Процессор

Система команд процессора

Система команд процессора

Хотя наборы команд, реализованных в разных процессорах, различаются по количеству и перечню команд, по способам кодирования, по длине команд и по времени их выполнения, в системах команд разных процессоров есть весьма много общего. Знание этих общих свойств помогает быстрее освоить программирование нового процессора.

Разработчики процессора стремятся включить в систему команд прежде всего те действия, которые чаще требуются программистам. При этом наиболее часто требуемые действия стремятся реализовать в более коротких и быстрых командах. Перечень и свойства операций, выполняемых процессорными командами, тесно связаны со свойствами разных видов данных, которые обрабатываются на ЭВМ. Общего в разных системах команд достаточно много. Далее будем рассматривать главным образом это общее, часто упоминая, чем вызваны те или иные различия.

Для описания команд и их действия будем использовать мнемоники, принятые в языке Ассемблера. Язык Ассемблера специфичен для каждого типа процессора, так как включает в себя совокупность символических обозначений процессорных команд и способов адресации. Несмотря на специфичность, в языках Ассемблера для разных процессоров достаточно много общего, как в форме (в синтаксисе) так и в содержании отображаемых конструкциями языка понятий, поскольку и в различных процессорах также имеется много одинаковых, либо похожих свойств.


Примечание!

В некоторых учебных изданиях даже не делается различия между изучением процессора и изучением языка Ассемблера для него (наверное, с точки зрения программиста на Ассемблере это так и есть). Однако изучение программирования на языке ассемблера включает в себя три компоненты.

В некоторых учебных изданиях даже не делается различия между изучением процессора и изучением языка Ассемблера для него (наверное, с точки зрения программиста на Ассемблере это так и есть). Однако изучение программирования на языке ассемблера включает в себя три компоненты:

  1. Собственно синтаксис Ассемблера, мнемоники команд процессора и способов адресации.
  2. Управление процессом трансляции (директивы Ассемблера), позволяющее программисту получить программу с нужными свойствами, например, задать требуемое расположение частей программы в памяти и т.п.
  3. Изучение набора и свойств сервисов используемой операционной системы (стандартных подпрограмм ОС, доступных прикладному программисту).

Нам в данном курсе будет нужен только п.1). Ассемблерные мнемоники и фрагменты программ призваны показать, как можно использовать возможности, предоставляемые аппаратурой процессора.

Если вы хотите подробно ознакомиться с техникой программирования на языке Ассемблера для процессоров семейства х86, рекомендуем вам воспользоваться книгами из списка литературы.

Для облегчения понимания кратко опишем основные правила записи команд на Ассемблере (они справедливы для многих известных автору Ассемблеров).

1) Как правило, ассемблерная строка однозначно соответствует одной процессорной команде.
2) Команда языка Ассемблера имеет следующую структуру:

Меткаl:            КОП              Оп1,Оп2,…      ;Комментарий

Вот пример команды на языке ассемблера

L1:                     mov r1,          #12A9h             ;Загрузка регистра константой

Пояснение: Данный оператор содержит команду пересылки, которая загружает константу 12A9h в регистр процессора r1. Константа задана программистом в виде шестнадцатиричного числа.

Оператор включает в свой состав следующие поля:

  • Метка - это символическое обозначение адреса. В мнемонике команды, приведенной выше, метка обозначает адрес, начиная с которого байты данной команды будут расположены в ОЗУ после загрузки программы в память. Имя метки часто используется как операнд в командах переходов. (Замечание 1: метки могут обозначать любой адрес, в том числе и тот, с которого расположен операнд. Замечание 2: конкретное значение физического адреса, соответствующего метке будет определено только после загрузки оттранслированной программы в память. При разных запусках этот физический адрес может получиться различным, если программист не принимает специальных мер по заданию определенного значения для этого адреса.).
  • КОП - мнемоническое обозначение кода операции, выполняемой данной командой, например mov - переслать
  • Оп1, Оп2,… - символические обозначения операндов, обычно они разделяются запятыми (хотя в некоторых Ассемблерах для разделения операндов используется пробел). Количество операндов в команде может быть различным, в большинстве современных процессоров - от 0 до 3. Если операндов больше, чем один, некоторые из них являются "источниками", а некоторые другие - "приемниками". Например, команда сложения

add        sum,op1,op2

содержит указания на два операнда-приемника (слагаемые) - op1 и op2, а также указание на элемент данных (sum), куда команде следует поместить результат.

