Системне програмування, доц. І.І. Мітасов, 2010р. Лекція 3, 5 сторінок

Тема 1. Архітектура процесора і мова асемблера: Апаратне і програмне забезпечення соі

Лекція 3. Машинний рівень програмування

Питання лекції:

• Структура машинної команди;

• Способи завдання операндів команди.

 1. Структура машинної команди

Машинна команда є закодованою по певних правилах вказівкою мікропроцесору на виконання деякої операції або дії. Кожна команда містить елементи, що визначають:

• що робити? (відповідь на це питання дає елемент команди, званий кодом операції (КОП));

• об'єкти, над якими потрібно щось робити (ці елементи називаються операндами);

• як робити? (ці елементи називаються типами операндів — зазвичай задаються неявно).

Приведений на рис. 3.1 формат машинної команди є найзагальнішим. Максимальна довжина машинної команди — 15 байт. Реальна команда може містити набагато меншу кількість полів, аж до одного — лише КОП.

Рис. 3.1 – Формат машинної команди

Опишемо призначення полів машинної команди.

• Префікси. Необов’язкові елементи машинної команди, кожен з яких складається з одного байта або може бути відсутнім. У пам'яті префікси передують команді. Призначення префіксів — модифікувати операцію, що виконується командою. Прикладна програма може використовувати наступні типи префіксів:

• Префікс заміни сегменту. У явній формі вказує, який сегментний регістр використовується в даній команді для адресації стека або даних. Префікс відміняє вибір сегментного регістра за умовчанням. Префікси заміни сегменту мають наступні значення:

• 2eh — заміна сегменту cs;

• 36h — заміна сегменту ss;

• 3eh — заміна сегменту ds;

• 26h — заміна сегменту es;

• 64h — заміна сегменту fs;

• 65h — заміна сегменту gs.

• Префікс розрядності адреси уточнює розрядність адреси (32 або 16-розрядна). Кожній команді, в якій використовується адресний операнд, ставиться у відповідність розрядність адреси цього операнда. Ця адреса може мати розрядність 16 або 32 біт. Якщо розрядність адреси для даної команди 16 біт, це означає що команда містить 16-розрядне зміщення (див. рис. 3.2), воно відповідає 16-разрядному зміщенню адресного операнда відносно початку деякого сегменту. У контексті рис. 3.2 це зміщення називається ефективною адресою. Якщо розрядність адреси 32 біт, це означає, що команда містить 32-розрядне зміщення (див. рис. 3.1), воно відповідає 32-розрядному зміщенню адресного операнда відносно початку сегменту і по його значенню формується 32-бітне зміщення в сегменті. За допомогою префікса розрядності адреси можна змінити значення розрядності адреси, що діє за умовчанням. Ця зміна стосуватиметься лише тієї команди, якій передує префікс.

• Префікс розрядності операнда аналогічний префіксу розрядності адреси, але вказує на розрядність операндів (32 або 16-разрядні), з якими працює команда. Відповідно до яких правил встановлюються значення атрибутів розрядності адреси і операндів за умовчанням? У реальному режимі і режимі віртуального i8086 значення цих атрибутів — 16 біт. У захищеному режимі значення атрибутів залежать від значення біта D в дескрипторах виконуваних сегментів. Якщо D = 0, то значення атрибутів, що діють за умовчанням, дорівнюють 16 біт; якщо D = 1, то 32 біт. Значення префіксів розрядності операнда 66h і розрядності адреси 67h. Ви можете за допомогою префікса розрядності адреси в реальному режимі використовувати 32-розрядну адресацію але при цьому необхідно пам'ятати про обмеженість розміру сегменту величиною 64 Кбайт. Аналогічно префіксу розрядності адреси ви можете використовувати префікс розрядності операнда в реальному режимі для роботи з 32-розрядними операндами (наприклад, в арифметичних командах).

Рис. 3.2 – Механізм формування фізичної адреси в реальному режимі

• Префікс повторення використовується з ланцюжковими командами (командами обробки рядків). Цей префікс “зациклює” команду для обробки всіх елементів ланцюжка. Система команд підтримує два типи префіксів:

• безумовні (rep — 0f3h), що заставляють повторюватися ланцюжкову команду деяку кількість разів;

• умовні (repe/repz — 0f3h, repne/repnz — 0f2h), які при зацикленні перевіряють деякі прапори, і в результаті перевірки можливий достроковий вихід з циклу.

• Код операції. Обов'язковий елемент, що описує операцію, котра виконується командою. Багатьом командам відповідає декілька кодів операцій, кожен з яких визначає нюанси виконання операції.

