Тема 2.5 Основы программирования процессора
С увеличением длины программы все труднее становится запомнить коды различных операций. Некоторую помощь в этом отношении оказывают мнемонические обозначения.
Язык символического кодирования команд называется ассемблером .
Язык ассемблер – это язык, в котором каждое высказывание соответствует ровно одной машинной команде.
Ассемблированием называется преобразование программы с языка ассемблера, т. е. подготовка программы на машинном языке путем замены символических имен операций на машинные коды, а символических адресов – на абсолютные или относительные номера, а также включение библиотечных программ и генерация последовательностей символических команд путем указания конкретных параметров в микрокомандах. Данная программа обычно размещается в ПЗУ или вводится в ОЗУ с некоторого внешнего носителя.
Язык ассемблер имеет несколько особенностей, отличающих его от языков высокого уровня:
1. Это взаимно однозначное соответствие между высказываниями языка ассемблера и машинными командами.
2. Программист на языке ассемблера имеет доступ ко всем объектам и командам, присутствующим на целевой машине.
Представление об основах программирования на машинно-ориентированных языках полезно для:
Лучшего понимания архитектуры ПК и более грамотного использования компьютеров;
Для разработки более рациональных структур алгоритмов программ решения прикладных задач;
Возможности просмотра и корректировки исполняемых программ с расширением.exe и.com, компилированных с любых языков высокого уровня, в случае утраты исходных программ (вызвав указанные программы в отладчик программы DEBUG и декомпилировав их отображение на языке ассемблера);
Составления программ решения наиболее ответственных задач (программа, составленная на машинно-ориентированном языке, обычно эффективнее – короче и быстрее процентов на 30-60 программ, полученных в результате трансляции с языков высокого уровня)
Для реализации процедур, включаемых в основную программу в виде отдельных фрагментов в том случае, если они не могут быть реализованы ни на используемом языке высокого уровня, ни с использованием служебных процедур ОС.
Программа на языке ассемблера может работать только на ЭВМ одного семейства, а программа, написанная на языке высокого уровня, потенциально может работать на разных машинах.
Алфавит языка ассемблера составляют символы ASCII.
Числа только целые. Различают:
Двоичные числа, заканчиваются буквой В;
Десятичные числа, заканчиваются буквой D;
Шестнадцатеричные числа, заканчиваются буквой Н.
Оперативная память, регистры, представление данных
Для определённой серии МП используется индивидуальный язык составления программ – язык ассемблер.
Язык ассемблер занимает промежуточное положение между машинными кодами и языками высокого уровня. Программировать на этом языке проще. Программа на языке ассемблер более рационально использует возможности конкретной машины (точнее МП), чем программа на языке высокого уровня (который более прост для программиста, чем ассемблер). Основные принципы программирования на машинно-ориентированных языках рассмотрим на примере языка ассемблер для МП КР580ВМ80. Для программирования на языке используется общая методика. Конкретные же технические приемы записи программ связаны с особенностями архитектуры и системы команд целевого МП.
Программная модель микропроцессорной системы на основе МП КР580ВМ80
Программная модель МПС в соответствии с рисунком 1
МП Порты Память
| S | Z | AC | P | C |
Рисунок 1
С точки зрения программиста МП КР580ВМ80 имеет следующие программно-доступные регистры.
А – 8-битовый регистр аккумулятор. Является главным регистром МП. Любая операция, выполняемая в АЛУ, предполагает размещение одного из операндов, подлежащих обработке, в аккумуляторе. Результат операции в АЛУ тоже обычно хранится в А.
B, C, D, E, H, L – 8-битовые регистры общего назначения (РОН). Внутренняя память МП. Предназначены для хранения обрабатываемой информации, а также результатов операции. При обработке 16-разрядных слов из регистров образуют пары BC, DE, HL, причем сдвоенный регистр называется первой буквой – B, D, H. В регистровой паре старшим является первый регистр. Особым свойством обладают регистры H, L, используемые как для хранения данных, так и для хранения 16-разрядных адресов ячеек ОЗУ.
FL – регистр флагов (регистр признаков) 8-битовый регистр, в котором сохраняются пять признаков результата выполнения арифметических и логических операций в МП. Формат FL в соответствии с рисунком
Разряд С (CY - carry) - перенос, устанавливается в 1, если был перенос из старшего разряда байта при выполнении арифметических операций.
Разряд Р (parity) – четность, устанавливается в 1, если число единиц в разрядах результата четно.
Разряд АС – дополнительный перенос, предназначен для хранения значения переноса из младшей тетрады результата.
Разряд Z (нуль) – устанавливается в 1, если результат операции равен 0.
Разряд S (знак) – устанавливается в 1, если результат отрицательный, и в 0, если результат положительный.
SP –- указатель стека, 16-разрядный регистр, предназначен для хранения адреса ячейки памяти, куда был записан последний введенный в стек байт.
РС – программный счетчик (счетчик команд), 16-разрядный регистр, предназначен для хранения адреса следующей выполняемой команды. Содержимое счетчика команд автоматически увеличивается на 1 сразу же после выборки очередного байта команды.
В начальной области памяти адреса 0000Н – 07FF располагается управляющая программа и демонстрационные программы. Это область ПЗУ.
0800 – 0АFF - область адресов для записи исследуемых программ. (ОЗУ).
0В00 – 0ВВ0 - область адресов для записи данных. (ОЗУ).
0ВВ0 – начальный адрес стека. (ОЗУ).
Стек – специально организованная область ОЗУ, предназначенная для временного хранения данных или адресов. Число, записанное в стек последним, извлекается из него первым. Указатель стека хранит адрес последней ячейки стека, в которой записана информация. При вызове подпрограммы в стеке автоматически сохраняется адрес возврата в основную программу. Как правило, в начале каждой подпрограммы сохраняются в стеке содержимое всех задействованных при ее выполнении регистров, а в конце подпрограммы восстанавливают их из стека.
Формат данных и структура команд языка ассемблер
Память МП КР580ВМ80 представляет собой массив 8-ьитных слов, называемых байтами, Каждый байт имеет свой 16-разрядный адрес, определяющий его положение в последовательности ячеек памяти. МП может адресовать 65536 байт памяти, которая может содержать как в ПЗУ, так и в ОЗУ.
Формат данных
Данные хранятся в памяти в виде 8-битных слов:
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
Младшим битом является бит 0, старшим – бит 7.
Команда характеризуется форматом, т. е. числом отведенных для нее разрядов, которые разделены побайтно на определенные функциональные поля.
Формат команд
Команды МП КР580ВМ80 имеют одно, двух или трехбайтный формат. Многобайтные команды должны быть размещены в соседних ЯП. Формат команды зависит от особенностей выполняемой операции.
Первый байт команды содержит код операции, записанный в мнемоническом виде.
Он определяет формат команды и те действия, которые должны быть выполнены МП над данными в процессе ее выполнения, и способ адресации, а также может содержать информацию о нахождении данных.
Во втором и третьем байтах могут находиться данные, над которыми производятся операции, или адреса, указывающие местонахождение данных. Данные, над которыми производятся действия, называются операндами.
Формат однобайтовой команды в соответствии с рисунком 2
Рисунок 4
В командах на языке ассемблера код операции имеет сокращённую форму записи английских слов – мнемоническое обозначение. Мнемоника (от греческого mnemonic – искусство запоминания) позволяет легче запомнить команды по их функциональному назначению.
Перед исполнением исходная программа переводится с помощью программы трансляции, называемой ассемблером, на язык кодовых комбинаций – машинный язык, в таком виде размещается в памяти МП и далее используется при выполнении команды.
Методы адресации
Все коды операндов (входные и выходные) должны где-то располагаться. Они могут находиться во внутренних регистрах МП (наиболее удобный и быстрый вариант). Они могут располагаться в системной памяти (самый распространенный вариант). Наконец, они могут находиться в устройствах ввода-вывода (наиболее редкий случай). Определение места положения операндов производится кодом команды. Существуют разные методы, с помощью которых код команды может определить, откуда брать входной операнд и куда помещать выходной операнд. Эти методы называются методами адресации.
Для МП КР580ВМ80 существуют следующие методы адресации:
Непосредственная;
Регистровая;
Косвенная;
Стековая.
Непосредственная адресация предполагает, что операнд (входной) находится в памяти непосредственно за кодом команды. Операнд обычно представляет собой константу, которую надо куда-то переслать, к чему-то прибавить и т. д. данные содержатся во втором или во втором и третьем байтах команды, причем младший байт данных находится во втором байте команды, а старший – в третьем байте команды.
Прямая (она же абсолютная) адресация предполагает, что операнд (входной или выходной) находится в памяти по адресу, код которого находится внутри программы сразу же за кодом команды. Используется в трехбайтовых командах.
