Сколько регистров в процессоре

3.2. Регистры процессора

Внутренние регистры процессора представляют собой сверхоперативную память небольшого размера, которая предназначена для временного хранения служебной информации или данных. Количество регистров в разных процессорах может быть от 6—8 до нескольких десятков. Регистры могут быть универсальными и специализированными. Специализированные регистры, которые присутствуют в большинстве процессоров, — это регистр-счетчик команд, регистр состояния (PSW), регистр указателя стека. Остальные регистры процессора могут быть как универсальными, так и специализированными.

Например, в 16-разрядном процессоре Т-11 фирмы DEC было 8 регистров общего назначения (РОН) и один регистр состояния. Все регистры имели по 16 разрядов. Из регистров общего назначения один отводился под счетчик команд, другой — под указатель стека. Все остальные регистры общего назначения полностью взаимозаменяемы, то есть имеют универсальное назначение, могут хранить как данные, так и адреса (указатели), индексы и т.д. Максимально допустимый объем памяти для данного процессора составлял 64 Кбайт (адрес памяти 16-разрядный).

В 16-разрядном процессоре MC68000 фирмы Motorola было 19 регистров: 16-разрядный регистр состояния, 32-разрядный регистр счетчика команд, 9 регистров адреса (32-разрядных) и 8 регистров данных (32-разрядных). Два регистра адреса отведены под указатели стека. Максимально допустимый объем адресуемой памяти — 16 Мбайт (внешняя шина адреса 24-разрядная). Все 8 регистров данных взаимозаменяемы. 7 регистров адреса — тоже взаимозаменяемы.

В 16-разрядном процессоре Intel 8086, который стал базовым в линии процессоров, используемых в персональных компьютерах, реализован принципиально другой подход. Каждый регистр этого процессора имеет свое особое назначение, и заменять друг друга регистры могут только частично или же не могут вообще. Остановимся на особенностях этого процессора подробнее.

Во многих процессорах выделяется специальный регистр, называемый аккумулятором (то есть накопителем). При этом, как правило, только этот регистр-аккумулятор может участвовать во всех операциях, только через него может производиться взаимодействие с устройствами ввода/вывода. Иногда в него же помещается результат любой выполненной команды (в этом случае говорят даже об аккумуляторной архитектуре процессора). Например, в процессоре 8086 регистр данных АХ можно считать своеобразным аккумулятором, так как именно он обязательно участвует в командах умножения и деления, а также только через него можно пересылать данные в устройство ввода/вывода и из устройства ввода/вывода. Выделение специального регистра-аккумулятора упрощает структуру процессора и ускоряет пересылки кодов внутри процессора, но в некоторых случаях замедляет работу системы в целом, так как весь поток информации должен пройти через один регистр-аккумулятор. В случае, когда несколько регистров процессора полностью взаимозаменяемы, таких проблем не возникает.

3.3. Система команд процессора

В общем случае система команд процессора включает в себя следующие четыре основные группы команд:

команды пересылки данных;

Команды пересылки данных не требуют выполнения никаких операций над операндами. Операнды просто пересылаются (точнее, копируются) из источника (Source) в приемник (Destination). Источником и приемником могут быть внутренние регистры процессора, ячейки памяти или устройства ввода/вывода. АЛУ в данном случае не используется.

Арифметические команды выполняют операции сложения, вычитания, умножения, деления, увеличения на единицу (инкрементирования), уменьшения на единицу (декрементирования) и т. д. Этим командам требуется один или два входных операнда. Формируют команды один выходной операнд.

Логические команды производят над операндами логические операции, например, логическое И, логическое ИЛИ, исключающее ИЛИ, очистку, инверсию, разнообразные сдвиги (вправо, влево, арифметический сдвиг, циклический сдвиг). Этим командам, как и арифметическим, требуется один или два входных операнда, и формируют они один выходной операнд.

Наконец, команды переходов предназначены для изменения обычного порядка последовательного выполнения команд. С их помощью организуются переходы на подпрограммы и возвраты из них, всевозможные циклы, ветвления программ, пропуски фрагментов программ и т.д. Команды переходов всегда меняют содержимое счетчика команд. Переходы могут быть условными и безусловными. Именно эти команды позволяют строить сложные алгоритмы обработки информации.