Количество операндов, которые программист может указать в команде, определено отдельно для каждой команды конкретного процессора его разработчиками. Для многих команд делают допустимым несколько форматов (см., например, команду целочисленного умножения imul для процессоров семейства х86).

В Ассемблерах процессоров фирмы Intel, по большей части, операнды-источники записываются левее операндов-приемников. В Ассемблерах других фирм это может быть наоборот. В качестве операнда можно использовать метку, в этом случае метка будет обозначать адрес, с которого располагается в памяти соответствующий операнд.

  • Комментарий позволяет программисту записать пояснение к строке, и, как правило, игнорируется транслятором.

3) Хотя каждый процессор имеет свой Ассемблер (соответствующий его системе команд), многие мнемонические обозначения в разных Ассемблерах одинаковы для одинаковых операций. Этот факт сильно облегчает изучение следующего Ассемблера (и процессора), после того, как хотя бы один уже изучен.
4) При записи обозначений операндов используются условные обозначения выбранного программистом способа адресации. Обозначения различных способов адресации в разных ассемблерах также имеют много общего. Мы познакомимся с конкретными обозначениями при рассмотрении способов адресации.

Количество команд для разных типов ЭВМ колеблется от малых десятков до сотен. В таком множестве разобраться достаточно трудно, поэтому для рассмотрения разобьем все команды на группы (проклассифицируем). В разных книгах эта классификация тоже сделана по-разному. Выделяют от 3 до более 10 групп. (Наиболее обозримой для человека является классификация, содержащая на нижележащем уровне от 3 до 8 подклассов).

Команды пересылки

Пересылки общего назначения

Пересылки общего назначения MOV, L**, LD*, LOD* (от Load - загрузить), ST* (от Store - сохранить). Передают слово/байт данных из одной части ЭВМ в другую без изменения. Иногда в эту группу включают также и команды ввода-вывода для ЭВМ у которых область адресов внешних устройств включена в общее адресное пространство.

Пересылки из/в стек

Пересылки из/в стек: PUSH (втолкнуть), POP (вынуть). Обычно отличаются тем, что используют стековую адресацию (задаваемую неявно.

Пересылки двоичных слов

Пересылки двоичных слов, представляющих собой адреса операндов или части (компоненты) адресов. Для операций с адресами нередко в процессор вводят специальные команды. Это связано с тем, что разрядность адреса в процессоре не всегда совпадает с разрядностью АЛУ и регистров.

Пересылки между элементами вычислительного ядра

Пересылки между элементами вычислительного ядра (регистры процессора, элементы памяти) и периферийными устройствами. Хотя эти команды выполняют простую передачу двоичного слова, соответствующая группа команд (называемая командами ввода-вывода) обычно рассматривается отдельно.

Команды обработки

Арифметические команды

Минимальный набор арифметических команд очень мал. Это (например):

  • сложение - ADD;
  • инвертирование - COM / NOT (такая ЭВМ действительно была: PDP-8 (DEC));
  • прибавление "единицы" - INC.

Все остальное можно сделать, комбинируя эти команды.

Однако в современном микропроцессоре арифметических команд обычно больше:

  • SUB - вычитание;
  • CMP - сравнение операндов. Эта команда выполняет вычитание операндов, по результату изменяет флаги, после чего результат теряется (команда предназначена для проверки условий);
  • NEG - смена знака операнда;
  • ASR, ASL, SAR, SAL - арифметические сдвиги операнда (Arithmetic Shift to Right/Left);
  • INC, DEC - увеличение или уменьшение операнда на 1;
  • ADC, SBC/SBB - операции с переносом C (carry-bit) - для выполнения действий с повышенной точностью, когда операнд занимает несколько слов;
  • SXT, SEX, CBW, CWD, CDQ - расширение знака (преобразование в формат с повышенной разрядностью);
  • MUL, DIV - умножение и деление беззнаковых и знаковых чисел.
  • Набор операций с плавающей точкой, включающий обычно значительное количество команд (несколько десятков), в которые часто входят команды вычисления элементарных функций - Sin, Cos, Log, Exp и т.п.