Регистровая адресация предполагает, что операнд (входной или выходной) находится во внутреннем регистре МП. Используется в однобайтовых командах
Косвенная (неявная)адресация предполагает, что во внутреннем регистре МП находится не сам операнд, а его адрес в памяти.
Стековая адресация предполагает, что команда не содержит адрес. Адресация к ячейкам памяти по содержимому 16-разрядного регистра SP (указателя стека).
Система команд
Система команд МП – это полный перечень элементарных действий, которые способен производить МП. Управляемый этими командами МП выполняет простые действия, такие как элементарные арифметические и логические операции, пересылку данных, сравнение двух величин и др. Число команд МП КР580ВМ80 - 78 (с учетом модификаций 244).
Различают следующие группы команд:
Передачи данных;
Арифметические;
Логические;
Команды перехода;
Команды ввода-вывода, управления и работы со стеком.
Символы и сокращения, применяемые при описании команд и составлении программ
| Символ | Сокращение |
| ADDR | 16-битовый адрес |
| DATA | 8-битовые данные |
| DATA 16 | 16-битовые данные |
| PORT | 8-битовый адрес УВВ (устройства ввода-вывода) |
| BYTE 2 | Второй байт команды |
| BYTE 3 | Третий байт команды |
| R, R1, R2 | Один из регистров: A, B, C, D, E, H, L |
| RP | Одна из регистровых пар: В - задает пару ВС; D - задает пару DE; H – задает пару HL |
| RH | Первый регистр пары |
| RL | Второй регистр пары |
| Λ | Логическое умножение |
| V | Логическое сложение |
| Сложение по модулю два | |
| М | Ячейка памяти, адрес которой задаёт содержимое регистровой пары HL, т. е. М = (HL) |
Для того чтобы машина могла выполнить команды человека на аппаратном уровне, необходимо задать определенную последовательность действий на языке «ноликов и единиц». Помощником в этом деле станет Ассемблер. Это утилита, которая работает с переводом команд на машинный язык. Однако написание программы - весьма трудоемкий и сложный процесс. Данный язык не предназначен для создания легких и простых действий. На данный момент любой используемый язык программирования (Ассемблер работает прекрасно) позволяет написать специальные эффективные задачи, которые сильно влияют на работу аппаратной части. Основным предназначением является создание микрокоманд и небольших кодов. Данный язык дает больше возможностей, чем, например, Паскаль или С.
Краткое описание языков Ассемблера
Все языки программирования разделяются по уровням: низкий и высокий. Любой из синтаксической системы «семейки» Ассемблера отличается тем, что объединяет сразу некоторые достоинства наиболее распространенных и современных языков. С другими их роднит и то, что в полной мере можно использовать систему компьютера.
Отличительной особенностью компилятора является простота в использовании. Этим он отличается от тех, которые работают лишь с высокими уровнями. Если взять во внимание любой такой язык программирования, Ассемблер функционирует вдвое быстрее и лучше. Для того чтобы написать в нем легкую программу, не понадобится слишком много времени.
Кратко о структуре языка
Если говорить в общем о работе и структуре функционирования языка, можно точно сказать, что его команды полностью соответствуют командам процессора. То есть Ассемблер использует мнемокоды, наиболее удобные человеку для записи.
В отличие от других языков программирования, Ассемблер использует вместо адресов для записи ячеек памяти определенные метки. Они с процессом выполнения кода переводятся в так называемые директивы. Это относительные адреса, которые не влияют на работу процессора (не переводятся в машинный язык), а необходимы для распознавания самой средой программирования.
Для каждой линейки процессора существует своя При таком раскладе правильным будет любой процесс, в том числе и переведенный
Язык Ассемблера имеет несколько синтаксисов, которые будут рассмотрены в статье.
Плюсы языка
Наиболее важным и удобным приспособлением языка Ассемблера станет то, что на нем можно написать любую программу для процессора, которая будет весьма компактной. Если код оказывается огромным, то некоторые процессы перенаправляет в оперативную память. При этом они все выполняют достаточно быстро и без сбоев, если конечно, ими управляет квалифицированный программист.
Драйвера, операционные системы, BIOS, компиляторы, интерпретаторы и т. д. - это все программа на языке Ассемблера.
При использовании дизассемблера, который совершает перевод из машинного в можно запросто понять, как работает та или иная системная задача, даже если к ней нет пояснений. Однако такое возможно лишь в том случае, если программы легкие. К сожалению, в нетривиальных кодах разобраться достаточно сложно.
Минусы языка
К сожалению, начинающим программистам (и зачастую профессионалам) трудно разобрать язык. Ассемблер требует подробного описания необходимой команды. Из-за того, что нужно использовать машинные команды, растет вероятность ошибочных действий и сложность выполнения.
Для того чтобы написать даже самую простую программу, программист должен быть квалифицированным, а его уровень знаний достаточно высоким. Средний специалист, к сожалению, зачастую пишет плохие коды.
Если платформа, для которой создается программа, обновляется, то все команды необходимо переписывать вручную - этого требует сам язык. Ассемблер не поддерживает функцию автоматического регулирования работоспособности процессов и замену каких-либо элементов.
Команды языка
Как уже было сказано выше, для каждого процессора имеется свой набор команд. Простейшими элементами, которые распознаются любыми типами, являются следующие коды:
Использование директив
Программирование микроконтроллеров на языке (Ассемблер это позволяет и прекрасно справляется с функционированием) самого низкого уровня в большинстве случаев заканчивается удачно. Лучше всего использовать процессоры с ограниченным ресурсом. Для 32-разрядной техники данный язык подходит отлично. Часто в кодах можно заметить директивы. Что же это? И для чего используется?
Для начала необходимо сделать акцент на том, что директивы не переводятся в машинный язык. Они регулируют выполнение работы компилятором. В отличие от команд, эти параметры, имея различные функции, отличаются не благодаря разным процессорам, а за счет другого транслятора. Среди основных директив можно выделить следующие:
Происхождение названия
Благодаря чему получил название язык - "Ассемблер"? Речь идет о трансляторе и компиляторе, которые и производят зашифровку данных. С английского Assembler означает не что иное, как сборщик. Программа не была собрана вручную, была использована автоматическая структура. Более того, на данный момент уже у пользователей и специалистов стерлась разница между терминами. Часто Ассемблером называют языки программирования, хотя это всего лишь утилита.
Из-за общепринятого собирательного названия у некоторых возникает ошибочное решение, что существует единый язык низкого уровня (или же стандартные нормы для него). Чтобы программист понял, о какой структуре идет речь, необходимо уточнять, для какой платформы используется тот или иной язык Ассемблера.
Макросредства
Языки Ассемблера, которые созданы относительно недавно, имеют макросредства. Они облегчают как написание, так и выполнение программы. Благодаря их наличию, транслятор выполняет написанный код в разы быстрее. При создании условного выбора можно написать огромный блок команд, а проще воспользоваться макросредствами. Они позволят быстро переключаться между действиями, в случае выполнения условия или невыполнения.
При использовании директив макроязыка программист получает макросы Ассемблера. Иногда он может широко использоваться, а иногда его функциональные особенности снижаются до одной команды. Их наличие в коде облегчает работу с ним, делает его более понятным и наглядным. Однако следует все равно быть внимательным - в некоторых случаях макросы, наоборот, ухудшают ситуацию.
НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УЗБЕКИСТАНА ИМЕНИ МИРЗО УЛУГБЕКАФАКУЛЬТЕТ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИИ
На тему: Семантический разбор EXE-файла.
Выполнил:
Ташкент 2003.
Предисловие.
Язык ассемблера и структура команд.
Структура EXE –файла (семантический разбор).
Структура COM-файла.
Принцип действия и распространения вируса.
Дисассемблер.
Программы.
