3к5с Архитектура информационных систем / МУ ПР 3

Цель работы — ознакомление с общими принципами построения программ на языке ассемблера, трансляция и компоновка, ознакомление со структурой программы.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

В 50-е гг. программисты стали использовать для программирования символический аналог машинного языка, который назвали языком ассем-

блера. Этот язык точно отражает все особенности машинного языка.

Именно поэтому, в отличие от языков высокого уровня, язык ассемблера для каждого типа компьютеров свой.

Самую эффективную программу можно написать только на ассем-

блере (при условии, что ее пишет квалифицированный программист), так как этот язык является «родным» для компьютера, но это очень трудоем-

кий и требующий большого внимания и практического опыта процесс. По-

этому реально на ассемблере пишут в основном программы, которые должны обеспечить эффективную работу с аппаратной частью компьюте-

ра.

На ассемблере возможно написание критичных ко времени выполне-

ния или расходованию памяти фрагментов программы. Впоследствии они оформляются в виде подпрограмм и совмещаются с кодом на языке высо-

кого уровня.

Машинный язык полностью отражает все архитектурные тонкости конкретного типа компьютеров. Следствием этого является его индивиду-

альность для каждого семейства ЭВМ. Чтобы эффективно использовать все возможности компьютера, применяют символический аналог машин-

ного языка — язык ассемблера.

Регистрами называются области высокоскоростной памяти, распо-

ложенные внутри процессора в непосредственной близости от его испол-

нительного ядра. Доступ к ним осуществляется несравнимо быстрее, чем к ячейкам оперативной памяти. Соответственно, машинные команды с опе-

2

рандами в регистрах выполняются максимально быстро, поэтому в про-

граммах на языке ассемблера регистры используются очень интенсивно.

Большинство регистров имеют определенное функциональное назначение. С точки зрения программиста, их можно разделить на две большие группы.

Первую группу образуют пользовательские регистры, к которым от-

носятся:

регистры общего назначения EAX/AX/AH/AL, EBX/BX/BH/BL,

EDX/DX/DH/DL, ЕСХ/CX/CH/CL, ЕВР/ВР, ESI/SI, EDI/DI,

ESP/SP предназначены для хранения данных и адресов, про-

граммист может их использовать (с определенными ограничени-

ями) для реализации своих алгоритмов;

сегментные регистры CS, DS, SS, ES, FS, GS используются для хранения адресов сегментов в памяти;

регистры сопроцессора ST(0), ST(1), ST(2), ST(3), ST(4), ST(5),

ST(6), ST(7) предназначены для написания программ, использу-

ющих тип данных с плавающей точкой;

целочисленные регистры MMX-расширения ММХ0, MMX1,

MMX2, ММХЗ, ММХ4, ММХ5, ММХ6, ММХ7;

регистры MMX-расширения с плавающей точкой XMM0,

XMM1, ХММ2, ХММЗ, ХММ4,ХММ5,ХММ6,ХММ7;

регистры состояния и управления (регистр флагов

ЕFLAGS/FLAGS и региструказатель команды EIP/IP) содержат информацию о состоянии процессора, исполняемой программы и позволяют изменить это состояние.

Во вторую группу входят системные регистры, то есть регистры,

предназначенные для поддержания различных режимов работы, сер-

висных функций, а также регистры, специфичные для определенной модели процессора.

3

Системные регистры, поддерживаемые IA-32:

управляющие регистры CR0 ... CR4 определяют режим работы процессора и характеристики текущей исполняемой задачи;

регистры управления памятью GDTR, IDTR, LDTR и TR ис-

пользуются в защищенном режиме работы процессора для лока-

лизации управляющих структур этого режима;

отладочные регистры DR0 ... DR7 предназначены для монито-

ринга и управления различными аспектами отладки;

регистры типов областей памяти MTRR используются для аппа-

ратного управления кэшированием;

машинно-зависимые регистры MSR используются для управле-

ния процессором, контроля за его производительностью, получе-

ния информации об ошибках.

