Система команд процессора IA-32.

1.Формат машинных команд IA-32

2.Назначение и интерпретация полей машинной команды

3.Основы декодирования машинных команд

Система машинных кoманд является важнейшей частью архитектуры компьютера, так как с их помощью производится непосредственное управление работой процессора. К примеру, система команд процессора Pentium IV содержит более 300 машинных команд. С появлением каждой новой модели процессора количество команд, как правило, возрастает, отражая архитектурные новшества данной модели по сравнению с предшествующими.

При знакомстве с системой машинных команд необходимо учитывать два аспекта -собственно набор машинных команд и правила представления этих команд на уровне процессора, то есть формат машинных команд. Процессору компьютера понятен только один язык — язык машинных команд. Машинные команды представляют собой сформированные по определенным правилам последовательности нулей и единиц. Для того чтобы заставить процессор выполнить некоторое действие, ему нужно выдать соответствующее указание в виде машинной команды, а для выполнения более сложной работы достаточно написать программу в двоичных кодах. Программирование первых компьютеров осуществлялось именно таким способом. Недостатки процесса написания программ в двоичном коде очевидны. Для облегчения процесса разработки программ был придуман язык ассемблера, как символический аналог машинного языка, а в архитектуру компьютера введен блок микропрограммного управления. Для каждой машинной команды блок микропрограммного управления содержит отдельную микропрограмму, с помощью которой действия, заданные этой командой, переводятся на язык сигналов, направляемых нужным подсистемам процессора. После этих нововведений процесс разработки программы значительно упростился. Человек пишет программу на понятном ему языке символов, специальная программа -ассемблер –переводит (транслирует) программу человека на машинный язык, а блок микропрограммного управления нужным образом интерпретирует машинные команды для процессора, процессор выполняет нужную работу.

В дальнейшем, с появлением программного обеспечения более высокого уровня, язык ассемблера не потерял своей роли, а наоборот, приобрел новые качества.

В силу иерархичности программного обеспечения компьютера ассемблер стал промежуточным, связующим звеном между разнородным и разноязыким программным обеспечением более высокого уровня и процессором.

Таким образом, существует взаимно однозначное соответствие машинных команд и команд ассемблера. Понимание правил формирования машинных команд из команд ассемблера является одним из необходимых условий не только для изучения языка ассемблера, но и для понимания логики работы компьютера в целом.

Формат машинных команд ia-32

Машинная команда представляет собой закодированное по определенным правилам указание процессору на выполнение некоторой операции. Правила кодирования команд называются форматом команд. Команды процессоров архитектуры IA-32 считаются сложными. Максимальная длина машинной команды IA-32 составляет 15 байт. Реальная команда может содержать гораздо меньшее количество полей, вплоть до одного - только код операции.

Как на уровне формата машинной команды соответствуют между собой машинные команды и команды ассемблера? Для примера рассмотрим типичную команду языка ассемблера:

movebx, eax

Команда MOV производит копирование содержимого регистра ЕАХ в регистр ЕВХ.

Соответствующая машинная команда будет выглядеть так:

8В D8

Значение 8В -код операции. Еще один пример команды MOV:

mov ecx, 128

Данная команда инициализирует содержимое регистра ЕСХ десятичным значением 128. Соответствующая машинная команда выглядит так:

В9 00000080

Значение поля с кодом операции -В9. Из примеров видно, что прямого соответствия между структурой команды ассемблера и соответствующей машинной командой нет. Несмотря на то, что команда ассемблера одна и та же (MOV), коды машинных команд разные (8В и В9). Большинство команд ассемблера имеют несколько возможных вариантов сочетания операндов. Как показано в приведенных примерах, несмотря на одинаковые названия команд ассемблера, для каждого возможного сочетания операндов имеется своя машинная команда, со своим значением поля кода операции. Это говорит о том, что машинная команда всегда однозначна по отношению к производимым ею действиям на уровне аппаратуры. Несколько упрощая реальность, можно утверждать, что значение в поле кода операции является номером микропрограммы в блоке микропрограммного управления для каждой конкретной команды ассемблера с каждым конкретным вариантом сочетания операндов.

Логически любая команда языка ассемблера содержит несколько элементов.

-Элемент, описывающий, что делать, называется кодом операции (КОП). Значение в поле кода операции некоторым образом определяет в блоке микропрограммного управления подпрограмму, реализующую действия для данной команды.

- Элементы, описывающие объекты, с которыми нужно что-то делать, являются операндами. Операнды в команде могут и не задаваться, а подразумеваться по умолчанию.

- Элементы, описывающие, как делать, являются типами операндов и обычно задаются неявно. Они используются транслятором ассемблера при формировании машинной команды для определения значения поля кода операции.

Эти же элементы имеет и машинная команда, но в закодированном виде. Перевод команд ассемблера в соответствующие машинные команды осуществляет специальная программа -ассемблер, которую можно также назвать транслятором (компилятором) ассемблера.

Поле префиксов

Префиксы- необязательные однобайтные элементы машинной команды. Назначение префиксов- изменить действия, выполняемые командой. Префиксы могут указываться программистом явно при написании исходного текста программы, либо их, по определенным соображениям, может вставить ассемблер. Процессор распознает префиксы по их значениям. Машинная команда может иметь до четырех префиксов одновременно. В памяти префиксы предшествуют команде. Порядок их следования при этом может быть любым.

Далее перечислены типы префиксов, которые может использовать прикладная

программа.

-Префикс замены сегмента в явной форме указывает, какой сегментный регистр используется в данной команде для адресации стека или данных. Префикс отменяет выбор сегментного регистра по умолчанию. Префиксы замены сегмента имеют следующие значения:

2Eh -замена сегмента CS;

36h -замена сегмента SS;

ЗЕН -замена сегмента DS;

26h -замена сегмента ES;

64h -замена сегмента FS;

65h -замена сегмента GS.

