Информатика и информационные технологии

Что делать, если нам необходимо получить доступ к элементам не на вершине, а внутри стека? Для этого применяют  регистр ЕВР Регистр ЕВР – регистр указателя базы кадра стека.

Например, типичным приемом при  входе в подпрограмму является передача нужных параметров путем записи их в стек. Если подпрограмма тоже активно  работает со стеком, то доступ к этим параметрам становится проблематичным. Выход в том, чтобы после записи нужных данных в стек сохранить адрес вершины стека в указателе кадра (базы) стека – регистре ЕВР. Значение в ЕВР в дальнейшем можно использовать для доступа к переданным параметрам.

Начало стека расположено в  старших адресах памяти. На рисунке 23 этот адрес обозначен парой ss: fffF. Смещение шТ приведено здесь условно. Реально это значение определяется величиной, которую программист задает при описании сегмента стека в своей программе.

Для организации работы со стеком существуют специальные команды  записи и чтения.

1. push источник – запись значения источник в вершину стека.

Интерес представляет алгоритм работы этой команды, который включает следующие  действия (рис. 24):

1) (sp) = (sp) – 2; значение sp уменьшается  на 2;

2) значение из источника записывается по адресу, указываемому парой ss: sp.

Рис. 24. Принцип работы команды push

 

2. pop назначение – запись значения из вершины стека по месту, указанному операндом назначение. Значение при этом «снимается» с вершины стека. Алгоритм работы команды pop обратен алгоритму команды push (рис. 25):

1) запись содержимого вершины стека по месту, указанному операндом назначение;

2) (sp) = (sp) + 2; увеличение значения sp.

Рис. 25. Принцип работы команды pop

 

3. pusha – команда групповой записи в стек. По этой команде в стек последовательно записываются регистры ах, сх, dx, bx, sp, bp, si, di. Заметим, что записывается оригинальное содержимое sp, т. е. то, которое было до выдачи команды pusha (рис. 26).

Рис. 26. Принцип работы команды pusha

 

4. pushaw – почти синоним команды pusha В чем разница? Атрибут разрядности может принимать значение use16 или use32. Рассмотрим работу команд pusha и pushaw при каждом из этих атрибутов:

1) use16 – алгоритм работы pushaw аналогичен алгоритму pusha;

2) use32 – pushaw не изменяется (т. е. она нечувствительна к разрядности сегмента и всегда работает с регистрами размером в слово – ах, сх, dx, bx, sp, bp, si, di). Команда pusha чувствительна к установленной разрядности сегмента и при указании 32-разрядного сегмента работает с соответствующими 32-разрядными регистрами, т. е. еах, есх, edx, ebx, esp, ebp, esi, edi.

5. pushad – выполняется аналогично команде pusha, но есть некоторые особенности.

Следующие три команды выполняют  действия, обратные вышеописанным командам:

1) рора;

2) popaw;

3) popad.

Группа команд, описанная ниже, позволяет сохранить в стеке регистр флагов и записать слово или двойное слово в стеке. Отметим, что перечисленные ниже команды – единственные в системе команд микропроцессора, которые позволяют получить доступ (и которые нуждаются в этом доступе) ко всему содержимому регистра флагов.

1. pushf – сохраняет регистр флагов в стеке.

Работа этой команды зависит  от атрибута размера сегмента:

1) use 16 – в стек записывается регистр flags размером 2 байта;

2) use32 – в стек записывается регистр eflags размером 4 байта.

2. pushfw – сохранение в стеке регистра флагов размером в слово. Всегда работает как pushf с атрибутом use16.

3. pushfd – сохранение в стеке регистра флагов flags или eflags в зависимости от атрибута разрядности сегмента (т. е. то же, что и pushf).

Аналогично, следующие три команды  выполняют действия, обратные рассмотренным  выше операциям:

1) popf;

2) popftv;

3) popfd.

И в заключение отметим основные виды операции, когда использование  стека практически неизбежно:

1) вызов подпрограмм;

2) временное сохранение значений регистров;

3) определение локальных переменных.

2. Арифметические команды

Микропроцессор может выполнять  целочисленные операции и операции с плавающей точкой. Для этого  в его архитектуре есть два отдельных блока:

1) устройство для выполнения целочисленных операций;

2) устройство для выполнения операций с плавающей точкой.

