Практическая работа №6 "Методы адресации"

Практическая работа №6

Методы адресации

Цель работы: ознакомление с возможными методами адресации операндов и команд микропроцессоров Intel x86; получение навыков использования команд с использованием различных методов адресации, использования массивов данных при разработке программ на языке Ассемблер.

Краткие теоретические сведения

1.  Сегментирование памяти

Говоря об адресации, нельзя обойти вопрос о сегментировании памяти, применяемой в некоторых процессорах, например в процессорах IBM PC-совместимых персональных компьютеров.

В процессоре Intel 8086 сегментирование памяти организовано следующим образом.

Вся память системы представляется не в виде непрерывного пространства, а в виде нескольких кусков — сегментов заданного размера (по 64 Кбайта), положение которых в пространстве памяти можно изменять программным путем.

Для хранения кодов адресов памяти используются не отдельные регистры, а пары регистров:

·  сегментный регистр определяет адрес начала сегмента (то есть положение сегмента в памяти);

·  регистр указателя (регистр смещения) определяет положение рабочего адреса внутри сегмента.

При этом физический 20-разрядный адрес памяти, выставляемый на внешнюю шину адреса, образуется так, как показано на рис. 6.1, то есть путем сложения смещения и адреса сегмента со сдвигом на 4 бита. Положение этого адреса в памяти показано на рис. 6.2.

Сегмент может начинаться только на 16-байтной границе памяти (так как адрес начала сегмента, по сути, имеет четыре младших нулевых разряда, как видно из рис. 6.1), то есть с адреса, кратного 16. Эти допустимые границы сегментов называются границами параграфов.

Отметим, что введение сегментирования, прежде всего, связано с тем, что внутренние регистры процессора 16-разрядные, а физический адрес памяти 20-разрядный (16-разрядный адрес позволяет использовать память только в 64 Кбайт, что явно недостаточно).

Рис. 6.1.  Формирование физического адреса памяти из адреса сегмента и смещения.

Рис. 6.2.  Физический адрес в сегменте (все коды — шестнадцатеричные).

Применяются и более сложные методы сегментирования памяти. Например, в процессоре Intel 80286 в так называемом защищенном режиме адрес памяти вычисляется в соответствии с рис. 6.3.

В сегментном регистре в данном случае хранится не базовый (начальный) адрес сегментов, а коды селекторов, определяющие адреса в памяти, по которым хранятся дескрипторы (то есть описатели) сегментов. Область памяти с дескрипторами называется таблицей дескрипторов. Каждый дескриптор сегмента содержит базовый адрес сегмента, размер сегмента (от 1 до 64 Кбайт) и его атрибуты. Базовый адрес сегмента имеет разрядность 24 бит, что обеспечивает адресацию 16 Мбайт физической памяти.

Рис. 6.3.  Адресация памяти в защищенном режиме процессора Intel 80286.

Таким образом, на сумматор, вычисляющий физический адрес памяти, подается не содержимое сегментного регистра, как в предыдущем случае, а базовый адрес сегмента из таблицы дескрипторов.

Еще более сложный метод адресации памяти с сегментированием использован в процессоре Intel 80386 и в более поздних моделях процессоров фирмы Intel. Этот метод иллюстрируется рис. 6.4.

Адрес памяти (физический адрес) вычисляется в три этапа. Сначала вычисляется так называемый эффективный адрес (32-разрядный) путем суммирования трех компонентов: базы, индекса и смещения (Base, Index, Displacement), причем возможно умножение индекса на масштаб (Scale). Эти компоненты имеют следующий смысл:

Рис. 6.4.  Формирование физического адреса памяти процессора 80386 в защищенном режиме.

смещение — это 8-, 16- или 32-разрядное число, включенное в команду. база — это содержимое базового регистра процессора. Обычно оно используется для указания на начало некоторого массива. индекс — это содержимое индексного регистра процессора. Обычно оно используется для выбора одного из элементов массива. масштаб — это множитель (он может быть равен 1, 2, 4 или 8), указанный в коде команды, на который перед суммированием с другими компонентами умножается индекс. Он используется для указания размера элемента массива.

Затем специальный блок сегментации вычисляет 32-разрядный линейный адрес, который представляет собой сумму базового адреса сегмента из сегментного регистра с эффективным адресом. Наконец, физический 32-битный адрес памяти образуется путем преобразования линейного адреса блоком страничной переадресации, который осуществляет перевод линейного адреса в физический страницами по 4 Кбайта.

В любом случае сегментирование позволяет выделить в памяти один или несколько сегментов для данных и один или несколько сегментов для программ. Переход от одного сегмента к другому сводится всего лишь к изменению содержимого сегментного регистра. Иногда это бывает очень удобно. Но для программиста работать с сегментированной памятью обычно сложнее, чем с непрерывной, несегментированной памятью, так как приходится следить за границами сегментов, за их описанием, переключением и т. д.

