В.Г. Баула - Введение в архитектуру ЭВМ и системы программирования (975817), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Представление отрицательных чисел в дополнительном коде не очень удобно для програм­мистов, однако, позволяет существенно упростить арифметико-логическое устройство. Заметим, например, что вычитание можно выполнять как сложение с дополнительным кодом числа.

Основная причина использования двух систем счисления для представления целых чисел заключается в том, что при использовании обеих систем счисления диапазон представимых целых чисел увеличивается в полтора раза. Это было весьма существенно для первых ЭВМ с их небольшим объёмом памяти.

6.5. Сегментация памяти

Память нашей ЭВМ имеет уже знакомую нам сегментную организацию. В любой момент времени для младшей модели определены четыре сегмента (хотя для старших моделей число сегментов может быть и больше). Это означает, что есть четыре сегментных регистра, которые указывают на определённые области памяти. Каждый сегментный регистр имеет длину 16 разрядов, поэтому для того, чтобы сегмент мог располагаться на любом месте оперативной памяти, адрес начала сегмента получается после умножения значения сегментного регистра на число 16. Правда, при таком способе задания начала сегмента, он может начинаться не с любого места оперативной памяти, а только с адресов, кратных 16.

Итак, извлекать из памяти числа или команды можно только относительно одного из них этих сегментных регистров. Таким образом, физический адрес числа или команды вычисляется по формуле

A_физ := (SR*16 + A)_{mod 2}²⁰,

г де SR – значение сегментного регистра, а A – смещение. Физический адрес берётся по модулю 2²⁰, чтобы он не вышел за максимальный адрес памяти.

В качестве мнемонических обозначений сегментных регистров выбраны следующие двухбуквенные служебные⁷ имена: кодовый сегментный регистр (CS), сегментный регистр данных (DS), сегментный регистр стека (SS) и дополнительный сегментный регистр (ES). Каждый из них может адресовать сегмент памяти длиной от 1 до 2¹⁶ байт (напомним, что вся память состоит из 2²⁰ ячеек). Так как физический адрес в приведённой выше формуле берётся по модулю 2²⁰, то очевидно, что память "замкнута в кольцо". Таким образом, в одном сегменте могут находиться ячейки с самыми большими и самыми маленькими адресами основной памяти.На рис. 6.1 показан пример расположения сегментов в памяти.

Стоит отметить, что сегментные регистры являются специализированными, предназначенными только для хранения адресов сегментов, поэтому арифметические операции над их содержимым не предусмотрены.

Заметим, что даже если все сегменты не перекрываются и имеют максимальный размер, то и в этом случае центральный процессор в каждый момент времени имеет доступ только к одной четвёртой от общего объёма оперативной памяти.

6.6. Мнемонические обозначения регистров

В силу того, что в ЭВМ все регистры имеют безликие двоичные обозначения, программисты предпочитают использовать мнемонические названия регистров. Регистры общего назначения, каждый из которых может складывать, вычитать и просто хранить данные, а некоторые – умножать и делить, обозначают следующими именами: AX, BX, CX, DX. Для обеспечения многообразия форматов данных каждый из них разбит на две части по 8 бит каждая (биты нумеруются немного непривычно справа налево, начиная с нуля):

Каждый из регистров AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH и DL может быть использован как самостоятельный регистр, на которых возможно выполнять операции сложения и вычитания.

Существуют также четыре регистра SI, DI, SP и BP, которые также могут использоваться для проведения сложения и вычитания, но уже не делятся на половинки:

В основном эти четыре регистра используются как индексные, т.е. на них храниться положение конкретного элемента в некотором массиве.

Кроме перечисленных выше регистров программист имеет дело с регистром IP (instruction pointer), который называется счётчиком адреса и содержит адрес следующей исполняемой команды (точнее, содержит смещение относительно начала кодового сегмента, адрес начала этого сегмента, как мы уже знаем, равен значению сегментного регистра CS, умноженному на 16).

И, наконец, как уже упоминалось, архитектурой изучаемой ЭВМ предусмотрен регистр флагов FLAGS. Он содержит шестнадцать одноразрядных флагов, например, ранее упоминавшиеся флаги CF и OF. Конкретные номера битов, содержащих тот или иной флаг, для понимания архитектуры несущественны, и приводиться здесь не будут.

Все биты в регистрах пронумерованы справа налево: в шестнадцатибитных – от 0 до 15, в восьмибитных – от 0 до 7.

Все упомянутые имена регистров являются служебными в языке Ассемблера. Как и в языке Паскаль, в языке Ассемблера принято соглашение по синтаксису имён: регистр символов не различается, таким образом, AX,Ax,aX и ax обозначают один и тот же регистр.