Предисловие
Профессия программиста удивительна и уникальна. В наше время науку и жизнь невозможно представить без новейших технологии. Все что связано с деятельностью человека не обходится без вычислительной техники. А это способствует ее высокому развитию и совершенству. Пусть развитие персональных компьютеров началось не так давно, но в течение этого времени были сделаны колоссальные шаги по программным продуктам и еще долгое время эти продукты будут широко использоваться. Область связанных с компьютерами знании претерпела взрыв, как и соответствующая технология. Если не брать в рассмотрение коммерческую сторону, то можно сказать, что чужих людей в этой области профессиональной деятельности нет. Многие занимаются разработкой программ не ради выгоды или заработка, а по собственной воле, по увлечению. Конечно это не должно сказаться на качестве программы, и в этом деле так сказать «бизнесе» есть конкуренция и спрос на качество исполнения, на стабильной работе и отвечающий всем требованиям современности. Здесь так же стоит отметить появление микропроцессоров в 60-х годах, которые пришли на замену большого количества набора ламп. Есть некоторые разновидности микропроцессоров которые сильно отличаются друг от друга. Эти микропроцессоры отличны друг от друга разрядностью и встроенными системными командами. Самые распространенные такие как: Intel, IBM, Celeron, AMD и т.д. Все эти процессоры имеют отношение к развитой архитектуре процессоров фирмы Intel. Распространение микрокомпьютеров послужило причиной пересмотра отношения к языку ассемблера по двум основным причинам. Во-первых, программы, написанные на языке ассемблера, требуют значительно меньше памяти и времени выполнения. Во-вторых, знание языка ассемблера и результирующего машинного кода дает понимание архитектуры машины, что вряд ли обеспечивается при работе на языке высокого уровня. Хотя большинство специалистов в области программного обеспечения ведут разработки на языках высокого уровня, таких как Паскаль, С или Delphi, что проще при написании программ, наиболее мощное и эффективное программное обеспечение полностью или частично написано на языке ассемблера. Языки высокого уровня были разработаны для того, чтобы избежать специальной технической особенности конкретных компьютеров. А язык ассемблера, в свою очередь, разработан для конкретной специфики процессора. Следовательно, для того, чтобы написать программу на языке ассемблера для конкретного компьютера, следует знать его архитектуру. В настоящие дни видом основного программного продукта является EXE-файл. Учитывая положительные стороны этого, автор программы может быть уверен в ее неприкосновенности. Но зачастую порой это далеко не так. Существует так же и дисассемблер. С помощью дисассемблера можно узнать прерывания и коды программы. Человеку, хорошо разбирающегося в ассемблере не сложно будет переделать всю программу на свой вкус. Возможно отсюда появляется самая неразрешимая проблема – вирус. Зачем же люди пишут вирус? Некоторые задают этот вопрос с удивлением, некоторые с злостью, но тем не менее продолжают существовать люди которые интересуются этой задачей не с точки зрения нанесения какого-то вреда, а как интереса к системному программированию. Пишут Вирусы по разным причинам. Одним нравится системные вызовы, другим совершенствовать свои знания в ассемблера. Обо всем этом я постараюсь изложить в своей курсовой работе. Так же в нем сказано не только про структуру EXE-файла но и про язык ассемблера.
^ Язык Ассемблера.
Интересно проследить, начиная со времени появления первых компьютеров и заканчивая сегодняшним днем, за трансформациями представлений о языке ассемблера у программистов.
Когда-то ассемблер был языком, без знания которого нельзя было заставить компьютер сделать что-либо полезное. Постепенно ситуация менялась. Появлялись более удобные средства общения с компьютером. Но, в отличие от других языков, ассемблер не умирал, более того он не мог сделать этого в принципе. Почему? В поисках ответа попытаемся понять, что такое язык ассемблера вообще.
Если коротко, то язык ассемблера - это символическое представление машинного языка. Все процессы в машине на самом низком, аппаратном уровне приводятся в действие только командами (инструкциями) машинного языка. Отсюда понятно, что, несмотря на общее название, язык ассемблера для каждого типа компьютера свой. Это касается и внешнего вида программ, написанных на ассемблере, и идей, отражением которых этот язык является.
По-настоящему решить проблемы, связанные с аппаратурой (или даже, более того, зависящие от аппаратуры как, к примеру, повышение быстродействия программы), невозможно без знания ассемблера.
Программист или любой другой пользователь может использовать любые высокоуровневые средства, вплоть до программ построения виртуальных миров и, возможно, даже не подозревать, что на самом деле компьютер выполняет не команды языка, на котором написана его программа, а их трансформированное представление в форме скучной и унылой последовательности команд совсем другого языка - машинного. А теперь представим, что у такого пользователя возникла нестандартная проблема или просто что-то не заладилось. К примеру, его программа должна работать с некоторым необычным устройством или выполнять другие действия, требующие знания принципов работы аппаратуры компьютера. Каким бы умным ни был программист, каким бы хорошим ни был язык, на котором он написал свою чудную программу, без знания ассемблера ему не обойтись. И не случайно практически все компиляторы языков высокого уровня содержат средства связи своих модулей с модулями на ассемблере либо поддерживают выход на ассемблерный уровень программирования.
Конечно, время компьютерных универсалов уже прошло. Как говорится нельзя объять необъятное. Но есть нечто общее, своего рода фундамент, на котором строится любое серьезное компьютерное образование. Это знания о принципах работы компьютера, его архитектуре и языке ассемблера как отражении и воплощении этих знаний.
Типичный современный компьютер (на базе i486 или Pentium) состоит из следующих компонентов (рис. 1).
Рис. 1. Компьютер и периферийные устройства
Рис. 2. Структурная схема персонального компьютера
Из рисунка (рис 1) видно, что компьютер составлен из нескольких физических устройств, каждое из которых подключено к одному блоку, называемому системным. Если рассуждать логически, то ясно, что он играет роль некоторого координирующего устройства. Давайте заглянем внутрь системного блока (не нужно пытаться проникнуть внутрь монитора - там нет ничего интересного, к тому же это опасно): открываем корпус и видим какие-то платы, блоки, соединительные провода. Чтобы понять их функциональное назначение, посмотрим на структурную схему типичного компьютера (рис. 2). Она не претендует на безусловную точность и имеет целью лишь показать назначение, взаимосвязь и типовой состав элементов современного персонального компьютера.
Обсудим схему на рис. 2 в несколько нетрадиционном стиле.
Человеку свойственно, встречаясь с чем-то новым, искать какие-то ассоциации, которые могут помочь ему познать неизвестное. Какие ассоциации вызывает компьютер? У меня, к примеру, компьютер часто ассоциируется с самим человеком. Почему?
Человек создавая компьютер где то в глубине себя думал что создает что то похожее на себя самого. У компьютера есть органы восприятия информации из внешнего мира - это клавиатура, мышь, накопители на магнитных дисках. На рис. 2 эти органы расположены справа от системных шин. У компьютера есть органы “переваривающие” полученную информацию - это центральный процессор и оперативная память. И, наконец, у компьютера есть органы речи, выдающие результаты переработки. Это также некоторые из устройств справа.
Современным компьютерам, конечно, далеко до человека. Их можно сравнить с существами, взаимодействующими с внешним миром на уровне большого, но ограниченного набора безусловных рефлексов.
Этот набор рефлексов образует систему машинных команд. На каком бы высоком уровне вы не общались с компьютером, в конечном итоге все сводится к скучной и однообразной последовательности машинных команд.
Каждая машинная команда является своего рода раздражителем для возбуждения того или иного безусловного рефлекса. Реакция на этот раздражитель всегда однозначная и “зашита” в блоке микрокоманд в виде микропрограммы. Эта микропрограмма и реализует действия по реализации машинной команды, но уже на уровне сигналов, подаваемых на те или иные логические схемы компьютера, тем самым управляя различными подсистемами компьютера. В этом состоит так называемый принцип микропрограммного управления.
Продолжая аналогию с человеком, отметим: для того, чтобы компьютер правильно питался, придумано множество операционных систем, компиляторов сотен языков программирования и т. д. Но все они являются, по сути, лишь блюдом, на котором по определенным правилам доставляется пища (программы) желудку (компьютеру). Только желудок компьютера любит диетическую, однообразную пищу - подавай ему информацию структурированную, в виде строго организованных последовательностей нулей и единиц, комбинации которых и составляют машинный язык.
Таким образом, внешне являясь полиглотом, компьютер понимает только один язык - язык машинных команд. Конечно, для общения и работы с компьютером, необязательно знать этот язык, но практически любой профессиональный программист рано или поздно сталкивается с необходимостью его изучения. К счастью, программисту не нужно пытаться постичь значение различных комбинаций двоичных чисел, так как еще в 50-е годы программисты стали использовать для программирования символический аналог машинного языка, который назвали языком ассемблера. Этот язык точно отражает все особенности машинного языка. Именно поэтому, в отличие от языков высокого уровня, язык ассемблера для каждого типа компьютера свой.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что, так как язык ассемблера для компьютера “родной”, то и самая эффективная программа может быть написана только на нем (при условии, что ее пишет квалифицированный программист). Здесь есть одно маленькое “но”: это очень трудоемкий, требующий большого внимания и практического опыта процесс. Поэтому реально на ассемблере пишут в основном программы, которые должны обеспечить эффективную работу с аппаратной частью. Иногда на ассемблере пишутся критичные по времени выполнения или расходованию памяти участки программы. Впоследствии они оформляются в виде подпрограмм и совмещаются с кодом на языке высокого уровня.
