Набор команд компьютера 

10.02. Язык ассемблера и язык машинных кодов

Для того чтобы понять сигналы магистрали и функционирование компьютера, необходимо выяснить, что делает ЦП во время выполнения различных команд. Соответственно нам хотелось бы познакомить читателя с набором команд семейства IBM PC/XT. К сожалению, набор команд большинства реально существующих микропроцессоров имеет тенденцию к расширению, сопровождающуюся усложнением, наряду с добавлением дополнительных возможностей, и МП Intel 8086 не исключение. Однако поскольку нашей целью является только иллюстрация сигналов магистрали и функционирования компьютера (а не изощренное программирование), рассмотрим сокращенный набор команд — подмножество набора команд МП 8086. Исключив «лишние» команды, мы тем самым решаем проблему выбора ограниченного содержательного подмножества понятных команд, достаточных для программирования любой задачи. Далее мы используем этот набор команд для того, чтобы продемонстрировать несколько примеров функционирования аппаратной части и программирования. Эти примеры помогут выразить идею программирования на уровне машинных команд, что решительно отличается от программирования на таких языках высокого уровня, как

Фортран или Си. Несколько слов по поводу языка машинных кодов и языка ассемблера. Как уже упоминалось выше, ЦП компьютера предназначен для интерпретации определенных машинных слов в качестве команд и выполнения соответствующих программных процедур. Такой машинный язык состоит из набора двоичных команд, каждая из которых занимает один или несколько байт. Например, команда инкрементирования (увеличения на единицу) содержимого регистра ЦП будет однобайтовой, в то время как загрузка в регистр содержимого памяти обычно требует как минимум двух байт, причем это число может быть увеличено до пяти (при этом первый будет определять собственно команду и регистр, а четыре будут необходимы для указания произвольной ячейки памяти для большой машины). Печальной реальностью нашей действительности является то, что разные компьютеры имеют отличающиеся машинные языки и здесь нет совершенно никакой стандартизации.

Программирование непосредственно в машинных кодах является исключительно тоскливым занятием, так как приходится иметь дело с колонками двоичных чисел, каждый бит которых существенен. Поэтому вы неизбежно должны использовать программу, называемую ассемблером; она позволяет писать программы, используя легко запоминаемые мнемонические обозначения команд и символьные имена, которые вы можете придумывать сами для ячеек ОЗУ и переменных. Программа на языке ассемблера на самом деле не более, чем набор похожих на шифр строк, содержащих буквы и числа; ее следует передать «в руки» программы, называемой ассемблер, для того чтобы получить в результате законченную программу в машинном объектном коде, которую компьютер может выполнить[3]. Каждая строка ассемблерного кода превращается в несколько байт машинного кода (1–6 байт для МП Intel 8086). Непосредственно выполнять команды на языке ассемблера компьютер не в состоянии.

Для того чтобы конкретизировать высказанные соображения, рассмотрим наше подмножество команд языка ассемблера МП Intel 8086/8 и выполним несколько примеров.

10.03. Упрощенный набор команд процессора Intel 8086/8

Intel 8086 — это 16-разрядный процессор с богатым и несколько своеобразным набором команд, сложность которого отчасти обусловлена стремлением разработчиков сохранить совместимость с 8-разрядным МП Intel 8080 ранней модели. Более поздние разработки, такие как МП Intel 80286 и 80386, все еще поддерживают полный набор команд МП Intel 8086. Вооружившись подходящим мачете, выберемся из джунглей полного набора команд, сохранив лишь нужные нам сейчас 10 арифметических команд и 11 прочих. Вот они:

Краткий обзор. Некоторые пояснения: первые шесть арифметических команд работают с парами чисел (2-х операндные команды), которые мы обозначим как Ь, а и которые могут представлять собой любую из пяти пар, указанных в примечании; при этом m означает содержимое ячейки памяти, r означает содержимое регистра ЦП (их 8), a imm — непосредственный аргумент, который представляет собой число, располагаемое в следующих за командой от 1 до 4 байт памяти. Таким образом, например, команды:

MOV count,CX

ADD small,02H

AND AX,007FH

имеют аргументы типов m, r, m, imm, r, imm соответственно. Первая копирует содержимое регистра СХ в ячейку памяти, именуемую count; вторая прибавляет 2 к содержимому другой ячейки памяти, именуемой small; третья обнуляет 9 старших разрядов 16-разрядного регистра АХ, сохраняя при этом 7 младших разрядов неизменными (так называемая операция маскирования). Отметим принятое фирмой Intel соглашение о порядке аргументов: первый аргумент замещается вторым или модифицируется на основе значения второго аргумента. (В следующей главе мы увидим, что Motorola предписывает другой порядок действий).

Последние четыре арифметические операции имеют только один операнд, который может быть содержимым либо регистра, либо ячейки памяти. Вот два примера:

INC count

NEG AL

Первая команда прибавляет 1 к ячейке памяти, именуемой count, а вторая изменяет знак содержимого регистра AL.