В соответствии с результатом каждой выполненной команды устанавливаются или очищаются биты регистра состояния процессора (PSW). Но надо помнить, что не все команды изменяют все имеющиеся в PSW флаги. Это определяется особенностями каждого конкретного процессора. У разных процессоров системы команд существенно различаются, но в основе своей они очень похожи. Количество команд у процессоров также различно. Например, у упоминавшегося уже процессора МС68000 всего 61 команда, а у процессора 8086 — 133 команды. У современных мощных процессоров количество команд достигает нескольких сотен. В то же время существуют процессоры с сокращенным набором команд (так называемые RISC-процессоры), в которых за счет максимального сокращения количества команд достигается увеличение эффективности и скорости их выполнения.

Рассмотрим кратко содержание и особенности четырех выделенных групп команд процессора.

Команды пересылки данных занимают очень важное место в системе команд любого процессора. Они выполняют следующие важнейшие функции:

загрузка (запись) содержимого во внутренние регистры процессора;

сохранение в памяти содержимого внутренних регистров процессора;

копирование содержимого из одной области памяти в другую;

запись в устройства ввода/вывода и чтение из устройств ввода/вывода.

В некоторых процессорах (например, Т-11) все эти функции выполняются одной единственной командой MOV (для байтовых пересылок — MOVB) но с различными методами адресации операндов. В других процессорах помимо команды MOV имеется еще несколько команд для выполнения перечисленных функций.

Арифметические команды рассматривают коды операндов как числовые двоичные или двоично-десятичные коды. Эти команды могут быть разделены на пять основных групп:

команды операций с фиксированной запятой (сложение, вычитание, умножение, деление);

команды операций с плавающей запятой (сложение, вычитание, умножение, деление);

команды инкремента и декремента;

Команды операций с фиксированной запятой работают с кодами в регистрах процессора или в памяти как с обычными двоичными кодами. Команда сложения (ADD) вычисляет сумму двух кодов. Команда вычитания (SUB) вычисляет разность двух кодов. Команда умножения (MUL) вычисляет произведение двух кодов (разрядность результата вдвое больше разрядности сомножителей). Команда деления (DIV) вычисляет частное от деления одного кода на другой. Причем все эти команды могут работать как с числами со знаком, так и с числами без знака.

Команды операций с плавающей запятой (точкой) используют формат представления чисел с порядком и мантиссой (обычно эти числа занимают две последовательные ячейки памяти). В современных мощных процессорах набор команд с плавающей запятой не ограничивается только четырьмя арифметическими действиями, а содержит и множество других более сложных команд, например, вычисление тригонометрических функций, логарифмических функций, а также сложных функций, необходимых при обработке звука и изображения.

Команды очистки (CLR) предназначены для записи нулевого кода в регистр или ячейку памяти. Эти команды могут быть заменены командами пересылки нулевого кода, но специальные команды очистки обычно выполняются быстрее, чем команды пересылки. Команды очистки иногда относят к группе логических команд, но суть их от этого не меняется.

Команды инкремента (увеличения на единицу, INC) и декремента (уменьшения на единицу, DEC) также бывают очень удобны. Их можно в принципе заменить командами суммирования с единицей или вычитания единицы, но инкремент и декремент выполняются быстрее, чем суммирование и вычитание. Эти команды требуют одного входного операнда, который одновременно является и выходным операндом.

Наконец, команда сравнения (обозначается CMP) предназначена для сравнения двух входных операндов. По сути, она вычисляет разность этих двух операндов, но выходного операнда не формирует, а всего лишь изменяет биты в регистре состояния процессора (PSW) по результату этого вычитания. Следующая за командой сравнения команда (обычно это команда перехода) будет анализировать биты в регистре состояния процессора и выполнять действия в зависимости от их значений (о командах перехода речь идет в разделе 3.3.4). В некоторых процессорах предусмотрены команды цепочечного сравнения двух последовательностей операндов, находящихся в памяти (например, в процессоре 8086 и совместимых с ним).

