Информатика и информационные технологии

Рис. 21. Механизм формирования физического адреса в реальном режиме

 

3) префикс разрядности операнда аналогичен префиксу разрядности адреса, но указывает на разрядность операндов (32– или 16-разрядные), с которыми работает команда. В соответствии с какими правилами устанавливаются значения атрибутов разрядности адреса и операндов по умолчанию?

В реальном режиме и режиме виртуального 18086 значения этих атрибутов – 16 бит. В защищенном режиме значения атрибутов  зависят от состояния бита D в дескрипторах исполняемых сегментов. Если D = 0, то значения атрибутов, действующие по умолчанию, равны 16 бит; если D = 1, то 32 бит.

Значения префиксов разрядности  операнда 66h и разрядности адреса 67h. С помощью префикса разрядности адреса в реальном режиме можно использовать 32-разрядную адресацию, но при этом необходимо помнить об ограниченности размера сегмента величиной 64 Кбайт. Аналогично префиксу разрядности адреса вы можете использовать префикс разрядности операнда в реальном режиме для работы с 32-разрядными операндами (к примеру, в арифметических командах);

4) префикс повторения используется с цепочечными командами (командами обработки строк). Этот префикс «зацикливает» команду для обработки всех элементов цепочки. Система команд поддерживает два типа префиксов:

а) безусловные (rep – OOh), заставляющие повторяться цепочечную команду некоторое количество раз;

б) условные (repe/repz – OOh, repne/repnz – 0f2h), которые при зацикливании проверяют некоторые флаги, и в результате проверки возможен досрочный выход из цикла.

2. Код операции.

Обязательный элемент, описывающий  операцию, выполняемую командой. Многим командам соответствует несколько  кодов операций, каждый из которых  определяет нюансы выполнения операции. Последующие поля машинной команды определяют местоположение операндов, участвующих в операции, и особенности их использования. Рассмотрение этих полей связано со способами задания операндов в машинной команде и потому будет выполнено позже.

3. Байт режима адресации modr/m.

Значения этого байта определяет используемую форму адреса операндов. Операнды могут находиться в памяти в одном или двух регистрах. Если операнд находится в памяти, то байт modr/m определяет компоненты (смещение, базовый и индексный регистры), используемые для вычисления его эффективного адреса (рисунок 21). В защищенном режиме для определения местоположения операнда в памяти может дополнительно использоваться байт sib (Scale-Index-Base – масштаб-индекс-база). Байт modr/m состоит из трех полей (рис. 20):

1) поле mod определяет количество байт, занимаемых в команде адресом операнда (рис. 20, поле смещение в команде). Поле mod используется совместно с полем r/m, которое указывает способ модификации адреса операнда «смещение в команде». К примеру, если mod = 00, это означает, что поле смещение в команде отсутствует, и адрес операнда определяется содержимым базового и (или) индексного регистра. Какие именно регистры будут использоваться для вычисления эффективного адреса, определяется значением этого байта. Если mod = 01, это означает, что поле смещение в команде присутствует, занимает 1 байт и модифицируется содержимым базового и (или) индексного регистра. Если mod = 10, это означает, что поле смещение в команде присутствует, занимает 2 или 4 байта (в зависимости от действующего по умолчанию или определяемого префиксом размера адреса) и модифицируется содержимым базового и (или) индексного регистра. Если mod =11, это означает, что операндов в памяти нет: они находятся в регистрах. Это же значение байта mod используется в случае, когда в команде применяется непосредственный операнд;

2) поле reg/коп определяет либо регистр, находящийся в команде на месте первого операнда, либо возможное расширение кода операции;

3) поле r/m используется совместно с полем mod и определяет либо регистр, находящийся в команде на месте первого операнда (если mod =11), либо используемые для вычисления эффективного адреса (совместно с полем смещение в команде) базовые и индексные регистры.

4. Байт масштаб – индекс – база (байт sib).

Используется для расширения возможностей адресации операндов. На наличие байта sib в машинной команде указывает сочетание одного из значений 01 или 10 поля mod и значения поля r/m = 100. Байт sib состоит из трех полей:

1) поля масштаба ss. В этом поле размещается масштабный множитель для индексного компонента index, занимающего следующие 3 бита байта sib. В поле ss может содержаться одно из следующих значений: 1, 2, 4, 8.

