Лекции по дисциплине Микропроцессоры

1. Регистры процессора

    Как уже упоминалось, внутренние регистры процессора представляют собой сверхоперативную память небольшого размера, которая предназначена для временного хранения служебной информации или данных. Количество регистров в разных процессорах может быть от 6—8 до нескольких десятков. Регистры могут быть универсальными и специализированными. Специализированные регистры, которые присутствуют в большинстве процессоров, — это регистр-счетчик команд, регистр состояния (PSW), регистр указателя стека. Остальные регистры процессора могут быть как универсальными, так и специализированными.

    Например, в 16-разрядном процессоре Т-11 фирмы DEC было 8 регистров общего назначения (РОН) и один регистр состояния. Все регистры имели по 16 разрядов. Из регистров общего назначения один отводился под счетчик команд, другой — под указатель стека. Все остальные регистры общего назначения полностью взаимозаменяемы, то есть имеют универсальное назначение, могут хранить как данные, так и адреса (указатели), индексы и т.д. Максимально допустимый объем памяти для данного процессора составлял 64 Кбайт (адрес памяти 16-разрядный).

    В 16-разрядном процессоре MC68000 фирмы Motorola было 19 регистров: 16-разрядный регистр состояния, 32-разрядный регистр счетчика команд, 9 регистров адреса (32-разрядных) и 8 регистров данных (32-разрядных). Два регистра адреса отведены под указатели стека. Максимально допустимый объем адресуемой памяти — 16 Мбайт (внешняя шина адреса 24-разрядная). Все 8 регистров данных взаимозаменяемы. 7 регистров адреса – тоже взаимозаменяемы.

    В 16-разрядном процессоре Intel 8086, который стал базовым в линии процессоров, используемых в персональных компьютерах, реализован принципиально другой подход. Каждый регистр этого процессора имеет свое особое назначение, и заменять друг друга регистры могут только частично или же не могут вообще. Остановимся на особенностях этого процессора подробнее.

    Процессор 8086 имеет 14 регистров разрядностью по 16 бит. Из них четыре регистра (AX, BX, CX, DX) — это регистры данных, каждый из которых помимо хранения операндов и результатов операций имеет еще и свое специфическое назначение:

·          регистр АХ — умножение, деление, обмен с устройствами ввода/вывода (команды ввода и вывода);

·          регистр ВХ — базовый регистр в вычислениях адреса;

·          регистр СХ — счетчик циклов;

·          регистр DX — определение адреса ввода/вывода.

    Для регистров данных существует возможность раздельного использования обоих байтов (например, для регистра АХ они имеют обозначения AL – младший байт и AH — старший байт).

    Следующие четыре внутренних регистра процессора — это сегментные регистры, каждый из которых определяет положение одного из рабочих сегментов (рис. 1.20):

·          регистр CS (Code Segment) соответствует сегменту команд, исполняемых в данный момент;

·          регистр DS (Data Segment) соответствует сегменту данных, с которыми работает процессор;

·          регистр ES (Extra Segment) соответствует дополнительному сегменту данных;

·          регистр SS (Stack Segment) соответствует сегменту стека.

Рис. 1.20. Сегменты команд, данных и стека в памяти.

    В принципе, все эти сегменты могут и перекрываться для оптимального использования пространства памяти. Например, если программа занимает только часть сегмента, то сегмент данных может начинаться сразу после завершения работы программы (с точностью 16 байт), а не после окончания всего сегмента программы.

    Следующие пять регистров процессора (SP — Stack Pointer, BP — Base Pointer, SI — Source Index, DI — Destination Index, IP —Instruction Pointer) служат указателями (то есть определяют смещение в пределах сегмента). Например, счетчик команд процессора образуется парой регистров CS и IP, а указатель стека — парой регистров SP и SS. Регистры SI, DI используются в строковых операциях, то есть при поседовательной обработке нескольких ячеек памяти одной командой.

