imul op2 – знаковое умножение,

div op2 – беззнаковое целочисленное деление,

idiv op2 – знаковое целочисленное деление.

Как видим, в отличие от команд сложения и вычитания, умножение и деление знаковых и беззнаковых целых чисел выполняются разными командами (по разным алгоритмам).

В случае с короткими целыми операндами при умножении вычисление производится по формуле:

AX := AL * op2

При делении (операции div и mod понимаются в смысле языка Паскаль):

AL := AX div op2

AH := AX mod op2

В случае с длинными операндами при умножении вычисление производится по формуле:

(DX,AX) := AX * op2

При делении:

AX := (DX,AX) div op2

DX := (DX,AX) mod op2

В этих командах операнд op2 может иметь формат r8,r16,m8 или m16.

Как видим, команды умножения всегда дают точный результат, так как под хранение произведения выделяется в два раза больше места, чем под каждый из сомножителей. Команды деления могут вызывать аварийную ситуацию, если частное не помещается в отведённое для него место, т.е. в регистры AL и AX соответственно. Заметим, что остаток от деления всегда помещается в отводимое для него место на регистрах AH или DX соответственно (докажите это!).

После выполнения команд умножения устанавливаются некоторые флаги, из которых для программиста представляют интерес только флаги переполнения и переноса (CF и OF). Эти флаги устанавливаются по следующему правилу. CF=OF=1, если в произведении столько значащих (двоичных) цифр, что они не помещаются в младшей половине произведения. На практике это означает, что при CF=OF=1 произведение коротких целых чисел не помещается в регистр AL и частично "переползает" в регистр AH, а произведение длинных целых чисел – не помещается в регистре AX и "на самом деле" занимает оба регистра (DX,AX). И наоборот, если CF=OF=0, то в старшей половине произведения (соответственно в регистрах AH и DX) находятся только незначащие двоичные цифры произведения. Другими словами, при CF=OF=0 в качестве результата произведения можно взять его младшую половину.

Команды деления после своего выполнения как-то устанавливают некоторые флаги, но никакой полезной информации из значения этих флагов программист извлечь не может. Можно сказать, что деление "портит" некоторые флаги.

Для написания программ на Ассемблере нам будут полезны также следующие унарные арифметические операции.

neg op1 – взятие обратной величины знакового числа, op1 := -op1;

inc op1 – увеличение (инкремент) аргумента на единицу, op1 := op1+1;

dec op1 – уменьшение (декремент) аргумента на единицу, op1 := op1-1;

Применение этих команд вместо соответствующих по действию команд вычитания и сложения приводит к более компактным программам. Необходимо также отметить, что команды inc и dec, в отличие от эквивалентных им команд add и sub никогда не меняют флаг CF. ¹

7. Язык Ассемблера

7.1. Понятие о языке Ассемблера

Наличие большого количества форматов данных и команд в современных ЭВМ приводит к существенным трудностям при программировании на машинном языке. Для упрощения процесса написания программ для ЭВМ был разработан язык-посредник, названный Ассемблером, который, с одной стороны, должен быть машинно-ориентированным (допускать написание любых машинных программ), а с другой стороны – позволять автоматизировать процесс составления программ в машинном коде. Для перевода с языка Ассемблера на язык машины используется специальная программа-переводчик, также называемая Ассемблером (от английского слова “assembler” – “сборщик”). В зависимости от контекста, в разных случаях под словом "Ассемблер" будет пониматься или язык программирования, или программа-переводчик с этого языка на язык машины.

В нашем курсе мы не будем рассматривать все особенности языка Ассемблера, для этого надо обязательно изучить хотя бы один из учебников [5–8]. Заметим также, что для целей изучения архитектуры ЭВМ нам понадобится только некоторое достаточно небольшое подмножество языка Ассемблера, только оно и будет использоваться на наших лекциях.

