литература / Пухальский Проектирование микропроцессорных систем 2001

и извлечений вершина стека TOS оказывается в первоначальном положении. Следует соблю­ дать правило: нельзя извлекать из стека какие-либо данные, не включив их сначала в стек. И всегда необходимо помнить о “тайном” смысле терминов “включение” (в стек) и “извлече­ ние” (из стека), подразумевающих автоматическое изменение содержимого указателя стека SP (включение и извлечение — это не то же самое, что запись и чтение данных из памяти).

Физический адрес стека определяется содержимым пар регистров SS:SP или SS:BP, при­ чем SP служит неявным указателем стека для всех операций включения и извлечения, a SS — сегментным регистром стека. Регистр ВР используется, главным образом, для произвольных обращений к стеку. Содержимое SS является самым младшим адресом (границей) области сте­ ка и называется базой стека. Первоначальное значение указателя стека SP, устанавливаемое при инициализации, является наибольшим смещением, которого может достигать стек. Это значение определяет максимальное число слов, которое может быть включено в стек (мини­ мальное значение SP = 0). Местоположение стека задается операционной системой или пользо­ вательской программой.

Временное сохранение операндов в стеке эффективнее использования для этих целей па­ мяти в области сегмента данных: команды PUSH и POP короче других команд и не нужно зада­ вать адрес памяти в явном виде (инкремент и декремент SP производится автоматически).

Команда PUSH выполняется за 11 тактов (reg), 10 тактов (seg) и 16 + еа тактов (М), ко­ манда POP — за 8 тактов (reg и seg SS, DS, ES) и 17 + еа тактов (М), команда PUSHF — за 10 тактов, команда POPF — за 8 тактов.

Команды CALL target и RET. Основным назначением стека является автоматическое запоминание адресов возврата из процедур (подпрограмм), вызываемых командами CALL tar­ get и INT type. Адрес возврата — это находящийся в указателе инструкции IP или в регистрах CS.IP адрес команды, следующей за командой вызова процедуры. Процедуры всегда должны заканчиваться командой возврата RET, автоматически извлекающей из стека адрес возврата и загружающей его в указатель инструкции IP или в регистры CS.IP.

Команда CALL предназначена для внутрисегментного и межсегментного вызова процедур proc (procedure — процедура, подпрограмма), которые могут находиться как внутри текущего сегмента кода (пеаг-ргос — внутрисегментный вызов), так и вне него (far-proc — межсегмент­ ный вызов):

где target — одно или два слова адреса передачи управления. Режимы адресации (способы за­ дания адреса target) команд CALL такие же, что и для команд JMP (см. § 4.2, рис. 4.23) — нет только короткого (short) перехода (вызова). Вызов может быть прямым или косвенным, внут­ рисегментным или межсегментным. Команд условных вызовов процедур нет.

Соответственно вызывающим процедуры командам CALL имеются команды RET, выпол­ няющие внутрисегментные и межсегментные возвраты. Команды RET выполняют операции со стеком в обратном направлении:

IP <r~ М(SP), SP <— SP + 2 (near-return)',

IP <- M(SP), SP <— SP + 2, CS <- M(SP), SP <— SP + 2 (far-return).

В команде RET может быть задан непосредственный операнд im16, если через стек в вы­ званную процедуру передавались необходимые ей данные (параметры). В этом случае после извлечения из стека адреса возврата выполняется операция SP + iml6, что соответствует удале­

394 Глава 4. Микропроцессоры 8086/8088 и сопроцессор 8087

нию из стека отработавших параметров (модифицируется вершина стека для обхода этих пара­ метров). Значение im\6 должно быть равно числу слов данных, включенных в стек командами PUSH, перед вызовом процедуры, которой эти данные необходимы. Вызванная процедура по­ лучает доступ к параметрам, адресуя область памяти стека содержимым пары регистров SS:BP, не извлекая их из стека командами POP.

В виде процедур обычно оформляются большие часто повторяющиеся программные фрагменты — в памяти нужно хранить только одну копию процедуры, а вызываться она может много раз из разных мест программы. Процедуры обеспечивают основное средство разделения кода программы на модули, которые можно легко по отдельности разрабатывать, тестировать и документировать. Процедуры можно хранить в библиотеках и использовать многими програм­ мами.