    Последний регистр FLAGS — это регистр состояния процессора (PSW). Из его 16 разрядов используются только девять (рис. 1.21): CF (Carry Flag) — флаг переноса при арифметических операциях, PF (Parity Flag) — флаг четности результата, AF (Auxiliary Flag) — флаг дополнительного переноса, ZF (Zero Flag) — флаг нулевого результата, SF (Sign Flag) — флаг знака (совпадает со старшим битом результата), TF (Trap Flag) — флаг пошагового режима (используется при отладке), IF (Interrupt-enable Flag) — флаг разрешения аппаратных прерываний, DF (Direction Flag) — флаг направления при строковых операциях, OF (Overflow Flag) — флаг переполнения.

Рис. 1.21. Регистр состояния процессора 8086.

    Биты регистра состояния устанавливаются или очищаются в зависимости от результата исполнения предыдущей команды и используются некоторыми командами процессора. Биты регистра состояния могут также устанавливаться и очищаться специальными командами процессора (о системе команд процессора будет рассказано в следующем разделе).

    Во многих процессорах выделяется специальный регистр, называемый аккумулятором (то есть накопителем). При этом, как правило, только этот регистр-аккумулятор может участвовать во всех операциях, только через него может производиться взаимодействие с устройствами ввода/вывода. Иногда в него же помещается результат любой выполненной команды (в этом случае говорят даже об «аккумуляторной» архитектуре процессора). Например, в процессоре 8086 регистр данных АХ можно считать своеобразным аккумулятором, так как именно он обязательно участвует в командах умножения и деления, а также только через него можно пересылать данные в устройство ввода/вывода и из устройства ввода/вывода. Выделение специального регистра-аккумулятора упрощает структуру процессора и ускоряет пересылки кодов внутри процессора, но в некоторых случаях замедляет работу системы в целом, так как весь поток информации должен пройти через один регистр-аккумулятор. В случае, когда несколько регистров процессора полностью взаимозаменяемы, таких проблем не возникает.

8. Программная модель процессора 8086

     Программная модель процессора  -  это функциональная модель, используемая программистом при разработке программ  в  кодах  ЭВМ или на языке ассемблера. В такой модели игнорируются многие аппаратные особенности в работе процессора.

     В процессоре 8086 имеется несколько быстрых элементов  памяти, которые называются  регистрами.  Каждый  из  регистров  имеет уникальную  природу  и  предоставляет  определенные  возможности, которые другими регистрами или ячейками памяти не поддерживаются.

     Регистры разбиваются на четыре  категории:  регистры  общего назначения, регистр флагов, указатель команд и сегментные регистры. Все регистры 16-разрядные.

9. Регистр флагов

     Этот 16-разрядный регистр содержит всю необходимую  информацию  о состоянии процессора 8086 и результатах выполнения последней команды.

         15      14      13      12       11      10      9        8         7        6       5       4          3        2       1         0

     Битовые флаги:

OF - флаг переполнения;

DF - флаг направления;

IF - флаг прерывания;

TF - флаг трассировки;

SF - флаг знака;

ZF - флаг нуля;

AF - флаг дополнительного переноса;

PF - флаг четности;

CF - флаг переноса;

** - бит не используется, состояние не определено.

     Флаг переполнения  OF  сигнализирует  о потере старшего бита результата сложения или вычитания.  Имеется  специальная  команда прерывания при переполнении,  которая генерирует программное прерывание.

     Флаг направления  DF определяет порядок сканирования цепочек байт или слов в соответствующих командах:  от меньших  адресов  к большим (DF = 0) или наоборот (DF = 1).

     Флаг прерывания IF определяет реакцию процессора на  запросы внешних прерываний по входу INT.  Если IF = 0, запросы прерываний игнорируются  (говорят также, что прерывания запрещены или замаскированы), а если IF = 1,  процессор распознает запросы на прерывания  и  реагирует  на  них  соответствующим образом.  Состояние флага IF не влияет на восприятие внешних немаскируемых прерываний по входу NMI, а также внутренних (программных) прерываний.

