Учебно-методическии комплекс дисциплины «Cистемное программирование» для специальности 5В011100 — «Информатика » (стр. 2 )

Современным компьютерам, конечно, далеко до человека. Их можно сравнить с существами, взаимодействующими с внешним миром на уровне большого, но ограниченного набора безусловных рефлексов.  Этот набор рефлексов образует систему машинных команд. На каком бы высоком уровне вы не общались с компьютером, в конечном итоге все сводится к скучной и однообразной последовательности машинных команд.  Каждая машинная команда является своего рода раздражителем для возбуждения того или иного безусловного рефлекса. Реакция на этот раздражитель всегда однозначная и “зашита” в блоке микрокоманд в виде микропрограммы. Эта микропрограмма и реализует действия по реализации машинной команды, но уже на уровне сигналов, подаваемых на те или иные логические схемы компьютера, тем самым управляя различными подсистемами компьютера. В этом состоит так называемый принцип микропрограммного управления.

Продолжая аналогию с человеком, отметим: для того, чтобы компьютер правильно питался, придумано множество операционных систем, компиляторов сотен языков программирования и т. д. Но все они являются, по сути, лишь блюдом, на котором по определенным правилам доставляется пища (программы) желудку (компьютеру). Только (вот досада!) желудок компьютера любит диетическую, однообразную пищу — подавай ему информацию структурированную, в виде строго организованных последовательностей нулей и единиц, комбинации которых и составляют машинный язык.

Таким образом, внешне являясь полиглотом, компьютер понимает только один язык — язык машинных команд. Конечно, для общения и работы с компьютером, необязательно знать этот язык, но практически любой профессиональный программист рано или поздно сталкивается с необходимостью его изучения. К счастью, программисту не нужно пытаться постичь значение различных комбинаций двоичных чисел, так как еще в 50-е годы программисты стали использовать для программирования символический аналог машинного языка, который назвали языком ассемблера. Этот язык точно отражает все особенности машинного языка. Именно поэтому, в отличие от языков высокого уровня, язык ассемблера для каждого типа компьютера свой.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что, так как язык ассемблера для компьютера “родной”, то и самая эффективная программа может быть написана только на нем (при условии, что ее пишет квалифицированный программист). Здесь есть одно маленькое “но”: это очень трудоемкий, требующий большого внимания и практического опыта процесс. Поэтому реально на ассемблере пишут в основном программы, которые должны обеспечить эффективную работу с аппаратной частью. Иногда на ассемблере пишутся критичные по времени выполнения или расходованию памяти участки программы. Впоследствии они оформляются в виде подпрограмм и совмещаются с кодом на языке высокого уровня.

Лекция №2. Программная модель микропроцессора

Регистры – это специальные ячейки памяти, расположенные непосредственно в процессоре. Работа с регистрами выполняется намного быстрее, чем с ячейками оперативной памяти, поэтому регистры активно используются как в программах на языке ассемблера, так и компиляторами языков высокого уровня.

Регистры можно разделить на регистры общего назначения, указатель команд, регистр флагов и сегментные регистры.

1.1. Регистры общего назначения

К регистрам общего назначения относится группа из 8 регистров, которые можно использовать в программе на языке ассемблера. Все регистры имеют размер 32 бита и могут быть разделены на 2 или более частей.

  Как видно из рисунка, регистры ESI, EDI, ESP и EBP позволяют обращаться к младшим 16 битам по именам SI, DI, SP и BP соответственно, а регистры EAX, EBX, ECX и EDX позволяют обращаться как к младшим 16 битам (по именам AX, BX, CX и DX), так и к двум младшим байтам по отдельности (по именам AH/AL, BH/BL, CH/CL и DH/DL).

Названия регистров происходят от их назначения:

EAX/AX/AH/AL (accumulator register) – аккумулятор;

EBX/BX/BH/BL (base register) –регистр базы;

ECX/CX/CH/CL (counter register) – счётчик;

EDX/DX/DH/DL (data register) – регистр данных;

ESI/SI (source index register) – индекс источника;

EDI/DI (destination index register) – индекс приёмника (получателя);

ESP/SP (stack pointer register) – регистр указателя стека;

EBP/BP (base pointer register) – регистр указателя базы кадра стека.

