Регистры общего назначения

 

Восемь регистров общего назначения (РОН) процессора 8086 (каждый разрядностью 16 бит) используются в операциях большинства инструкций в качестве источника или приемника при перемещении данных и вычислениях, указателей на ячейки памяти и счетчиков. Доступ к регистрам процессора осуществляется намного быстрее, чем к ячейкам памяти, поэтому использование регистров заметно уменьшает время выполнения программы.

Разрядность регистра – количество битов, которые может хранить регистр.

Каждый регистр общего назначения может использоваться для хранения 16-битового значения, в арифметических и логических операциях, при выполнении обмена между регистром и памятью (запись из регистра в память и наоборот). Кроме этих общих свойств, каждый регистр общего назначения имеет свои особенности. Поэтому рассмотрим далее каждый из них отдельно.

Регистр AX называют также накопителем (аккумулятором). Этот регистр всегда используется в операциях умножения или деления и является также одним из тех регистров, который можно использовать для наиболее эффективных операций (арифметических, логических или операций перемещения данных). Младшие 8 битов регистра AX называются также регистром AL (Low), а старшие 8 битов - регистром AH (High). Это может оказаться удобным при работе с данными размером в байт. Таким образом, регистр AX можно использовать, как два отдельных регистра.

Регистр BX может использоваться для ссылки на ячейку памяти (указатель), т.е. 16-битовое значение, записанное в BX, может использоваться в качестве части адреса ячейки памяти, к которой производится обращение. По умолчанию, когда BX используется в качестве указателя на ячейку памяти, он ссылается на нее относительно сегментного регистра DS. Регистр BX может интерпретироваться, как два восьмибитовых регистра - BH и BL.

Специализация регистра CX - использование в качестве счетчика при выполнении циклов. Уменьшение значения счетчика и цикл - это часто используемый элемент программы, поэтому в процессоре 8086 используется специальная команда для того, чтобы циклы выполнялись быстрее и были более компактными. Эта команда называется LOOP. Инструкция LOOP вычитает 1 из CX и выполняет переход, если содержимое регистра CX не равно 0. Регистр CX можно интерпре­тировать, как два 8-разрядных регистра - CH и CL.

Регистр DX - это единственный регистр, который может исполь­зоваться в качестве указателя адреса ввода-вывода в командах IN и OUT. Фактически, кроме использования регистра DX нет другого способа адресоваться к портам ввода-вывода с 256 по 65535.

Другие уникальные качества регистра DX относятся к операциям деления и умножения. Когда вы делите 32-битовое делимое на 16-битовый делитель, старшие 16 битов делимого должны быть помещены в регистр DX (младшие 16 битов делимого должны быть помещены в регистр AX). После выполнения деления остаток также сохраняется в регистре DX (частное от деления будет записано в AX). Аналогично, когда вы перемножаете два 16-битовых сомножителя, старшие 16 битов произведения сохраняются в DX (младшие 16 битов записываются в регистр AX). Регистр DX можно интерпретировать как два 8-разрядных регистра - DH и DL.

Как и регистр BX, регистр SI может использоваться как указатель на ячейку памяти. Особенно полезно использовать регистр SI для ссылки на память в строковых командах процессора 8086, которые не только изменяют содержимое по адресу памяти, на который указывает SI, но к SI также добавляется или вычитается 1. Это может оказаться очень эффективным при организации доступа к последовательным ячейкам памяти (например, к строке текста). Кроме того, можно сделать так, что строковые команды будут автоматически определенное число раз повторять свои действия, так что отдельная команда может выполнить сотни, а иногда и тысячи действий.

Регистр DI очень похож на регистр SI в том плане, что его можно использовать в качестве указателя ячейки памяти. При использовании его в строковых командах регистр DI несколько отличается от регистра SI. В то время как SI всегда используется в строковых командах как указатель на исходную ячейку памяти (источник), DI всегда служит указателем на целевую ячейку памяти (приемник). Кроме того, в строковых командах регистр SI обычно адресуется к памяти относительно сегментного регистра DS, в то время как DI всегда адресуется к памяти относительно сегментного регистра ES. Когда SI и DI используются в качестве указателей на ячейки памяти в других командах (не строковых), то они всегда адресуются к памяти относительно регистра DS.