При вычислении эффективного адреса на это значение будет умножаться содержимое индексного регистра;

2) поля index. Используется для хранения номера индексного регистра, который применяется для вычисления эффективного адреса операнда;

3) поля base. Используется для хранения номера базового регистра, который также применяется для вычисления эффективного адреса операнда. В качестве базового и индексного регистров могут использоваться практически все регистры общего назначения.

5. Поле смещения в команде.

8-, 16– или 32-разрядное целое  число со знаком, представляющее  собой, полностью или частично (с учетом вышеприведенных рассуждений), значение эффективного адреса операнда.

6. Поле непосредственного операнда.

Необязательное поле, представляющее собой 8-, 16– или 32-разрядный непосредственный операнд. Наличие этого поля, конечно, отражается на значении байта modr/m.

2. Способы задания операндов команды

Операнд задается неявно на микропрограммном уровне

В этом случае команда явно не содержит операндов. Алгоритм выполнения команды  использует некоторые объекты по умолчанию (регистры, флаги в eflags и  т. д.).

Например, команды cli и sti неявно работают с флагом прерывания if в регистре eflags, а команда xlat неявно обращается к регистру al и строке в памяти по адресу, определяемому парой регистров ds: bx.

Операнд задается в самой команде (непосредственный операнд)

Операнд находится в коде команды, т. е. является ее частью. Для хранения такого операнда в команде выделяется поле длиной до 32 бит (рисунок 20). Непосредственный операнд может быть только вторым операндом (источником). Операнд-получатель может находиться либо в памяти, либо в регистре.

Например: mov ax,0ffffti пересылает в регистр  ах шестнадцатеричную константу ffff. Команда add sum, 2 складывает содержимое поля по адресу sum с целым числом 2 и записывает результат по месту  первого операнда, т. е. в память.

Операнд находится  в одном из регистров

Регистровые операнды указываются  именами регистров. В качестве регистров  могут использоваться:

1) 32-разрядные регистры ЕАХ, ЕВХ,  ЕСХ, EDX, ESI, EDI, ESP, ЕВР;

2) 16-разрядные регистры АХ, BX, СХ, DX, SI, DI, SP, ВР;

3) 8-разрядные регистры АН, AL, ВН, BL, СН, CL, DH, DL;

4) сегментные регистры CS, DS, SS, ES, FS, GS.

Например, команда add ax,bx складывает содержимое регистров ах и bх и записывает результат в bх. Команда dec si уменьшает  содержимое si на 1.

Операнд располагается  в памяти

Это наиболее сложный и в то же время наиболее гибкий способ задания  операндов. Он позволяет реализовать  следующие два основных вида адресации: прямую и косвенную.

В свою очередь, косвенная адресация  имеет следующие разновидности:

1) косвенную базовую адресацию; другое ее название – регистровая косвенная адресация;

2) косвенную базовую адресацию со смещением;

3) косвенную индексную адресацию со смещением;

4) косвенную базовую индексную адресацию;

5) косвенную базовую индексную адресацию со смещением.

Операндом является порт ввода/вывода

Помимо адресного пространства оперативной памяти, микропроцессор поддерживает адресное пространство ввода-вывода, которое используется для доступа  к устройствам ввода-вывода. Объем  адресного пространства ввода-вывода составляет 64 Кбайт. Для любого устройства компьютера в этом пространстве выделяются адреса. Конкретное значение адреса в пределах этого пространства называется портом ввода-вывода. Физически порту ввода-вывода соответствует аппаратный регистр (не путать с регистром микропроцессора), доступ к которому осуществляется с помощью специальных команд ассемблера in и out.

Например:

in al,60h; ввести байт из порта  60h

Регистры, адресуемые с помощью  порта ввода-вывода, могут иметь  разрядность 8,16 или 32 бит, но для конкретного порта разрядность регистра фиксирована. Команды in и out работают с фиксированной номенклатурой объектов. В качестве источника информации или получателя применяются так называемые регистры-аккумуляторы ЕАХ, АХ, AL. Выбор регистра определяется разрядностью порта. Номер порта может задаваться непосредственным операндом в командах in и out или значением в регистре DX. Последний способ позволяет динамически определить номер порта в программе.

