Информатика и информационные технологии - А. Цветкова

По-настоящему решить проблемы, связанные с аппаратурой (или, даже более того, зависящие от аппаратуры, как, к примеру, повышение быстродействия программы), невозможно без знания ассемблера.

Программист или любой другой пользователь могут использовать любые высокоуровневые средства вплоть до программ построения виртуальных миров и, возможно, даже не подозревать, что на самом деле компьютер выполняет не команды языка, на котором написана его программа, а их трансформированное представление в форме скучной и унылой последовательности команд совсем другого языка – машинного. А теперь представим, что у такого пользователя возникла нестандартная проблема. К примеру, его программа должна работать с некоторым необычным устройством или выполнять другие действия, требующие знания принципов работы аппаратуры компьютера. Каким бы хорошим ни был язык, на котором программист написал свою программу, без знания ассемблера ему не обойтись. И не случайно практически все компиляторы языков высокого уровня содержат средства связи своих модулей с модулями на ассемблере либо поддерживают выход на ассемблерный уровень программирования.

Компьютер составлен из нескольких физических устройств, каждое из которых подключено к одному блоку, называемому системным

38. Программная модель микропроцессора

На современном компьютерном рынке наблюдается большое разнообразие различных типов компьютеров. Поэтому возможно предположить возникновение у потребителя вопроса – как оценить возможности конкретного типа (или модели) компьютера и его отличительные особенности от компьютеров других типов (моделей).

Рассмотрения для этого одной лишь только структурной схемы компьютера недостаточно, так как она принципиально мало чем различается у разных машин: у всех компьютеров есть оперативная память, процессор, внешние устройства.

Различными являются способы, средства и используемые ресурсы, с помощью которых компьютер функционирует как единый механизм.

Чтобы собрать воедино все понятия, характеризующие компьютер с точки зрения его функциональных программно-управляемых свойств, существует специальный термин – архитектура ЭВМ.

Впервые понятие архитектура ЭВМ стало упоминаться с появлением машин 3-го поколения для их сравнительной оценки.

К изучению языка Ассемблера любого компьютера имеет смысл приступать только после выяснения того, какая часть компьютера оставлена видимой и доступной для программирования на этом языке. Это так называемая программная модель компьютера, частью которой является программная модель микропроцессора, которая содержит 32 регистра в той или иной мере доступных для использования программистом.

Данные регистры можно разделить на две большие группы:

1) 16 пользовательских регистров;

2) 16 системных регистров.

В программах на языке Ассемблера регистры используются очень интенсивно. Большинство регистров имеют определенное функциональное назначение.

Помимо перечисленных выше регистров, фирмы-разработчики процессоров внедряют в программную модель дополнительные регистры, предназначенные для оптимизации определенных классов вычислений. Так, в семействе процессоров Pentium Pro (MMX) корпорации Intel было внедрено MMX расширение от Intel. Оно включает в себя 8 (MM0-MM7) 64-битных регистров и позволяет производить целочисленные операции над парами нескольких новых типов данных:

1) восемь упакованных байт;

2) четыре упакованных слова;

3) два двойных слова;

4) учетверенное слово;

Другими словами, одной инструкцией MMX расширения программист может, например, сложить между собой два двойных слова. Физически никаких новых регистров добавлено не было. MM0-MM7 это мантиссы (младшие 64 бита) стека 80 битных FPU (floating point unit – сопроцессор) регистров.

Кроме того, на данный момент существуют следующие расширения программной модели – 3DNOW! от AMD; SSE, SSE2, SSE3, SSE4. Последние 4 расширения поддерживаются как процессорами фирмы AMD, так и процессорами корпорации Intel.