Регистры общего назначения используются в программах для хране-

ния:

операндов логических и арифметических операций;

компонентов адреса;

указателей на ячейки памяти.

Регистры, относящиеся к группе регистров общего назначения, фи-

зически находятся в процессоре внутри арифметико-логического устрой-

ства (поэтому их еще называют регистрами АЛУ):

регистр-аккумулятор (Accumulator register) EAX/AX/AH/AL

применяется для хранения промежуточных данных, в некоторых командах его использование обязательно;

базовый регистр (Base register) EBX/BX/BH/BL применяется для хранения базового адреса некоторого объекта в памяти;

регистр-счетчик (Count register) ECX/CX/CH/CL применяется в командах, производящих некоторые повторяющиеся действия.

4

Использование регистра-счетчика зачастую скрыто в алгоритме

работы той или иной команды;

регистр данных (Data register) EDX/DX/DH/DL, так же как и ре-

гистр ЕАХ/АХ/АН/AL, хранит промежуточные данные (в неко-

торых командах его явное использование обязательно, в других он используется неявно);

регистр индекса источника (Source Index register) ESI/SI в цепо-

чечных операциях содержит текущий адрес элемента в цепочке-

источнике (под цепочкой понимается последовательность байт или слов в памяти, а цепочечной операцией называется операция,

которая выполняется над каждым элементом цепочки);

регистр индекса приемника (Destination Index register) EDI/DI в

цепочечных операциях содержит текущий адрес в цепочке-

приемнике.

В архитектуре процессора на программно-аппаратном уровне под-

держивается такая структура данных, как стек.

Стек – структура данных, в которой доступ к элементам организо-

ван по принципу LIFO (last in — first out, «последним пришѐл — первым вышел»). Чаще всего принцип работы стека сравнивают со стопкой таре-

лок: чтобы взять вторую сверху, нужно снять верхнюю.

Для работы со стеком в системе команд процессора есть специаль-

ные команды, а в программной модели процессора для этого существуют специальные регистры:

регистр указателя стека (Stack Pointer register) ESP/SP содержит указатель на вершину стека в текущем сегменте стека;

регистр указателя базы кадра стека (Base Pointer register)

EBP/BP предназначен для организации произвольного доступа к данным внутри стека.

5

Процессоры Intel аппаратно поддерживают сегментную организацию программы. Это означает, что любая программа состоит из трех сегментов:

кода, данных и стека.

В программной модели IA-32 имеется шесть сегментных регистров служащих для доступа к четырем типам сегментов:

Сегмент кода содержит команды программы. Для доступа к это-

му сегменту служит регистр сегмента кода (Code Segment register) CS. Он содержит адрес сегмента с машинными команда-

ми, к которому имеет доступ процессор (эти команды загружают-

ся в конвейер процессора).

Сегмент данных содержит обрабатываемые программой данные.

Для доступа к этому сегменту служит регистр сегмента данных

(Data Segment register) DS, который хранит адрес сегмента дан-

ных текущей программы.

Сегмент стека представляет собой область памяти, называемую стеком. Работу со стеком процессор организует по следующему принципу: последний записанный в эту область элемент выбира-

ется первым. Для доступа к этой области служит регистр сегмен-

та стека (Stack Segment register) SS, содержащий адрес сегмента стека.

Если программе недостаточно одного сегмента данных, то она

имеет возможность задействовать еще три дополнительных сегмента данных. Адреса дополнительных сегментов данных должны содержаться в регистрах дополнительного сегмента дан-

ных (Extension Data Segment registers) ES, GS, FS.

В процессор включены два регистра, постоянно содержащие инфор-

мацию о состоянии как самого процессора, так и программы, команды ко-

торой он в данный момент обрабатывает:

 регистр-указатель команд EIP/IP;

6

 регистр флагов ЕFLAGS/FLAGS.

С помощью этих регистров можно также ограниченным образом управлять состоянием процессора.

