Процессоры Intel в реальном режиме

Процессор Intel x86 после включения питания оказывается в так называемом режиме реальной адресации памяти, или просто реальном режиме. Большинство операционных систем сразу же переводят его в защищенный режим, позволяющий им обеспечивать многозадачность, распределение памяти и другие функции. Пользовательские программы в таких операционных системах часто работают еще в одном режиме, режиме V86, из которого им доступно все то же, что и из реального, кроме команд, относящихся к управлению защищенным режимом. Таким образом, эта глава описывает не только реальный режим, но и V86, то есть все то, что доступно программисту, если он не проектирует операционную систему или DPMI-сервер, в подавляющем большинстве случаев.

Регистры процессора

Начиная с 80386, процессоры Intel предоставляют 16 основных регистров для пользовательских программ плюс еще 11 регистров для работы с числами с плавающей запятой (FPU/NPX) и мультимедийными приложениями (MMX). Все команды так или иначе изменяют значения регистров, и всегда быстрее и удобнее обращаться к регистру, чем к памяти.

Помимо основных регистров из реального (но не из виртуального) режима доступны также регистры управления памятью (GDTR, IDTR, TR, LDTR) регистры управления (CR0, CR1 – CR4), отладочные регистры (DR0 – DR7) и машинно-специфичные регистры, но они не применяются для повседневных задач и будут рассматриваться в соответствующих главах позже.

Регистры общего назначения

32-битные регистры EAX (аккумулятор), EBX (база), ECX (счетчик), EDX (регистр данных) могут использоваться без ограничений для любых целей — временного хранения данных, аргументов или результатов различных операций. Названия этих регистров происходят от того, что некоторые команды применяют их специальным образом: так, аккумулятор часто используется для хранения результата действий, выполняемых над двумя операндами, регистр данных в этих случаях получает старшую часть результата, если он не умещается в аккумулятор, регистр-счетчик используется как счетчик в циклах и строковых операциях, а регистр-база используется при так называемой адресации по базе. Младшие 16 бит каждого из этих регистров могут использоваться как самостоятельные регистры и имеют имена (соответственно AX, BX, CX, DX). На самом деле в процессорах 8086 – 80286 все регистры имели размер 16 бит и назывались именно так, а 32-битные EAX – EDX появились с введением 32-битной архитектуры в 80386. Кроме этого, отдельные байты в 16-битных регистрах AX – DX тоже имеют свои имена и могут использоваться как 8-битные регистры. Старшие байты этих регистров называются AH, BH, CH, DH, а младшие — AL, BL, CL, DL (рис. 3).

AX

EAX

АН

AL

BX

EBX

BН

BL

CX

ECX

CН

CL

DX

EDX

DН

DL

                                                      31           16 15 8 7   0

 

ESI

SI

EDI

DI

EBP

BP

ESP

SP

Рис. 3. Регистры общего назначения

 

Другие четыре регистра общего назначения — ESI (индекс источника), EDI (индекс приемника), EBP (указатель базы), ESP (указатель стека) — имеют более конкретное назначение и могут применяться для хранения всевозможных временных переменных, только когда они не используются по назначению. Регистры ESI и EDI используются в строковых операциях, EBP и ESP используются при работе со стеком (см. параграф 2.1.3). Так же, как и с регистрами EAX – EDX, младшие половины этих четырех регистров называются SI, DI, BP и SP соответственно, и в процессорах до 80386 только они и присутствовали.

Сегментные регистры

При использовании каждой из сегментированных моделей памяти для формирования любого адреса применяются два числа — адрес начала сегмента и смещение искомого байта относительно этого начала (в бессегментной модели памяти flat адреса начал всех сегментов равны). Операционные системы (кроме DOS) могут размещать сегменты, с которыми работает программа пользователя, в разных местах в памяти, и даже могут временно записывать их на диск, если памяти не хватает. Так как сегменты могут оказаться где угодно, программа обращается к ним, используя вместо настоящего адреса начала сегмента 16-битное число, называемое селектором. В процессорах Intel предусмотрено шесть шестнадцатибитных регистров — CS, DS, ES, FS, GS, SS, используемых для хранения селекторов. (Регистры FS и GS отсутствовали в 8086, но появились уже в 80286.) Это не значит, что программа не может одновременно работать с большим количеством сегментов памяти, — в любой момент времени можно изменить значения, записанные в этих регистрах.