2.  Адресация байтов и слов

Многие процессоры, имеющие разрядность 16 или 32, способны адресовать не только целое слово в памяти (16-разрядное или 32-разрядное), но и отдельные байты. Каждому байту в каждом слове при этом отводится свой адрес.

Так, в случае 16-разрядных процессоров все слова в памяти (16-разрядные) имеют четные адреса. А байты, входящие в эти слова, могут иметь как четные адреса, так и нечетные.

Например, пусть 16-разрядная ячейка памяти имеет адрес 23420, и в ней хранится код 2А5Е (рис. 6.5).

Рис. 6.5.  Адресация слов и байтов.

При обращении к целому слову (с содержимым 2А5Е) процессор выставляет адрес 23420. При обращении к младшему байту этой ячейки (с содержимым 5Е) процессор выставляет тот же самый адрес 23420, но использует команду, адресующую байт, а не слово. При обращении к старшему байту этой же ячейки (с содержимым 2А) процессор выставляет адрес 23421 и использует команду, адресующую байт. Следующая по порядку 16-разрядная ячейка памяти с содержимым 487F будет иметь адрес 23422, то есть опять же четный. Ее байты будут иметь адреса 23422 и 23423.

Для различия байтовых и словных циклов обмена на магистрали в шине управления предусматривается специальный сигнал байтового обмена. Для работы с байтами в систему команд процессора вводятся специальные команды или предусматриваются методы байтовой адресации.

3.  Методы адресации

Большая часть команд процессора работает с кодами данных (операндами). Одни команды требуют входных операндов (одного или двух), другие выдают выходные операнды (чаще один операнд). Входные операнды называются еще операндами-источниками, а выходные называются операндами-приемниками. Все эти коды операндов (входные и выходные) должны где-то располагаться. Они могут находиться во внутренних регистрах процессора (наиболее удобный и быстрый вариант). Они могут располагаться в системной памяти (самый распространенный вариант). Наконец, они могут находиться в устройствах ввода/вывода (наиболее редкий случай). Определение места положения операндов производится кодом команды. Причем существуют разные методы, с помощью которых код команды может определить, откуда брать входной операнд и куда помещать выходной операнд. Эти методы называются методами адресации. Эффективность выбранных методов адресации во многом определяет эффективность работы всего процессора в целом.

3.1. Неявная адресация

Местоположение операнда фиксировано и определяется кодом операции. Примеры:

mul al

У команды MUL фиксировано положение первого множителя и результата. Такой режим адресации делает машинную команду короткой, так как в ней отсутствует указание одного или нескольких операндов.

3.2. Непосредственная адресация

При непосредственной адресации значение операнда является частью машинной команды. Понятно, что в этом случае операнд представляет собой константу. Примеры:

mov al,5

add bx,1234h

lea dx,a

Обратите внимание, что в третьей строке в DX помещается адрес метки или переменной a, а вовсе не значение по этому адресу. Это особенность синтаксиса ассемблера. По сути, адрес метки тоже является числовой константой.

Рис. 6.6.  Непосредственная адресация.

3.3. Абсолютная прямая адресация

В машинной команде содержится адрес операнда, находящегося в памяти. Пример:

mov dx,[a]

Вот тут уже в DX помещается значение из памяти по адресу a. Сравните с предыдущим пунктом. Квадратные скобки обозначают обращение по адресу, указанному внутри этих скобок.

Рис. 6.7.  Прямая адресация.

3.4. Относительная прямая адресация

Этот режим используется в командах передачи управления. В машинной команде содержится смещение, которое прибавляется к значению указателя команд IP. То есть указывается не сам адрес перехода, а на сколько байтов вперёд или назад надо перейти. Пример:

metka:

...

loop metka

У такого режима адресации два преимущества. Во-первых, машинная команда становится короче, так она содержит не полный адрес, а только смещение. Во-вторых, такой код не зависит от адреса, по которому он размещается в памяти.

3.5. Регистровая адресация

Операнд находится в регистре (АX, BX, CX, DX, SI, DI, SP, BP). Пример:

add ax,bx

Рис. 6.8.  Регистровая адресация.

3.6. Косвенная регистровая (базовая) адресация

Адрес операнда находится в одном из регистров BX, SI или DI.

Примеры:

add ax,[bx]

mov dl,[si]

Размер операнда в памяти здесь определяется размером первого операнда. Так как AX – 16-разрядный регистр, то из памяти берётся слово по адресу в BX. Так как DL – 8-разрядный регистр, то из памяти берётся байт по адресу в SI. Это правило верно и для других режимов адресации.

Рис. 6.9.  Косвенная адресация.

3.7. Косвенная регистровая (базовая) адресация со смещением

Адрес операнда вычисляется как сумма содержимого регистра BX, BP, SI или DI и 8- или 16-разрядного смещения.

Примеры:

add ax,[bx+2]

mov dx,[array1+si]

В качестве смещения можно указать число или адрес метки. О размере смещения не беспокойтесь – компилятор сам его определяет и использует нужный формат машинной команды.

