Программная модель микропроцессора

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:

• 16 пользовательских регистров;
• 16 системных регистров.

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

Пользовательские  регистры

Как следует из названия, пользовательскими регистры называются потому, что программист может использовать их при написании своих программ. К этим регистрам относятся (рис. 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.
• шесть регистров сегментов: cs, ds, ss, es, fs, gs;
• регистры состояния и управления:
• регистр флагов eflags/flags;
• регистр указателя команды eip/ip.

Рис. 1. Пользовательские регистры микропроцессоров i486 и Pentium

Почему многие из этих регистров приведены с  наклонной разделительной чертой?  
Нет, это не разные регистры — это части одного большого 32-разрядного регистра. Их можно использовать в программе как отдельные объекты.  
Так сделано для обеспечения работоспособности программ, написанных для младших 16-разрядных моделей микропроцессоров фирмы Intel, начиная с i8086.  
Микропроцессоры i486 и Pentium имеют в основном 32-разрядные регистры. Их количество, за исключением сегментных регистров, такое же, как и у i8086, но размерность больше, что и отражено в их обозначениях — они имеют  
приставку e (Extended).

Разберемся подробнее  с составом и назначением пользовательских регистров.

Регистры  общего назначения

Все регистры этой группы позволяют обращаться к своим  
“младшим” частям (см. рис. 1).  
Рассматривая этот рисунок, заметьте, что использовать для самостоятельной адресации можно только младшие 16 и 8-битные части этих регистров. Старшие 16 бит этих регистров как самостоятельные объекты недоступны. Это сделано, как мы отметили выше, для совместимости с младшими 16-разрядными моделями микропроцессоров фирмы Intel.

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:

• eax/ax/ah/al (Accumulator register) — аккумулятор.  
  Применяется для хранения промежуточных данных. В некоторых командах использование этого регистра обязательно;
• ebx/bx/bh/bl (Base register) — базовый регистр.  
  Применяется для хранения базового адреса некоторого объекта в памяти;
• 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;
• 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, то есть операций, производящих последовательную обработку цепочек элементов, каждый из которых может иметь длину 32, 16 или 8 бит:

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

• esp/sp (Stack Pointer register) — регистр указателя стека.  
  Содержит указатель вершины стека в текущем сегменте стека.
• ebp/bp (Base Pointer register) — регистр указателя базы кадра стека.  
  Предназначен для организации произвольного доступа к данным внутри стека.

Не спешите пугаться столь жесткого функционального  назначения регистров АЛУ. На самом  деле, большинство из них могут  использоваться при программировании для хранения операндов практически  в любых сочетаниях. Но, как мы отметили выше, некоторые команды  используют фиксированные регистры для выполнения своих действий. Это  нужно обязательно учитывать.  
Использование жесткого закрепления регистров для некоторых команд позволяет более компактно кодировать их машинное представление. Знание этих особенностей позволит вам при необходимости хотя бы на несколько байт сэкономить память, занимаемую кодом программы.

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, как мы увидим далее, в этих регистрах содержатся адреса памяти с которых начинаются 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 (то есть 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.
3. Сегмент стека. Этот сегмент представляет собой область памяти, называемую стеком.  
   Работу со стеком микропроцессор организует по следующему принципу: последний записанный в эту область элемент выбирается первым. Для доступа к этому сегменту служит регистр ss (stack segment register) — сегментный регистр стека, содержащий адрес сегмента стека.
4. Дополнительный сегмент данных.  
   Неявно алгоритмы выполнения большинства машинных команд предполагают, что обрабатываемые ими данные расположены в сегменте данных, адрес которого находится в сегментном регистре ds.  
   Если программе недостаточно одного сегмента данных, то она имеет возможность использовать еще три дополнительных сегмента данных. Но в отличие от основного сегмента данных, адрес которого содержится в сегментном регистре ds, при использовании дополнительных сегментов данных их адреса требуется указывать 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  состояния и управления

В микропроцессор включены несколько регистров (см. рис. 1), которые постоянно содержат информацию о состоянии как самого микропроцессора, так и программы, команды которой в данный момент загружены на конвейер. К этим регистрам относятся:

• регистр флагов eflags/flags;
• регистр указателя команды eip/ip.

Используя эти регистры, можно получать информацию о результатах  выполнения команд и влиять на состояние  самого микропроцессора. Рассмотрим подробнее  назначение и содержимое этих регистров:

eflags/flags (flag register) — регистр флагов. Разрядность eflags/flags — 32/16 бит. Отдельные биты данного регистра имеют определенное функциональное назначение и называются флагами. Младшая часть этого регистра полностью аналогична регистру flags для i8086. На рис. 2 показано содержимое регистра eflags.

Рис. 2. Содержимое регистра eflags

Исходя из особенностей использования, флаги регистра eflags/flags можно разделить на три группы:

• 8 флагов состояния. Эти флаги могут изменяться после выполнения машинных команд.  
  Флаги состояния регистра eflags отражают особенности результата исполнения арифметических или логических операций. Это дает возможность анализировать состояние вычислительного процесса и реагировать на него с помощью команд условных переходов и вызовов подпрограмм. В табл. 1 приведены флаги состояния и указано их назначение;
• 1 флаг управления. Обозначается df (Directory Flag).  
  Он находится в 10-м бите регистра eflags и используется цепочечными командами. Значение флага df определяет направление поэлементной обработки в этих операциях: от начала строки к концу (df = 0) либо наоборот, от конца строки к ее началу (df = 1).  
  Для работы с флагом df существуют специальные команды: cld (снять флаг df) и std (установить флаг df).  
  Применение этих команд позволяет привести флаг df в соответствие с алгоритмом и обеспечить автоматическое увеличение или уменьшение счетчиков при выполнении операций со строками;
• 5 системных флагов, управляющих вводом/выводом, маскируемыми прерываниями, отладкой, переключением между задачами и виртуальным режимом 8086.  
  Прикладным программам не рекомендуется модифицировать без необходимости эти флаги, так как в большинстве случаев это приведет к прерыванию работы программы. В табл. 2 перечислены системные флаги, их назначение.

Таблица 1. Флаги состояния