59 (Вопросы по разным темам с ответами (программирование))

59. Язык Ассемблер. Структура программы. Работа со стеком, команды передачи данных, арифметические команды, команды обработки битов, команды преобразования на примере системы команд процессора Intel 8086.

Программирование на языке Ассемблера

Язык Ассемблера — система записи программы с детализацией до отдельной машинной команды, позволяющая использовать мнемоническое обозначение команд и символическое задание адресов.

Поскольку в разных аппаратных архитектурах разные программно-доступные компоненты (система команд, регистры, способы адресации), язык Ассемблера аппаратно-зависимый. Программы, написанные на языке Ассемблера могут быть перенесены только на вычислительную систему той же архитектуры.

Программирование на языке Ассемблера позволяет в максимальной степени использовать особенности архитектуры вычислительной системы. До недавнего времени воспринималась как аксиома, что ассемблерная программа всегда является более эффективной и в смысле быстродействия, и в смысле требований к памяти. Для Intel-архитектуры это и сейчас так.

Но это уже не так для RISK-архитектур. Для того, чтобы программа могла эффективно выполняться в вычислительной среде с распараллеливанием на уровне команд, она должна быть определенным образом оптимизирована, то есть, команды должны быть расположены в определенном порядке, допускающим их параллельное выполнение. Программист просто не сможет покомандно оптимизировать всю свою программу. С задачей такой оптимизации более эффективно справляются компиляторы.

Доля программ, которые пишутся на языках Ассемблеров в мире, неуклонно уменьшается, прикладное программирование на языках Ассемблеров применяется только по недомыслию. Язык Ассемблера «в чистом виде» применяется только для написания отдельных небольших частей системного ПО: микроядра ОС, самых нижних уровней драйверов — тех частей, которые непосредственно взаимодействуют с реальными аппаратными компонентами.

Этим занимается узкий круг программистов, работающих в фирмах, производящих аппаратуру и ОС. Зачем же нам тогда изучать построение Ассемблера?

Хотя разработка программ, взаимодействующих с реальными аппаратными компонентами, — редкая задача, в современном программировании при разработке прикладного, а еще более — промежуточного ПО довольно часто применяется технологии виртуальных машин. Для выполнения того или иного класса задач программно моделируется некоторое виртуальное вычислительное устройство, функции которого соответствуют нуждам этого класса задач.

Для управления таким устройством для него может быть создан соответствующий язык команд. (Широко известные примеры: MI AS/400, JVM.) Говоря шире, любую программу можно представить себе как виртуальное «железо», решающее конкретную задачу. (Конечный пользователь обычно не видит разницы между программой и аппаратурой и часто говорит не «мне программа выдала то-то», а «мне компьютер выдал то-то»). В некоторых случаях интерфейс программы удобно представить в виде системы команд, а следовательно, нужен соответствующий Ассемблер. (Это, конечно, относится не к программам «для чайников», а к инструментальным средствам программистов, системам моделирования).

Арифметические операции



Обработка двоичных данных

Несмотря на то, что мы привыкли к десятичной арифметике (база 10), компьютер работает только с двоичной арифметикой (база 2). Кроме того, ввиду ограничения, накладываемого 16-битовыми регистрами, большие величины требуют специальной обработки.

Сложение и вычитание

Команды ADD и SUB выполняют сложение и вычитание байтов или слов, содержащих двоичные данные. Вычитание выполняется в компьютере по методу сложения с двоичным дополнением: для второго операнда устанавливаются обратные значения бит и прибавляется 1, а затем происходит сложение с первым операндом. Во всем, кроме первого шага, операции сложения и вычитания идентичны.

Поскольку прямой операции память-память не существует, данная oперация выполняется через регистр. В следующем примере к содержимому слова WORDB прибавляется содержимое слова WORDA, описанных как DW:

MOV AX,WORDA

ADD AX,WORDB

MOV WORDB,AX

Переполнения

Опасайтесь переполнений в арифметических операциях. Один байт содержит знаковый бит и семь бит данных, то есть, значения от -128 до +127.

