Программирование. Базовая архитектура IBM PC Х86

Архитектура ВМ
Архитектура – это функциональная организация ВМ без физической реализации.
Представление данных и их связь с назначением, организация хранения и способы кодирования.
Адресация – способ определения адреса операнда по информации в адресной части команды.
Структура команд: части команд и взаимодействие частей.
Система команд – перечень команд.
Организация вычислительного процесса.
Организация ввода-вывода.
Система прерываний.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Представление данных. С точки зрения размерности
Процессоры Intel имеют важную особенность — младший байт всегда хранится по меньшему адресу.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Представление данных. С точки зрения логической интерпретации
Целый тип со знаком (в дополнительном коде)
8-разрядное целое— от-128 до+127;
16-разрядное целое — от -32 768 до +32 767;
32-разрядное целое — от -2^31 до +2^31 - 1.
Целый тип без знака
байт — от 0 до 255;
слово — от 0 до 65 535;
двойное слово— от 0 до 2^32 - 1.
Указатель на память
ближний тип — 32-разрядный логический адрес
дальний тип — 48-разрядный логический адрес

Базовая архитектура IBM PC Х86
Представление данных. С точки зрения логической интерпретации
Цепочка представляет собой некоторый непрерывный набор байтов, слов или двойных слов максимальной длиной до 4 Гбайт.
Битовое поле. Каждый бит является независимым и может рассматриваться как отдельная переменная. Битовое поле может начинаться с любого бита любого байта и содержать до 32 битов.
Неупакованный двоично-десятичный тип — байтовое представление десятичной цифры от 0 до 9. По одной цифре в каждом бай
Упакованный двоично-десятичный тип. Хранит две десятичных цифр от 0 до 9 в одном байте. Каждая цифра хранится в своем полубайте.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Представление данных. С точки зрения логической интерпретации
Типы данных с плавающей точкой. Сопроцессор имеет несколько собственных типов данных, несовместимых с типами данных целочисленного устройства.
Типы данных MMX-расширения Pentium MMX/II/III/IV. Данный тип данных появился в процессоре Pentium MMX.
Типы данных MMX-расширения Pentium III/IV. Этот тип данных появился в процессоре Pentium III.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Организация вычислительного процесса
Вычислительный процесс организован в полном соответствии с принципами фон Неймана.
Для ускорения введено понятие конвейера команд,
из которого извлекается следующая команда.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Регистры процессора: регистр флагов
EFLAGS
RFLAGS
FLAGS
В регистре хранятся данные о состоянии процессора и результатах выполнения некоторых команд.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Регистры процессора: регистр флагов
FLAGS
C – carry flag (флаг переноса) – выполнение операции привело к возникновению переноса
P – parity flag (флаг четности) – количество единиц в младшем байте результата чётно
A – auxiliary carry flag (флаг дополнительного переноса) – используется при операциях с двоично-десятичными числами
Z – zero flag (флаг нуля) – результатом операции был ноль

Базовая архитектура IBM PC Х86
Регистры процессора: регистр флагов
FLAGS
S – sign flag (флаг знака) – старший разряд результата имеет значение «1»
T – trap flag (флаг трассировки) – используется программами-отладчиками
I – interrupt flag (флаг прерывания) – процессор реагирует на прерывания
D – direction flag (флаг направления) – используется командами обработки строк
O – overflow flag (флаг переполнения) – устанавливается при переполнении (результат операции не помещается в регистре

Базовая архитектура IBM PC Х86
Регистры процессора: РОНы

Базовая архитектура IBM PC Х86
Регистры процессора: РОНы
Регистр AX (accumulator, аккумулятор)
Это регистр-накопитель. Наиболее эффективно его использование в арифметических и логических операциях, а также в операциях пересылки, т.к. именно эти операции оптимизированы для использования регистра AX и, как правило, обладают более высоким быстродействием.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Регистры процессора: РОНы
Регистр BX (base, базовый регистр)
В некоторых операциях этот регистр используется для реализации расширенной адресации.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Регистры процессора: РОНы
Регистр CX (counter, счётчик)
Обычно этот регистр используется как счётчик, указывающий количество выполнений команды или группы команд (циклические вычисления, сдвиги).