К изучению языка ассемблера любого компьютера имеет смысл приступать только после выяснения того, какая часть компьютера оставлена видимой и доступной для программирования на этом языке. Это так называемая программная модель компьютера, частью которой является программная модель микропроцессора, которая содержит 32 регистра в той или иной мере доступных для использования программистом.
Данные регистры можно разделить на две большие группы:
^ 16 пользовательских регистров;
16 системных регистров.
В программах на языке ассемблера регистры используются очень интенсивно. Большинство регистров имеют определенное функциональное назначение.
Как следует из названия, пользовательскими регистры называются потому, что программист может использовать их при написании своих программ. К этим регистрам относятся (рис. 3):
Восемь 32-битных регистров, которые могут использоваться программистами для хранения данных и адресов (их еще называют регистрами общего назначения (РОН)):
шесть регистров сегментов: cs, ds, ss, es, fs, gs;
регистры состояния и управления:
Регистр флагов eflags/flags;
Регистр указателя команды eip/ip.
Рис. 3. Пользовательские регистры микропроцессоров i486 и Pentium
Почему многие из этих регистров приведены с наклонной разделительной чертой? Нет, это не разные регистры - это части одного большого 32-разрядного регистра. Их можно использовать в программе как отдельные объекты. Так сделано для обеспечения работоспособности программ, написанных для младших 16-разрядных моделей микропроцессоров фирмы Intel, начиная с i8086. Микропроцессоры i486 и Pentium имеют в основном 32-разрядные регистры. Их количество, за исключением сегментных регистров, такое же, как и у i8086, но размерность больше, что и отражено в их обозначениях - они имеют
приставку e (Extended).
^ Регистры общего назначения
Все регистры этой группы позволяют обращаться к своим “младшим” частям (см. рис. 3). Рассматривая этот рисунок, заметьте, что использовать для самостоятельной адресации можно только младшие 16 и 8-битные части этих регистров. Старшие 16 бит этих регистров как самостоятельные объекты недоступны. Это сделано, как мы отметили выше, для совместимости с младшими 16-разрядными моделями микропроцессоров фирмы Intel.
Перечислим регистры, относящиеся к группе регистров общего назначения. Так как эти регистры физически находятся в микропроцессоре внутри арифметико-логического устройства (АЛУ), то их еще называют регистрами АЛУ:
eax/ax/ah/al (Accumulator register) - аккумулятор.
Применяется для хранения промежуточных данных. В некоторых командах использование этого регистра обязательно;
ebx/bx/bh/bl (Base register) - базовый регистр.
Применяется для хранения базового адреса некоторого объекта в памяти;
ecx/cx/ch/cl (Count register) - регистр-счетчик.
Применяется в командах, производящих некоторые повторяющиеся действия. Его использование зачастую неявно и скрыто в алгоритме работы соответствующей команды.
К примеру, команда организации цикла loop кроме передачи управления команде, находящейся по некоторому адресу, анализирует и уменьшает на единицу значение регистра ecx/cx;
edx/dx/dh/dl (Data register) - регистр данных.
Так же, как и регистр eax/ax/ah/al, он хранит промежуточные данные. В некоторых командах его использование обязательно; для некоторых команд это происходит неявно.
Следующие два регистра используются для поддержки так называемых цепочечных операций, то есть операций, производящих последовательную обработку цепочек элементов, каждый из которых может иметь длину 32, 16 или 8 бит:
esi/si (Source Index register) - индекс источника.
Этот регистр в цепочечных операциях содержит текущий адрес элемента в цепочке-источнике;
edi/di (Destination Index register) - индекс приемника (получателя).
Этот регистр в цепочечных операциях содержит текущий адрес в цепочке-приемнике.
В архитектуре микропроцессора на программно-аппаратном уровне поддерживается такая структура данных, как стек. Для работы со стеком в системе команд микропроцессора есть специальные команды, а в программной модели микропроцессора для этого существуют специальные регистры:
esp/sp (Stack Pointer register) - регистр указателя стека.
Содержит указатель вершины стека в текущем сегменте стека.
ebp/bp (Base Pointer register) - регистр указателя базы кадра стека.
Предназначен для организации произвольного доступа к данным внутри стека.
Стеком называют область программы для временного хранения произвольных данных. Разумеется, данные можно сохранять и в сегменте данных, однако в этом случае для каждого сохраняемого на время данного надо заводить отдельную именованную ячейку памяти, что увеличивает размер программы и количество используемых имен. Удобство стека заключается в том, что его область используется многократно, причем сохранение в стеке данных и выборка их оттуда выполняется с помощью эффективных команд push и pop без указания каких-либо имен.
Стек традиционно используется, например, для сохранения содержимого регистров, используемых программой, перед вызовом подпрограммы, которая, в свою очередь, будет использовать регистры процессора "в своих личных целях". Исходное содержимое регистров изатекается из стека после возврата из подпрограммы. Другой распространенный прием - передача подпрограмме требуемых ею параметров через стек. Подпрограмма, зная, в каком порядке помещены в стек параметры, может забрать их оттуда и использовать при своем выполнении. Отличительной особенностью стека является своеобразный порядок выборки содержащихся в нем данных: в любой момент времени в стеке доступен только верхний элемент, т.е. элемент, загруженный в стек последним. Выгрузка из стека верхнего элемента делает доступным следующий элемент. Элементы стека располагаются в области памяти, отведенной под стек, начиная со дна стека (т.е. с его максимального адреса) по последовательно уменьшающимся адресам. Адрес верхнего, доступного элемента хранится в регистре-указателе стека SP. Как и любая другая область памяти программы, стек должен входить в какой-то сегмент или образовывать отдельный сегмент. В любом случае сегментный адрес этого сегмента помещается в сегментный регистр стека SS. Таким образом, пара регистров SS:SP описывают адрес доступной ячейки стека: в SS хранится сегментный адрес стека, а в SP - смещение последнего сохраненного в стеке данного (рис. 4, а). Обратитим внимание на то, что в исходном состоянии указатель стека SP указывает на ячейку, лежащую под дном стека и не входящую в него.
Рис 4. Организация стека: а - исходное состояние, б - после загрузки одного элемента (в данном примере - содержимого регистра АХ), в - после загрузки второго элемента (содержимого регистра DS), г - после выгрузки одного элемента, д - после выгрузки двух элементов и возврата в исходное состояние.
Загрузка в стек осуществляется специальной командой работы со стеком push (протолкнуть). Эта команда сначала уменьшает на 2 содержимое указателя стека, а затем помещает операнд по адресу в SP. Если, например, мы хотим временно сохранить в стеке содержимое регистра АХ, следует выполнить команду
Стек переходит в состояние, показанное на рис. 1.10, б. Видно, что указатель стека смещается на два байта вверх (в сторону меньших адресов) и по этому адресу записывается указанный в команде проталкивания операнд. Следующая команда загрузки в стек, например,
переведет стек в состояние, показанное на рис. 1.10, в. В стеке будут теперь храниться два элемента, причем доступным будет только верхний, на который указывает указатель стека SP. Если спустя какое-то время нам понадобилось восстановить исходное содержимое сохраненных в стеке регистров, мы должны выполнить команды выгрузки из стека pop (вытолкнуть):
pop DS
pop AX
Какого размера должен быть стек? Это зависит от того, насколько интенсивно он используется в программе. Если, например, планируется хранить в стеке массив объемом 10 000 байт, то стек должен быть не меньше этого размера. При этом надо иметь в виду, что в ряде случаев стек автоматически используется системой, в частности, при выполнении команды прерывания int 21h. По этой команде сначала процессор помещает в стек адрес возврата, а затем DOS отправляет туда же содержимое регистров и другую информацию, относящуюся к прерванной программе. Поэтому, даже если программа совсем не использует стек, он все же должен присутствовать в программе и иметь размер не менее нескольких десятков слов. В нашем первом примере мы отвели под стек 128 слов, что безусловно достаточно.
^ Структура программы на ассемблере
Программа на ассемблере представляет собой совокупность блоков памяти, называемых сегментами памяти. Программа может состоять из одного или нескольких таких блоков-сегментов. Каждый сегмент содержит совокупность предложений языка, каждое из которых занимает отдельную строку кода программы.
Предложения ассемблера бывают четырех типов:
команды или инструкции, представляющие собой символические аналоги машинных команд. В процессе трансляции инструкции ассемблера преобразуются в соответствующие команды системы команд микропроцессора;
макрокоманды - оформляемые определенным образом предложения текста программы, замещаемые во время трансляции другими предложениями;
директивы, являющиеся указанием транслятору ассемблера на выполнение некоторых действий. У директив нет аналогов в машинном представлении;
строки комментариев, содержащие любые символы, в том числе и буквы русского алфавита. Комментарии игнорируются транслятором.