Результат арифметической операции может легко превзойти емкость однобайтового регистра. Например, результат сложения в регистре AL, превышающий его емкость, автоматически не переходит в регистр AH.

Предположим, что регистр AL содержит шест.60, тогда результат команды

ADD AL,20H

генерирует в AL сумму — шест.80. Но операция также устанавливает флаг переполнения и знаковый флаг в состояние «отрицательно». Причина заключается в том, что шест.80 или двоичное 1000 0000 является отрицательным числом, то есть, в результате, вместо +128, мы получим -128.

Так как регистр AL слишком мал для такой операции и следует воспользоваться регистром AX.

В следующем примере команда CBW (Convert Byte to Word — преобразовать байт в слово) преобразует шест.60 в регистре AL в шест.0060 в регистре AX, передавая при этом знаковый бит (0) через регистр AH.

Команда ADD генерирует теперь в регистре AX правильный результат: шест.0080, или +128:

CBW ;Расширение AL до AX

ADD AX,20H ;Прибавить к AX

Но полное слово имеет также ограничение: один знаковый бит и 15 бит данных, что соответствует значениям от -32768 до +32767.



Беззнаковые и знаковые данные

Многие числовые поля не имеют знака, например, номер абонента, aдрес памяти. Некоторые числовые поля предлагаются всегда положительные, например, норма выплаты, день недели, значение числа промежуточного итога. Другие числовые поля являются знаковые, так как их содержимое может быть положительным или отрицательным. Например, долговой баланс покупателя, который может быть отрицательным при переплатах, или алгебраическое число.

Для беззнаковых величин все биты являются битами данных и вместо ограничения +32767 регистр может содержать числа до +65535. Для знаковых величин левый байт является знаковым битом.

Команды ADD и SUB не делают разницы между знаковыми и беззнаковыми величинами, они просто складывают и вычитают биты.

В следующем примере сложения двух двоичных чисел, первое число содержит единичный левый бит.

Для беззнакового числа биты представляют положительное число 249, для знакового — отрицательное число -7:

Беззнаковое Знаковое

1111 1001 249 -7

+ + + +

0000 0010 2 +2

----------------------------------------------

1111 1011 251 -5

Двоичное представление результата сложения одинаково для беззнакового и знакового числа.

Однако, биты представляют +251 для беззнакового числа и -5 для знакового. Таким образом, числовое содержимое поля может интерпретироваться по разному.

Состояние «перенос» возникает в том случае, когда имеется пеpенос в знаковый разряд.

Состояние «переполнение» возникает в том случае, когда перенос в знаковый разряд не создает переноса из разрядной сетки или перенос из разрядной сетки происходит без переноса в знаковый разряд.

При возникновении переноса при сложении беззнаковых чисел, результат получается неправильный.

При возникновении переполнения при сложении знаковых чисел, результат получается неправильный.

При операциях сложения и вычитания может одновременно возникнуть и переполнение, и перенос.



Умножение

Операция умножения для беззнаковых данных выполняется командой MUL, а для знаковых — IMUL (Integer MULtiplication — умножение целых чисел).

Ответственность за контроль над форматом обрабатываемых чисел и за выбор подходящей команды умножения лежит на самом программисте. Существуют две основные операции умножения:

Байт на байт

Множимое находится в регистре AL, а множитель в байте памяти или в однобайтовом регистре. После умножения произведение находится в регистре AX. Операция игнорирует и стиpает любые данные, которые находились в регистре AH.

Слово на слово

Множимое находится в регистре AX, а множитель — в слове памяти или в регистре. После умножения произведение находится в двойном слове, для которого требуется два регистра: старшая (левая) часть произведения находится в регистре DX, а младшая (правая) часть в регистре AX. Операция игнорирует и стирает любые данные, которые находились в регистре DX.