Операнд находится  в стеке

Команды могут совсем не иметь операндов, иметь один или два операнда. Большинство команд требуют двух операндов, один из которых является операндом-источником, а второй – операндом назначения. Важно то, что один операнд может располагаться в регистре или памяти, а второй операнд обязательно должен находиться в регистре или непосредственно в команде. Непосредственный операнд может быть только операндом-источником. В двухоперандной машинной команде возможны следующие сочетания операндов:

1) регистр – регистр;

2) регистр – память;

3) память – регистр;

4) непосредственный операнд – регистр;

5) непосредственный операнд – память.

У данного правила есть исключения, которые касаются:

1) команд работы с цепочками, которые могут перемещать данные из памяти в память;

2) команд работы со стеком, которые могут переносить данные из памяти в стек, также находящийся в памяти;

3) команд типа умножения, которые, кроме операнда, указанного в команде, используют еще и второй, неявный операнд.

Из перечисленных сочетаний  операндов наиболее часто употребляются регистр – память и память – регистр. Ввиду их важности рассмотрим их подробнее. Обсуждение мы будем сопровождать примерами команд ассемблера, которые будут показывать, как изменяется формат команды ассемблера при применении того или иного вида адресации. В связи с этим посмотрите еще раз на рисунке 21, на котором показан принцип формирования физического адреса на адресной шине микропроцессора. Видно, что адрес операнда формируется как сумма двух составляющих – сдвинутого на 4 бита содержимого сегментного регистра и 16-битного эффективного адреса, который в общем случае вычисляется как сумма трех компонентов: базы, смещения и индекса.

3. Способы адресации

Перечислим и затем рассмотрим особенности основных видов адресации  операндов в памяти:

1) прямую адресацию;

2) косвенную базовую (регистровую) адресацию;

3) косвенную базовую (регистровую) адресацию со смещением;

4) косвенную индексную адресацию со смещением;

5) косвенную базовую индексную адресацию;

6) косвенную базовую индексную адресацию со смещением.

Прямая адресация

Это простейший вид адресации операнда в памяти, так как эффективный  адрес содержится в самой команде  и для его формирования не используется никаких дополнительных источников или регистров. Эффективный адрес  берется непосредственно из поля смещения машинной команды (см. рис. 20), которое может иметь размер 8, 16, 32 бит. Это значение однозначно определяет байт, слово или двойное слово, расположенные в сегменте данных.

Прямая адресация может быть двух типов.

Относительная прямая адресация

Используется для команд условных переходов, для указания относительного адреса перехода. Относительность такого перехода заключается в том, что  в поле смещения машинной команды  содержится 8-, 16– или 32-битное значение, которое в результате работы команды будет складываться с содержимым регистра указателя команд ip/eip. В результате такого сложения получается адрес, по которому и осуществляется переход.

Абсолютная  прямая адресация

В этом случае эффективный адрес  является частью машинной команды, но формируется этот адрес только из значения поля смещения в команде. Для формирования физического адреса операнда в памяти микропроцессор складывает это поле со сдвинутым на 4 бита значением сегментного регистра. В команде ассемблера можно использовать несколько форм такой адресации.

Но такая адресация применяется  редко – обычно используемым ячейкам  в программе присваиваются символические  имена. В процессе трансляции ассемблер  вычисляет и подставляет значения смещений этих имен в формируемую  им машинную команду в поле «смещение в команде». В итоге получается так, что машинная команда прямо адресует свой операнд, имея, фактически, в одном из своих полей значение эффективного адреса.

Остальные виды адресации относятся  к косвенным. Слово «косвенный»  в названии этих видов адресации означает то, что в самой команде может находиться лишь часть эффективного адреса, а остальные его компоненты находятся в регистрах, на которые указывают своим содержимым байт modr/m и, возможно, байт sib.

Косвенная базовая (регистровая) адресация

При такой адресации эффективный  адрес операнда может находиться в любом из регистров общего назначения, кроме sp/esp и bp/ebp (это специфические  регистры для работы с сегментом  стека). Синтаксически в команде  этот режим адресации выражается заключением имени регистра в квадратные скобки []. К примеру, команда mov ах, [есх] помещает в регистр ах содержимое слова по адресу из сегмента данных со смещением, хранящимся в регистре есх. Так как содержимое регистра легко изменить в ходе работы программы, данный способ адресации позволяет динамически назначить адрес операнда для некоторой машинной команды. Это свойство очень полезно, например, для организации циклических вычислений и для работы с различными структурами данных типа таблиц или массивов.