Логические команды выполняют над операндами логические (побитовые) операции, то есть они рассматривают коды операндов не как единое число, а как набор отдельных битов. Этим они отличаются от арифметических команд. Логические команды выполняют следующие основные операции:

логическое И, логическое ИЛИ, сложение по модулю 2 (Исключающее ИЛИ);

логические, арифметические и циклические сдвиги;

проверка битов и операндов;

установка и очистка битов (флагов) регистра состояния процессора (PSW).

Команды логических операций позволяют побитно вычислять основные логические функции от двух входных операндов. Кроме того, операция И (AND) используется для принудительной очистки заданных битов (в качестве одного из операндов при этом используется код маски, в котором разряды, требующие очистки, установлены в нуль). Операция ИЛИ (OR) применяется для принудительной установки заданных битов (в качестве одного из операндов при этом используется код маски, в котором разряды, требующие установки в единицу, равны единице). Операция Исключающее ИЛИ (XOR) используется для инверсии заданных битов (в качестве одного из операндов при этом применяется код маски, в котором биты, подлежащие инверсии, установлены в единицу). Команды требуют двух входных операндов и формируют один выходной операнд.

Команды сдвигов позволяют побитно сдвигать код операнда вправо (в сторону младших разрядов) или влево (в сторону старших разрядов). Тип сдвига (логический, арифметический или циклический) определяет, каково будет новое значение старшего бита (при сдвиге вправо) или младшего бита (при сдвиге влево), а также определяет, будет ли где-то сохранено прежнее значение старшего бита (при сдвиге влево) или младшего бита (при сдвиге вправо). Например, при логическом сдвиге вправо в старшем разряде кода операнда устанавливается нуль, а младший разряд записывается в качестве флага переноса в регистр состояния процессора. А при арифметическом сдвиге вправо значение старшего разряда сохраняется прежним (нулем или единицей), младший разряд также записывается в качестве флага переноса.

Циклические сдвиги позволяют сдвигать биты кода операнда по кругу (по часовой стрелке при сдвиге вправо или против часовой стрелки при сдвиге влево). При этом в кольцо сдвига может входить или не входить флаг переноса. В бит флага переноса (если он используется) записывается значение старшего бита при циклическом сдвиге влево и младшего бита при циклическом сдвиге вправо. Соответственно, значение бита флага переноса будет переписываться в младший разряд при циклическом сдвиге влево и в старший разряд при циклическом сдвиге вправо.

Команды проверки битов и операндов предназначены для установки или очистки битов регистра состояния процессора в зависимости от значения выбранных битов или всего операнда в целом. Выходного операнда команды не формируют. Команда проверки операнда (TST) проверяет весь код операнда в целом на равенство нулю и на знак (на значение старшего бита), она требует только одного входного операнда. Команда проверки бита (BIT) проверяет только отдельные биты, для выбора которых в качестве второго операнда используется код маски. В коде маски проверяемым битам основного операнда должны соответствовать единичные разряды.

Команды установки и очистки битов регистра состояния процессора (то есть флагов) позволяют установить или очистить любой флаг, что бывает очень удобно. Каждому флагу обычно соответствуют две команды, одна из которых устанавливает его в единицу, а другая сбрасывает в нуль. Например, флагу переноса C (от Carry) будут соответствовать команды CLC (очистка) и SEC или STC (установка).

Команды переходов предназначены для организации всевозможных циклов, ветвлений, вызовов подпрограмм и т.д., то есть они нарушают последовательный ход выполнения программы. Эти команды записывают в регистр-счетчик команд новое значение и тем самым вызывают переход процессора не к следующей по порядку команде, а к любой другой команде в памяти программ. Некоторые команды переходов предусматривают в дальнейшем возврат назад, в точку, из которой был сделан переход, другие не предусматривают этого. Если возврат предусмотрен, то текущие параметры процессора сохраняются в стеке. Если возврат не предусмотрен, то текущие параметры процессора не сохраняются.

Команды переходов без возврата делятся на две группы:

команды безусловных переходов;

команды условных переходов.

В обозначениях этих команд используются слова Branch (ветвление) и Jump (прыжок).

