
.DATA — сегмент программы, содержащий данные.
.CODE — блок программы, содержащей код.
START — метка. В ассемблере метки играют большую роль, что не скажешь о современных языках высокого уровня.
END START — конец программы и сообщение транслятору, что начинать выполнение программы надо с метки START .
Каждый модуль должен содержать директиву END , отмечающую конец исходного кода программы. Все строки, которые следуют за директивой END , игнорируются. Если опустить директиву END , то генерируется ошибка.
Метка, указанная после директивы END , сообщает транслятору имя главного модуля, с которого начинается выполнение программы. Если программа содержит один модуль, метку после директивы END можно не указывать.