В единственном операнде команд MUL и IMUL указывается множитель. Рассмотрим следующую команду:

MUL MULTR

В случае, если поле MULTR определено как байт (DB), то операция предполагает умножение содержимого AL на значение байта из поля MULTR. В случае, если поле MULTR определено как слово (DW), то операция предполагает умножение содержимого AX на значение слова из поля MULTR. В случае, если множитель находится в регистре, то длина регистра определяет тип операции, как это показано ниже:

MUL CL ;Байт-множитель: множимое в AL, произвед. в AX

MUL BX ;Слово-множитель:множимое в AX, произвед. в DX:AX

Беззнаковое умножение: Команда MUL

Команда MUL (MULtiplication — умножение) умножает беззнаковые числа.

Знаковое умножение: Команда IMUL

Команда IMUL (Integer MULtiplication — умножение целых чисел) умножает знаковые числа.

Команда MUL рассматривает шест.80 как +128, а команда IMUL — как -128. В результате умножения -128 на +64 получается -8192 или шест.E000.

Если множимое и множитель имеет одинаковый знаковый бит, то команды MUL и IMUL генерируют одинаковый результат. Но, если сомножители имеют разные знаковые биты, то команда MUL вырабатывает положительный результат умножения, а команда IMUL — отрицательный.

Повышение эффективности умножения

При умножении на степень числа 2 (2,4,8 и так далее) более эффективным является сдвиг влево на требуемое число битов. Сдвиг более чем на 1 требует загрузки величины сдвига в регистр CL. В следующих примерах предположим, что множимое находится в регистре AL или AX:

Умножение на 2:

SHL AL,1

Умножение на 8:

MOV CL,3

SHL AX,CL

Многословное умножение

Обычно умножение имеет два типа: «байт на байт» и «слово на слово».

Как уже было показано, максимальное знаковое значение в слове ограничено величиной +32767. Умножение больших чисел требует выполнения некоторых дополнительных действий. Рассматриваемый подход предполагает умножение каждого слова отдельно и сложение полученных результатов. Рассмотрим следующее умножение в десятичном формате:

1365

х

12

------

2730

1365

------

16380

Представим, что десятичная арифметика может умножать только двузначные числа. Тогда можно умножить 13 и 65 на 12 раздельно, cледующим образом:

13 65

х х

12 12

--- ---

26 130

13 65

--- ---

156 780

Следующим шагом сложим полученные произведения, но поскольку число 13 представляло сотни, то первое произведение в действительности будет 15600:

15600

+

780

-------

16380

Ассемблерная программа использует аналогичную технику за исключением того, что данные имеют размерность слов (четыре цифры) в шестнадцатеричном формате.

Умножение двойного слова на слово

Процедура E10XMUL умножает двойное слово на слово. Множимое, MULTCND, состоит из двух слов, содержащих соответственно шест.3206 и шест.2521. Определение данных в виде двух слов (DW) вместо двойного слова (DD) обусловлено необходимостью правильной адресации для команд MOV, пересылающих слова в регистр AX. Множитель MULTPLR содержит шест.6400.

Область для записи произведения, PRODUCT, состоит из трех слов. Первая команда MUL перемножает MULTPLR и правое cлово поля MULTCND; произведение — шест.0E80 E400 записывается в PRODUCT+2 и PRODUCT+4. Вторая команда MUL перемножает MULTPLR и левое слово поля MULTCND, получая в результате шест. 138A 5800. Далее выполняется сложение двух произведений следующим образом:

Произведение 1: 0000 0E80 E400

Произведение 2: 138A 5800

—

Результат: 138A 6680 E400

Так как первая команда ADD может выработать перенос, то второе cложение выполняется командой сложения с переносом ADC (ADd with Carry).

В силу обратного представления байтов в словах, область PRODUCT в действительности будет содержать значение 8A13 8066 00E4. Программа предполагает, что первое слово в области PRODUCT имеет начальное значение 0000.

Умножение двойного слова на двойное слово

Умножение двух двойных слов включает следующие четыре операции умножения:

Множимое Множитель