Логические команды

Логические команды - это команды побитовой обработки.

  • OR - поразрядное логическое сложение. Фактически это команда побитовой установки (т.е. записи "единицы" в заданные биты операнда). Пример:
    or opr, 0Ch ;Установка в 1 битов в позициях 2 и 3 в операнде al

Если исходно в al содержался, например, операнд  1101 10012, то после выполнения команды в al будет содержаться: 1101 1101 (отмечены установленные биты). Второй операнд - обычно константа, задавая которую, программист указывает, какие биты следует установить (он на жаргоне программистов носит название "маска").

Можно описать действие команды OR следующим образом: команда безусловно устанавливает в "единицу" биты в тех позициях первого операнда, которые отмечены "единицами" во втором операнде (в маске), оставляя прочие биты первого операнда неизменными.

  • AND - поразрядное логическое умножение. Это команда побитового сброса (записи в заданные биты "нулей"). Пример:
    and bh, 0Fh ;Сброс старшей тетрады (старшего ниббла) в байтовом операнде.

Если, например, исходно в регистре bh содержался операнд 1101 10012, то после выполнения команды в регистре bh будет содержаться 0000 10012 (отмечены очищенные биты). Действие команды AND можно описать следующим образом: команда безусловно сбрасывает в 0 биты в тех позициях первого операнда, которые отмечены "нулями" в маске, оставляя прочие биты первого операнда неизменными.

  • XOR - поразрядное исключающее ИЛИ, eXclusive OR (иногда на русском эту операцию называют "ЛИБО"). Эта двухоперандная команда фактически выполняет выборочное инвертирование битов. Например:
    xor cl,0F0h ;Инвертирование битов старшей тетрады

Если исходно в cl содержалось 1101 10012, то после выполнения команды в cl будет содержаться 0010 10012 (отмечены проинвертированные биты). Действие команды xor можно описать так: команда инвертирует в первом операнде биты в позициях, которые отмечены в маске "единицами", оставляя прочие биты неизменными.

  • TEST - проверка битовых полей. Команда чаще всего двухоперандная, выполняет поразрядное логическое умножение операндов и по результату операции изменяет состояние флагов "нуля" zf и "знака" sf, после чего результат операции теряется.
  • NOT, COM - инвертирование операнда (замена значения каждого бита на противоположное). Это однооперандная команда.

Сдвиги

Операция сдвига состоит в одновременном перемещении содержимого операнда в разрядной сетке. Существует 3 разновидности операции сдвигов, которые различаются тем, что происходит с битами, выходящими за пределы разрядной сетки с одного "конца" операнда, и с освобождающимися позициями на другом его "конце".

  1. ROR, ROL, RCR, RCL - циклические сдвиги. При циклическом сдвиге то, что выходит за границу разрядной сетки, помещается в освобождающуюся позицию на другом конце операнда.
  2. ASR, ASL/SAR, SAL - арифметические сдвиги. Эта разновидность сдвига осуществляется таким образом, что результат оказывается эквивалентен умножению (при сдвиге влево) или делению (при сдвиге вправо) операнда на основание системы счисления, т.е. на 2. Сравните: если "сдвинуть" цифры в десятичном числе на разряд влево, результат будет эквивалентен исходному числу, умноженному на 10 (12 и 120 после сдвига). Более подробно особенности арифметического сдвига обсуждаются при рассмотрении системы команд процессоров х86.
  3. SHL, SHR - логические сдвиги. При выполнении логических сдвигов биты, "выдвигаемые" из разрядной сетки, теряются, а противоположный конец операнда заполняется "нулями".

Каждая из упомянутых разновидностей может также иметь варианты.

Например, в составе системы команд х86 различают пять видов сдвигов.

