Сист. прогр. Ч1 (Методические указания к выполнению лабораторных работ по СПО), страница 3

2. СТРУКТУРА МАШИН, МАШИННЫЙ ЯЗЫК И АССЕМБЛЕР.

В настоящее время персональные компьютеры (ПК) составляют подавляющую часть парка ЭВМ.

Немного истории. Первые ПК обязаны своим появлением на свет корпорации Intel.

Корпорация Intel была основана в середине июня 1968 года Робертом Нойсом

( Robert Noyce) и Гордоном Муром (Gordon Moore). Кстати один из основных конкурентов корпорация АМД (Advanced Micro Devices) основана в 1969 году. Познакомимся с архитектурой IBM PC XT.

АРХИТЕКТУРА PC

Основные элементы аппаратных средств компьютера: системный блок, клавиатура, устройство отображения, дисководы, печатающее устройство (принтер) и различные средства для асинхронной связи и управления игровыми программами. Системный блок состоит из системной платы, блока питания и ячеек расширения для дополнительных плат.

На системной плате размещены:

микропроцессор (Intel);

постоянная память (ROM 40 Кбайт);

оперативная память (RAM до 512 Кбайт в зависимости oт модели);

расширенная версия БЕЙСИК-интерпретатора.

Ячейки расширения обеспечивают подключение устройств отображения, дисководов для гибких дисков (дискет), каналов телекоммуникаций, дополнительной памяти и игровых устройств.

Клавиатура содержит собственный микропроцессор, который осуществляет тестирование при включении памяти, сканирование клавиатуры, подавление эффекта дребезжания клавиш и буферизацию до 20 символов.

"Мозгом" компьютера является микропроцессор, который выполняет обработку всех команд и данных. Процессор 8088 использует 16-битовые регистры, которые могут обрабатывать два байта одновременно. Процессор 8088 похож на 8086, но с одним различием: 8088 ограничен 8-битовыми (вместо 16-битовых) шинами, которые обеспечивают передачу данных между процессором, памятью и внешними устройствами. Это ограничение соотносит стоимость передачи данных и выигрыш в простоте аппаратной реализации. Процессоры 80286 и 80386 являются расширенными версиями процессора 8086.

Функционально процессор разделен на две части: операционное устройство (ОУ) и шинный интерфейс (ШИ). Роль ОУ заключается в выполнении команд, в то время как ШИ подготавливает команды и данные для выполнения. Операционное устройство содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и десять регистров. Эти устройства обеспечивают выполнение команд, арифметические вычисления и логические операции (сравнение на больше, меньше или равно).

Три элемента шинного интерфейса - блок управления шиной, очередь команд и сегментные регистры - осуществляют три важные функции. Во-первых, ШИ управляет передачей данных на операционное устройство, в память и на внешнее устройство ввода-вывода. Во-вторых, четыре сегментных регистра управляют адресацией памяти объемом до 1 Мбайт.

Третья функция ШИ - это выборка команд. Все программные команды находятся в памяти, и ШИ должен иметь доступ к ним для выборки их в очередь команд. Так как очередь имеет размер 4 байт или более, в зависимости от процессора ШИ должен "заглядывать вперед" и выбирать команды так, чтобы всегда существовала непустая очередь команд, готовых для выполнения.

Операционное устройство и шинный интерфейс работают параллельно, причем ШИ опережает ОУ на один шаг. Операционное устройство сообщает шинному интерфейсу о необходимости доступа к данным в памяти или на устройство ввода-вывода. Кроме того, ОУ запрашивает машинные команды из очереди команд. Пока ОУ занято выполнением первой в очереди команды, ШИ выбирает следующую команду из памяти. Эта выборка происходит во время выполнения, что повышает скорость обработки.

СЕГМЕНТЫ

Сегментом называется область, которая начинается на границе параграфа, т.е. по любому адресу, кратному 16. Хотя сегмент может располагаться в любом месте памяти и иметь размер до 64 Кбайт, он требует столько памяти, сколько необходимо для выполнения программы. В гарвардской системе выполнение программ разделяется на три сегмента:

1. Сегмент кодов. Сегмент кодов содержит машинные команды, которые будут выполняться. Обычно первая выполняемая команда находится в начале этого сегмента и операционная система передает управление по адресу данного сегмента для выполнения программы. Регистр сегмента кодов (CS) адресует данный сегмент,

2. Сегмент данных. Сегмент данных содержит определенные данные, константы и рабочие области, необходимые программе. Регистр сегмента данных (DS) адресует данный сегмент.