     Установка  в  состояние 1  флага  трассировки  TF  переводит процессор в одношаговый (покомандный) режим работы,  который применяется при отладке программ.  В этом режиме процессор автоматически генерирует внутреннее прерывание  после  выполнения  каждой команды с переходом  к  соответствующей  подпрограмме  обработки, которая может,  например,  демонстрировать  содержимое  регистров процессора на экране дисплея.

     Флаг знака SF повторяет значение старшего  бита  результата, который при использовании дополнительного кода соответствует знаку числа.

     Флаг нуля  ZF  сигнализирует о получении нулевого результата операции.

     Флаг вспомогательного  переноса  AF фиксирует перенос (заем) из  младшей  тетрады  в  старшую  8- или  16-битного  результата. Он необходим только для команд десятичной арифметики.

     Флаг четности (паритета) PF фиксирует наличие четного  числа единиц в младших 8 разрядах результата операции.  Этот флаг предназначен для контроля правильности передачи данных.

     Флаг CF  фиксирует  значение переноса (заема),  возникающего при сложении или вычитании байт или слов, а также значение выдвигаемого бита при сдвиге операнда.

     Регистр флагов не считывается и не модифицируется  непосредственно. Вместо этого в системе команд микропроцессора предусмотрены специальные команды,  с  помощью  которых  программист может задать необходимое ему состояние любого из флагов (кроме TF).

     Содержимое регистра флагов используется микропроцессором при выполнении команд условного перехода, циклических сдвигов, операций с цепочками байт или слов.

Пример 1

    0010 0011 0100 0101

+

    0101 0101 0101 1110

SF = 0, ZF = 0, PF = 0, CF = 0, AF = 0, OF = 0.

Пример 2

    0101 0100 0011 1001

+

    1001 1001 1010 0011

SF = 1, ZF = 0, PF = 1, CF = 0, AF = 1, OF = 1.

10. Регистры общего назначения

     Восемь регистров общего назначения процессора  8086  (каждый разрядностью 16 бит) используются  в  операциях большинства инструкций в качестве источника или приемника при перемещении  данных и вычислениях, указателей на ячейки памяти  и  счетчиков.  Каждый регистр  общего  назначения  может  использоваться  для  хранения 16-битового  значения,  в  арифметических и логических операциях, может выполняться обмен между регистром и памятью (запись из  регистра  в  память и наоборот).

     Кроме этих общих свойств,  каждый  регистр общего назначения имеет  свои  особенности.  Поэтому рассмотрим далее каждый из них отдельно.

     Регистр AX называют также накопителем (аккумулятором).  Этот регистр  всегда  используется в операциях умножения или деления и является также одним из тех регистров, который можно использовать для наиболее эффективных операций (арифметических, логических или операций перемещения данных).

     Младшие 8 битов регистра AX называются также регистром AL, а старшие  8  битов - регистром AH. Это может оказаться удобным при работе с данными размером в байт. Таким образом, регистр AX можно использовать,  как  два отдельных регистра.

     Регистр BX может использоваться для ссылки на ячейку  памяти (указатель), т.е. 16-битовое значение,  записанное  в  BX,  может использоваться в качестве части адреса ячейки памяти,  к  которой производится обращение.  По умолчанию,  когда  BX  используется в качестве указателя на ячейку памяти, он ссылается на нее  относительно сегментного регистра DS.

     Как и регистры AX, CX и DX, регистр BX  может  интерпретироваться, как два восьмибитовых регистра - BH и BL.

     Специализация регистра CX - использование в качестве счетчика при выполнении циклов.

     Уменьшение значения счетчика и цикл - это часто используемый элемент  программы, поэтому в процессоре 8086 используется специальная команда для того, чтобы циклы выполнялись быстрее  и  были более компактными.  Эта команда называется LOOP.  Инструкция LOOP вычитает 1 из CX и выполняет переход, если содержимое регистра CX не равно 0.