^ Синтаксис ассемблера
Предложения, составляющие программу, могут представлять собой синтаксическую конструкцию, соответствующую команде, макрокоманде, директиве или комментарию. Для того чтобы транслятор ассемблера мог распознать их, они должны формироваться по определенным синтаксическим правилам. Для этого лучше всего использовать формальное описание синтаксиса языка наподобие правил грамматики. Наиболее распространенные способы подобного описания языка программирования - синтаксические диаграммы и расширенные формы Бэкуса-Наура. Для практического использования более удобны синтаксические диаграммы. К примеру, синтаксис предложений ассемблера можно описать с помощью синтаксических диаграмм, показанных на следующих рисунках.
Рис. 5. Формат предложения ассемблера
Рис. 6. Формат директив
Рис. 7. Формат команд и макрокоманд
На этих рисунках:
имя метки - идентификатор, значением которого является адрес первого байта того предложения исходного текста программы, которое он обозначает;
имя - идентификатор, отличающий данную директиву от других одноименных директив. В результате обработки ассемблером определенной директивы этому имени могут быть присвоены определенные характеристики;
код операции (КОП) и директива - это мнемонические обозначения соответствующей машинной команды, макрокоманды или директивы транслятора;
операнды - части команды, макрокоманды или директивы ассемблера, обозначающие объекты, над которыми производятся действия. Операнды ассемблера описываются выражениями с числовыми и текстовыми константами, метками и идентификаторами переменных с использованием знаков операций и некоторых зарезервированных слов.
^ Как использовать синтаксические диаграммы? Очень просто: для этого нужно всего лишь найти и затем пройти путь от входа диаграммы (слева) к ее выходу (направо). Если такой путь существует, то предложение или конструкция синтаксически правильны. Если такого пути нет, значит эту конструкцию компилятор не примет. При работе с синтаксическими диаграммами обратим внимание на направление обхода, указываемое стрелками, так как среди путей могут быть и такие, по которым можно идти справа налево. По сути, синтаксические диаграммы отражают логику работы транслятора при разборе входных предложений программы.
Допустимыми символами при написании текста программ являются:
Все латинские буквы: A-Z, a-z. При этом заглавные и строчные буквы считаются эквивалентными;
Цифры от 0 до 9;
Знаки?, @, $, _, &;
Разделители, . () < > { } + / * % ! " " ? \ = # ^.
Предложения ассемблера формируются из лексем, представляющих собой синтаксически неразделимые последовательности допустимых символов языка, имеющие смысл для транслятора.
Лексемами являются:
идентификаторы - последовательности допустимых символов, использующиеся для обозначения таких объектов программы, как коды операций, имена переменных и названия меток. Правило записи идентификаторов заключается в следующем: идентификатор может состоять из одного или нескольких символов. В качестве символов можно использовать буквы латинского алфавита, цифры и некоторые специальные знаки - _, ?, $, @. Идентификатор не может начинаться символом цифры. Длина идентификатора может быть до 255 символов, хотя транслятор воспринимает лишь первые 32, а остальные игнорирует. Регулировать длину возможных идентификаторов можно с использованием опции командной строки mv. Кроме этого существует возможность указать транслятору на то, чтобы он различал прописные и строчные буквы либо игнорировал их различие (что и делается по умолчанию).
^ Команды ассемблера.
Команды ассемблера раскрывают возможность передавать компьютеру свои требования, механизм передачи управления в программе (циклы и переходы) для логических сравнений и программной организации. Однако, программируемые задачи редко бывают так просты. Большинство программ содержат ряд циклов, в которых несколько команд повторяются до достижения определенного требования, и различные проверки, определяющие, какие из нескольких действий следует выполнять. Некоторые команды могут передавать управление, изменяя нормальную последовательность шагов непосредственной модификацией значения смещения в командном указателе. Как говорилось ранее, существуют различные команды для различных процессоров, мы же будем рассматривать ряд некоторых команд для процессоров 80186, 80286 и 80386.
Для описания состояния флагов после выполнения некоторой команды будем использовать выборку из таблицы, отражающей структуру регистра флагов eflags:
В нижней строке этой таблицы приводятся значения флагов после выполнения команды. При этом используются следующие обозначения:
1 - после выполнения команды флаг устанавливается (равен 1);
0 - после выполнения команды флаг сбрасывается (равен 0);
r - значение флага зависит от результата работы команды;
После выполнения команды флаг не определен;
пробел - после выполнения команды флаг не изменяется;
Для представления операндов в синтаксических диаграммах используются следующие обозначения:
r8, r16, r32 - операнд в одном из регистров размером байт, слово или двойное слово;
m8, m16, m32, m48 - операнд в памяти размером байт, слово, двойное слово или 48 бит;
i8, i16, i32 - непосредственный операнд размером байт, слово или двойное слово;
a8, a16, a32 - относительный адрес (смещение) в сегменте кода.
Команды (в алфавитном порядке):
*Данные команды описаны подробно.
ADD
(ADDition)
Сложение
^ Схема команды:
add приемник, источник
Назначение: сложение двух операндов источник и приемник размерностью байт, слово или двойное слово.
Алгоритм работы:
сложить операнды источник и приемник;
записать результат сложения в приемник;
установить флаги.
Состояние флагов после выполнения команды:
Применение:
Команда add используется для сложения двух целочисленных операндов. Результат сложения помещается по адресу первого операнда. Если результат сложения выходит за границы операнда приемник (возникает переполнение), то учесть эту ситуацию следует путем анализа флага cf и последующего возможного применения команды adc. Например, сложим значения в регистре ax и области памяти ch. При сложении следует учесть возможность переполнения.
Регистр плюс регистр или память:
|000000dw|modregr/rm|
Регистр AX (AL) плюс непосредственное значение:
|0000010w|--data--|data, если w=1|
Регистр или память плюс непосредственное значение:
|100000sw|mod000r/m|--data--|data, если BW=01|
CALL
(CALL)
Вызов процедуры или задачи
^ Схема команды:
Назначение:
передача управления близкой или дальней процедуре с запоминанием в стеке адреса точки возврата;
переключение задач.
Алгоритм работы:
определяется типом операнда:
Метка ближняя - в стек заносится содержимое указателя команд eip/ip и в этот же регистр загружается новое значение адреса, соответствующее метке;
Метка дальняя - в стек заносится содержимое указателя команд eip/ip и cs. Затем в эти же регистры загружаются новые значения адресов, соответствующие дальней метке;
R16, 32 или m16, 32 - определяют регистр или ячейку памяти, содержащие смещения в текущем сегменте команд, куда передается управление. При передаче управления в стек заносится содержимое указателя команд eip/ip;
Указатель на память - определяет ячейку памяти, содержащую 4 или 6-байтный указатель на вызываемую процедуру. Структура такого указателя 2+2 или 2+4 байта. Интерпретация такого указателя зависит от режима работы микропроцессора:
^ Состояние флагов после выполнения команды (кроме переключения задачи):
выполнение команды не влияет на флаги
При переключении задачи значения флажков изменяются в соответствии с информацией о регистре eflags в сегменте состояния TSS задачи, на которую производится переключение.
Применение:
Команда call позволяет организовать гибкую и многовариантную передачу управления на подпрограмму с сохранением адреса точки возврата.
О б ъ е к т н ы й к о д (четыре формата):
Прямая адресация в сегменте:
|11101000|disp-low|diep-high|
Косвенная адресация в сегменте:
|11111111|mod010r/m|
Косвенная адресация между сегментами:
|11111111|mod011r/m|
Прямая адресация между сегментами:
|10011010|offset-low|offset-high|seg-low|seg-high|
CMP
(CoMPare operands)
Сравнение операндов
^ Схема команды:
cmp операнд1,операнд2
Назначение: сравнение двух операндов.
Алгоритм работы:
выполнить вычитание (операнд1-операнд2);
в зависимости от результата установить флаги, операнд1 и операнд2 не изменять (то есть результат не запоминать).
Применение:
Данная команда используется для сравнения двух операндов методом вычитания, при этом операнды не изменяются. По результатам выполнения команды устанавливаются флаги. Команда cmp применяется с командами условного перехода и командой установки байта по значению setcc.
О б ъ е к т н ы й к о д (три формата):
Регистр или память с регистром:
|001110dw|modregr/m|
Непосредственное значение с регистром AX (AL):
|0011110w|--data--|data, если w=1|
Непосредственное значение с регистром или памятью:
|100000sw|mod111r/m|--data--|data, если sw=0|
DEC
(DECrement operand by 1)
Уменьшение операнда на единицу
^ Схема команды:
dec операнд
Назначение: уменьшение значения операнда в памяти или регистре на 1.
Алгоритм работы:
команда вычитает 1 из операнда. Состояние флагов после выполнения команды:
Применение:
Команда dec используется для уменьшения значения байта, слова, двойного слова в памяти или регистре на единицу. При этом заметьте то, что команда не воздействует на флаг cf.