Команды безусловных переходов вызывают переход в новый адрес независимо ни от чего. Они могут вызывать переход на указанную величину смещения (вперед или назад) или же на указанный адрес памяти. Величина смещения или новое значение адреса указываются в качестве входного операнда.

Команды условных переходов вызывают переход не всегда, а только при выполнении заданных условий. В качестве таких условий обычно выступают значения флагов в регистре состояния процессора (PSW). То есть условием перехода является результат предыдущей операции, меняющей значения флагов. Всего таких условий перехода может быть от 4 до 16. Несколько примеров команд условных переходов:

переход, если равно нулю;

переход, если не равно нулю;

переход, если есть переполнение;

переход, если нет переполнения;

переход, если больше нуля;

переход, если меньше или равно нулю.

Особое место среди команд перехода с возвратом занимают команды прерываний (распространенное название — INT). Эти команды в качестве входного операнда требуют номер прерывания (адрес вектора). Обслуживание таких переходов осуществляется точно так же, как и аппаратных прерываний. То есть для выполнения данного перехода процессор обращается к таблице векторов прерываний и получает из нее по номеру прерывания адрес памяти, в который ему необходимо перейти. Адрес вызова прерывания и содержимое регистра состояния процессора (PSW) сохраняются в стеке. Сохранение PSW — важное отличие команд прерывания от команд переходов с возвратом.

Команды прерываний во многих случаях оказываются удобнее, чем обычные команды переходов с возвратом. Сформировать таблицу векторов прерываний можно один раз, а потом уже обращаться к ней по мере необходимости. Номер прерывания соответствует номеру подпрограммы, то есть номеру функции, выполняемой подпрограммой. Поэтому команды прерывания гораздо чаще включаются в системы команд процессоров, чем обычные команды переходов с возвратом.

Для возврата из подпрограммы, вызванной командой прерывания, используется команда возврата из прерывания (IRET или RTI). Эта команда извлекает из стека сохраненное там значение счетчика команд и регистра состояния процессора (PSW).

В данном разделе мы рассмотрели только основные команды, наиболее часто встречающиеся в процессорах. У конкретных процессоров могут быть и многие другие команды, не относящиеся к перечисленным группам команд. Но изучать их надо уже после того, как выбран тип процессора, подходящий для задачи, решаемой данной микропроцессорной системой. Подробнее о программировании изложено в [1].

Регистры процессора

Начиная с модели 80386 процессоры Intel предоставляют 16 основных регистров для пользовательских программ и ещё 11 регистров для работы с мультимедийными приложениями (MMX) и числами с плавающей точкой (FPU/NPX). Все команды так или иначе изменяют содержимое регистров. Как уже говорилось, обращаться к регистрам быстрее и удобнее, чем к памяти. Поэтому при программировании на языке Ассемблера регистры используются очень широко.

В этом разделе мы рассмотрим основные регистры процессоров Intel. Названия и состав/количество регистров для других процессоров могут отличаться. Итак, основные регистры процессоров Intel.

Таблица 2.1. Основные регистры процессора.

Регистры EAX, EBX, ECX, EDX – это регистры общего назначения. Они имеют определённое назначение (так уж сложилось исторически), однако в них можно хранить любую информацию.

Регистры EBP, ESP, ESI, EDI – это также регистры общего назначения. Они имеют уже более конкретное назначение. В них также можно хранить пользовательские данные, но делать это нужно уже более осторожно, чтобы не получить «неожиданный» результат.

Регистр флагов и сегментные регистры требуют отдельного описания и будут более подробно рассмотрены далее.

Пока для вас здесь слишком много непонятных слов, но со временем всё прояснится)))

Когда-то процессоры были 16-разрядными, и, соответственно, все их регистры были также 16-разрядными. Для совместимости со старыми программами, а также для удобства программирования некоторые регистры разделены на 2 или 4 «маленьких» регистра, у каждого из которых есть свои имена. В таблице 2.2 перечислены такие регистры.

Вот пример такого регистра.