Регистр-указатель команд (Instruction Pointer register) EIP/IP имеет разрядность 32(16) бита и содержит смещение следующей подлежащей выполнению команды относительно содержимого регистра сегмента кода

CS в текущем сегменте команд.

Разрядность регистра флагов (flag register) EFLAGS/FLAGS равна

32(16) битам. Отдельные биты данного регистра имеют определенное функциональное назначение и называются флагами.

Команды процессоров архитектуры IA-32 считаются сложными.

Максимальная длина машинной команды IA-32 составляет 15 байт. Реаль-

ная команда может содержать гораздо меньшее количество полей, вплоть до одного — только код операции.

Рассмотрим типичную команду языка ассемблера: mov ebx, eax

Команда MOV производит копирование содержимого регистра ЕАХ в регистр ЕВХ.

Соответствующая машинная команда будет выглядеть так: 8B D8

Значение 8В — код операции. Еще один пример команды MOV: mov ecx, 128

Данная команда инициализирует содержимое регистра ЕСХ деся-

тичным значением 128. Соответствующая машинная команда выглядит так: 89 00000080 (значение поля с кодом операции — В9).

Программа на ассемблере представляет собой совокупность блоков памяти, называемых сегментами.

Программа может состоять из одного или нескольких таких блоков-

сегментов. Сегменты программы имеют определенное назначение, соот-

ветствующее типу сегментов: кода, данных и стека. Названия типов сег-

7

ментов отражают их назначение. Деление программы на сегменты отража-

ет сегментную организацию памяти процессоров Intel (архитектура IA-32).

Для языка ассемблера предложения, составляющие программу, мо-

гут представлять собой синтаксические конструкции четырех типов:

Команды (инструкции) представляют собой символические аналоги машинных команд. В процессе трансляции инструкции ассемблера преобразуются в соответствующие команды системы команд процессора.

Макрокоманды — это оформляемые определенным образом предложения текста программы, замещаемые во время трансля-

ции другими предложениями.

Директивы являются указанием транслятору ассемблера на вы-

полнение некоторых действий. У директив нет аналогов в ма-

шинном представлении.

Комментарии содержат любые символы, в том числе и буквы русского алфавита. Комментарии игнорируются транслятором.

ТЕХНОЛОГИЯ РАБОТЫ

ЗАДАНИЕ. ВСТАВКА АССЕМБЛЕРНОГО КОДА В ПРО-

ГРАММУ НА ЯЗЫКЕ СИ.

1.Создайте проект консольного приложения Win32 на языке Си.

2.Рассмотрите пример вставки ассемблерного кода в программу на языке Си:

3.Объявите в программе 3 переменные целочисленного типа a=1, b=2 и c (строки кода 5-7).

4.Значение переменной с = a + b вычислите на языке ассемблера

(строки кода 8-13). Для вставки ассемблерного кода в программу на языке Си используйте оператор _asm { }.

5. Поместите в регистры eax и edx значения переменных a и b (стро-

ки кода 9-10).

6.Используя оператор сложения add, произведите сложение данных

врегистрах eax и edx, а результат поместите в регистр eax (строка кода 11).

7.Поместите в переменную с значение из регистра eax (строка кода

12).

8. Выведите на экран значение переменной с (строка кода 14).

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

При выполнении лабораторной работы необходимо соблюдать об-

щие правила техники безопасности:

использовать ПК только в соответствии с их назначением;

не размещать на корпусе ПК посторонние предметы (тетради,

книги, карандаши и т.п.);

оберегать ПК от толчков, ударов, сотрясений;

немедленно поставить в известность оператора ИВЦ об обна-

ружении задымления, загорания, пожара;

9

немедленно сообщить оператору ИВЦ обо всех неисправностях в работе ПК.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчѐт по лабораторной работе на листах формата А4, который дол-

жен содержать: цель работы и выполненные задания по лабораторной ра-

боте.

10