     Регистр  CX  можно  интерпретировать,  как  два 8-разрядных регистра - CH и CL.

     Регистр DX - это единственный регистр, которые может использоваться  в  качестве указателя адреса  ввода-вывода  в  командах IN и OUT. Фактически, кроме использования регистра DX нет другого способа адресоваться к портам ввода-вывода с 256 по 65535.

     Другие уникальные качества регистра DX относятся к операциям деления  и  умножения.  Когда  вы  делите  32-битовое  делимое на 16-битовый делитель, старшие 16 битов делимого должны быть  помещены в регистр DX (младшие 16 битов делимого должны быть помещены в регистр AX). После выполнения деления остаток также сохраняется в регистре DX (частное от деления будет записано в AX). Аналогично, когда вы перемножаете два 16-битовых сомножителя,  старшие 16 битов произведения сохраняются в DX (младшие 16 битов записываются в регистр AX).

     Регистр  DX  можно  интерпретировать,  как  два  8-разрядных регистра - DH и DL.

     Как и регистр BX, регистр SI может использоваться, как  указатель на ячейку памяти. Особенно полезно использовать регистр SI для ссылки  на  память  в  строковых  командах  процессора  8086, которые не только изменяют содержимое по адресу памяти,  на который указывает SI, но к SI также добавляется или вычитается 1. Это может  оказаться  очень  эффективным  при  организации  доступа к последовательным  ячейкам  памяти  (например,  к  строке текста). Кроме того,  можно  сделать  так,  что  строковые  команды  будут автоматически определенное число раз повторять свои действия, так что отдельная команда  может  выполнить сотни,  а иногда и тысячи действий.

      Регистр DI очень похож на регистр  SI  в том плане,  что его можно  использовать  в  качестве  указателя  ячейки  памяти.  При использовании его в строковых командах регистр DI несколько отличается от регистра SI.  В то время как  SI  всегда используется в строковых  командах,  как  указатель  на  исходную  ячейку памяти (источник),  DI всегда служит указателем на целевую ячейку памяти (приемник).  Кроме того,  в  строковых командах регистр SI обычно адресуется  к  памяти  относительно сегментного регистра DS, в то время как DI всегда адресуется к памяти относительно  сегментного регистра ES.  Когда SI и DI используются в качестве указателей на ячейки памяти  в других  командах  (не строковых),  то они всегда адресуются к памяти относительно регистра DS.

     Как и регистры BX, SI и DI, регистр BP также может использоваться в качестве указателя на ячейку памяти, но здесь есть некоторые отличия. Регистры BX, SI и DI обычно  ссылаются  на  память относительно сегментного регистра DS (или, в случае использования в строковых командах регистра DI, относительно сегментного регистра ES), а регистр BP адресуется к памяти  относительно  регистра SS (сегментный регистр стека).  Регистр BP создан для обеспечения работы с параметрами процедур,  локальными переменными  и  других случаев,  когда требуется адресация  к  памяти  с  использованием стека.

     Регистр SP называется также указателем стека. Это  "наименее общий"  из  регистров общего назначения, поскольку он практически всегда используется для специальной  цели  -  обеспечения  стека. Стек  -  это область памяти, в которой можно сохранять значения и из которой они могут затем  извлекаться  по  дисциплине  "последний-пришел-первый-ушел"  (LIFO).  То есть последнее сохраненное в стеке значение будет первым значением, которое  вы  получите  при чтении из стека.

     Регистр SP в каждый момент времени указывает на вершину стека. Вершина стека - это то место,  в  котором в стеке сохраняется следующее помещенное туда значение. Действие, состоящее в занесении значений в стек, называют также "заталкиванием"  (pushing)  в стек (для этого используется команда PUSH). Аналогично, действие, состоящее в извлечении (выборке) значений из стека, называют также "выталкиванием" (popping) из стека  (для этого используется команда POP).