Как и регистры BX, SI и DI, регистр BP, называемый базовым регистром, также может использоваться в качестве указателя на ячейку памяти, но здесь есть некоторые отличия. Регистры BX, SI и DI обычно ссылаются на память относительно сегментного регистра DS (или, в случае использования в строковых командах регистра DI, относительно сегментного регистра ES), а регистр BP адресуется к памяти относительно регистра SS (сегментный регистр стека). Регистр BP создан для обеспечения работы с параметрами процедур, локальными пере­менными и в других случаях, когда требуется адресация к памяти с использованием стека.

Регистр SP называется также указателем стека. Это «наименее общий» из регистров общего назначения, поскольку он практически всегда используется для специальной цели - обеспечения стека.

Стек – часть памяти ОЗУ компьютера, которая предназначена для временного хранения байтов, используемых микропроцессором.

В стеке используется порядок запоминания байтов – «первый вошел – последний вышел». То есть последнее сохраненное в стеке значение будет первым значением, которое вы получите при чтении из стека.

Регистр SP в каждый момент времени указывает на вершину стека. Вершина стека - это то место, в котором в стеке сохраняется следующее помещенное туда значение. Действие, состоящее в занесении значений в стек, называют также «заталкиванием» (pushing) в стек (для этого используется команда PUSH). Аналогично, действие, состоящее в извлечении (выборке) значений из стека, называют также «вытал­киванием» (popping) из стека (для этого используется команда POP).

Хотя процессор 8086 и позволяет записывать значения в SP или складывать и вычитать хранящиеся в регистре SP значения (как это можно делать с обычными регистрами общего назначения), вам не следует к этому прибегать, если вы в точности не знаете, что делаете. Если вы изменяете SP, то изменяется расположение вершины стека, что быстро может привести к неприятностям, так как занесение данных в стек и извлечение их из него не является единственным способом использования стека. Стек используется всякий раз, когда вы вызываете или возвращаетесь из подпрограммы (процедуры или функции). Кроме того, стек используют некоторые системные программы (такие, как драйвер клавиатуры или системный таймер), когда они прерывают процессор 8086, чтобы выполнить свои функции. Все это означает, что стек может в любой момент потребоваться. Если вы измените SP, то правильное значение стека может оказаться недоступным, когда он потребуется системным программам. Можно свободно выполнять операции занесения в стек и извлечения из него, вызовы и возвраты управления, но не следует изменять значения регистра SP непо­средственно. Любой из других семи регистров общего назначения можно изменять в любой момент.

В 32-разрядных процессорах все регистры расширены до 32 бит и к прежнему обозна­чению их имен добавилась приставка Е (Extended – расширенный). Отсутствие приставки в имени означает ссылку на младшие 16 бит расширенных регистров. Инструкции, которые прежде адресовались к 16-разрядным регистрам, теперь могут адресоваться и к 32-разрядным расширенным при том же коде операции. Как и в 8086, возможно независимое обращение к младшему и старшему байтам регистров АХ, BX, CX и DX.

 

Указатель команд

 

В регистре IP (указатель команд) содержится адрес команды, которая должна быть выполнена следующей. Когда выполняется одна команда, указатель команд перемещается таким образом, чтобы указывать на адрес памяти, по которому хранится следующая команда. Обычно следующей выполняемой командой является команда, хранимая по следующему адресу памяти, но некоторые команды, такие как вызовы или переходы, могут привести к тому, что в указатель команд будет загружено новое значение. Таким образом будет выполнен переход на другой участок программы. Значение счетчика команд нельзя прочитать или записать непосредственно. Загрузить в указатель команд новое значение может только специальная команда перехода.

Указатель команд сам по себе не определяет адрес, по которому находится следующая выполняемая команда. Картину здесь усложняет сегментная организация памяти процессора 8086. Для извлечения команды предусмотрен регистр CS, где хранится базовый адрес, при этом указатель команд задает смещение относительно этого базового адреса.