Рассмотрим, что, например, должна делать программа Ассемблер при переводе с языка Ассемблера на язык машины. ²

• заменять мнемонические обозначения кодов операций на соответствующие машинные коды операций (например, для нашей учебной машины, ВЧЦ  002);

• автоматически распределять память под хранение переменных, что позволяет программисту не заботиться о конкретном адресе переменной, если ему всё равно, где она будет расположена;

• преобразовывать числа, написанные в программе в различных системах счисления во внутреннее машинное представление (в машинную систему счисления).

В конкретном Ассемблере обычно существуют много дополнительных возможностей для более удобного написания программ, однако при этом должны выполняться следующие требования (они вытекают из принципов Фон Неймана):

• возможность помещать в любое определённое программистом место памяти любую команду или любые данные;

• возможность выполнять любые данные как команды и работать с командами, как с данными (например, складывать команды как числа).

7.2. Применение языка Ассемблера

Общеизвестно, что программировать на Ассемблере трудно. Как Вы знаете, сейчас существует много различных языков высокого уровня, которые позволяют затрачивать много меньше усилий при написании программ. Естественно, возникает вопрос, когда у программиста может появиться необходимость использовать Ассемблер при написании программ. В настоящее время можно указать две области, в которых использование языка Ассемблера оправдано, а зачастую и необходимо.

Во-первых, это так называемые машинно-зависимые системные программы, обычно они управляют различными устройствами компьютера (такие программы называются драйверами). В этих системных программах используются специальные машинные команды, которые нет необходимости применять в обычных (или, как говорят прикладных) программах. Эти команды невозможно или весьма затруднительно задать в языке высокого уровня.

Вторая область применения Ассемблера связана с оптимизацией выполнения программ. Очень часто программы-переводчики (компиляторы) с языков высокого уровня дают весьма неэффективную программу на машинном языке. Обычно это касается программ вычислительного характера, в которых большую часть времени выполняется очень небольшой (порядка 3-5%) участок программы (главный цикл). Для решения этой проблемы могут использоваться так называемые многоязыковые системы программирования, которые позволяют записывать части программы на различных языках. Обычно основная часть программы записывается на языке программирования высокого уровня (Фортране, Паскале, С и т.д.), а критические по времени выполнения участки программы – на Ассемблере. Скорость работы всей программы при этом может значительно увеличиться. Часто это единственный способ заставить программу дать результат за приемлемое время.

При дальнейшем изучения архитектуры компьютера нам придётся писать как фрагменты, так и полные программы на машинном языке. Для написания этих программ мы будем использовать одну из версий языка Ассемблера, так называемый Макроассемблер версии 4.0 (MASM-4.0). Достаточно полное описание этого языка приведено в учебнике [5], изучения этого учебника (или аналогичных учебников по языку Ассемблера [6-8]) является обязательным для хорошего понимания материала по нашему курсу. На лекциях мы подробно будем изучать только те особенности и тонкие свойства языка Ассемблера, которые недостаточно полно описаны в указанных учебниках.

Изучение языка Ассемблера начнём с рассмотрения общей структуры программы на этом языке. Программа на языке Ассемблера состоит из одного или более независимых модулей. В каком смысле модуль является независимой единицей языка Ассемблер, мы выясним несколько позже, когда будем изучать тему "Модульное программирование". Наши первые программы будут содержать всего один модуль, но позже будут рассмотрены и многомодульные программы.

Каждый модуль обычно содержит описание одного или нескольких сегментов памяти. Напомним, что в нашей архитектуре для работы программы каждая команда и каждое данное должны располагаться в каких-либо сегментах памяти. Как мы уже знаем, в младшей модели нашего семейства ЭВМ в каждый момент времени определены четыре активных (или текущих) сегмента памяти, на которые указывают соответствующие сегментные регистры CS, DS, SS и ES.