Лирическое отступление: адресация. Прежде, чем продолжить, несколько слов по поводу адресации регистров и памяти. Процессор Intel 8086 предлагает использовать 8 его регистров общего назначения, однако после изучения рис. 10.2 вы придете к заключению о том, что большинство этих регистров используются специфически.

Рис. 10.2. Регистры общего назначения МП 8086.

Четыре из них (A-D) могут быть использованы как в виде единых 16-разрядных регистров (АХ, где X означает extended — расширенный), так и в виде пар байтовых регистров [АН, AL, соответственно Η означает старший (high) байт регистра АХ, a AL- младший (low) байт]. Регистры ВХ и ВР, так же как и SI, DI, могут содержать адреса и предназначены для использования при адресации (см. ниже). Специальные циклические команды (которые мы исключили из нашего краткого перечня) используют регистр С, а команды умножения/деления и ввода-вывода используют регистры А и D.

Данные, используемые в командах, могут представлять собой константу, величину, содержащуюся в регистре или величину, содержащуюся в памяти. Константы вы указываете, просто записывая их, а регистры - по именам, так, как было показано выше. Для адресации памяти МП Intel 8086 обеспечивает 6 режимов адресации, три из которых пояснены схемами на рис. 10.3.

Рис. 10.3. Некоторые способы адресации.

Вы можете прямо указать имя переменной, в этом случае ее адрес при ассемблировании будет определяться парой байтов, следующих сразу же за командой; вы можете занести адрес переменной в один из регистров, используемых для адресации (ВХ, ВР, SI или DI), а затем выполнить команду, в которой предусмотрена косвенная адресация через соответствующий регистр; можно модифицировать последний режим адресации и получать адрес переменной, прибавляя константу смещения к содержимому регистра, используемого для адресации. Косвенный режим быстрее (в предположении, что адрес уже загружен в соответствующий регистр) и является гораздо более приемлемым, если вы хотите выполнять некоторые операции над множеством чисел (строкой или массивом).

Вот несколько примеров адресации:

MOV count,100Н (прямая, непосредственная)

MOV [ВХ],100Н (косвенная, непосредственная)

MOV [ВХ + 1000Н], (адресация по базе, регистр)

АХ

В двух последних командах предполагается, что мы уже загрузили адрес в ВХ. Последняя команда копирует содержимое АХ в ячейку памяти, смещенную на 4 К (1000-ричное) выше от ячейки, на которую указывает ВХ; ниже мы вкратце рассмотрим пример, иллюстрирующий, как можно использовать эту команду для копирования массива.

При адресации памяти для МП 8086 существует сложность другого рода, которую мы было «замели под ковер»: адрес, формируемый в любом из вышеуказанных режимов адресации, не является окончательным, действительным адресом, поскольку получаемый таким образом адрес имеет только 16 разрядов (и может адресовать только 64 Кбайт памяти). На самом деле то, что вычисляется по указанным выше правилам, называется смещением. Для того чтобы получить действительный, физический адрес, вы должны прибавить к смещению 20-разрядную базовую величину, получаемую сдвигом на 4 разряда влево содержимого 16-разрядного сегментного регистра (таких регистров имеется 4). Другими словами, МП 8086 позволяет вам обращаться к областям памяти по 64 Кбайт; положение этих «сегментов» внутри полного адресного пространства 1 Мбайт, что в свою очередь определяется содержимым сегментных регистров. Использование 16-разрядной адресации в МП 8086 по большому счету было большой ошибкой, унаследованной от ранних поколений.

Более современные МП (начиная с 80386, а также серии 68000) сделаны как надо во всех отношениях, с 32-разрядной адресацией. Для того чтобы не усложнять наши примеры, мы просто игнорируем сегменты вообще; на практике вы, конечно, должны будете о них побеспокоиться.

Обзор набора команд (продолжение). Рассмотрим теперь команды управления стеком PUSH и POP. Стек — это часть памяти, организованная специальным образом: когда вы заносите некоторое значение в стек (выполняя операцию push), это значение заносится в очередную доступную ячейку (вершину стека); а когда вы извлекаете значение из стека (выполняя операцию POP), оно выбирается из вершины стека, т. е. выбирается то, что было занесено в стек последним. Таким образом, стек — это последовательный набор данных, организованный по принципу: последним пришел-первым вышел. Вам, может быть, будет легче освоить это понятие, если вы представите себе монетную кассу водителя автобуса или стопку подносов в столовой.

Рис. 10.4 показывает, как работает стек. Стек располагается в обычном ОЗУ, а указатель стека (регистр SP) ЦП обеспечивает возможность доступа к той ячейке памяти, которая является «вершиной» в данный момент времени. Для МП 8086 стек состоит из 16-разрядных слов и по мере занесения в него данных «растет» вниз в ОЗУ. Содержимое регистра SP автоматически декрементируется на 2 перед каждой операцией PUSH и инкрементируется на 2 после каждой операции POP. Таким образом, например, 16-разрядное содержимое регистра АХ копируется в вершину стека командой PUSH АХ; SP указывает на последний занесенный байт. Команда POP выполняется в обратном порядке, как показано на рис. 10.4.