Подальші поля машинної команди визначають місце розташування операндів, що беруть участь в операції, і особливості їх використання. Розгляд цих полів пов'язаний зі способами завдання операндів в машинній команді і тому буде виконано пізніше.

• Байт режиму адресації mod-r/m. Значення цього байта визначає використовувану форму адреси операндів. Операнди можуть знаходитися в пам'яті, в одному або двох регістрах. Якщо операнд знаходиться в пам'яті, то байт mod-r/m визначає компоненти (зміщення, базовий та індексний регістри), використовувані для обчислення його ефективної адреси (див. рис. 3.2). У захищеному режимі для визначення місця розташування операнда в пам'яті може додатково використовуватися байт sib (scale-index-base — масштаб-індекс-база). Байт mod-r/m складається з трьох полів:

• поле mod визначає кількість байт, зайнятих в команді адресою операнда (див. поле зміщення в команді). Поле mod використовується спільно з полем r/m, яке вказує спосіб модифікації адреси операнда зміщення в команді. Наприклад, якщо mod = 00, це означає, що поле зміщення в команді відсутнє, і адреса операнда визначається вмістом базового та (або) індексного регістра. Які саме регістри використовуватимуться для обчислення ефективної адреси, визначається значенням цього байта. Якщо mod = 01, це означає, що поле зміщення в команді присутнє, займає один байт і модифікується вмістом базового та (або) індексного регістра. Якщо mod = 10, це означає, що поле зміщення в команді присутнє, займає два або чотири байти (залежно від розміру адреси, що діє за умовчанням або визначуваного префіксом) і модифікується вмістом базового та (або) індексного регістра. Якщо mod = 11, це означає, що операндів в пам'яті немає: вони знаходяться в регістрах. Це ж значення байта mod використовується у випадку, коли в команді застосовується безпосередній операнд;

• поле reg/коп визначає або регістр, що знаходиться в команді на місці першого операнда, або можливе розширення коду операції;

• поле r/m використовується спільно з полем mod і визначає або регістр, що знаходиться в команді на місці першого операнда (якщо mod = 11), або використовувані для обчислення ефективної адреси (спільно з полем зміщення в команді) базові і індексні регістри.

• Байт масштаб-індекс-база (байт sib) використовується для розширення можливостей адресації операндів.

На наявність байта sib в машинній команді вказує поєднання одного зі значень 01 або 10 полів mod і значення поля r/m= 100. Байт sib складається з трьох полів:

• поле масштабу ss. У цьому полі розміщується масштабний множник для індексного компоненту index, що займає наступні три біта байта sib. У полі ss може міститися одне з наступних значень: 1, 2, 4, 8. При обчисленні ефективної адреси на це значення умножатиметься вміст індексного регістра. Детальніше з практичної точки зору ця розширена можливість індексації розглядається при вирішенні питань роботи з масивами;

• поле index — використовується для зберігання номера індексного регістра, який застосовується для обчислення ефективної адреси операнда;

• поле base — використовується для зберігання номера базового регістра, який також застосовується для обчислення ефективної адреси операнда. В якості базового та індексного регістрів можуть використовуватися практично всі регістри загального призначення.

• Поле зміщення в команді. 8-, 16- або 32-розрядне ціле число зі знаком, що є, повністю або частково (з врахуванням наведених вище міркувань), значенням ефективної адреси операнда.

• Поле безпосереднього операнда. Не обвязкове поле, що є 8-, 16- або 32-розрядним безпосереднім операндом. Наявність цього поля, звичайно, відбивається на значенні байта modr/m.

 2. Способи завдання операндів команди

В ході попереднього викладу ми мимоволі торкалися питання про те, де розташовуються операнди, з якими працює машинна команда, і як це відбивається на вмісті її полів. У цій частині лекції ми розглянемо це питання більш систематизовано і в повному об'ємі. Це дозволить нам безпосередньо перейти до практичних питань програмування на мові асемблера.

2.1. Операнд задається неявно на мікропрограмному рівні (відсутність адресації). В цьому випадку команда явно не містить операндів. Алгоритм виконання команди використовує деякі об'єкти за умовчанням (регістри, прапори в flags і т. д.). Наприклад команди cli і sti неявно працюють з прапором переривання if в регістрі flags, а команда xlat неявно звертається до регістра al і рядку в пам'яті за адресою, визначуваною парою регістрів ds:bx.

