Методы адресации
В машинах с регистрами общего назначения метод (или режим) адресации объектов, с которыми манипулирует команда, может задавать константу, регистр или ячейку памяти. Для обращения к ячейке памяти процессор прежде всего должен вычислить действительный или эффективный адрес памяти, который определяется заданным в команде методом адресации.
Система команд 32-разрядных процессоров предусматривает 11 режимов адресации. При этом только в двух случаях операнды не связаны с памятью. Это операнд-содержимое регистра, которое берется из любого 8-, 16- или 32-битного регистра процессора, и непосредственный операнд (8, 16 или 32 бит), который содержится в самой команде. Остальные девять режимов так или иначе обращаются к памяти.
При обращении к памяти эффективный адрес вычисляется с использованием следующих компонентов.
• Смещение (Displacement или Disp) – 8-, 16- или 32-битное число, включенное в команду.
• База (Base) – содержимое базового регистра. Обычно используется для указания на начало некоторого массива.
• Индекс (Index) – содержимое индексного регистра. Обычно используется для выбора элемента массива.
• Масштаб (Scale) – множитель (1, 2, 4 или 8), указанный в коде инструкции. Этот элемент используется для указания размера элемента массива, доступен только при 32-битной адресации.
Эффективный адрес вычисляется по формуле:
EA=Base + Index Scale + Disp.
Отдельные слагаемые в этой формуле могут отсутствовать. Возможные режимы адресации приведены ниже:
Использование сложных методов адресации позволяет существенно сократить количество команд в программе, но при этом значительно увеличивается сложность аппаратуры. Важным вопросом построения любой системы команд является оптимальное кодирование команд. Оно определяется количеством регистров и применяемых методов адресации, а также сложностью аппаратуры, необходимой для декодирования. Именно поэтому в современных RISC архитектурах используются достаточно простые методы адресации, позволяющие резко упростить декодирование команд. Более сложные и редко встречающиеся в реальных программах методы адресации реализуются с помощью дополнительных команд, что приводит к увеличению размера программного кода. Однако такое увеличение длины программы с лихвой окупается возможностью простого увеличения тактовой частоты RISC-процессоров.
Типы команд
Команды 32-разрядных процессоров содержат одно- или двухбайтный код инструкции, за которым могут следовать несколько байт, определяющих режим исполнения команды, и операнды. Команды могут использовать до трех операндов (или ни одного). Операнды могут находиться в памяти, регистрах процессора или непосредственно в команде. Для 32-разрядных процессоров разрядность слова (word) по умолчанию может составлять 32 бит. Это распространяется на многие инструкции, включая и строковые. В реальном режиме и режиме виртуального процессора 8086 по умолчанию используется 16-битная адресация и 16-битные операнды-слова. В защищенном режиме режим адресации и разрядность слова по умолчанию определяются дескриптором кодового сегмента. Перед любой инструкцией может быть использован префикс переключения разрядности адреса или слова.
В системе команд насчитывается несколько сотен инструкций, которые можно группировать по разным признакам. Для удобства здесь все инструкции сгруппированы по функциональной общности.
1.Инструкции пересылки данных позволяют передавать константы или переменные между регистрами и памятью, а также портами ввода/вывода в различных комбинациях, но в памяти может находиться не более одного операнда. В эту группу отнесены и инструкции преобразования форматов – расширений и перестановки байт. Операции со стеком выполняются словами с разрядностью, определяемой текущим режимом.
2.Инструкции двоичной арифметики выполняют все арифметические действия с байтами, словами и двойными словами, кодирующими знаковые или беззнаковые целые числа.
3.Инструкции десятичной арифметики являются дополнением к предыдущим. Они позволяют оперировать с неупакованными (биты 7–4 равны нулю, биты 3–0 содержат десятичную цифру 0–9) или упакованными (биты 7–4 содержат старшую, биты 3–0 – младшую десятичную цифру 0–9) двоично-десятичными числами. Арифметические операции над этими числами требуют применения инструкций коррекции форматов.
4.Инструкции логических операций выполняют все функции булевой алгебры над байтами, словами или двойными словами.