Таким образом, перед непосредственной работой с содержимым любого сегмента требуется установить на его начало определённый сегментный регистр, до этого нельзя ни писать в этот сегмент, ни читать из него. С другими сегментами, кроме этих четырёх текущих (если они есть в программе), работать в этот момент нельзя, при необходимости доступа к ним нужно менять (перезагружать) содержимое соответствующих сегментных регистров.

Стоит заметить, что сегменты могут перекрываться в памяти ЭВМ и даже полностью совпадать (накладываться друг на друга). Однако максимальный размер сегмента в младшей модели нашего семейства ЭВМ равен 64К, и, если сегменты будут перекрываться, то одновременно для работы будет доступно меньшее количество оперативной памяти. Заметим, что пересечение сегментов никак не влияет на логику работы центрального процессора.¹

В соответствии с принципом фон Неймана, мы имеем право размещать в любом из сегментов памяти как числа, так и команды. Но такой подход ведёт к плохому стилю программирования, программа перестаёт легко читаться и пониматься программистами. Будем поэтому стараться размещать команды программы в одним сегментах, а данные – в других. Весьма редко программисту будет выгодно размещать данные среди команд, один такой случай будет рассмотрен позже в нашем курсе.

На текущий сегмент команд должен указывать регистр CS, а на сегмент данных – регистр DS. Дело в том, что эти регистры специализированные. В частности, устройство управления может выбирать команды для выполнения только из сегмента, на который указывает регистр CS. Производить арифметические операции можно над числами из любого сегмента, однако в соответствии с принципом умолчания все переменные, если прямо не указано противное, сегментируются по регистру DS. Явное указание необходимости выбирать аргументы команды по другому сегментному регистру увеличивает длину команды на один байт (перед такой командой вставляется специальная однобайтная команда, которая называется префиксом сегмента).

Итак, модуль состоит из описаний сегментов. В сегментах находятся все команды и области памяти, используемые для хранения переменных. Вне сегментов могут располагаться только так называемые директивы языка Ассемблер, о которых мы будем говорить немного ниже. Пока лишь отметим, что чаще всего директивы не определяют в программе ни команд, ни переменных (поймите, что именно поэтому они и могут стоять вне сегментов). ¹

Описание каждого сегмента, в свою очередь, состоит из предложений (statement) языка Ассемблера. Каждое предложение языка Ассемблера занимает отдельную строчку программы, исключение из этого правила будет отмечено особо. Далее рассмотрим различные классы предложений Ассемблера.

7.3. Классификация предложений языка Ассемблер

• Многострочные комментарии. Это единственная конструкция Ассемблера, которая может занимать несколько строк текста программы. Будем для унификации терминов считать её неким частным типом предложения, хотя не все авторы учебников по Ассемблеру придерживаются этой точки зрения. Способ записи этих комментариев:

COMMENT *

< строки – комментарии >

*

здесь символ * задаёт границы комментария, он не должен встречаться внутри самого комментария. При необходимости использовать символ * внутри комментария, надо вместо этого символа в качестве границ комментария выбрать какой-нибудь другой подходящий символ, например, &.

• Команды. Почти каждому такому предложению языка Ассемблера будет соответствовать одна команде на языке машины (в редких случаях получаются две "тесно связанных" команды). Как уже отмечалось, вне описания сегмента такое предложение встречаться не может.

• Резервирование памяти. Эти предложения отводят в том сегменте, где они записаны, области памяти для хранения переменных. Это некоторый аналог описания переменных языка Паскаль. Способ записи таких предложений надо посмотреть в учебнике [5], мы приведём лишь некоторые примеры с комментариями.

В этих примерах описаны переменные с именами A,B и C разной длины, которые, как мы уже привыкли в языке Паскаль, не будут иметь конкретных начальных значений, что отмечено символом вопросительного знака. Однако, но принципу Фон Неймана ничто не мешает нам работать напрямую с одним или несколькими байтами, расположенными в любом месте памяти. Например, команда

mov ax,B+1