3. Сегмент стека. Стек содержит адреса возврата как для программы при возврате в операционную систему, так и для
   вызовов подпрограмм при возврате в главную программу.
   Регистр сегмента стека (SS) адресует данный сегмент.

Еще один сегментный регистр - регистр дополнительного сегмента (ES) - предназначен для специального использования. На рис. 168 графически представлены регистры SS, DS и CS. Последовательность регистров и сегментов на практике может быть иной. Три сегментных регистра содержат начальные адреса соответствующих сегментов, и каждый сегмент начинается на границе параграфа.

Внутри программы все адреса памяти относительны к началу сегмента. Такие адреса называются смещением от начала сегмента. Двухбайтовое смещение (16 бит) может быть в пределах от 0000₁₆ до FFFF₁₆ или от 0 до 65535. Для обращения к любому адресу в программе компьютер складывает адрес в регистре сегмента и смещение. Например, первый байт в сегменте кодов имеет смещение 0, второй байт - 1 и так далее до смещения 65535.

В качестве примера адресации допустим, что регистр сегмента данных содержит значение 045FH и некоторая команда обращается к ячейке памяти внутри сегмента данных со смещением 0032Н. Несмотря на то что регистр сегмента данных содержит 045FH, он указывает на адрес 045FO, т.е. на границу параграфа. Действительный адрес памяти поэтому будет следующий:

Адрес в DS: 045F0

Смещение; 0032

Реальный адрес: 04622

Каким образом процессоры 8086/8088 адресуют память в 1 млн. байт? В регистре содержится 16 бит. Так как адрес сегмента всегда на границе параграфа, младшие четыре бита адреса равны нулю. FFF0H позволяет адресовать до 65520 (плюс смещение) байт. Но специалисты решили, что нет смысла иметь место для битов, которые всегда равны нулю. Поэтому адрес хранится в сегментном регистре как шестнадцатиричное nnnnН, а компьютер полагает, что имеются еще четыре нулевых младших бита (одна шестнадцатиричная цифра), т.е. nnnn0Н. Таким образом, FFFF0H позволяет адресовать до 1048560 байт. Если вы сомневаетесь, то декодируйте каждое шестнадцатиричное FH как двоичное 1111, учтите нулевые биты и сложите весовые значения для единичных битов.

Процессор 80286 использует 24 бит для адресации так, что FFFFFO позволяет адресовать до 16 млн. байт, а процессор 80386 может адресовать до 4 млрд. байт.

РЕГИСТРЫ

Процессоры 8086/8088 имеют 14 регистров, используемых для управления выполняющейся программой, для адресации памяти и для обеспечения арифметических вычислений. Каждый регистр имеет длину в одно слово (16 бит) и адресуется по имени. Биты регистра принято нумеровать слева направо:

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Процессоры 80286 и 80386 имеют ряд дополнительных регистров, некоторые из них 32-битовые. Эти регистры здесь не рассматриваются.

Сегментные регистры: CS, DS, SS и ES

Каждый сегментный регистр обеспечивает адресацию памяти объемом 64 Кбайт, которая называется текущим сегментом. Как показано ранее, сегмент выровнен на границу параграфа и его адрес в сегментном регистре предполагает наличие справа четырех нулевых битов,

1. Регистр CS. Регистр сегмента кода содержит начальный адрес сегмента кода. Этот адрес плюс значение смещения в командном указателе (IP) определяет адрес команды, которая должна быть выбрана для выполнения. Для обычных программ нет необходимости делать ссылки на регистр CS.

2. Регистр DS. Регистр сегмента данных содержит начальный адрес сегмента данных. Этот адрес плюс значение смещения, определенное в команде, указывают на конкретную ячейку в сегменте данных.

3. Регистр SS. Регистр сегмента стека содержит начальный адрес сегмента стека,

4. Регистр ES. Некоторые операции над строками используют дополнительный сегментный регистр для управления адресацией памяти. В данном контексте регистр ES связан с индексным регистром DI. Если необходимо использовать регистр ES, ассемблерная программа должна его инициализировать.