Замечание: В реальном режиме селектор любого сегмента равен адресу его начала, деленному на 16. Чтобы получить адрес в памяти, 16-битное смещение складывают с этим селектором, сдвинутым предварительно влево на 4 разряда. Таким образом, оказывается, что максимальный доступный адрес в реальном режиме 2²⁰-1 = 1 048 575. Для сравнения, в защищенном режиме адрес начала для каждого сегмента хранится отдельно, так что возможно 2⁴⁶ (64 терабайта) различных логических адресов в формате сегмент:смещение (программа может определить до 16384 сегментов, каждый из которых до 4 Гб), хотя реально процессор может адресоваться только к 4 или 64 (для Pentium Pro) гигабайтам памяти.

В отличие от регистров DS, ES, GS, FS, которые называются регистрами сегментов данных, регистры CS и SS отвечают за сегменты двух особенных типов — сегмент кода и сегмент стека. Сегмент кода содержит программу, исполняющуюся в данный момент, так что запись нового селектора в этот регистр приводит к тому, что далее будет исполнена не следующая по тексту программы команда, а команда из кода, находящегося в другом сегменте, с тем же смещением. Смещение следующей выполняемой команды всегда хранится в специальном регистре — EIP (указатель инструкции, шестнадцатибитная форма IP), запись в который также приведет к тому, что следующей будет исполнена какая-нибудь другая команда. На самом деле все команды передачи управления — перехода, условного перехода, цикла, вызова подпрограммы и т.п. — и осуществляют эту самую запись в CS и EIP.

Стек

Стек — это специальным образом организованный участок памяти, используемый для временного хранения переменных, для передачи параметров вызываемым подпрограммам и для сохранения адреса возврата при вызове процедур и прерываний. Легче всего представить стек в виде стопки листов бумаги (это одно из значений слова «stack» в английском языке) — вы можете класть и забирать листы бумаги только с вершины стопки. Таким образом, если записать в стек числа 1, 2, 3, то при чтении они будут получаться в обратном порядке — 3, 2, 1. Стек располагается в сегменте памяти, описываемом регистром SS, а текущее смещение вершины стека записано в регистре ESP, причем при записи в стек значение этого смещения уменьшается, то есть стек растет вниз от максимально возможного адреса (рис. 4). Такое расположение стека «вверх ногами» может быть необходимо, например в бессегментной модели памяти, когда все сегменты, включая сегмент стека и сегмент кода, занимают одну и ту же область — всю память. Тогда программа исполняется в нижней области памяти, в области малых адресов, и EIP растет, а стек располагается в верхней области памяти, и ESP уменьшается.

 

                                                                                           Дно стека     

FFFFFFFC

                               FFFFFFF8                                       Параметры

                          FFFFFFF4

                          FFFFFFF0                                                EBP=FFFFFFF0              

FFFFFFEC

FFFFFFE8                                       локальные переменные

FFFFFFE4                                           ESP=FFFFFFE4

 

 

Рис. 4. Стек

 

При вызове подпрограммы параметры в большинстве случаев помещают в стек, а в EBP записывают текущее значение ESP. Тогда, если подпрограмма использует стек для хранения локальных переменных, ESP изменится, но EBP можно будет использовать для того, чтобы считывать значения параметров напрямую из стека (их смещения будут записываться как EBP + номер параметра). Более подробно вызовы подпрограмм и все возможные способы передачи параметров рассмотрены в главе 4.3.2.

Регистр флагов

Еще один важный регистр, использующийся при выполнении большинства команд, — регистр флагов EFLAGS. Как и раньше, его младшие 16 бит, представлявшие собой весь этот регистр до 80386, называются FLAGS. В этом регистре каждый бит является флагом, то есть устанавливается в 1 при определенных условиях или установка его в 1 изменяет поведение процессора. Все флаги, расположенные в старшем слове регистра EFLAGS, имеют отношение к управлению защищенным режимом, поэтому здесь рассмотрен только регистр FLAGS (рис. 5).

     

0

NT

IOPL

OF

DF

IF

TF

SF

ZF

0

AF

0

PF

1

CF

Рис. 5. Регистр флагов FLAGS

 