Из этого следует, что вы можете написать в своей программе, например, такие команды: Обе команды поместят в регистр AX число 1. Разница будет заключаться только в том, что вторая команда обнулит старшие разряды регистра EAX, то есть после выполнения второй команды в регистре EAX будет число 1. А первая команда оставит в старших разрядах регистра EAX старые данные. И если там были данные, отличные от нуля, то после выполнения первой команды в регистре EAX будет какое-то число, но не 1. А вот в регистре AX будет число 1. Сложно? Ну это пока… Со временем вы к таким вещам привыкните.

Мы пока не говорили о разрядах (битах). Эту тему мы обсудим в разделах, посвящённых системам счисления. А сейчас пока вам достаточно знать, что нулевой разряд (бит) – это младший бит. Он крайний справа. Старший бит – крайний слева. Номер старшего бита зависит от разрядности числа/регистра. Например, в 32-разрядном регистре старшим битом является 31-й бит (потому что отсчёт начинается с 0, а не с 1).

Ниже приведён список регистров общего назначения, которые можно поделить описанным выше способом и при этом к «половинкам» и «четвертинкам» этих регистров можно обращаться в программе как к отдельному регистру.

Таблица 2.2. «Делимые» регистры..

На этом мы закончим наше краткое знакомство с регистрами. Если вам пока не всё понятно – просто прочитайте этот раздел, чтобы более-менее представлять себе, что такое регистры. По мере приобретения новых знаний вы можете вернуться к этому разделу и уже на новом уровне воспринять эту информацию. А в следующем разделе мы коротко опишем процесс выполнения команды.

Сколько регистров в процессоре

2.1. Процессор.

Самый основной элемент компьютера, это, конечно, процессор. Давайте подробней его рассмотрим. Упрощённая структура процессора (рис. 4):

Рис. 4. Упрощённая структура процессора

Основные элементы процессора:

· Регистры – это специальные ячейки памяти, физически расположенные внутри процессора. В отличие от ОЗУ, где для обращения к данным требуется использовать шину адреса, к регистрам процессор может обращаться напрямую. Это существенно ускорят работу с данными.

· Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции, такие как сложение, вычитание, а также логические операции.

· Блок управления определяет последовательность микрокоманд, выполняемых при обработке машинных кодов (команд).

· Тактовый генератор , или генератор тактовых импульсов, задаёт рабочую частоту процессора.

2.2. Режимы работы процессора.

Процессор архитектуры x86 может работать в одном из пяти режимов и переключаться между ними очень быстро:

1. Реальный (незащищенный) режим (real address mode) — режим, в котором работал процессор 8086. В современных процессорах этот режим поддерживается в основном для совместимости с древним программным обеспечением (DOS-программами).

2. Защищенный режим (protected mode) — режим, который впервые был реализован в 80286 процессоре. Все современные операционные системы (Windows, Linux и пр.) работают в защищенном режиме. Программы реального режима не могут функционировать в защищенном режиме.

3. Режим виртуального процессора 8086 (virtual-8086 mode, V86) — в этот режим можно перейти только из защищенного режима. Служит для обеспечения функционирования программ реального режима, причем дает возможность одновременной работы нескольких таких программ, что в реальном режиме невозможно. Режим V86 предоставляет аппаратные средства для формирования виртуальной машины, эмулирующей процессор8086. Виртуальная машина формируется программными средствами операционной системы. В Windows такая виртуальная машина называется VDM (Virtual DOS Machine — виртуальная машина DOS). VDM перехватывает и обрабатывает системные вызовы от работающих DOS-приложений.

4. Нереальный режим (unreal mode, он же big real mode) — аналогичен реальному режиму, только позволяет получать доступ ко всей физической памяти, что невозможно в реальном режиме.

5. Режим системного управления System Management Mode (SMM) используется в служебных и отладочных целях.

При загрузке компьютера процессор всегда находится в реальном режиме, в этом режиме работали первые операционные системы, например MS-DOS, однако современные операционные системы, такие как Windows и Linux переводят процессор в защищенный режим. Вам, наверное, интересно, что защищает процессор в защищенном режиме? В защищенном режиме процессор защищает выполняемые программы в памяти от взаимного влияния (умышленно или по ошибке) друг на друга, что легко может произойти в реальном режиме. Поэтому защищенный режим и назвали защищенным.