     Хотя процессор 8086 и позволяет записывать значения в SP или складывать  и вычитать хранящиеся в регистре SP значения (как это можно делать с обычными регистрами  общего  назначения),  вам  не следует  к этому прибегать, если вы в точности не знаете, что делаете. Если вы изменяете SP, то изменяется  расположение  вершины стека, что быстро может привести к неприятностям, так как занесение данных в стек и извлечение их  из него не является единственным способом использования стека.  Стек  используется всякий раз, когда вы вызываете или возвращаетесь из  подпрограммы  (процедуры или функции).  Кроме того,  стек используют  некоторые  системные программы (такие, как драйвер клавиатуры или  системный  таймер), когда они прерывают процессор 8086, чтобы выполнить свои функции. Все это означает, что стек может в  любой  момент  потребоваться. Если вы измените SP, то правильное значение стека может оказаться недоступным,  когда  он  потребуется системным программам.  Можно свободно выполнять операции занесения  в  стек  и  извлечения  из него,  вызовы и возвраты управления,  но  не  изменяйте  значения регистра SP непосредственно. Любой из других семи регистров общего назначения можно спокойно изменять в любой момент.

11. Указатель команд

     Указатель команд  (регистр IP)  всегда  содержит  смещение в памяти, по которому хранится следующая выполняемая команда. Когда выполняется одна команда,  указатель  команд  перемещается  таким образом, чтобы указывать на адрес памяти,  по  которому  хранится следующая команда. Обычно следующей выполняемой командой является команда,  хранимая  по  следующему  адресу памяти,  но  некоторые команды, такие, как вызовы или переходы,  могут  привести к тому, что  в  указатель команд  будет  загружено новое значение.  Таким образом, будет выполнен переход на другой участок программы.

     Значение  счетчика  команд  нельзя  прочитать  или  записать непосредственно.  Загрузить  в  указатель  команд  новое значение может только специальная команда перехода.

     Указатель команд сам по себе не определяет адрес, по которому находится следующая выполняемая команда.  Картину  здесь опять усложняет сегментная  организация  памяти  процессора  8086.  Для извлечения  команды предусмотрен регистр CS, где хранится базовый адрес,  при этом указатель команд  задает  смещение  относительно этого базового адреса.

12. Сегментные регистры

     Теперь мы подошли к наиболее необычному  аспекту  процессора 8086  - сегментации памяти. Основной предпосылкой сегментации является следующее: процессор 8086 может адресоваться к 1 мегабайту памяти.  Для адресации ко всем ячейкам адресного пространства в 1 мегабайт необходимы 20-разрядные сегментные регистры. Однако процессор  8086  использует  только 16-разрядные указатели на ячейки памяти.  Как же тогда согласовать 16-разрядные указатели  процессора 8086 и 20-разрядные адреса?

     Ответ состоит в том, что процессор 8086 использует  двухступенчатую  схему адресации. Да, используются 16-разрядные указатели,  но  эта  форма  представляет собой только часть полной схемы адресации.  Каждый  16-разрядный  указатель памяти  или  смещение комбинируется с содержимым 16-разрядного сегментного регистра для формирования 20-разрядного адреса памяти.

     Сегменты и смещения комбинируются следующим образом:  значение сегмента сдвигается влево на 4 (то есть умножается на 16), а затем складывается со смещением. Фактически, для доступа к памяти процессор всегда использует пару "сегмент:смещение".  Все команды и режимы адресации  процессора 8086 по умолчанию работают относительно того или иного  сегментного  регистра,  хотя  в  некоторых командах можно явно  указать,  что  нужно  использовать  желаемый сегментный регистр.

     Вам редко потребуется загружать значение  непосредственно  в сегментный регистр. Вместо этого вы будете загружать в сегментные регистры имена сегментов, которые в ходе ассемблирования,  компоновки и выполнения превращаются в числа. Это необходимо, поскольку нет способа сказать заранее, где  в  памяти  будет  находиться данный  сегмент: это зависит от версии DOS, числа и размера резидентных в памяти программ, а также потребности в памяти остальной части программы. Использование имен сегментов позволяет ассемблеру и операционной системе DOS выполнять подобные вычисления.