Регистр: |01001reg|
^ Регистр или память: |1111111w|mod001r/m|
DIV
(DIVide unsigned)
Деление беззнаковое
Схема команды:
div делитель
Назначение: выполнение операции деления двух двоичных беззнаковых значений.
^ Алгоритм работы:
Для команды необходимо задание двух операндов - делимого и делителя. Делимое задается неявно и размер его зависит от размера делителя, который указывается в команде:
если делитель размером в байт, то делимое должно быть расположено в регистре ax. После операции частное помещается в al, а остаток - в ah;
если делитель размером в слово, то делимое должно быть расположено в паре регистров dx:ax, причем младшая часть делимого находится в ax. После операции частное помещается в ax, а остаток - в dx;
если делитель размером в двойное слово, то делимое должно быть расположено в паре регистров edx:eax, причем младшая часть делимого находится в eax. После операции частное помещается в eax, а остаток - в edx.
^ Состояние флагов после выполнения команды:
Применение:
Команда выполняет целочисленное деление операндов с выдачей результата деления в виде частного и остатка от деления. При выполнении операции деления возможно возникновение исключительной ситуации: 0 - ошибка деления. Эта ситуация возникает в одном из двух случаев: делитель равен 0 или частное слишком велико для его размещения в регистре eax/ax/al.
О б ъ е к т н ы й к о д:
|1111011w|mod110r/m|
INT
(INTerrupt)
Вызов подпрограммы обслуживания прерывания
^ Схема команды:
int номер_прерывания
Назначение: вызов подпрограммы обслуживания прерывания с номером прерывания, заданным операндом команды.
^ Алгоритм работы:
записать в стек регистр флагов eflags/flags и адрес возврата. При записи адреса возврата вначале записывается содержимое сегментного регистра cs, затем содержимое указателя команд eip/ip;
сбросить в ноль флаги if и tf;
передать управление на программу обработки прерывания с указанным номером. Механизм передачи управления зависит от режима работы микропроцессора.
^ Состояние флагов после выполнения команды:
Применение:
Как видно из синтаксиса, существуют две формы этой команды:
int 3 - имеет свой индивидуальный код операции 0cch и занимает один байт. Это обстоятельство делает ее очень удобной для использования в различных программных отладчиках для установки точек прерывания путем подмены первого байта любой команды. Микропроцессор, встречая в последовательности команд команду с кодом операции 0cch, вызывает программу обработки прерывания с номером вектора 3, которая служит для связи с программным отладчиком.
Вторая форма команды занимает два байта, имеет код операции 0cdh и позволяет инициировать вызов подпрограммы обработки прерывания с номером вектора в диапазоне 0–255. Особенности передачи управления, как было отмечено, зависят от режима работы микропроцессора.
О б ъ е к т н ы й к о д (два формата):
Регистр: |01000reg|
^ Регистр или память: |1111111w|mod000r/m|
JCC
JCXZ/JECXZ
(Jump if condition)
(Jump if CX=Zero/ Jump if ECX=Zero)
Переход, если выполнено условие
Переход, если CX/ECX равен нулю
^ Схема команды:
jcc метка
jcxz метка
jecxz метка
Назначение: переход внутри текущего сегмента команд в зависимости от некоторого условия.
^ Алгоритм работы команд (кроме jcxz/jecxz):
Проверка состояния флагов в зависимости от кода операции (оно отражает проверяемое условие):
если проверяемое условие истинно, то перейти к ячейке, обозначенной операндом;
если проверяемое условие ложно, то передать управление следующей команде.
Алгоритм работы команды jcxz/jecxz:
Проверка условия равенства нулю содержимого регистра ecx/cx:
если проверяемое услов
1. Архитектура ПК……………………………………………………………5
1.1. Регистры.
1.1.1 Регистры общего назначения.
1.1.2. Сегментные регистры
1.1.3 Регистр флагов
1.2. Организация памяти.
1.3. Представление данных.
1.3.1 Типы данных
1.3.2 Представление символов и строк
2. Операторы программы на ассемблере ……………………………………
Команды языка ассемблера
2.2. Режимы адресации и форматы машинных команд
3. Псевдооператоры ………………………………………………………….
3.1 Директивы определения данных
3.2 Структура программы на ассемблере
3.2.1 Программные сегменты. Директива assume
3.2.3 Упрощенная директива сегментации
4. Ассемблирование и компоновка программы ………………………….
5. Команды пересылки данных…………………………………………….
5.1 Команды общего назначения
5.2 Команды работы со стеком
5.3 Команды ввода-вывода
5.4 Команды пересылки адреса
5.5 Команды пересылки флагов
6. Арифметические команды ……………………………………………….
6.1 Арифметические операции над целыми двоичными числами
6.1.1 Сложение и вычитание
6.1.2 Команды приращения и уменьшения приемника на единицу
6.2 Умножение и деление
6.3 Изменение знака
7. Логические операции ………………………………………………….
8. Сдвиги и циклические сдвиги …………………………………………
9. Строковые операции …………………………………………………….
10. Логика и организация программ ………………………………………
10.1 Безусловные переходы
10.2 Условные переходы
10.4 Процедуры в языке ассемблера
10.5 Прерывания INT
10.6 Системное программное обеспечение
10.6.1.1 Чтение клавиатуры.
10.6.1.2 Вывод символов на экран
10.6.1.3 Завершение программ.
10.6.2.1 Выбор режимов дисплея
11. Дисковая память ……………………………………………………………..
11.2 Таблица распределения файлов
11.3 Операции ввода-вывода на диск
11.3.1 Запись файла на диск
11.3.1.1 Данные в формате ASCIIZ
11.3.1.2 Файловый номер
11.3.1.3 Создание дискового файла
11.3.2 Чтение дискового файла
Введение
Язык ассемблера - это символическое представление машинного языка. Все процессы в персональном компьютере (ПК) на самом низком, аппаратном уровне приводятся в действие только командами (инструкциями) машинного языка. По-настоящему решить проблемы, связанные с аппаратурой (или даже, более того, зависящие от аппаратуры как, к примеру, повышение быстродействия программы), невозможно без знания ассемблера.
Ассемблер представляет собой удобную форму команд непосредственно для компонент ПК и требует знание свойств и возможностей интегральной микросхемы, содержащей эти компоненты, а именно микропроцессора ПК. Таким образом, язык ассемблера непосредственно связан с внутренней организацией ПК. И не случайно практически все компиляторы языков высокого уровня поддерживают выход на ассемблерный уровень программирования.
Элементом подготовки программиста-профессионала обязательно является изучение ассемблера. Это связано с тем, что программирование на ассемблере требует знание архитектуры ПК, что позволяет создавать более эффективные программы на других языках и объединять их с программами на ассемблере.
В пособии рассматриваются вопросы программирования на языке ассемблера для компьютеров на базе микропрцессоров фирмы Intel.
Данное учебное пособие адресуется всем, кто интересуется архитектурой процессора и основам программирования на языке Ассемблер, в первую очередь, разработчикам программного продукта.
Архитектура ПК.
Архитектура ЭВМ – это абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию.
Все современные ЭВМ обладают некоторыми общими и индивидуальными свойствами архитектуры. Индивидуальные свойства присущи только конкретной модели компьютера.
Понятие архитектуры ЭВМ включает в себя:
структурную схему ЭВМ;
средства и способы доступа к элементам структурной схемы ЭВМ;
набор и доступность регистров;
организацию и способы адресации;
способ представления и формат данных ЭВМ;
набор машинных команд ЭВМ;
форматы машинных команд;
обработка прерываний.
Основные элементы аппаратных средств компьютера: системный блок, клавиатура, устройства отображения, дисководы, печатающие устройства (принтер) и различные средства связи. Системный блок состоит из системной платы, блока питания и ячеек расширения для дополнительных плат. На системной плате размещены микропроцессор, постоянная память (ROM), оперативная память (RAM) и сопроцессор.
Регистры.
Внутри микропроцессора информация содержится в группе из 32 регистров (16 пользовательских, 16 системных), в той или иной мере доступных для использования программистом. Так как пособие посвящено программированию для микропроцессора 8088-i486, то логичнее всего начать эту тему с обсуждения внутренних регистров микропроцессора, доступных для пользователя.
Пользовательские регистры используются программистом для написания программ. К этим регистрам относятся:
восемь 32-битных регистров (регистры общего назначения) EAX/AX/AH/AL, EBX/BX/BH/BL, ECX/CX/CH/CL, EDX/DX/DLH/DL, EBP/BP, ESI/SI, EDI/DI, ESP/SP;
шесть 16 -,битовых регистров сегментов: CS,DS, SS, ES, FS,GS;
регистры состояния и управления: регистр флагов EFLAGS/FLAGS, и регистр указателя команды EIP/IP.