2.3. Регистры процессора (программная модель процессора).

Для понимания работы команд ассемблера необходимо четко представлять, как выполняется адресация данных, какие регистры процессора и как могут использоваться при выполнении инструкций. Рассмотрим базовую программную модель процессоров Intel 80386, в которую входят:

· 8 регистров общего назначения, служащих для хранения данных и указателей;

· регистры сегментов — они хранят 6 селекторов сегментов;

· регистр управления и контроля EFLAGS, который позволяет управлять состоянием выполнения программы и состоянием (на уровне приложения) процессора;

· регистр-указатель EIP выполняемой следующей инструкции процессора;

· система команд (инструкций) процессора;

· режимы адресации данных в командах процессора.

Начнем с описания базовых регистров процессора Intel 80386.

Базовые регистры процессора Intel 80386 являются основой для разработки программ и позволяют решать основные задачи по обработке данных. Все они показаны на рис. 5.

Рис. 5. Базовые регистры процессора Intel 80386

Среди базового набора регистров выделим отдельные группы и рассмотрим их назначение.

2.4. Регистры общего назначения.

32-битные регистры ЕАХ (аккумулятор), ЕВХ (база), ЕСХ (счетчик), EDX (регистр данных) могут использоваться без ограничений для любых целей – временного хранения данных, аргументов или результатов различных операций. Названия регистров происходят от того, что некоторые команды применяют их специальным образом: так, аккумулятор часто необходим 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 работает как счетчик в циклах и строковых операциях, а регистр-база – при так называемой адресации по базе. Младшие 16 бит каждого из этих регистров применяются как самостоятельные регистры с именами АХ, ВХ, СХ, DX. На самом деле в процессорах 8086 – 80286 все регистры были 16-битными и назывались именно так, а 32-битные ЕАХ – EDX появились с введением 32-битной архитектуры в 80386. Кроме этого, отдельные байты в 16-битных регистрах АХ – DX тоже могут использоваться как 8-битные регистры и иметь свои имена. Старшие байты этих регистров называются АН, ВН, СН, DH, а младшие — AL, BL, CL, DL (см. рис.4.1).

Остальные четыре регистра – ESI (индекс источника), EDI (индекс приемника), ЕВР (указатель базы), ESP (указатель стека) – имеют более конкретное назначение и применяются для хранения всевозможных временных переменных. Регистры ESI и EDI необходимы в строковых операциях, ЕВР и ESP – при работе со стеком. Так же как и в случае с регистрами ЕАХ — EDX, младшие половины этих четырех регистров называются SI, DI, BP и SP соответственно, и в процессорах до 80386 только они и присутствовали.

2.5. Сегментные регистры.

При использовании сегментированных моделей памяти для формирования любого адреса нужны 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 памяти и даже временно записывать их на диск, если памяти не хватает. Так как сегменты способны оказаться где угодно, программа обращается к ним, применяя вместо настоящего адреса начала сегмента 16-битное число, называемое селектором. В процессорах Intel предусмотрено шесть 16-битных регистров — CS, DS, ES, FS, GS, SS , где хранятся селекторы. (Регистры FS и GS отсутствовали в 8086, но появились уже в 80286.) Это означает, что в любой момент можно изменить параметры, записанные в этих регистрах.

В отличие от DS, ES, GS, FS, которые называются регистрами сегментов данных, CS и SS отвечают за сегменты двух особенных типов – сегмент кода и сегмент стека. Первый содержит программу, исполняющуюся в данный момент, следовательно, 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 очередной выполняемой команды всегда хранится в специальном регистре EIP (указатель инструкции, 16-битная форма IP), запись в который так же приведет к тому, что далее 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.

2.6. Регистр флагов.

Еще один важный регистр, использующийся при выполнении большинства команд, — регистр флагов. Как и раньше, его младшие 16 бит, представлявшие собой весь этот регистр до процессора 80386, называются FLAGS. В EFLAGS 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, имеют отношение к управлению защищенным режимом, поэтому здесь рассмотрен только регистр FLAGS (см. рис. 6):

Рис. 6. 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), в противном случае – в 0. Например, после сложения слова 0 FFFFh и 1, если регистр, в который надо поместить результат, – слово, в него будет записано 0000 h и флаг CF = 1.