     Использование сегментов процессора 8086 приводит к некоторым интересным  моментам.  Один из них состоит в том, что только блок памяти размером в 64К в любой  момент  может  адресоваться  через сегментный  регистр, так как 64К - это максимальный объем памяти, к которой можно адресоваться с помощью 16-битового смещения.  Это может  оказаться неприятным при работе с большим (более 64К) объемом памяти, так как и значение сегментного регистра, и смещение, придется часто изменять.

     Адресация к большим блокам памяти в  процессоре  8086  может представлять  еще большую  трудность,  поскольку,  в  отличие  от регистров общего назначения, сегментные регистры не могут использоваться  в качестве источников или приемников в арифметических и логических команд.  Фактически,  единственная  операция,  которую можно выполнять с сегментными регистрами, состоит  в  копировании значений между сегментными регистрами и другими общими регистрами или памятью.

     Вторая особенность использования сегментов  состоит  в  том, что каждая  ячейка памяти адресуется через многие возможные сочетания "сегмент:смещение".  Например, адрес памяти 100h адресуется с помощью следующих значений "сегмент:смещение": 0:100h,  1:F0h, 2:E0h и т.д., так как при вычислении всех этих  пар "сегмент:смещение" получается значение адреса 100h.

     Аналогично регистрам  общего  назначения  каждый  сегментный регистр играет свою, конкретную роль. Регистр CS указывает на код программы,  DS  указывает  на  данные,  SS - на стек.  Сегментный регистр ES - это дополнительный сегмент, который может  использоваться так, как это необходимо.  Рассмотрим  сегментные  регистры более подробно.

     Регистр CS указывает на начало блока памяти объемом 64К, или сегмент  кода, в котором находится следующая выполняемая команда. Следующая команда, которую нужно выполнить, находится  по  смещению,  определяемому в сегменте кода регистром IP,  то есть на нее указывает  адрес  (в форме "сегмент:смещение")  CS:IP.  Процессор 8086  никогда  не может извлечь команду из сегмента, отличного от того, который определяется регистром CS.

      Регистр CS можно изменять с помощью многих  команд,  включая отдельные команды перехода, вызовы и возвраты управления.  Ни при каких обстоятельствах регистр CS нельзя  загрузить непосредственно. Никакие другие режимы адресации или указатели памяти,  отличные от IP, не могут нормально работать относительно регистра CS.

     Регистр DS указывает  на  начало  сегмента  данных,  которые представляет  собой  блок памяти объемом 64К, в котором находится большинство размещенных в памяти операндов. Обычно для  ссылки на адреса памяти используются смещения, предполагающие использование регистров BX, SI или DI. В основном сегмент  данных  представляет собой  то, о чем говорит его название: как правило это сегмент, в котором находится текущий набор данных.

     Регистр ES указывает на начало  блока  памяти  объемом  64К, который называется дополнительным  сегментом. Как и подразумевает его название,  дополнительный  сегмент  не  служит  для  какой-то конкретной цели, но доступен тогда, когда в нем возникает необходимость. Иногда сегмент ES используется  для  выделения  дополнительного  блока памяти объемом  64К  для данных.  Однако доступ к памяти в дополнительном сегменте менее  эффективен,  чем доступ к памяти в сегменте данных.

     Особенно  полезен дополнительный сегмент, когда используются строковые  команды.  Все  строковые  команды,  которые  выполняют запись в память, используют в качестве адреса, по которому  нужно выполнить запись, пару регистров ES:DI. Это означает, что регистр ES  особенно  полезен  при  использовании его в качестве целевого сегмента  при  копировании  блоков,  сравнении  строк,  просмотре памяти и очистке блоков памяти.