3.8. Косвенная базовая индексная адресация

Адрес операнда вычисляется как сумма содержимого одного из базовых регистров BX или BP и одного из индексных регистров SI или DI. Примеры:

mov ax,[bp][si]

add ax,[bx+di]

Например, в одном из регистров может находиться адрес начала массива в памяти, а в другом – смещение какого-то элемента относительно начала. А вообще, всё зависит от вашей фантазии

3.9. Косвенная базовая индексная адресация со смещением

Адрес операнда вычисляется как сумма содержимого одного из базовых регистров BX или BP, одного из индексных регистров SI или DI и 8- или 16-разрядного смещения.

Примеры:

mov al,[bp][di+5]

mov bl,[array2+bx+si]

E[BX+5][SI-2]; DATA[BX][SI]; [BX+2][SI]

Примеры решения задач:

;программа, использующая косвенную индексную адресацию

;программа обнуления ячеек массива

s_s segment stack "stack"

dw 12 dup(?)

s_s ends

d_s segment

aa db 11,1,2,3,4,5,6,7,8,9 ;массив чисел

d_s ends

c_s segment

assume ss:s_s, ds:d_s, cs:c_s;

begin: mov ax, d_s

mov ds, ax;

mov cx, 10 ;задание количества ячеек массива

mov si,0 ;задание номера первого элемента массива

L1: mov aa[si],0 ; обнуление si-того элемента массива

inc si ; переход к следующему элементу массива

loop L1 ; команда зацикливания

mov ah,4ch

int 21h

c_s ends

end begin

Задание на практическую работу:

1. Реализация программы, использующей различные режимы адресации:

Составить программу согласно условию:

В сегменте данных задана последовательность чисел X: 0, 1, 2, 3, 5, 6, 10. Скопировать ее в последовательность Y, при этом увеличив каждый из элементов на 2.

Транслировать ассемблерный код. В случае нахождения ошибок – устранить их и повторить трансляцию. Скомпоновать программу редактором связей. Запустить программу в отладчике, в случае обнаружения ошибок в работе программы исправить их, повторить п. п.2, 3 Показать работу программы преподавателю.

2. Реализация программы, использующей различные режимы адресации:

Узнать у преподавателя вариант работы. Составить программу согласно условию и варианту (таблица 6.1):

В сегменте данных определен массив символов (строка). Выполнить заданное действие согласно заданному условию. Вывести на экран исходный и преобразованный массив.

Символы содержатся в памяти как числа (см. приложение «ASCII коды»). Таким образом, к символам применимы все те операнды и условия, что и для чисел.

Для определения нижней границы массива (или количества элементов массива) можно использовать команду LEA для определения адреса следующей переменной сегмента данных.

Транслировать ассемблерный код. В случае нахождения ошибок – устранить их и повторить трансляцию. Скомпоновать программу редактором связей. Запустить программу в консольном режиме, в случае обнаружения ошибок в работе программы исправить их, повторить п. п.2,3 Показать работу программы преподавателю

Таблица 6.1 - данные для реализации согласно варианту

Вариант	Исходная сторока	Условие	Действие
1	I like read this book!	= « »	заменить на «_»
2	I like read this book!	> “i”	заменить на «*»
3	I like read this book!	>= “i“	заменить на «!»
4	I like read this book!	< “p”	увеличить код символа на 5
5	My favorite film is …	<= “m”	увеличить код символа на 2
6	My favorite film is …	≠ “i”	увеличить код символа на 1
7	My favorite film is …	= «i»	уменьшить код символа на 5
8	My favorite film is …	> “o”	уменьшить код символа на 3
9	I understand this problem.	>= “ “	уменьшить код символа на 1
10	I understand this problem.	< “e”	заменить на «_»

3. Реализация программы, использующей различные режимы адресации:

Составить программу согласно условию:

Задан массив чисел. Определить есть ли в нём число 10.

Массив заполнить произвольными данными.

Транслировать ассемблерный код. В случае нахождения ошибок – устранить их и повторить трансляцию. Скомпоновать программу редактором связей. Запустить программу в отладчике, в случае обнаружения ошибок в работе программы исправить их, повторить п. п.2, 3 Показать работу программы преподавателю.

4. Реализация программы, использующей различные режимы адресации:

Составить программу согласно условию:

Задана строка символов, содержащая также символы «!». Вывести её на экран исходную строку и ее же, но без знаков «!»

Транслировать ассемблерный код. В случае нахождения ошибок – устранить их и повторить трансляцию. Скомпоновать программу редактором связей. Запустить программу в консольном режиме, в случае обнаружения ошибок в работе программы исправить их, повторить п. п.2,3 Показать работу программы преподавателю

Содержание отчета по практической работе:

1.  Титульный лист

2.  Цель работы

3.  Краткие теоретические сведения

4.  Описание реализованных программ

5.  Исходный ассемблерный код реализованных программ

6.  Входные и выходные данные по программе.

7.  Выводы по практической работе.