PF – флаг четности. Устанавливается в 1, если младший байт результата предыдущей команды содержит четное число битов, равных 1, и в 0, если 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, когда 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. Он всегда равен старшему биту результата.

TF – флаг ловушки. Он был предусмотрен для работы отладчиков, не использующих защищенный режим. Установка его в 1 приводит к тому, что после выполнения каждой программной команды управление временно передается отладчику.

IF – флаг прерываний. Сброс этого флага в 0 приводит к тому, что процессор перестает обрабатывать прерывания от внешних устройств. Обычно его сбрасывают на короткое время для выполнения критических участков кода.

DF – флаг направления. Он контролирует поведение команд обработки строк: когда он установлен в 1, строки обрабатываются в сторону уменьшения адресов, когда DF =0 – наоборот.

OF – флаг переполнения. Он 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.

2.7. Цикл выполнения команды

Программа состоит из машинных команд. Программа загружается в оперативную память компьютера. Затем программа начинает выполняться, то есть процессор выполняет машинные команды в той последовательности, в какой они записаны в программе.

Для того чтобы процессор знал, какую команду нужно выполнять в определённый момент, существует счётчик команд – специальный регистр, в котором хранится адрес команды, которая должна быть выполнена после выполнения текущей команды. То есть при запуске программы в этом регистре хранится адрес первой команды. В процессорах Intel в качестве счётчика команд (его ещё называют указатель команды) используется регистр EIP (или IP в 16-разрядных программах).

Счётчик команд работает со сверхоперативной памятью, которая находится внутри процессора. Эта память носит название очередь команд, куда помещается одна или несколько команд непосредственно перед их выполнением. То есть в счётчике команд хранится адрес команды в очереди команд, а не адрес оперативной памяти.

Цикл выполнения команды – это последовательность действий, которая совершается процессором при выполнении одной машинной команды. При выполнении каждой машинной команды процессор должен выполнить как минимум три действия: выборку, декодирование и выполнение. Если в команде используется операнд, расположенный в оперативной памяти, то процессору придётся выполнить ещё две операции: выборку операнда из памяти и запись результата в память. Ниже описаны эти пять операций.

• Выборка команды . Блок управления извлекает команду из памяти (из очереди команд), копирует её во внутреннюю память процессора и увеличивает значение счётчика команд на длину этой команды (разные команды могут иметь разный размер).
• Декодирование команды . Блок управления определяет тип выполняемой команды, пересылает указанные в ней операнды в АЛУ и генерирует электрические сигналы управления АЛУ, которые соответствуют типу выполняемой операции.
• Выборка операндов . Если в команде используется операнд, расположенный в оперативной памяти, то блок управления начинает операцию по его выборке из памяти.
• Выполнение команды . АЛУ выполняет указанную в команде операцию, сохраняет полученный результат в заданном месте и обновляет состояние флагов, по значению которых программа может судить о результате выполнения команды.
• Запись результата в память . Если результат выполнения команды должен быть сохранён в памяти, блок управления начинает операцию сохранения данных в памяти.

Суммируем полученные знания и составим цикл выполнения команды:

1. Выбрать из очереди команд команду, на которую указывает счётчик команд.
2. Определить адрес следующей команды в очереди команд и записать адрес следующей команды в счётчик команд.
3. Декодировать команду.
4. Если в команде есть операнды, находящиеся в памяти, то выбрать операнды.
5. Выполнить команду и установить флаги.
6. Записать результат в память (по необходимости).
7. Начать выполнение следующей команды с п.1.

Это упрощённый цикл выполнения команды. К тому же действия могут отличаться в зависимости от процессора. Однако это даёт общее представление о том, как процессор выполняет одну машинную команду, а значит и программу в целом.

Регистры процессора Intel 8086: от чипа к транзисторам

Intel 8086 – один из самых влиятельных из когда-либо созданных компьютерных чипов. Он создал архитектуру x86, доминирующую в современных настольных и серверных компьютерах. Я занимался реверс-инжинирингом 8086 на основе фотографий кристаллов, и в данной статье я опишу реализацию регистрового файла (набора регистров).