• CF — флаг переноса. Устанавливается в 1, если результат предыдущей операции не уместился в приемнике и произошел перенос из старшего бита или если требуется заем (при вычитании), иначе устанавливается в 0. Например, после сложения слова 0FFFFh и 1, если регистр, в который надо поместить результат, — слово, в него будет записано 0000h и флаг CF = 1.
• PF — флаг четности. Устанавливается в 1, если младший байт результата предыдущей команды содержит четное число бит, равных 1; устанавливается в 0, если число единичных бит нечетное. (Это не то же самое, что делимость на два. Число делится на два без остатка, если его самый младший бит равен нулю, и не делится, если он равен 1.)
• AF — флаг полупереноса или вспомогательного переноса. Устанавливается в 1, если в результате предыдущей операции произошел перенос (или заем) из третьего бита в четвертый. Этот флаг используется автоматически командами двоично-десятичной коррекции.
• ZF — флаг нуля. Устанавливается в 1, если результат предыдущей команды — ноль.
• SF — флаг знака. Этот флаг всегда равен старшему биту результата.
• TF — флаг ловушки. Этот флаг был предусмотрен для работы отладчиков, не использующих защищенный режим. Установка его в 1 приводит к тому, что после выполнения каждой команды программы управление временно передается отладчику (вызывается прерывание 1 — см. описание команды INT).
• IF — флаг прерываний. Установка этого флага в 1 приводит к тому, что процессор перестает обрабатывать прерывания от внешних устройств (см. описание команды INT). Обычно его устанавливают на короткое время для выполнения критических участков кода.
• DF — флаг направления. Этот флаг контролирует поведение команд обработки строк — когда он установлен в 1, строки обрабатываются в сторону уменьшения адресов, а когда DF = 0 — наоборот.
• OF — флаг переполнения. Этот флаг устанавливается в 1, если результат предыдущей арифметической операции над числами со знаком выходит за допустимые для них пределы. Например, если при сложении двух положительных чисел получается число со старшим битом, равным единице (то есть отрицательное) и наоборот.

Флаги IOPL (уровень привилегий ввода-вывода) и NT (вложенная задача) применяются в защищенном режиме.

Способы адресации

Большинство команд процессора вызывается с аргументами, которые в ассемблере принято называть операндами. Например: команда сложения содержимого регистра с числом требует задания двух операндов — содержимого регистра и числа. Далее рассмотрены все существующие способы задания адреса хранения операндов — способы адресации.

Регистровая адресация

Операнды могут располагаться в любых регистрах общего назначения и сегментных регистрах. В этом случае в тексте программы указывается название соответствующего регистра, например команда, копирующая в регистр AX содержимое регистра BX, записывается как

mov ax,bx

Непосредственная адресация

Некоторые команды (все арифметические команды, кроме деления) позволяют указывать один из операндов непосредственно в тексте программы, например команда

mov ax,2

помещает в регистр AX число 2.

Прямая адресация

Если известен адрес операнда, располагающегося в памяти, можно использовать этот адрес. Если операнд — слово, находящееся в сегменте, на который указывает ES, со смещением от начала сегмента 0001, то команда

mov ax,es:0001

поместит это слово в регистр AX. В реальных программах обычно для задания статических переменных используют директивы определения данных (глава 3.3), которые позволяют ссылаться на статические переменные не по адресу, а по имени. Тогда, если в сегменте, указанном в ES, была описана переменная word_var размером в слово, можно записать ту же команду как

mov ax,es:word_var

В таком случае ассемблер сам заменит слово «word_var» на соответствующий адрес. Если селектор сегмента данных находится в DS, имя сегментного регистра при прямой адресации можно не указывать, DS используется по умолчанию. Прямая адресация иногда называется адресацией по смещению.

Адресация отличается для реального и защищенного режимов. В реальном режиме (так же как и в режиме V86) смещение всегда 16-битное, это значит, что ни непосредственно указанное смещение, ни результат сложения содержимого разных регистров в более сложных методах адресации не могут превышать границ слова. При программировании для Windows, для DOS4G, PMODE и в других ситуациях, когда программа будет запускаться в защищенном режиме, смещение не может превышать границ двойного слова.

Косвенная адресация

По аналогии с регистровыми и непосредственными операндами адрес операнда в памяти также можно не указывать непосредственно, а хранить в любом регистре. До 80386 для этого можно было использовать только BX, SI, DI и BP, но потом эти ограничения были сняты и адрес операнда разрешили считывать также и из EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP и ESP (но не из AX, CX, DX или SP напрямую — надо использовать EAX, ECX, EDX, ESP соответственно или предварительно скопировать смещение в BX, SI, DI или BP). Например, следующая команда помещает в регистр AX слово из ячейки памяти, селектор сегмента которой находится в DS, а смещение — в BX:

mov ax,[bx]

Как и в случае прямой адресации, DS используется по умолчанию, но не во всех случаях: если смещение берут из регистров ESP, EBP или BP, то в качестве сегментного регистра используется SS. В реальном режиме можно свободно пользоваться всеми 32-битными регистрами, надо только следить, чтобы их содержимое не превышало границ 16-битного слова.