Каждое из этих устройств имеет  свою систему команд. В принципе, целочисленное устройство может  взять на себя многие функции устройства с плавающей точкой, но это потребует больших вычислительных затрат. Для большинства задач, использующих язык ассемблера, достаточно целочисленной арифметики.

Обзор группы арифметических команд и данных

Целочисленное вычислительное устройство поддерживает чуть больше десятка арифметических команд. На рисунке 27 приведена классификация команд этой группы.

Рис. 27. Классификация арифметических команд

 

Группа арифметических целочисленных команд работает с двумя типами чисел:

1) целыми двоичными числами. Числа могут иметь знаковый разряд или не иметь такового, т. е. быть числами со знаком или без знака;

2) целыми десятичными числами.

Рассмотрим машинные форматы, в которых хранятся эти типы данных.

Целые двоичные числа

Целое двоичное число  с фиксированной точкой –  это число, закодированное в двоичной системе счисления.

Размерность целого двоичного числа  может составлять 8, 16 или 32 бит. Знак двоичного числа определяется тем, как интерпретируется старший бит в представлении числа. Это 7,15 или 31-й биты для чисел соответствующей размерности. При этом интересно то, что среди арифметических команд есть всего две команды, которые действительно учитывают этот старший разряд как знаковый, – это команды целочисленного умножения и деления imul и idiv. В остальных случаях ответственность за действия со знаковыми числами и, соответственно, со знаковым разрядом ложится на программиста. Диапазон значений двоичного числа зависит от его размера и трактовки старшего бита либо как старшего значащего бита числа, либо как бита знака числа (табл. 9).

Таблица 9. Диапазон значений двоичных чисел

Десятичные числа

Десятичные числа –  специальный вид представления числовой информации, в основу которого положен принцип кодирования каждой десятичной цифры числа группой из четырех бит. При этом каждый байт числа содержит одну или две десятичные цифры в так называемом двоично-десятичном коде (BCD – Binary-Coded Decimal). Микропроцессор хранит BCD-числа в двух форматах (рис. 28):

1) упакованном формате. В этом формате каждый байт содержит две десятичные цифры. Десятичная цифра представляет собой двоичное значение в диапазоне от 0 до 9 размером 4 бита. При этом код старшей цифры числа занимает старшие 4 бита. Следовательно, диапазон представления десятичного упакованного числа в 1 байте составляет от 00 до 99;

2) неупакованном формате. В этом  формате каждый байт содержит одну десятичную цифру в четырех младших битах. Старшие 4 бита имеют нулевое значение. Это так называемая зона. Следовательно, диапазон представления десятичного неупакованного числа в 1 байте составляет от 0 до 9.

Рис. 28. Представление BCD-чисел

 

Как описать двоично-десятичные числа  в программе? Для этого можно  использовать только две директивы  описания и инициализации данных – db и dt. Возможность применения только этих директив для описания BCD-чисел обусловлена тем, что к таким числам также применим принцип «младший байт по младшему адресу», что очень удобно для их обработки. И вообще, при использовании такого типа данных как BCD-числа, порядок описания этих чисел в программе и алгоритм их обработки – это дело вкуса и личных пристрастий программиста. Это станет ясно после того, как мы ниже рассмотрим основы работы с BCD-числами.

Арифметические  операции над целыми двоичными числами

Сложение двоичных чисел без знака

Микропроцессор выполняет сложение операндов по правилам сложения двоичных чисел. Проблем не возникает до тех пор, пока значение результата не превышает размерности поля операнда. Например, при сложении операндов размером в байт результат не должен превышать число 255. Если это происходит, то результат оказывается неверным. Рассмотрим, почему так происходит.

К примеру, выполним сложение: 254 + 5 = 259 в двоичном виде. 11111110 + 0000101 = 1 00000011. Результат вышел за пределы 8 бит  и правильное его значение укладывается в 9 бит, а в 8-битовом поле операнда осталось значение 3, что, конечно, неверно. В микропроцессоре этот исход сложения прогнозируется и предусмотрены специальные средства для фиксирования подобных ситуаций и их обработки. Так, для фиксирования ситуации выхода за разрядную сетку результата, как в данном случае, предназначен флаг переноса cf. Он располагается в бите 0 регистра флагов EFLAGS/FLAGS. Именно установкой этого флага фиксируется факт переноса единицы из старшего разряда операнда. Естественно, что программист должен учитывать возможность такого исхода операции сложения и предусматривать средства для корректировки. Это предполагает включение участков кода после операции сложения, в которых анализируется флаг cf. Анализ этого флага можно провести различными способами.