Рис. 10.4. Операции со стеком.

Мы увидим, что при реализации вызовов подпрограмм и прерываний стек играет ведущую роль. Команда JMP заставляет ЦП отклониться от обычной процедуры последовательного выполнения команд, переходя к выполнению той команды, на которую совершается переход. Команда условного перехода (возможно 8 различных вариантов, обозначаемых обычно J_cc) проверяет регистр флагов[4], который располагается в ЦП (биты разрядов этого регистра устанавливаются в соответствии с результатом выполнения самой последней арифметической операции), а затем либо выполняет переход (если условие истинно), либо выполняет следующую за командой условного перехода команду (если условие не истинно). Программа 10.1 показывает пример условного перехода.

Она копирует 100 слов из массива, начинающегося с адреса 1000Н, в новый массив, начинающийся на 1 Кбайт (400Н), выше. Отметим явную загрузку указателя (в регистр ВХ, используемый для адресации) и счетчика цикла (в CL). Собственно массив слов должен быть пропущен через регистр (мы выбрали АХ), поскольку МП 8086 не поддерживает команды типа память-память (см. примечание к набору команд). В конце 100-го цикла CL = 0 и команда «перейти, если не нуль» (JNZ) более не выполняется. Этот пример будет работать[5], однако на практике вам, возможно, следует использовать более быстрые команды МП 8086-пересылки строк. Хорошим тоном в практическом программировании считается использование символьных имен для обозначения массивов и их размеров вместо соответствующих констант, таких как 400Н и 1000Н.

Оператор CALL является вызовом подпрограммы; он подобен каманде перехода, за исключением того, что адрес возврата (адрес команды, следующей за командой CALL) заносится в стек. В конце подпрограммы вы выполняете оператор RET, который извлекает из стека его содержимое так, чтобы программа могла найти «обратную дорогу» (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Работа команды CALL.

Три оператора STI, CLI и IRET имеют отношения к прерываниям, их работу мы проиллюстрируем вместе с примерами соответствующих электрических схем и ниже в этой главе. Наконец, команды ввода-вывода IN и OUT пересылают слово или байт между регистром А и соответствующим образом адресованным портом; подробнее об этом чуть позже.

10.04. Программный пример

Примеры, приведенные выше, наводят на мысль о тяге языка ассемблера к многословию; требуется множество маленьких шажков для того, чтобы сделать в общем-то простую вещь. Вот пример другого рода: допустим, вам необходимо инкрементировать число N, если оно равно другому числу — Μ. Таким будет типичный крошечный фрагмент большой программы, и на языках высокого уровня такое действие будет выполняться единственной командой:

IF(n = = n) + + n; (Си)

IF(N. EQ. M) N = N + 1; (Фортран)

IF n = m then n: = n + 1; (Паскаль) и т. п.

На ассемблере МП 8086 эти действия будут выглядеть, как показано в программе 10.2.

Программа-ассемблер превратит этот набор мнемонических выражений в машинные коды, как правило, транслируя каждую строку исходного ассемблерного текста в несколько байтов машинных команд, и полученные коды машинных команд прежде чем быть исполненными, будут загружены в последовательно расположенные ячейки памяти.

Отметим, что ассемблеру надо указать на необходимость выделения некоторого объема памяти под переменные. Это делается с помощью ассемблерного псевдооператора DW (Define Word-определить слово) (этот оператор является псевдооператором, так как ему не соответствует никакой исполняемый код). Для того чтобы помечать команды, могут быть использованы уникальные символьные метки (например, NEXT). Команды обычно помечаются лишь в тех случаях, когда на них осуществляется переход (JNZ NEXT). Присваивая переменным понятные вам самому имена и вводя комментарии (отделенные точкой с запятой), вы облегчаете себе процесс программирования; эти рекомендации означают также, что у вас будет шанс несколькими неделями позже понять, что вы написали. Программирование на языке ассемблера может по-прежнему оставаться неприятным делом, однако часто на этом языке бывает необходимо написать короткую процедуру управления вводом-выводом, вызываемую из программы, написанной на языке высокого уровня. Программы на языке ассемблера работают быстрее, чем скомпилированные с языка высокого уровня, так что их часто используют там, где показатель скорости работы является решающим (например, во многократно выполняемых внутренних циклах численных вычислений большого объема).

Разработка языка программирования Си, обладающего большими возможностями, минимизировала количество тех случаев, когда вы должны использовать ассемблерные программы, тем самым расширив сферу применимости Си. В любом случае вам трудно будет понять, как отдельные узлы компьютера работают совместно, без уяснения существа ассемблерных команд ввод-вывода. Соответствие между мнемоникой языка ассемблера и исполняемыми машинными командами будет изучено ниже в разд. 11.03, где будет проиллюстрировано примерами программирования МП 68000.