Регистры общего назначения

АРХИТЕКТУРА ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

1. Архитектура фон Неймана

Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

Принципы фон Неймана:

Принцип двоичного кодирования

Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.

Принцип однородности памяти

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресуемости памяти

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Принцип последовательного программного управления

Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип последовательного программного управления

Программная модель микропроцессора.

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.

Пользовательские регистры

Как следует из названия, пользовательскими регистры называются потому, что программист может использовать их при написании своих программ. К этим регистрам относятся (рис. 1):

восемь 32-битных регистров, которые могут использоваться программистами для хранения данных и адресов (их еще называют регистрами общего назначения (РОН)):

eax/ax/ah/al;
ebx/bx/bh/bl;
edx/dx/dh/dl;
ecx/cx/ch/cl;
ebp/bp;
esi/si;
edi/di;
esp/sp.

шесть регистров сегментов: cs, ds, ss, es, fs, gs;
регистры состояния и управления:

регистр флагов eflags/flags;
регистр указателя команды eip/ip.

Регистры общего назначения

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.

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 (то есть эти команды загружаются в конвейер микропроцессора).
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.
Работу со стеком микропроцессор организует по следующему принципу: последний записанный в эту область элемент выбирается первым. Для доступа к этому сегменту служит регистр ss (stack segment register) — сегментный регистр стека, содержащий адрес сегмента стека.
Дополнительный сегмент данных.
Неявно алгоритмы выполнения большинства машинных команд предполагают, что обрабатываемые ими данные расположены в сегменте данных, адрес которого находится в сегментном регистре ds.
Если программе недостаточно одного сегмента данных, то она имеет возможность использовать еще три дополнительных сегмента данных. Но в отличие от основного сегмента данных, адрес которого содержится в сегментном регистре ds, при использовании дополнительных сегментов данных их адреса требуется указывать явно с помощью специальных префиксов переопределения сегментов в команде.
Адреса дополнительных сегментов данных должны содержаться в регистрах es, gs, fs (extension data segment registers).