Несмотря на существующую специализацию, все регистры можно использовать в любых машинных операциях. Однако надо учитывать тот факт, что некоторые команды работают только с определёнными регистрами. Например, команды умножения и деления используют регистры EAX и EDX для хранения исходных данных и результата операции. Команды управления циклом используют регистр ECX в качестве счётчика цикла.

Ещё один нюанс состоит в использовании регистров в качестве базы, т. е. хранилища адреса оперативной памяти. В качестве регистров базы можно использовать любые регистры, но желательно использовать регистры EBX, ESI, EDI или EBP. В этом случае размер машинной команды обычно бывает меньше.

К сожалению, количество регистров катастрофически мало, и зачастую бывает трудно подобрать способ их оптимального использования.

1.2. Указатель команд

Регистр EIP (указатель команд) содержит смещение следующей подлежащей выполнению команды. Этот регистр непосредственно недоступен программисту, но загрузка и изменение его значения производятся различными командами управления, к которым относятся команды условных и безусловных переходов, вызова процедур и возврата из процедур.

1.3. Регистр флагов

Флаг – это бит, принимающий значение 1 («флаг установлен»), если выполнено некоторое условие, и значение 0 («флаг сброшен») в противном случае. Процессор имеет регистр флагов, содержащий набор флагов, отражающий текущее состояние процессора.         

№ бита	Обозначение	Название	Описание	Тип флага
FLAGS
0	CF	Carry Flag	Флаг переноса	Состояние
1	1	Зарезервирован
2	PF	Parity Flag	Флаг чётности	Состояние
3	0	Зарезервирован
4	AF	Auxiliary Carry Flag	Вспомогательный флаг переноса	Состояние
5	0	Зарезервирован
6	ZF	Zero Flag	Флаг нуля	Состояние
7	SF	Sign Flag	Флаг знака	Состояние
8	TF	Trap Flag	Флаг трассировки	Системный
9	IF	Interrupt Enable Flag	Флаг разрешения прерываний	Системный
10	DF	Direction Flag	Флаг направления	Управляющий
11	OF	Overflow Flag	Флаг переполнения	Состояние
12	IOPL	I/O Privilege Level	Уровень приоритета ввода-вывода	Системный
13
14	NT	Nested Task	Флаг вложенности задач	Системный
15	0	Зарезервирован
EFLAGS
16	RF	Resume Flag	Флаг возобновления	Системный
17	VM	Virtual-8086 Mode	Режим виртуального процессора 8086	Системный
18	AC	Alignment Check	Проверка выравнивания	Системный
19	VIF	Virtual Interrupt Flag	Виртуальный флаг разрешения прерывания	Системный
20	VIP	Virtual Interrupt Pending	Ожидающее виртуальное прерывание	Системный
21	ID	ID Flag	Проверка на доступность инструкции CPUID	Системный
22	Зарезервированы

Значение флагов CF, DF и IF можно изменять напрямую в регистре флагов с помощью специальных инструкций (например, CLD для сброса флага направления), но нет инструкций, которые позволяют обратиться к регистру флагов как к обычному регистру. Однако можно сохранять регистр флагов в стек или регистр AH и восстанавливать регистр флагов из них с помощью инструкций LAHF, SAHF, PUSHF, PUSHFD, POPF и POPFD.

1.3.1. Флаги состояния

Флаги состояния (биты 0, 2, 4, 6, 7 и 11) отражают результат выполнения арифметических инструкций, таких как ADD, SUB, MUL, DIV.

Флаг переноса CF устанавливается при переносе из старшего значащего бита/заёме в старший значащий бит и показывает наличие переполнения в беззнаковой целочисленной арифметике. Также используется в длинной арифметике.

Флаг чётности PF устанавливается, если младший значащий байт результата содержит чётное число единичных битов. Изначально этот флаг был ориентирован на использование в коммуникационных программах: при передаче данных по линиям связи для контроля мог также передаваться бит чётности и инструкции для проверки флага чётности облегчали проверку целостности данных.

Вспомогательный флаг переноса AF устанавливается при переносе из бита 3-го результата/заёме в 3-ий бит результата. Этот флаг ориентирован на использование в двоично-десятичной (binary coded decimal, BCD) арифметике.