Структура машинной команды

Машинная команда представляет собой закодированное по определенным правилам указание микропроцессору на выполнение некоторой операции или действия. Приведенный на рис. 1 формат машинной команды является самым общим. Максимальная длина машинной команды - 15 байт. Реальная команда может содержать гораздо меньшее количество полей, вплоть до одного - только КОП.

Рис. 1. Формат машинной команды

Опишем назначения полей машинной команды.

• Префиксы. Необязательные элементы машинной команды, каждый из которых состоит из одного байта или может отсутствовать. В памяти префиксы предшествуют команде. Назначение префиксов - модифицировать операцию, выполняемую командой. Прикладная программа может использовать следующие типы префиксов:
• Префикс замены сегмента. В явной форме указывает, какой сегментный регистр используется в данной команде для адресации стека или данных. Префикс отменяет выбор сегментного регистра по умолчанию. Префиксы замены сегмента имеют следующие значения:
• 2eh - замена сегмента cs;
• 36h - замена сегмента ss;
• 3eh - замена сегмента ds;
• 26h - замена сегмента es;
• 64h - замена сегмента fs;
• 65h - замена сегмента gs.
• Префикс разрядности адреса уточняет разрядность адреса (32 или 16-разрядный).
  Каждой команде, в которой используется адресный операнд, ставится в соответствие разрядность адреса этого операнда. Этот адрес может иметь разрядность 16 или 32 бит. Если разрядность адреса для данной команды 16 бит, это означает, что команда содержит 16-разрядное смещение (см. рис. 1), оно соответствует 16-разрядному смещению адресного операнда относительно начала некоторого сегмента. В контексте рис. 2 это смещение называется эффективный адрес. Если разрядность адреса 32 бит, это означает, что команда содержит 32-разрядное смещение (см. рис. 1), оно соответствует 32-разрядному смещению адресного операнда относительно начала сегмента и по его значению формируется 32-битное смещение в сегменте. С помощью префикса разрядности адреса можно изменить действующее по умолчанию значение разрядности адреса. Это изменение будет касаться только той команды, которой предшествует префикс.

Рис. 2. Механизм формирования физического адреса в реальном режиме

• 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 i8086 значения этих атрибутов - 16 бит.
  В защищенном режиме значения атрибутов зависят от состояния бита D в дескрипторах исполняемых сегментов (см. урок 16). 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. Вы можете с помощью префикса разрядности адреса в реальном режиме 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).
• Префикс повторения используется с цепочечными командами (командами обработки строк). Этот префикс "зацикливает" команду для обработки всех элементов цепочки. Система команд поддерживает два типа префиксов:
• безусловные (rep - 0f3h), заставляющие повторяться цепочечную команду некоторое количество раз;
• условные (repe/repz - 0f3h, repne/repnz - 0f2h), которые при зацикливании проверяют некоторые флаги, и в результате проверки возможен досрочный выход из цикла.
• 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.

• 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 (см. рис. 2). 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 (см. рис. 1):
• поле mod определяет количество байт, занимаемых в команде адресом операнда (см. рис. 1, 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 один байт и модифицируется содержимым базового и (или) индексного регистра.
  Если mod = 10, это означает, что поле смещение в команде присутствует, занимает два или четыре 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;
• поле reg/коп определяет либо регистр, находящийся в команде на месте первого операнда, либо возможное расширение кода операции;
• 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.
• 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:
• поля масштаба ss. В этом поле размещается масштабный множитель для индексного компонента index, занимающего следующие три 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. Более подробно с практической точки зрения эта расширенная возможность индексации рассматривается на уроке 12 при обсуждении вопросов работы с массивами;
• поля index - используется для хранения номера индексного регистра, который применяется для вычисления эффективного адреса операнда;
• поля base - используется для хранения номера базового регистра, который также применяется для вычисления эффективного адреса операнда. Напомню, что в качестве базового и индексного регистров могут использоваться практически все регистры общего назначения.
• 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.
• Поле непосредственного операнда. Необязательное поле, представляющее собой 8, 16 или 32-разрядный непосредственный операнд. Наличие этого поля, конечно, отражается на значении байта modr/m.

Способы задания операндов команды

В ходе предыдущего изложения мы поневоле касались вопроса о том, где располагаются операнды, с которыми работает машинная команда, и как это отражается на содержимом ее полей.
В этой части занятия мы рассмотрим этот вопрос более систематизировано и в полном объеме. Это позволит нам уже со следующего занятия перейти непосредственно к практическим вопросам программирования на языке ассемблера.

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, то есть является ее частью. Для хранения такого операнда в команде выделяется поле длиной до 32 бит (см. рис. 1). Непосредственный операнд может быть только вторым операндом (источником). Операнд получатель может находиться либо в памяти, либо в регистре.
Например: mov ax,0ffffh пересылает в регистр ax шестнадцатеричную константу ffff. Команда add sum,2 складывает содержимое поля по адресу sum с целым числом 2 и записывает результат по месту первого операнда, то есть в память.

Операнд находится в одном из регистров. Регистровые операнды указываются именами регистров. В качестве регистров могут использоваться:

• 32-разрядные регистры EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, ESP, EBP;
• 16-разрядные регистры AX, BX, CX, DX, SI, DI, SP, BP;
• 8-разрядные регистры AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH, DL;
• сегментные регистры CS, DS, SS, ES, FS, GS.

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

Операнд располагается в памяти. Это наиболее сложный и в то жe 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:

• косвенная базовая адресация; другое ее название - регистровая косвенная адресация;
• косвенная базовая адресация со смещением;
• косвенная индексная адресация со смещением;
• косвенная базовая индексная адресация;
• косвенная базовая индексная адресация со смещением.

Операндом является порт ввода/вывода. Как мы уже отмечали, 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 eax, ax, 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. Например:

mov dx,20h;записать номер порта 20h в регистр dx mov al,20h;записать значение 20h в регистр al

out dx,al;вывести значение 20h в порт 20H

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:

• регистр-регистр;
• регистр-память;
• память-регистр;
• непосредственный операнд-регистр;
• непосредственный операнд-память.

У данного правила есть исключения, которые касаются:

• команд работы с цепочками, которые могут перемещать данные из памяти в память;
• команд работы со стеком, которые могут переносить данные из памяти в стек, также находящийся в памяти;
• 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 рис. 2, на котором показан принцип формирования физического адреса на адресной шине микропроцессора. Видно, что адрес операнда формируется как сумма двух составляющих - сдвинутого на 4 бит содержимого сегментного регистра и 16-битного эффективного адреса, который в общем случае вычисляется как сумма трех компонентов: базы, смещения и индекса.

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

• Прямая адресация
• Косвенная базовая (регистровая) адресация
• Косвенная базовая (регистровая) адресация со смещением
• Косвенная индексная адресация со смещением
• Косвенная базовая индексная адресация
• Косвенная базовая индексная адресация со смещением

Дата добавления: 2014-01-06