 

Сегментные регистры

 

Основной предпосылкой сегментации памяти является следующее: процессор 8086 может адресоваться к 1 мегабайту памяти. Для адресации ко всем ячейкам адресного пространства в 1 мегабайт необходимы 20-разрядные сегментные регистры, однако процессор 8086 использует только 16-разрядные указатели на ячейки памяти. Поэтому в процессоре 8086 применяется двухступенчатая схема адресации. Каждый 16-разрядный указатель памяти или смещение комбинируется с содержимым 16-разрядного сегментного регистра для формирования 20-разрядного адреса памяти.

Адрес состоит из двух 16-разрядных чисел, разделенных двоеточием, где первое число представляет номер сегмента, а второе – байт внутри него. Сегменты и смещения комбинируются следующим образом: значение сегмента сдвигается влево на 4 (т.е. умножается на 16), а затем складывается со смещением. Все команды и режимы адресации процессора 8086 по умолчанию работают относительно того или иного сегментного регистра, хотя в некоторых командах можно явно указать, что нужно использовать желаемый сегментный регистр.

Использование сегментов процессора 8086 приводит к некоторым интересным моментам. Один из них состоит в том, что только блок памяти размером в 64К в любой момент может адресоваться через сегментный регистр, так как 64К - это максимальный объем памяти, к которой можно адресоваться с помощью 16-битового смещения. При работе с большим (более 64К) объемом памяти и значение сегментного регистра, и смещение придется часто изменять.

Вторая особенность использования сегментов состоит в том, что каждая ячейка памяти адресуется через многие возможные сочетания «сегмент:смещение». Например, адрес памяти 100h адресуется с помощью следующих значений «сегмент:смещение»: 0:100h, 1:F0h, 2:E0h и т.д., так как при вычислении всех этих пар «сегмент:смещение» получается значение адреса 100h.

Аналогично регистрам общего назначения каждый сегментный регистр играет свою, конкретную роль. Регистр CS указывает на код программы, DS указывает на данные, SS - на стек, ES - на дополни­тельный сегмент данных, который может использоваться так, как это необходимо. Рассмотрим сегментные регистры более подробно.

Регистр CS указывает на начало блока памяти объемом 64К, или сегмент кода, в котором находится следующая выполняемая команда. Следующая команда, которую нужно выполнить, находится по смещению, определяемому в сегменте кода регистром IP, т.е. на нее указывает адрес (в форме «сегмент: смещение») CS:IP. Процессор 8086 никогда не может извлечь команду из сегмента, отличного от того, который определяется регистром CS.

Регистр CS можно изменять с помощью многих команд, включая отдельные команды перехода, вызовы и возвраты управления. Ни при каких обстоятельствах регистр CS нельзя загрузить непосредственно.

Регистр DS указывает на начало сегмента данных, которые представляет собой блок памяти объемом 64К, в котором находится большинство размещенных в памяти операндов. Обычно для ссылки на адреса памяти используются смещения, предполагающие использование регистров BX, SI или DI. В основном сегмент данных представляет собой то, о чем говорит его название: как правило, это сегмент, в котором находится текущий набор данных.

Регистр ES указывает на начало блока памяти объемом 64К, который называется дополнительным сегментом. Как и подразумевает его название, дополнительный сегмент не служит для какой-то конкретной цели, но доступен тогда, когда в нем возникает необходимость. Иногда сегмент ES используется для выделения дополнительного блока памяти объемом 64К для данных. Однако доступ к памяти в дополнительном сегменте менее эффективен, чем доступ к памяти в сегменте данных.

Особенно полезен дополнительный сегмент, когда используются строковые команды. Все строковые команды, которые выполняют запись в память, используют в качестве адреса, по которому нужно выполнить запись, пару регистров ES:DI. Это означает, что регистр ES особенно полезен при использовании его в качестве целевого сегмента при копировании блоков, сравнении строк, просмотре памяти и очистке блоков памяти.