2.2. Операнд задається в самій команді (безпосередня адресація). Операнд знаходиться в коді команди, тобто є її частиною. Для зберігання такого операнда в команді виділяється поле завдовжки до 32 біт (див. рис. 3.1). Безпосередній операнд може бути лише другим операндом (джерелом). Операнд-отримувач може знаходитися або в пам'яті, або в регістрі. Наприклад: mov ах,0ffffh пересилає в регістр ах шістнадцяткову константу ffff. Команда add sum,2 додає вміст поля за адресою sum з цілим числом 2 і записує результат по місцю першого операнда, тобто в пам'ять.

2.3. Операнд знаходиться в одному з регістрів (регістрова адресація). Регістрові операнди вказуються іменами регістрів. В якості регістрів можуть використовуватися:

• 32-розрядні регістри EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, ESP, EBP;

• 16-розрядні регістри AX, BX, CX, DX, SI, DI, SP, BP;

• 8-розрядні регістри AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH, DL;

• сегментні регістри CS, DS, SS, ES, FS, GS.

Наприклад, команда add ах,bx додає вміст регістрів ах і bx і записує результат в bx. Команда dec si зменшує вміст si на 1.

2.4. Операнд розташовується в пам'яті. Це найбільш складний і в той же час найбільш гнучкий спосіб завдання операндів. Він дозволяє реалізувати наступні два основні види адресації: пряму і непряму (косвенну).

У свою чергу, косвенна адресація має наступні різновиди:

• косвенна базова адресація; інша її назва — регістрова косвенна адресація;

• косвенна базова адресація зі зміщенням;

• косвенна індексна адресація зі зміщенням;

• косвенна базо-індексна адресація;

• косвенна базо-індексна адресація зі зміщенням.

2.5. Операндом є порт вводу/виводу. Окрім адресного простору оперативної пам'яті мікропроцесор підтримує адресний простір вводу-виводу, який використовується для доступу до пристроїв вводу-виводу. Об'єм адресного простору вводу-виводу складає 64 Кбайт. Для будь-якого пристрою комп'ютера в цьому просторі виділяються адреси. Конкретне значення адреси в межах цього простору називається портом вводу-виводу. Фізично порту вводу-виводу відповідає апаратний регістр (не плутати з регістром мікропроцесора), доступ до якого здійснюється за допомогою спеціальних команд асемблера in та out. Наприклад, in al,60h ;ввести байт з порту 60h.

Регістри, що адресуються за допомогою порту вводу-виводу, можуть мати розрядність 8, 16 або 32 біт, але для конкретного порту розрядність регістра фіксована.

Команди in і out працюють з фіксованою номенклатурою об'єктів. В якості джерела або одержувача інформації застосовуються так звані регистри-аккумулятори eax, ах, al.

mov dx,20h ;записати номер порту 20h в регістр dx mov al,20h ;записати значення 20h в регістр al out dx,al ;вивести значення 20h в порт 20H

Вибір регістра визначається розрядністю порту. Номер порту може задаватися безпосереднім операндом в командах in та out або значенням в регістрі dx. Останній спосіб дозволяє динамічно визначити номер порту в програмі. Наприклад:

2.6. Операнд знаходиться в стеку. Команди можуть зовсім не мати операндів, мати один або два операнди. Більшість команд вимагають двох операндів, один з яких є операндом-джерелом, а другий – операндом призначення. Важливе те, що один операнд може розташовуватися в регістрі або пам'яті а другий операнд обов'язково повинен знаходитися в регістрі або безпосередньо в команді. Безпосередній операнд може бути лише операндом-джерелом. У двооперандній машинній команді можливі наступні поєднання операндів:

• регістр—регістр;

• регістр—пам’ять;

• пам’ять—регістр;

• безпосередній операнд—регістр;

• безпосередній операнд—пам’ять.

У даного правила є виключення, які торкаються:

• команд роботи з ланцюжками, які можуть переміщати дані з пам'яті в пам'ять;

• команд роботи зі стеком, які можуть переносити дані з пам'яті в стек, що також знаходиться в пам'яті;

• команд типа множення, які окрім операнда, вказаного в команді, використовують ще і другий, неявний операнд.

З перерахованих поєднань операндів найчастіше вживаються регістр—пам’ять і пам’ять—регістр.

Рис. 3.2 показує, що адреса операнда формується як сума двох складових — зсунутого на 4 біт вмісту сегментного регістра і 16-бітної ефективної адреси, котра в загальному випадку обчислюється як сума трьох компонентів: бази, зміщення та індексу.