Регистры общего назначения: АХ, ВХ, СХ и DX

При программировании на языке Ассемблер регистры общего назначения являются "рабочими лошадками". Особенность этих регистров состоит в том, что возможна адресация их как одного целого слова или как однобайтовой части. Левый байт является старшей частью (high), а правый - младшей частью (low). Например, двухбайтовый регистр СХ состоит из двух однобайтовых СН и CL, и ссылки на регистр возможны по любому из этих трех имен. Следующие три ассемблерные команды засылают нули в регистры СХ, СН и CL соответственно:

MOV CX,00

MOV CH,00

MOV CL,00

1. Регистр АХ. Регистр АХ является основным сумматором и
применяется для всех операций ввода-вывода, некоторых
операций над строками и некоторых арифметических
операций. Например, команды умножения, деления и сдвига
предполагают использование регистра АХ. Некоторые
команды генерируют более эффективный код, если они
имеют ссылки на регистр АХ.

АХ: АН | AL |

2. Регистр ВХ. Регистр ВХ является базовым регистром. Это
единственный регистр общего назначения, который может
использоваться в качестве "индекса" для расширенной
адресации. Другое общее применение его - вычисления.

ВХ: ВН | ВL |

3. Регистр СХ. Регистр СХ является счетчиком. Он необходим
для управления числом повторений циклов и для операций
сдвига влево или вправо. Регистр СХ используется также для
вычислений.

СХ: | СН | CL |

4. Регистр DX. Регистр DX является регистром данных. Он
применяется для некоторых операций ввода-вывода и тех
операций умножения и деления над большими числами,
которые используют регистровую пару DX:AX.

DX: | DH │ DL |

Любые регистры общего назначения могут участвовать в операциях сложения и вычитания как 8-, так и 16-битовых значений.

Регистровые указатели: SP и ВР

Регистровые указатели SP и ВР обеспечивают системе доступ к данным в сегменте стека. Реже они используются для операций сложения и вычитания.

1. Регистр SP. Указатель стека обеспечивает использование стека
   в памяти, позволяет временно хранить адреса и иногда
   данные. Этот регистр связан с регистром SS для адресации
   стека

2. Регистр ВР. Указатель базы облегчает доступ к параметрам
   (данным и адресам, переданным через стек).

Индексные регистры: SI и DI

Оба индексных регистра могут применяться для расширенной адресации и для использования в операциях сложения и вычитания.

1. Регистр SI. Этот регистр является индексом источника и
   применяется для некоторых операций над строками. В
   данном контексте регистр SI связан с регистром DS.

2. Регистр DI. Этот регистр является индексом назначения и
   применяется также для строковых операций. В данном
   контексте регистр DI связан с регистром ES-

Рeгистр командного указателя: IP

Регистр IP содержит смещение на команду, которая должна быть выполнена. Обычно этот регистр в программе не применяется, но он может изменять свое значение при использовании отладчика DOS DEBUG при тестировании программы.

Флаговый регистр

Девять из 16 бит флагового регистра являются активными и определяют текущее состояние машины и результаты выполнения. Многие арифметические команды и команды сравнения изменяют состояние флагов. Назначение флаговых битов:

Флаг Назначение

О (Переполнение)

Указывает на переполнение старшего бита при арифметических командах.

D ( Направление)

Обозначает левое или правое направление пересылки или сравнения строковых данных (данных в памяти, превышающих длину одного слова).

I (Прерывание)

Указывает на возможность внешних прерываний.

Т (Пошаговый режим)

Обеспечивает возможность работы процессора в пошаговом режиме. Например, программа DOS DEBUG устанавливает данный флаг так, что возможно пошаговое выполнение каждой команды для проверки изменения содержимого регистров и памяти.
S (Знак)

Содержит результирующий знак после арифметических

операций (0 - плюс, 1 - минус).
Z (Ноль)

Показывает результат арифметических операций и операций сравнения (0 - ненулевой, 1 - нулевой результат).

А (Внешний перенос)

Содержит перенос из 3-го бита для 8-битовых данных, используется для специальных арифметических операций.

Р (Контроль четности)

Показывает четность младших 8-битовых данных (1 -четное и

0 - нечетное число).
С (Перенос)

Содержит перенос из старшего бита после арифметических операций, а также последний бит при сдвигах или циклических сдвигах.

При программировании на ассемблере наиболее часто используются флаги О, S, Z, и С для арифметических операций и операций сравнения, а флаг D для обозначения направления в операциях над строками.

ОБЩАЯ ПРОЦЕДУРА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Прежде чем детально обсуждать устройство ассемблера, рассмотрим общую проблему создания программного обеспечения. Ниже перечислены шесть этапов разработки:

1. Постановка задачи.

2. Определение структур данных.