39. Пользовательские регистры

Как следует из названия, пользовательскими регистры называются потому, что программист может использовать их при написании своих программ. К этим регистрам относятся:

1) восемь 32-битных регистров, которые могут использоваться программистами для хранения данных и адресов (их еще называют регистрами общего назначения (РОН)):

– eax/ax/ah/al;

– ebx/bx/bh/bl;

– edx/dx/dh/dl;

– ecx/cx/ch/cl;

– ebp/bp;

– esi/si;

– edi/di;

– esp/sp.

2) шесть регистров сегментов:

– cs;

– ds;

– ss;

– es;

– fs;

– gs;

3) регистры состояния и управления:

– регистр флагов eflags/flags;

– регистр указателя команды eip/ip.

На следующем рисунке показаны основные регистры микропроцессора:

Регистры общего назначения

40. Регистры общего назначения

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

Перечислим регистры, относящиеся к группе регистров общего назначения. Так как эти регистры физически находятся в микропроцессоре внутри арифметико-логического устройства (АЛУ), то их еще называют регистрами АЛУ:

1) eax/ax/ah/al (Accumulator register) – аккумулятор. Применяется для хранения промежуточных данных. В некоторых командах использование этого регистра обязательно;

2) ebx/bx/bh/bl (Base register) – базовый регистр. Применяется для хранения базового адреса некоторого объекта в памяти;

3) ecx/cx/ch/cl (Count register) – регистр-счетчик. Применяется в командах, производящих некоторые повторяющиеся действия. Его использование зачастую неявно и скрыто в алгоритме работы соответствующей команды.

К примеру, команда организации цикла loop, кроме передачи управления команде, находящейся по некоторому адресу, анализирует и уменьшает на единицу значение регистра ecx/cx;

4) edx/dx/dh/dl (Data register) – регистр данных.

Так же, как и регистр eax/ax/ah/al, он хранит промежуточные данные. В некоторых командах его использование обязательно; для некоторых команд это происходит неявно.

Следующие два регистра используются для поддержки так называемых цепочечных операций, т. е. операций, производящих последовательную обработку цепочек элементов, каждый из которых может иметь длину 32, 16 или 8 бит:

1) esi/si (Source Index register) – индекс источника. Этот регистр в цепочечных операциях содержит текущий адрес элемента в цепочке-источнике;

2) edi/di (Destination Index register) – индекс приемника (получателя). Этот регистр в цепочечных операциях содержит текущий адрес в цепочке-приемнике.

В архитектуре микропроцессора на программно-аппаратном уровне поддерживается такая структура данных, как стек. Для работы со стеком в системе команд микропроцессора есть специальные команды, а в программной модели микропроцессора для этого существуют специальные регистры:

1) esp/sp (Stack Pointer register) – регистр указателя стека. Содержит указатель вершины стека в текущем сегменте стека.

2) ebp/bp (Base Pointer register) – регистр указателя базы кадра стека. Предназначен для организации произвольного доступа к данным внутри стека.

Использование жесткого закрепления регистров для некоторых команд позволяет более компактно кодировать их машинное представление. Знание этих особенностей позволит при необходимости хотя бы на несколько байт сэкономить память, занимаемую кодом программы.

41. Сегментные регистры

В программной модели микропроцессора имеется шесть сегментных регистров: cs, ss, ds, es, gs, fs.

Их существование обусловлено спецификой организации и использования оперативной памяти микропроцессорами Intel. Она заключается в том, что микропроцессор аппаратно поддерживает структурную организацию программы в виде трех частей, называемых сегментами. Соответственно такая организация памяти называется сегментной.

Для того чтобы указать на сегменты, к которым программа имеет доступ в конкретный момент времени, и предназначены сегментные регистры. Фактически (с небольшой поправкой) в этих регистрах содержатся адреса памяти, с которыхначинаются соответствующие сегменты. Логика обработки машинной команды построена так, что при выборке команды, доступе к данным программы или к стеку неявно используются адреса во вполне определенных сегментных регистрах.

Микропроцессор поддерживает следующие типы сегментов.

1. 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 (т. е. эти команды загружаются в конвейер микропроцессора).

2. 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.