Через наклонную черту приведены части одного 32-разрядного регистра. Приставка E (Extended) обозначает использование 32-разраядного регистра. Для работы с байтами используются регистры с приставками L (low) и H(high), например, AL,CH - обозначающие младший и старший байты 16-разрядных частей регистров.
Регистры общего назначения.
EAX/AX/AH/AL(Accumulator register) –аккумулятор . Используются при умножении и делении, в операциях ввода-вывода и в некоторых операциях над строками.
EBX/BX/BH/BL – базовый регистр (base register), часто используется при адресации данных в памяти.
ECX/CX/CH/CL – счетчик (count register), используется как счетчик числа повторений цикла.
EDX/DX/DH/DL –регистр данных (data register), используется для хранения промежуточных данных. В некоторых командах использование его обязательно.
Все регистры этой группы позволяют обращаться к своим «младшим» частям. Использование для самостоятельной адресации можно только младшие 16- и 8-битовые части этих регистров. Старшие 16 бит этих регистров как самостоятельные объекты недоступны.
Для поддержки команд обработки строк, позволяющих производить последовательную обработку цепочек элементов имеющих длину 32, 16 или 8 бит используются:
ESI/SI (source index register) – индекс источника . Содержит адрес текущего элемента источника.
EDI/DI (distination index register) – индекс приемника (получателя). Содержит текущий адрес в строке приемнике.
В архитектуре микропрцессора на программно-аппаратном уровне поддерживается структура данных – стек. Для работы со стеком есть специальные команды и специальные регистры. Следует отметить, что стек заполняется в сторону меньших адресов.
ESP/SP (stack poINTer register) –регистр указателя стека . Содержит указатель вершины стека в текущем сегменте стека.
EBP/BP (base poINTer register) –регистр указателя базы стека . Предназначен для организации произвольного доступа к данным внутри стека.
1.1.2. Сегментные регистры
В программной модели микропроцессора имеются шесть сегментных регистров: CS, SS, DS, ES, GS, FS. Их существование обусловлено спецификой организации и использования оперативной памяти микропроцессорами Intel. Микропроцессор аппаратно поддерживает структурную организацию программы состоящей из сегментов. Для указания сегментов доступных в данный момент предназначены сегментные регистры. Микропроцессор поддерживает следующие типы сегментов:
Сегмент кода. Содержит команды программы Для доступа к этому сегменту служит регистр CS (code segment register) – сегментный регистр кода . Он содержит адрес сегмента с машинными командами, к которому имеет доступ микропроцессор.
Сегмент данных. Содержит обрабатываемые программой данные. Для доступа к этому сегменту служит регистр DS (data segment register) – сегментный регистр данных , который хранит адрес сегмента данных текущей программы.
Сегмент стека. Этот сегмент представляет собой область памяти, называемую стеком. Микропроцессор организует стек по принципу – первый «пришел», первый «ушел». Для доступа к стеку служит регистр SS (stack segment register) – сегментный регистр стека , содержащий адрес сегмента стека.
Дополнительный сегмент данных. Обрабатываемые данные могут находиться еще в трех дополнительных сегментах данных. По умолчанию предполагается, что данные находятся в сегменте данных. При использовании дополнительных сегментов данных их адреса требуется указать явно с помощью специальных префиксов переопределения сегментов в команде. Адреса дополнительных сегментов данных должны содержаться в регистрах ES, GS, FS (extenSIon data segment registers).
Регистры управления и состояния
Микропроцессор содержит несколько регистров, которые содержат информацию о состоянии, как самого микропроцессора, так и программы, команды которой в данный момент загружены в конвейер. Это:
Регистр указателя команд EIP/IP;
регистр флагов EFLAGS/FLAGS.
Используя эти регистры, можно получать информацию о результатах выполнения команд и влиять на состояние самого микропроцессора.
EIP/IP (instruction poINTer register) –указатель команд . Регистр EIP/IP имеет разрядность 32 или 16 бит и содержит смещение следующей выполняемой команды относительно содержимого сегментного регистра CS в текущем сегменте команд. Этот регистр непосредственно недоступен, но изменение его производится командами перехода.
EFLAGS/FLAGS (Flag register) – регистр флагов . Разрядность 32/16 бит. Отдельные биты данного регистра имеют определенное функциональное назначение и называются флагами. Флаг - это бит, принимающий значение 1 ("флаг установлен"), если выполнено некоторое условие, и значение 0 ("флаг сброшен") в противном случае. Младшая часть этого регистра полностью аналогична регистру FLAGS для i8086.
1.1.3 Регистр флагов
Регистр флагов является 32-разрядным, имеет имя EFLAGS (рис.1). Отдельные биты регистра имеют определенное функциональное назначение и называются флагами. Каждому из них присвоено определенное имя (ZF, CF и т.д). Младшие 16 бит EFLAGS представляют 16-разрядный регистр флагов FLAGS, используемый при выполнении программ, написанных для микропроцессора i086 и i286.
Рис.1 Регистр флагов
Некоторые флаги принято называть флагами условий; они автоматически меняются при выполнении команд и фиксируют те или иные свойства их результата (например, равен ли он нулю). Другие флаги называются флагами состояний; они меняются из программы и оказывают влияние на дальнейшее поведение процессора (например, блокируют прерывания).
Флаги условий:
CF (carry flag) - флаг переноса . Принимает значение 1, если при сложении целых чисел появилась единица переноса, не "влезающая" в разрядную сетку, или если при вычитании чисел без знака первое из них было меньше второго. В командах сдвига в CF заносится бит, вышедший за разрядную сетку. CF фиксирует также особенности команды умножения.
OF (overflow flag) - флаг переполнения . Устанавливается в 1, если при сложении или вычитании целых чисел со знаком получился результат, по модулю превосходящий допустимую величину (произошло переполнение мантиссы и она "залезла" в знаковый разряд).
ZF (zero flag) - флаг нуля . Устанавливается в 1, если результат команды оказался равным 0.
SF (SIgn flag) - флаг знака . Устанавливается в 1, если в операции над знаковыми числами получился отрицательный результат.
PF (parity flag) - флаг четности . Равен 1, если результат очередной команды содержит четное количество двоичных единиц. Учитывается обычно только при операциях ввода-вывода.
AF (auxiliary carry flag) - флаг дополнительного переноса . Фиксирует особенности выполнения операций над двоично-десятичными числами.
Флаги состояний:
DF (direction flag) - флаг направления . Устанавливает направление просмотра строк в строковых командах: при DF=0 строки просматриваются "вперед" (от начала к концу), при DF=1 - в обратном направлении.
IOPL (input/output privilege level) – уровень привилегий ввода-вывода. Используется в защищенном режиме работы микропроцессора, для контроля доступа к командам ввода-вывода, в зависимости от привилегированности задачи.
NT (nested task) – флаг вложенности задачи. Используется в защищенном режиме работы микропроцессора для фиксации того факта, что одна задача вложена в другую.
Системные флаг:
IF (INTerrupt flag) - флаг прерываний . При IF=0 процессор перестает реагировать на поступающие к нему прерывания, при IF=1 блокировка прерываний снимается.
TF (trap flag) - флаг трассировки . При TF=1 после выполнения каждой команды процессор делает прерывание (с номером 1), чем можно воспользоваться при отладке программы для ее трассировки.
RF (resume flag) – флаг возобновления . Используется при обработке прерываний от регистров отладки.
VM (virtuAL 8086 mode) – флаг виртуального 8086. 1-процессор работает в режиме виртуального 8086. 0- процессор работает в реальном или защищенном режиме.
AC (ALignment check) –флаг контроля выравнивания. Предназначен для разрешения контроля выравнивания при обращении к памяти.
Организация памяти.
Физическая память, к которой микропроцессор имеет доступ, называется оперативной памятью (или оперативным запоминающим устройством - ОЗУ). ОЗУ представляет собой цепочку байтов, имеющих свой уникальный адрес (его номер), называемый физическим. Диапазон значений физических адресов от 0 до 4 Гбайт. Механизм управления памятью полностью аппаратный.
Микропроцессор аппаратно поддерживает несколько моделей использования оперативной памяти:
сегментированную модель . В этой модели память для программ делится на непрерывные области памяти (сегменты), а сама программа может обращаться только к данным, которые находятся в этих сегментах;
страничную модель . В этом случае оперативная память рассматривается как совокупность блоков фиксированного размера 4 Кбайта. Основное применение этой модели связано с организацией виртуальной памяти, что позволяет использовать для работы программ пространство памяти большее, чем объем физической памяти. Для микропроцессора Pentium размер возможной виртуальной памяти может достигать 4 Тбайта.