Проверки и передача управления

Эти команды позволяют реализовать конструкции:

IF ... THEN ... ELSE
REPEAT ... UNTIL
WHILE ... DO
FOR ... DO
GOTO ...

Для выполнения этих функций в каждом процессоре есть регистр флагов (регистр состояния), разряды которого устанавливаются или сбрасываются в зависимости от свойств результата предыдущей операции. Анализируются:

  • равенство нулю;
  • знак;
  • перенос;
  • арифметическое переполнение;
  • перенос между тетрадами и др......

Команды проверки

  • TEST - проверка отдельных битов (логическим умножением).
  • CMP - сравнение операндов.

Кроме того, признаки устанавливаются после выполнения многих команд. Обратите внимание на то, что нет единых правил поведения признаков. (В процессорах фирмы Motorola при пересылке флаги "нуля" и "знака" изменяются, а в процессорах Intel - нет).

Команды ветвления по условию

B** / J*** от слов ( branch / jump). Их может быть 10...30 штук. (например, BNE - переход, если не равно 0). Набор команд ветвления обсуждается при рассмотрении системы команд процессоров х86.

Адресация в командах ветвления может быть разного типа:

  • а) полный адрес перехода;
  • б) относительная (смещение);
  • в) пропуск команды.

Но чаще всего - короткая относительная. Короткая, потому что участки, которые надо обходить, имеют не очень большую длину. Если необходимо перейти далеко, то надо комбинировать условный переход с безусловным JMP.

Команда безусловной передачи управления

JMP Адресация делается такой, чтобы можно было "прыгнуть" в любое место программной памяти ("длинная" адресация).

Команда организации цикла

Позволяет организовать в программе структуры FOR ... DO более простым способом, чем с помощью команд ветвления.

LOOP*

Команда обращения к подпрограмме (вызов процедуры)

JSR, JMS, CALL

Для экономии памяти, занимаемой программой, предоставляют возможность записать эту последовательность команд только в одном месте памяти и передавать управление к ней из разных мест вызывающей программы.

При обращении / возврате надо обеспечить:

  • а) передачу управления в любое место памяти, поэтому "длинная" адресация;
  • б) возврат в то место, откуда был вызов (т.е. место вызова должно автоматически запоминаться);
  • в) запоминание промежуточных результатов, имеющихся к моменту вызова (содержимое регистров процессора, а, при рекурсивном вызове, процедуры, - надо запоминать и промежуточные результаты работы самой процедуры). Для запоминания чаще всего используется стек (участок ОЗУ или специальное ОЗУ со стековой адресацией). Часть вышеперечисленной информации запоминается автоматически при выполнении команды CALL, а сохранение оставшегося - дело программиста.

 

Команды ввода - вывода (обмена с периферийными устройствами)

Фактически команды ввода-вывода - это тоже команды пересылки. Основное отличие между пересылками "регистр-память" и пересылками из/в периферийное устройство ПУ состоит в том, что скорость функционирования ПУ может существенно отличаться от скорости работы процессора и поэтому ПУ далеко не всегда бывает готово к обмену.

  • Устройств ввода-вывода (УВВ) много, надо как-то рбеспечить адресацию.
  • Устройства ввода-вывода разные, надо как-то унифицировать правила обмена.
  • Скорость работы УВВ отличается от скорости работы процессора, надо как-то синхронизировать работу процессора и УВВ.

Варианты структуры взаимодействия процессора и УВВ:

  • а) УВВ имеют свою систему нумерации (адресации), и в системе команд есть отдельные команды I/O, (как в IBM PC):
    IN - команда ввода из ВНУ;
    OUT - команда вывода на ВНУ.

В этом случае в формате команды УВВ предусматривается своя система адресации.

  • б) Обращение к УВВ такое же, как к памяти, часть адресов использована для ВНУ (ввод / вывод, отображенный на память).

Достоинства: можно использовать для обмена с ВНУ всю систему команд, в том числе, команды обработки, что сокращает программу.

Недостатки:

  • команда ввода/вывода длиннее и дольше выполняется, чем в случае а);
  • сложнее устройство декодирования адреса в ВНУ.
Яндекс.Метрика