Команда CALL выполняется за 19 тактов (внутрисегментный прямой вызов), 16 тактов (внутрисегментный косвенный вызов через регистр), 21 + еа тактов (внутрисегментный кос­ венный вызов через память), 28 тактов (межсегментный прямой вызов) и 37 + еа тактов (межсегментный косвенный вызов).

Команда RET выполняется за 8 тактов (внутрисегментный возврат), 12 тактов (внутрисег­ ментный возврат с непосредственным операндом), 18 тактов (межсегментный возврат) и 17 тактов (межсегментный возврат с непосредственным операндом).

Пример 19. Передача управления при выполнении одноуровневых процедур:

Содержимое тех регистров, которые использует процедура, будет модифицировано, а зна­ чит необходимо запомнить содержимое этих регистров до его изменения, а перед самым выхо­ дом из процедуры восстановить. Для этого используются команды PUSH и POP. Содержимое стека извлекается из него и загружается в регистры МП в порядке, обратном тому, в каком они включались в стек при выполнении программы.

Если процедура обращалась к стеку (выполняла команды PUSH и POP), то указатель стека SP должен быть возвращен на прежнее значение и действия со стеком не должны были разру­ шить адрес возврата. При работе с процедурами программист должен внимательно следить за правильным использованием стека, в противном случае возможны возвраты из процедур по бессмысленным адресам.

Процедуры могут иметь любое число уровней вложенности, от числа которых зависит, в частности, минимальный размер стека. Размер стека устанавливается программистом, исходя из потребностей разрабатываемой программы.

Пример 20. Передача управления при выполнении двухуровневых процедур:

Вэтом примере пояснена последовательность передач управления при выполнении двух­ уровневой процедуры (цифрами ©, ©, ® и © помечен порядок передачи управления).

Взадаче 36 приведен пример оформления на языке ассемблера процедуры CALL c_intr near. Конечно, вводить в программу такую процедуру (содержит всего две команды и исполь­ зуется только один раз) бессмысленно — число команд не сократилось, а увеличилось. Задача 36 предназначена в основном для демонстрации манипуляций с векторами прерываний команд

INT type.

Задача 36. Написать программу вывода на экран дисплея собственного сообщения при возникновении ошибки деления с последующим восстановлением системного вектора преры­ вания INT 0. Решение:

;10d = ОА/г — перевод строки (сдвиг курсора вниз на одну позицию)

;$ — задание конца строки, выводимой на дисплей

;INT 21ft, функция DOS 25ft — установка вектора прерывания

;Деление целых чисел с переполнением (“divide by zero”)

; INT 21ft, функция DOS 08ft — ввод с клавиатуры символа в ASCII-коде без эха

; Восстановление системного вектора прерывания для INT 0

; INT 21/г, функция DOS 25ft — установка (восстановление) вектора прерывания

;ES.BX = CSc:IPc — адрес подпрограммы INT 0

;INT 21ft, функция DOS 35h — получение вектора прерывания

;О-о-о, Юный Неофит!

;Пиши не так, как хочется,

;А как Zero велит! (нажмите любую клавишу)

;INT 21h, функция DOS 09h — вывод на дисплей А5С//-строки

Команды INT type и IRET. В системе команд имеется три типа команд программного прерывания'. INT 3, INTO (однобайтовые команды) и INT type (двухбайтовые команды), где type = 0 ... 255. Прерывания подразделяются на внутренние, которые вызываются состоянием МП или одной из перечисленных команд, входящих в программу, и внешние — инициируемые сигналом, подаваемым в МП от других компонент системы (обычно запросы прерываний по­ ступают от контроллера прерываний 8259.4 и по входу немаскируемого запроса прерывания ЫМГ). Типичное внутреннее прерывание инициируется, например, при делении числа на нуль, атипичные внешние прерывания — сигналами на входах NMI и INTR микропроцессора. Ко­ манды прерываний по назначению аналогичны командам CALL вызова процедур (подпро­ грамм). Вызываемая командой прерывания подпрограмма называется процедурой прерывания.

Некоторыми видами прерываний управляют флаги IF и TF. Если условия для прерывания удовлетворяются и необходимые флаги установлены, МП завершает текущую команду, а затем реализует последовательность прерывания:

IP <— M(4 x type), CS <— M(4 x type + 2),

где PSW — регистр признаков, TF — флаг трассировки, IF — флаг разрешения прерываний, 4 х type — адрес первого слова вектора прерывания, 4 х type + 2 — адрес второго слова вектора прерывания. Новое содержимое регистров IP и CS определяет начальный адрес выполняемой процедуры прерывания.