Базовая архитектура IBM PC Х86
Регистры процессора: РОНы
Регистр DX (data, регистр данных)
Этот регистр используется в операциях умножения и деления, а также является единственным регистром, в котором может быть указан адрес порта в командах ввода-вывода.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Регистры процессора: РОНы
Регистры SI, DI
Индексные регистры источника (SI, source index) и приёмника (DI, destination index), содержащие смещения относительно некоторого базового адреса. Обычно используются для выполнения операций над массивами данных.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Регистры процессора: РОНы
Регистр BP
Базовый регистр, в котором содержится смещение относительно начала сегмента, в качестве которого по умолчанию предполагается сегмент стека. Обычно используется при организации вычислений в стековых структурах.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Регистры процессора: РОНы
Регистр SP (stack pointer, указатель стека)
В SP содержится смещение относительно начала сегмента стека. При операциях со стеком система сама следит за изменениями содержимого SP в соответствии с выполняемыми операциями. В SP содержится адрес младшего байта данных, который был послан в стек последним.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Регистры процессора: РОНы
Регистр IP (instruction pointer, счётчик команд)
Регистр содержит адрес команды, следующей за выполняемой в текущий момент, в сегменте памяти, который задаётся регистром CS.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Регистры процессора: сегментные регистры
CS (code segment) – указывает на сегмент, в котором содержатся команды программы (начальный адрес сегмента кода). Адрес команды – CS:IP.
DS (data segment) – адресует начало сегмента данных.
ES (extra segment) – указывает на дополнительный сегмент данных; используется обычно при строковых операциях при формировании адреса приёмника данных.
SS (stack segment) – адресует сегмент стека.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Адресация
Разрядность шины адреса: 20 разрядов
Максимальный адрес: 220
220 байтов = 1 Мбайт
Адрес задаётся с помощью двух 16-разрядных значений – сегмента и смещения – и вычисляется по формуле
<целевой адрес> = <сегмент>*16 + смещение

Базовая архитектура IBM PC Х86
Сегменты
При работе с данными в пределах сегмента изменяется только смещение, адрес начала сегмента не меняется.
Сегменты в памяти могут перекрываться.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Сегменты: адресация

Базовая архитектура IBM PC Х86
Структура команд

Базовая архитектура IBM PC Х86
Структура команд
Префиксы — необязательные однобайтные элементы машинной команды. Назначение префиксов — изменить действия, выполняемые командой. Машинная команда может иметь до четырех префиксов одновременно. Порядок их следования при этом может быть любым.
Код операции — обязательный элемент, описывающий операцию, выполняемую командой. Код операции может занимать от одного до трех байт. Для некоторых машинных команд часть битов кода операции может находиться в байте mod r/m.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Структура команд
Байт режима адресации mod r/m, иногда называемый постбайтом, несет информацию об операндах и режиме адресации. Если операнд находится в памяти, то байт mod r/m определяет компоненты (смещение, базовый и индексный регистры), используемые для вычисления его эффективного адреса.
Байт масштаба, индекса и базы (Scale-Index-Base — sib) используется для расширения возможностей адресации операндов. На наличие байта sib в машинной команде указывает сочетание одного из значений 01 или 10 поля mod и значения поля r/m = 100.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Структура команд
Поле смещения в команде — это 8-, 16- или 32-разрядное целое число со знаком, представляющее собой полностью или частично значение эффективного адреса операнда.
Поле непосредственного операнда — необязательное поле, представляющее собой 8-, 16- или 32-разрядный непосредственный операнд.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Система команд
Команды пересылки:
а) между регистрами и памятью;
б) между регистрами и устройствами ввода-вывода.
Команды управления.
Арифметические и логические команды.
Команды манипулирования битами.
Команды для обработки строк.
Команды для поддержки механизма прерываний.
Команды изменения состояния процессора.

Базовая архитектура IBM PC Х86
Система прерываний
Предусмотрены прерывания аппаратные и программные.
Всего в системе может быть до 255 прерываний.
Для реализации механизма прерываний выделен
1 КБайт оперативной памяти.