Использование и реализация этих моделей зависит от режима работы микропроцессора:
Режим реальных адресов (реальный режим). Режим аналогичный работе i8086 процессора. Необходим для функционирования программ, разработанных для ранних моделей процессоров.
Защищенный режим. В защищенном режиме появляется возможность многозадачной обработки информации, защиты памяти с помощью четырехуровнего механизма привилегий и ее страничной организации.
Режим виртуального 8086. В этом режиме появляется возможность работы нескольких программ для i8086. При этом возможна работа программ реального режима.
Сегментация – механизм адресации, обеспечивающий существование нескольких независимых адресных пространств. Сегмент представляет собой независимый, поддерживаемый на аппаратном уровне блок памяти.
Каждая программа в общем случае может состоять из любого количества сегментов, но непосредственный доступ она имеет к трем основным: кода, данных и стека – и от одного до трех дополнительных сегментов данных. Операционная система размещает сегменты программы в оперативной памяти по определенным физическим адресам, после чего помещает значения этих адресов в соответствующие регистры. Внутри сегмента программа обращается к адресам относительно начала сегмента линейно, то есть начиная с адреса 0 и заканчивая адресом, равным размеру сегмента. Относительный адрес или смещение, который микропроцессор использует для доступа к данным внутри сегмента, называется эффективным.
Формирование физического адреса в реальном режиме
В реальном режиме диапазон изменения физического адреса от 0 до 1 Мбайт. Максимальный размер сегмента 64 Кбайт. При обращении к конкретному физическому адресу оперативной памяти определяется адрес начала сегмента и смещение внутри сегмента. Адрес начала сегмента берется из соответствующего сегментного регистра. При этом в сегментном регистре содержатся только старшие 16 бит физического адреса начала сегмента. Недостающие младшие четыре бита 20-битного адреса получаются сдвигом значения сегментного регистра влево на 4 разряда. Операция сдвига выполняется аппаратно. Полученное 20-битное значение и является настоящим физическим адресом, соответствующим началу сегмента. То есть физический адрес задается как пара "сегмент:смещение",где "сегмент" (segment) - это первые16 битов начального адресасегмента памяти, которому принадлежитячейка, а "смещение" - 16-битовый адрес этой ячейки, отсчитанный от начала данного сегмента памяти (величина 16*сегмент+смещение дает абсолютный адрес ячейки). Если, например, в регистре CS хранится величина 1234h, тогда адресная пара 1234h:507h определяет абсолютный адрес, равный 16*1234h+507h =12340h+507h = 12847h. Такая пара записывается в виде двойного слова, причем (как и для чисел) в "перевернутом" виде: в первом слове размещается смещение, а вовтором - сегмент, причем каждое из этих словв свою очередь представлено в "перевернутом"виде. Например, пара 1234h:5678h будет записана так:| 78 | 56| 34 | 12|.
Данный механизм образования физического адреса позволяет сделать программное обеспечение перемещаемым, то есть не зависящим от конкретных адресов загрузки его в оперативной памяти.
Программирование на уровне машинных команд - это тот минимальный уровень, на котором возможно составление программ. Система машинных команд должна быть достаточной для того, чтобы реализовать требуемые действия, выдавая указания аппаратуре вычислительной машины.
Каждая машинная команда состоит из двух частей:
- операционной — определяющей, «что делать»;
- операндной — определяющей объекты обработки, «с чем делать».
Машинная команда микропроцессора, записанная на языке ассемблера, представляет собой одну строку, имеющую следующий синтакический вид:
метка команда/директива операнд(ы) ;комментарии
При этом обязательным полем в строке является команда или директива.
Метка, команда/директива и операнды (если имеются) разделяются по крайней мере одним символом пробела или табуляции.
Если команду или директиву необходимо продолжить на следующей строке, то используется символ обратный слеш: \.
По умолчанию язык ассемблера не различает заглавные и строчные буквы в написании команд или директив.
Примеры строк кода:
Count db 1 ;Имя, директива, один операнд
mov eax,0 ;Команда, два операнда
cbw ; Команда
Метки
Метка в языке ассемблера может содержать следующие символы:
- все буквы латинского алфавита;
- цифры от 0 до 9;
- спецсимволы: _, @, $, ?.
В качестве первого символа метки может использоваться точка, но некоторые компиляторы не рекомендуют применять этот знак. В качестве меток нельзя использовать зарезервированные имена Ассемблера (директивы, операторы, имена команд).
Первым символом в метке должна быть буква или спецсимвол (но не цифра). Максимальная длина метки – 31 символ. Все метки, которые записываются в строке, не содержащей директиву ассемблера, должны заканчиваться двоеточием: .
Команды
Команда указывает транслятору, какое действие должен выполнить микропроцессор. В сегменте данных команда (или директива) определяет поле, рабочую область или константу. В сегменте кода команда определяет действие, например, пересылка (mov) или сложение (add).
Директивы
Ассемблер имеет ряд операторов, которые позволяют управлять процессом ассемблирования и формирования листинга. Эти операторы называются директивами . Они действуют только в процессе ассемблирования программы и, в отличие от команд, не генерируют машинных кодов.
Операнды
Операнд
– объект, над которым выполняется машинная команда или оператор языка программирования.
Команда может иметь один или два операнда, или вообще не иметь операндов. Число операндов неявно задается кодом команды.
Примеры:
- Нет операндов ret ;Вернуться
- Один операнд inc ecx ;Увеличить ecx
- Два операнда add eax,12 ;Прибавить 12 к eax
Метка, команда (директива) и операнд не обязательно должны начинаться с какой-либо определенной позиции в строке. Однако рекомендуется записывать их в колонку для большего удобства чтения программы.
В качестве операндов могут выступать
- идентификаторы;
- цепочки символов, заключенных в одинарные или двойные кавычки;
- целые числа в двоичной, восьмеричной, десятичной или шестнадцатеричной системе счисления.
Идентификаторы
Идентификаторы – последовательности допустимых символов, использующиеся для обозначения таких объектов программы, как коды операций, имена переменных и названия меток.
Правила записи идентификаторов.
- Идентификатор может состоять из одного или нескольких символов.
- В качестве символов можно использовать буквы латинского алфавита, цифры и некоторые специальные знаки: _, ?, $, @.
- Идентификатор не может начинаться символом цифры.
- Длина идентификатора может быть до 255 символов.
- Транслятор воспринимает первые 32 символа идентификатора, а остальные игнорирует.
Комментарии
Комментарии отделяются от исполняемой строки символом; . При этом все, что записано после символа точка с запятой и до конца строки, является комментарием. Использование комментариев в программе улучшает ее ясность, особенно там, где назначение набора команд непонятно. Комментарий может содержать любые печатные символы, включая пробел. Комментарий может занимать всю строку или следовать за командой на той же строке.
Структура программы на ассемблере
Программа, написанная на языке ассемблера, может состоять из нескольких частей, называемых модулями . В каждом модуле могут быть определены один или несколько сегментов данных, стека и кода. Любая законченная программа на ассемблере должна включать один главный, или основной, модуль, с которого начинается ее выполнение. Модуль может содержать сегменты кода, сегменты данных и стека, объявленные при помощи соответствующих директив. Перед объявлением сегментов нужно указать модель памяти при помощи директивы.MODEL.
Пример «ничего не делающей» программы на языке ассемблера:
686P
.MODEL FLAT, STDCALL
.DATA
.CODE
START:
RET
END START
В данной программе представлена всего одна команда микропроцессора. Эта команда RET
. Она обеспечивает правильное окончание работы программы. В общем случае эта команда используется для выхода из процедуры.
Остальная часть программы относится к работе транслятора.
.686P
— разрешены команды защищенного режима Pentium 6 (Pentium II). Данная директива выбирает поддерживаемый набор команд ассемблера, указывая модель процессора. Буква P, указанная в конце директивы, сообщает транслятору о работе процессора в защищенном режиме.
.MODEL FLAT, stdcall
— плоская модель памяти. Эта модель памяти используется в операционной системе Windows. stdcall
.DATA
— сегмент программы, содержащий данные.
.CODE
— блок программы, содержащей код.
START
— метка. В ассемблере метки играют большую роль, что не скажешь о современных языках высокого уровня.
END START
— конец программы и сообщение транслятору, что начинать выполнение программы надо с метки START
.
Каждый модуль должен содержать директиву END
, отмечающую конец исходного кода программы. Все строки, которые следуют за директивой END
, игнорируются. Если опустить директиву END
, то генерируется ошибка.
Метка, указанная после директивы END
, сообщает транслятору имя главного модуля, с которого начинается выполнение программы. Если программа содержит один модуль, метку после директивы END
можно не указывать.
