Принципы работы персонального компьютера (стр. 1 )

Содержание

Введение …………………………………………………..…………………	4
1. Принципы работы персонального компьютера ……..……………….…	6
1.1. Структурная схема компьютера ……………...……………….……	6
1.2. Архитектура микропроцессора ……….…………………………….	7
1.3. Организация памяти …………………………………………………	9
2. Представление данных …………………………………………………..	11
3. Базовые понятия Ассемблера……………………........................................	15
3.1. Команда Ассемблера ………………………………………………………	15
3.2. Директивы ……………………………………………………………...	15
3.3. Сегменты ……………………………………………………………….	16
4. Назначение регистров ……………………………………………………	16
4.1. Регистры общего назначения ………………………………………...	16
4.2. Регистровые указатели и индексные регистры ………………………….	17
4.3. Сегментные регистры ……………………………………………………	18
4.4.Регистры состояния и управления ……………………………………	19
5. Способы адресации …………………………………………………………	22
6. Работа со стеком ………………………………………………………………...	25
7. Описание данных и переменных ………………………………………...	26
8. Разработка программы ………………………………………………………….	29
8.1. Формат машинной команды ……………………………………………...	32
8.2.Трансляция и сборка программы ……………………………………	33
8.3. Структура программы …………………………………………………	33
8.4. Создание программы ………………………………………………..	34
8.5.Компиляторы …………………………..…………………………….	35
8.6. Отладчик ………………………………………………………………	37
9. Набор команд Ассемблера ………………………………………………..	37
9.1. Команды пересылки данных ………………………………………..	37
9.2. Арифметические команды …………………………………………….	40
9.3. Сложение и вычитание больших чисел ……………………………	42
9.4. Умножение и деление ……………………………………………...	43
9.5. Команды передачи управления ………………..............................................	47
9.5.1. Безусловный переход …………………………………………..	47
9.5.2. Команды условного перехода …………………………………...	49
9.5.3. Команды цикла ……………………………………………………	52
9.6. Логические операции и команды сдвига ……………………………….	54
9.6.1. Организация циклов ……………………………………………...	58
9.6.2. Вызов подпрограмм…………………………………………..	60
10. Ввод / вывод по прерыванию 21h ………………………………………	61
11. Ввод на уровне BIOS по прерыванию 16h …………………………….	67
12. Функции ввода / вывода по прерыванию INT 10h …………………….	72
13. Операции над строками и десятичными числами ……………………….	80
14. Кодировка ASCII и арифметика упакованных чисел…………………...	83

Введение

Пособие предназначено для студентов второго курса специальности 230101.

У вас уже есть опыт программирования на языках высокого уровня, в частности на С++. В ближайшем будущем вы будете программировать на непроцедурном языке SQL.

Чем отличается Ассемблер от этих языков?

Программирование на языках высокого уровня можно сравнить с поездкой на такси, а программирование на Ассемблере напоминает поездку на машине самостоятельно. Водитель такси понимает высказывания типа: «Проедем два квартала и повернем налево, затем едем еще квартал и направо». Это напоминает операторы языка высокого уровня. Если водитель хорошо знает город, ему достаточно сказать: «Едем на Болотную улицу», что напоминает операторы языка SQL.

В любом случае водитель преобразует каждое из ваших достаточно общих высказываний в подробную последовательность нажатий на педали, переключений передач, наблюдение за светофором и т. д., напоминая действие компилятора или интерпретатора, преобразующего каждый оператор языка в длинную последовательность машинных команд. Программирование на Ассемблере – это самостоятельная поездка на машине, когда вы общаетесь с машиной непосредственно, выполняя множество операций «низкого уровня», необходимых для достижения цели. Естественно, это требует большего опыта и хорошего знания машины. С другой стороны это дает возможность найти оптимальное решение и сэкономить как время, так и расходы на поездку, что аналогично экономии памяти и увеличении скорости выполнения программы. Эти факторы иногда являются решающими при написании программ.

Но, чтобы понимать Ассемблер, необходимо знать, что такое компьютер, из чего он состоит. В каждом компьютере есть центральный процессор. Его основная функция проверять машинные команды, хранимые в памяти, и выполнять то, что в них задано. Команды, которые процессор понимает, называются машинным языком и состоят из нулей и единиц.

Например, команда

10001

означает для процессора: переслать значение из регистра с именем ВХ в другой регистр с именем АХ.

Чтобы запомнить число 5 в регистр АХ процессор должен выполнить команду

.

Следующая команда говорит процессору добавить к регистру ВХ число 5 и сохранить сумму в том же ВХ

.

Представьте себе, как трудно писать программы на таком машинном языке. От запоминания длинных последовательностей нулей и единичек программиста освобождают трансляторы языка. Транслятор или компилятор языка – это системная программа, которая анализирует операторы языка высокого уровня и превращает их в последовательности команд машинного языка. Ассемблер – это тоже транслятор языка в том смысле, что он также преобразует операторы языка в машинные команды. Существенная разница между ними в следующем. Компилятор языка высокого уровня транслирует каждый оператор языка высокого уровня в одну или несколько машинных команд (иногда это могут быть десятки или сотни машинных команд), то есть это соответствие один ко многим. Ассемблер преобразует каждую команду языка Ассемблер в одну машинную команду, то есть между командой Ассемблера и машинной командой существует соответствие один к одному.