Рассмотрим теперь способ хранения чисел в памяти ЭВМ. Запишем, например, шестнадцатеричное число 1234h в какой-нибудь 16-тиразрядный регистр (каждая шестнадцатиричная цифра занимает по 4 бита):

Теперь поместим это число в память в ячейки с номерами, например, 100 и 101. Так вот: в ячейку с номером 100 запишется число 34h, а в ячейку 101 – число 12h. Говорят, что число представлено в основной памяти (в отличие от регистров) в перевёрнутом виде. Это связано с тем, что в младших моделях ЭВМ при каждом обращении к памяти читался один байт. Чтобы считать слово, было необходимо дважды обратиться к памяти, поэтому было удобно (например, для проведения операция сложения "в столбик") получать сначала младшие цифры числа, а затем – старшие. В современной архитектуре за одно обращение из памяти получают сразу 4, 8 или 16 байт, но из-за совместимости моделей семейства пришлось оставить перевёрнутое представление чисел. Заметим, что в отличие от чисел, команды хранятся в памяти в обычном (не перевернутом) виде.

6.7. Структура команд

Теперь рассмотрим структуру машинных команд самых распространённых форматов регистр-регистр и регистр-память.

• Формат регистр–регистр.

Команды этого формата занимают 2 байта. Первая часть команды – код операции – занимает в команде 6 бит, за ним следуют однобитные поля d и w, где d – бит направления, а w – бит размера аргумента, последующие два бита для этого формата равны 1, а последние две части по 3 бита каждая указывают на регистры – операнды.

Стоит подробнее рассмотреть назначение битов d и w. Бит d задаёт направление выполнения команды, а именно:

<R1> := <R1>  <R2> при d = 0

<R2> := <R2>  <R1> при d = 1.

Бит w задаёт размер регистров-операндов, имена которых можно определить по следующей схеме:

В младших моделях ЭВМ нашего семейства в таком формате возможна работа лишь с упомянутыми в таблице регистрами. В последующих же моделях возможности этого формата были расширены, но за счёт увеличения длины команды. Мы будем пользоваться и другими видами формата регистр-регистр, например, командой mov ds,ax, но выписывать их внутреннее представление не будем.

Как видно из таблицы, архитектурой не предусмотрены операции формата r8–r16, т.е. операции над регистрами разной длины запрещены, например, команды типа add AL,BX являются некорректными. Поэтому появляется необходимость преобразования типов из короткого целого в длинное, и из длинного в сверхдлинное. Такое преобразование зависит от трактовки числа – знаковое или беззнаковое. В первом случае число всегда расширяется слева нулями, а во втором – размножается знаковый бит (для знаковых чисел незначащими двоичными цифрами будут 0 для неотрицательных и 1 для отрицательных значений). Для этого в языке машины предусмотрены безадресные команды, имеющие а Ассемблере такую мнемонику:

cbw (convert byte to word)

и

cwd (convert word to double),

которые производят знаковое расширение соответственно регистра AL до AX и AX до пары регистров <DX,AX>, которые в этом случае рассматриваются как один длинный 32 битный регистр.

Преобразование целого значения из более длинного формата в более короткий (усечение) производится путём отбрасывания соответствующего числа левых битов целого числа. Усечённое число получится правильным, если будут отброшены только незначащие биты. Для беззнаковых чисел это всегда нулевые биты, а для знаковых – биты, совпадающие со знаковым битом усечённого числа.

• Формат регистр–память (и память-регистр).

Операнд A2 может иметь один из приведённых ниже трёх видов:

1. A2 = A,

2. A2 = A[M1],

3. A2 = A[M1][M2].

Здесь A – задаваемое в команде смещение длиной 1 или 2 байта (заметим, что нулевой смещение может и не занимать места в команде), M1 и M2 – так называемые регистры-модификаторы. Как мы сейчас увидим, значение адреса второго операнда A2 будет вычисляться по определённым правилам, поэтому этот адрес часто называют исполнительным адресом.

Стоит отметить один факт. До сих пор адресом мы называли физический номер ячейки в памяти машины. В языке Ассемблера адресом принято называть смещение ячейки относительно начала того сегмента, в котором она находится. Для обозначения полного адреса будем употреблять термин физический адрес.

Рассмотрим подробнее каждый их трёх возможных видов операнда A2. При A2 = A физический адрес вычисляется центральным процессором по формуле:

A_физ := (B*16 + A)_{mod 2}²⁰,

где B, как обычно, обозначает значение одного из сегментных регистров. Запись A2 = A[M1] означает использование регистра-модификатора, которым может быть любой из следующих регистров: BP, BX, SI, DI. В этом случае физический адрес вычисляется по формуле

Характеристики

Список файлов книги