- Префикс повторения используется с цепочечными командами (командами обработки строк). Этот префикс «зацикливает» команду для обработки всех элементов цепочки. Система команд поддерживает два типа префиксов: безусловные (REP -OF3h), заставляющие цепочечную команду повторяться некоторое количество раз, и условные (REPE/REPZ -OF3h, REPNE/REPNZ -OF2h), которые при зацикливании проверяют некоторые флаги, и в результате проверки возможен досрочный выход из цикла.

Префикс блокировки шины инициирует выдачу процессором сигнала LOCKtf (значение 0F0h) для блокировки системной шины. Используется в многопроцессорных конфигурациях для обеспечения монопольного владения системной шиной. Сигнал LOCK# может формироваться лишь с определенной номенклатурой команд процессора, работающих в цикле «чтение-модификация-запись».

Префикс размера адреса (значение 67h) уточняет разрядность адреса: 16 или 32 бита. Каждой команде, в которой используется адресный операнд, ставится в соответствие разрядность адреса этого операнда. Если разрядность адреса для данной команды составляет 16 битов, это означает, что команда содержит 16-разрядное смещение и оно соответствует 16-разрядному смещению адресного операнда относительно начала некоторого сегмента. Если разрядность адреса составляет 32 бита, это означает, что команда содержит 32-разрядное смещение, оно соответствует 32-разрядному смещению адресного операнда относительно начала сегмента и по его значению формируется 32-разрядное смещение в сегменте. С помощью префикса разрядности адреса можно изменить действующее по умолчанию значение разрядyости адреса. Это изменение будет касаться только той команды, которой предшествует префикс.

Префикс размера операнда (значение 66h) аналогичен префиксу размера адреса, но указывает на разрядность операндов (32 или 16 битов), с которыми работает команда.

По каким правилам устанавливаются по умолчанию значения атрибутов разрядности адреса и операндов? Если команда имеет операнд в памяти, то его адрес представляет собой значение смещения относительно начала сегмента данных (если не используется префикс переопределения сегмента) и содержится в поле смещения машинной команды. Размер этого поля зависит от текущего режима адресации (атрибуты use!6 или use32 в директивах сегментации). При 16-разрядной адресации размер поля смещения в машинной команде составляет 16 битов. При 32-разрядной адресации размер поля смещения в машинной команде составляет 32 бита. Явное задание префикса размера адреса позволяет указать процессору значение, отличающееся от действующего по умолчанию. Например, если действующий размер адреса равен 16 битам, то использование перед какой-либо командой префикса 67h определит для нее (и только для нее!) размер адреса в 32 бита. И наоборот, если действующий размер адреса равен 32 бита, то указание перед командой префикса 67h определит для нее (и только для нее!) размер адреса в 16 битов. Физически это будет отражаться на размере поля смещения в данной машинной команде.

Префикс размера операнда 66hпозволяет сменить действующий для данной команды атрибут размера операнда. Команда, которая по умолчанию работает со словом (16 битов) или с двойным словом (32 бита), имеет атрибут размера операнда, равный 16 и 32 бита соответственно. Применение префикса размера операнда позволяет сменить действующий по умолчанию атрибут.

При работе процессора 18086 в реальном и виртуальном режимах атрибуты размера адреса и операнда по умолчанию равны 16 битов. В защищенном режиме значения этих атрибутов зависят от значения бита D дескриптора сегмента. Если D = 0, то атрибуты размера адреса и операнда равны 16 битов, если D = 1, то эти атрибуты равны 32 бита. Изменить действующие по умолчанию атрибуты адреса и размера операндов можно применением атрибутов use16 или use32 в директивах сегментации.

В реальном режиме с помощью префикса разрядности адреса можно задействовать 32-разрядную адресацию, но при этом необходимо помнить об ограниченности размера сегмента величиной 64 Кбайт. Аналогично префиксу разрядности адреса можно использовать префикс разрядности операнда в реальном режиме для работы с 32-разрядными операндами (к примеру, в арифметических командах).

В команде префиксы размера адреса и операнда могут указываться одновременно. Каким образом комбинация префиксов (указанных явно и установленных по умолчанию) влияет на атрибуты размера операнда и адреса машинной команды, показано в табл. 3.1. В ней отражено и то, как влияет на эти атрибуты состояние бита D дескриптора сегмента в защищенном режиме. Строки таблицы, соответствующие нулевому значению бита D, используются в реальном и виртуальном режимах работы процессора 18086.

Необходимо обратить внимание на то, что команды работы со стеком также имеют аналогичные атрибуты размера и адреса операнда. Атрибут размера адреса влияет на выбор регистра - указателя стека: при размере адреса 16 битов используется регистр SP, при размере адреса 32 бита используется регистр ESP. Аналогично влияет на работу команд со стеком префикс размера операнда: при использовании префикса размера операнда 16 битов операнд в стеке трактуется как 16-разрядный, при использовании префикса размера операнда 32 бита операнд в стеке трактуется как 32-разрядный.

Таблица 3.1. Значения атрибутов размеров операнда и адреса

Бит D	66h	67h	Размер операнда	Размер адреса
0	-	-	16	16
0	-	+	16	32
0	+	-	32	16
0	+	+	32	32
1	-	-	32	32
1	-	+	32	16
1	+	-	16	32
1	+	+	16	16

В качестве примера префикса, который при формировании машинной команды вставляет сам ассемблер, можно привести префикс со значением OFFh. Он называется префиксом смены алфавита и извещает о том, что поле кода операции в данной команде двухбайтовое.