Двойное слово, загружаемое в указатель инструкции IP и сегментный регистр кода CS, называется вектором прерывания. Для хранения двойного слова требуются 4 байта, поэтому вектора прерываний могут занимать первые 1024 байта памяти и их нельзя использовать для других целей. Некоторые из 256 типов прерываний резервируются операционной системой и должны инициализироваться после включения компьютера. Пользователи приспосабливают остальные типы прерываний в соответствии со своими требованиями. В задаче 36 было пока­ зано, как можно использовать и системные векторы прерываний для вызова своих процедур обслуживания прерываний.

После обслуживания прерывания возврат в прерванную программу осуществляется ко­ мандой IRET, которая извлекает из стека значения IP, CS и PSW:

IP< -M (SP), SP SP + 2, C S f-M (S P ), SP <— SP + 2, PSW <-M (SP), SP <— SP + 2

в обратном порядке по отношению к их включению в стек.

Рис. 4.26. Векторная система прерываний

Типы прерываний представлены на рис. 4.26, иллюстрирующем размещение векторов прерываний в памяти. Только первые пять типов определены явно, а остальные отведены для команд программных прерываний (INT type, используемых в программах) или внешних аппа­ ратных прерываний type, поступающих от контроллера прерываний 8259А. Некоторые типы прерываний в персональных компьютерах IBM PC используются операционной системой

MS-DOS (Microsoft Disk Operating System) и базовой системой ввода-вывода BIOS (Basic Input-Output System), обеспечивающей управление периферийным оборудованием компьютера. Например, команда INT 21h вызывает для выполнения функцию MS-DOS, номер которой дол­ жен быть предварительно задан в регистре АН (см. § 4.5), а команда INT 10h — функцию

BIOS.

Прерывание типа 0 вызывается автоматически по ошибке деления — компьютер включает текущее содержимое регистров PSW, CS и IP в стек, загружает регистры IP и CS из содержимо­ го памяти по адресам 00000 и 00002 и продолжает выполнение программы с адреса, опреде­ ляемого новым содержимым регистров IP и CS. Прерывание из-за ошибки деления возникает независимо от состояния флагов IF и TF, когда в командах DIV или IDIV частное превышает диапазон представления чисел.

Прерывание типа 1 обеспечивает пошаговую работу и только им управляет флаг TF. Если значение флага TF - 1, то по окончании следующей команды возникает прерывание, которое вызывает процедуру обработки прерывания, адрес которой определяется содержимым ячеек памяти 00004 ... 00007.

Прерывание типа 2 вызывается независимо от состояния флага IF сигналом, поступающим на вход NMI (Non-maskable Interrupt) микропроцессора.

Остальные типы прерываний вызываются либо командами прерываний, включенными в программу (этими прерываниями флаг IF не управляет), либо внешними прерываниями, за­

просы которых поступают на вход 1NTR микропроцессора (разрешением и запретом этих пре­ рываний управляет флаг IF).

Команда INT 3 часто применяется при отладке, когда пошаговая работа дает больше ин­ формации, чем требуется. Помещая команды INT 3 в контрольных точках программы (Break­ point interrupt), программист может использовать процедуру прерывания для вывода на экран дисплея или на принтер результата выполнения программы до контрольной точки.

Команда INTO имеет тип 4 и вызывает прерывание, если только значение флага OF = 1. Ее часто помещают сразу после арифметической команды, способной вызвать ошибку переполне­ ния, и при наличии переполнения осуществляется специальная обработка этой ошибки. В отли­ чие от деления на нуль переполнение не вызывает автоматического прерывания — прерывание необходимо явно определять командой INTO.

Команда IRET осуществляет возврат из процедуры прерывания. Она аналогична команде RET, но кроме адреса возврата извлекает из стека исходное содержимое PSW.

Команда INT 3 выполняется за 52 такта, команда INTO — за 53 такта (OF = 1) и за 4 такта (OF = 0), команда INT type # 3 — за 51 такт. Команда IRET выполняется за 24 такта.

Задача 37. Написать программу умножения 16-разрядных двоичных чисел АХ х DX с вы­ водом на экран дисплея произведения DX:AX в пошаговом режиме. Решение:

; Управляющие ASCII-коды:

;$ — задание конца строки, выводимой на дисплей