5.Сдвиги и вращения (циклические сдвиги) выполняются над регистром или операндом в памяти. При сдвигах влево и простом сдвиге вправо освобождающиеся биты заполняются нулями. При арифметическом сдвиге вправо старший бит (знак) сохраняет свое значение. При циклических сдвигах выталкиваемые биты попадают в освобождающиеся позиции.
6.Инструкции обработки бит и байт позволяют проверять и устанавливать значение указанного операнда, а также искать установленный бит. Битовые операции выполняются над 16- или 32-битными словами. Инструкция тестирования может выполняться над байтом, словом или двойным словом.
7.Передача управления осуществляется с помощью инструкций безусловных и условных переходов, вызовов процедур и прерываний (исключений). Безусловный переход (JMP) может быть как внутрисегментным (ближним или коротким), так и межсегментным (дальним). Адрес перехода может непосредственно указываться в команде, а при косвенной адресации он находится в регистре или памяти и может иметь дополнительные слагаемые. Короткий переход (short) может передавать управление только на адрес назначения, удаленный от текущего в пределах -128...+127 байт, ближний (near) – в пределах сегмента. При дальнем (far) переходе адрес назначения (непосредственный или косвенный) включает новое значение указателя инструкций и значение (или селектор) сегмента кода, обеспечивая доступ к любой точке памяти (в пределах, разрешенных защитой).
Условные переходы в 8086 и 80286 возможны только короткие (8-байтное смещение), процессоры 386+ допускают переход в пределах 16- или 32-байтного смещения, в зависимости от режима адресации.
Инструкция вызова процедуры сохраняет адрес следующей за ней инструкции в стеке и передает управление в заданную точку.
8.Строковые операции выполняются с операндами в памяти. Операции могут использоваться с префиксами условного или безусловного повтора. Строковые инструкции ввода/вывода с префиксами повтора позволяют достигать высоких скоростей обмена с портами при условии полной загрузки процессора.
9.Операции с флагами позволяют изменять значения отдельных флагов, а также сохранять их значение в стеке и восстанавливать сохраненные значения.
10.Инструкции загрузки указателей позволяют загружать дальние указатели из памяти в регистр общего назначения и соответствующий сегментный регистр.
11.К системным инструкциям относятся инструкции управления защитой – загрузки и сохранения регистров дескрипторов и регистра задачи; проверки и выравнивания привилегий; обмена с управляющими, отладочными и модельно-специфическими (включая тестовые) регистрами; управления кэшированием, захвата шины и остановки процессора. Для прикладных программ использование этих инструкций нехарактерно.
Типы и размеры операндов
Имеется два альтернативных метода определения типа операнда. В первом из них тип операнда может задаваться кодом операции в команде. Это наиболее употребительный способ задания типа операнда. Второй метод предполагает указание типа операнда с помощью тега, который хранится вместе с данными и интерпретируется аппаратурой во время выполнения операций над данными. Этот метод в настоящее время практически не применяется и все современные процессоры пользуются первым методом.
Обычно тип операнда (например, целый, вещественный с одинарной точностью или символ) определяет и его размер. Однако часто процессоры работают с целыми числами длиною 8, 16, 32 или 64 бит. Как правило, целые числа представляются в дополнительном коде. Для задания символов (1 байт = 8 бит) в машинах компании IBM используется код EBCDIC, но в машинах других производителей почти повсеместно применяется кодировка ASCII. Еще до сравнительно недавнего времени каждый производитель процессоров пользовался своим собственным представлением вещественных чисел (чисел с плавающей точкой). Однако за последние несколько лет ситуация изменилась. Большинство поставщиков процессоров в настоящее время для представления вещественных чисел с одинарной и двойной точностью придерживаются стандарта IEEE 754.
В некоторых процессорах используются двоично-кодированные десятичные числа, которые представляются в упакованном и неупакованном форматах. Упакованный формат предполагает, что для кодирования цифр 0–9 используются 4 разряда и что две десятичные цифры упаковываются в каждый байт. В неупакованном формате байт содержит одну десятичную цифру, которая обычно изображается в символьном коде ASCII.
В большинстве процессоров, кроме того, реализуются операции над цепочками (строками) бит, байт, слов и двойных слов.