Самый простой и доступный –  использовать команду условного  перехода jcc. Эта команда в качестве операнда имеет имя метки в текущем сегменте кода. Переход на эту метку осуществляется в случае, если в результате работы предыдущей команды флаг cf установился в 1. В системе команд микропроцессора имеются три команды двоичного сложения:

1) inc операнд – операция инкремента, т. е. увеличения значения операнда на 1;

2) add операнд_1, операнд_2 – команда сложения с принципом действия: операнд_1 = операнд_1 + операнд_2;

3) adc операнд_1, операнд_2 – команда сложения с учетом флага переноса cf. Принцип действия команды: операнд_1 = операнд_1 + операнд_2 + значение_сГ.

Обратите внимание на последнюю  команду – это команда сложения, учитывающая перенос единицы из старшего разряда. Механизм появления такой единицы мы уже рассмотрели. Таким образом, команда adc является средством микропроцессора для сложения длинных двоичных чисел, размерность которых превосходит поддерживаемые микропроцессором длины стандартных полей.

 

Сложение двоичных чисел со знаком

На самом деле микропроцессор «не  подозревает» о различии между числами  со знаком и без знака. Вместо этого  у него есть средства фиксирования возникновения характерных ситуаций, складывающихся в процессе вычислений. Некоторые из них мы рассмотрели при обсуждении сложения чисел без знака:

1) флаг переноса cf, установка которого в 1 говорит о том, что произошел выход за пределы разрядности операндов;

2) команду adc, которая учитывает возможность такого выхода (перенос из младшего разряда).

Другое средство – это регистрация  состояния старшего (знакового) разряда  операнда, которое осуществляется с  помощью флага переполнения of в  регистре EFLAGS (бит 11).

Вы, конечно, помните, как представляются числа в компьютере: положительные – в двоичном коде, отрицательные – в дополнительном коде. Рассмотрим различные варианты сложения чисел. Примеры призваны показать поведение двух старших битов операндов и правильность результата операции сложения.

 

Пример

30566 = 0111011101100110

+

00687 = 00000010 10101111

=

31253 = 01111010 00010101

Следим за переносами из 14 и 15-го разрядов и правильностью результата: переносов  нет, результат правильный.

 

Пример

30566 = 0111011101100110

+

30566 = 0111011101100110

=

1132 = 11101110 11001100

Произошел перенос из 14-го разряда; из 15-го разряда переноса нет. Результат  неправильный, так как имеется  переполнение – значение числа получилось больше, чем то, которое может  иметь 16-битное число со знаком (+32 767).

 

Пример

-30566 = 10001000 10011010

+

-04875 = 11101100 11110101

=

-35441 = 01110101 10001111

Произошел перенос из 15-го разряда, из 14-го разряда нет переноса. Результат  неправильный, так как вместо отрицательного числа получилось положительное (в  старшем бите находится 0).

 

Пример

-4875 = 11101100 11110101

+

-4875 = 11101100 11110101

=

09750 = 11011001 11101010

Есть переносы из 14 и 15-го разрядов. Результат правильный.

 

Таким образом, мы исследовали все  случаи и выяснили, что ситуация переполнения (установка флага OF в 1) происходит при переносе:

1) из 14-го разряда (для положительных чисел со знаком);

2) из 15-го разряда (для отрицательных чисел).

И наоборот, переполнения не происходит (т. е. флаг OF сбрасывается в 0), если есть перенос из обоих разрядов или перенос отсутствует в обоих разрядах.

Итак, переполнение регистрируется с  помощью флага переполнения of. Дополнительно  к флагу of при переносе из старшего разряда устанавливается в 1 и  флаг переноса CF Так как микропроцессор не знает о существовании чисел  со знаком и без знака, то вся ответственность за правильность действий с получившимися числами ложится на программиста. Проанализировать флаги CF и OF можно командами условного перехода JC\JNC и JO\JNO соответственно.