Очевидно, что программирование на Ассемблере требует больших затрат времени, большего внимания и аккуратности, но зато в результате вы получаете эффективные программы, которые выполняются намного быстрее и занимают меньше места в памяти.

Язык Ассемблера зависим от архитектуры процессора. Каждый процессор имеет свой набор команд. Программа на языке С++ одинаково выполняется на процессорах с разной архитектурой.

1. Принципы работы персонального компьютера

Чтобы начать программировать на Ассемблере, надо знать архитектуру и принципы работы персонального компьютера.

Рассмотрим принципы работы компьютера и микропроцессора на примере микропроцессора 8086. В настоящее время существуют компьютеры с гораздо более совершенными характеристиками, но все представленное здесь о микропроцессоре 8086 справедливо и для всех остальных моделей процессоров (естественно, речь идет только об архитектуре PC).

1.1.  Структурная схема компьютера

Структурная схема персональной ЭВМ, работающей на базе микропроцессора, представлена на рис. 1.1.

При работе персонального компьютера (также называемого микрокомпьютером) выполняются следующие действия:

1. Программа или данные вводятся с помощью устройств ввода из внешней памяти (жесткий диск, дискета и т. д.) в оперативную память.

2. Микропроцессор выбирает команды программы из оперативной памяти в строгом порядке, в котором их следует выполнять. Микропроцессор считывает указанные в этих командах данные и производит указанные командами действия. Адреса и данные передаются через системную шину, соединяющую центральный процессор, память и устройства ввода/вывода (рис. 1.1).

3. Данные, полученные в результате обработки команд, микропроцессор пересылает в оперативную память или на устройство вывода (дисплей, принтер, внешняя память и т. д.).

Рис. 1.1. Структурная схема компьютера

Микропроцессор находится на системной плате, где также расположены микросхемы оперативной памяти и микросхемы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), содержащего программу начальной загрузки памяти ЭВМ и другие вспомогательные программы. Различные компоненты компьютера подсоединяют к системной шине, состоящей из адресной шины, шины данных и шины управления. Связь между процессором, памятью и устройствами ввода/вывода осуществляется тоже через системную шину. Процесс подсоединяется к шине через блок логики управления шиной, устройства через интерфейсы.

1.2. Архитектура микропроцессора

Основная задача центрального процессора:

·  выполнять операции присваивания и арифметические выражения;

·  выполнять безусловные/условные переходы;

·  обрабатывать логические выражения;

·  организовать циклы;

·  работать с массивами и структурами данных;

·  вызывать подпрограммы;

·  управлять работой устройств ввода/вывода.

Стандартная архитектура центрального процессора включает:

·  набор регистров для адресации данных и выполнения арифметических операций;

·  устройство управления выполнением команд;

·  арифметико-логическое устройство (АЛУ) для выполнения арифметических и логических операций;

·  секцию управления вводом/выводом.

Регистр - это запоминающее устройство для временного хранения целого числа байт, расположенное внутри микропроцессора.

Рассмотрим эти компоненты на примере микропроцессора Intel.

Биты	31 16	15 8	7 0		Сегментные
EAX		AH	AL	AX Аккумулятор	CS	Коды
EBX		BH	BL	BX База	DS	Данные
ECX		CH	CL	CX Счетчик	SS	Стек
EDX		DH	DL	DX Данные	ES	Данные
ESI		SI	SI Индекс источника
ESP		SP	SP Указатель стека
EDI		DI	DI Индекс приемника	Счетчик команд
EBP		BP	BP Указатель базы	IP

Рис. 1.2. Регистры МП

Рис. 1.3. Внутренняя архитектура микропроцессора Intel

В компьютере используется системная шина, называемая мультиплексной, поскольку по ее линиям передаются как адреса, так и данные.

Сигналы принимаются и передаются через мультиплексную шину микропроцессором, который состоит из операционного устройства и шинного интерфейса (рис. 1.3).

Операционное устройство предназначено для выполнения команд. Оно содержит АЛУ, устройство управления, регистр флагов и 8 регистров общего назначения.

Шинный интерфейс подготавливает команды и данные для выполнения и состоит из блока управления шиной, очереди команд и сегментных регистров CS, DS, SS и ES. Он управляет передачей данных на операционное устройство, в память и на устройства ввода/вывода. В шинном интерфейсе адрес формируется с помощью сегментных регистров. Шинный интерфейс также имеет доступ к командам, находящимся в оперативной памяти, осуществляет выборку этих команд и помещает их в очередь команд. При этом шинный интерфейс должен как бы "заглядывать вперед" и выбирать команды так, чтобы всегда существовала непустая очередь команд, готовых для выполнения.

Регистры общего назначения Сегментные регистры

	31 16	15	0		15 0
EAX		AH	AL	AX		CS
EBX		BH	BL	BX		DS
ECX		CH	CL	CX		ES
EDX		DH	DL	DX		SS
EBP		BP			FS
ESP		SP			GS
ESI		SI
EDI		DI

Рис. 1.4. Регистры микропроцессоров семейства Intel 80x86