Кристалл 8086. Отмечено место хранения регистров. Верхние регистры используются блоком интерфейса шины для доступа к памяти, а нижние регистры общего назначения используются исполнительным блоком. Буфер команд – это 6-байтная очередь, состоящая из заранее запрошенных команд.

На фото дано изображение процессора 8086 под микроскопом. Виден металлический слой сверху чипа, под которым прячется кремний. Расположенные по внешнему краю соединительные провода соединяют площадки на кристалле с 40 внешними контактами чипа.

Рамкой обведены пятнадцать 16-битовых регистров 8086 и шесть байтов очереди предварительного запроса команд (предвыборки кода). Регистры занимают значительную часть кристалла, хотя в сумме их наберётся всего на 36 байт. Из-за ограничений по площади у первых микропроцессоров было относительно небольшое количество регистров. Для сравнения, у современных чипов процессоров есть килобайты регистров и мегабайты кэшей.

8086 был одним из самых ранних микропроцессоров, реализовавших предвыборку кода, однако у Motorola 68000 (1979) немного раньше появился буфер предвыборки на 4 байта. В мейнфреймах предвыборка существовала у IBM Stretch (1961), CDC 6600 (1964) и IBM System/360 Model 91 (1966).

Количество регистров у современного процессора подсчитать сложно. Единственное точное число, найденное мною, содержалось в книге «Анатомия высокоскоростного микропроцессора» (1997), подробно описывающей процессор AMD K6. Из-за переименования регистров у современных процессоров физических регистров гораздо больше, чем архитектурных (тех, что видны программисту), а количество физических регистров в документации не указывается. У K6, кроме восьми регистров х86 общего назначения, было 16 микроархитектурных рабочих регистров для переименования.

У процессоров с поддержкой AVX-512 есть 32 512-битовых регистра, то есть для одной этой функции зарезервировано 2 кБ регистров. В таких случаях размер регистров подсчитать ещё сложнее. Что до размера кэша, то у передовых процессоров его объём доходит до 77 МБ.

Как регистры реализуются в кремнии

Начну с описания того, как 8086 создаётся из N-МОП транзисторов. Затем объясню, как делается инвертор, как при помощи инверторов хранятся одиночные биты, и как делается регистр.

8086, как и другие чипы той эпохи, создавались на основе транзисторов типа N-МОП. Эти чипы состояли из кремниевой подложки, в которую при помощи диффузии внедряли примеси из мышьяка или бора, формировавшие транзисторы. Находящиеся над кремнием проводники из поликремния формировали вентили транзисторов и соединяли все компоненты друг с другом. Находившийся ещё выше металлический слой содержал дополнительные проводники. Для сравнения, современные процессоры используют технологию КМОП, комбинирующую N-МОП и P-МОП транзисторы, и содержат множество металлических слоёв.

На схеме ниже показан инвертор, состоящий из N-МОП транзистора и резистора. При низком входном напряжении транзистор выключен, поэтому подтягивающий резистор подтягивает выход вверх. При высоком входном напряжении транзистор включается, соединяет землю и выход, подтягивая выход вниз. Таким образом входящий сигнал инвертируется.

На самом деле, подтягивающий резистор в вентиле N-МОП представляет собой транзистор особого рода. Работающий в режиме обеднения транзистор ведёт себя, как резистор, будучи при этом более компактным и эффективным.

На схеме показано, как из транзистора и резистора получается инвертор. На фото показана реализация на чипе. Металлический слой удалён, чтобы было видно кремний и поликремний.

На фото выше видно, как физически сделан инвертор у 8086. Розоватые участки – это кремний с примесями, делающими его токопроводящим, а линии медного цвета – это поликремний сверху. Транзистор появляется там, где поликремний пересекается с кремнием. Поликремний формирует вентиль транзистора, а участки кремния с двух сторон дают исток и сток. Большой прямоугольник поликремния формирует подтягивающий резистор между +5 В и выходом. Таким образом, схема чипа совпадает со схемой инвертора. Подобные цепи можно рассмотреть под микроскопом и подвергнуть реверс-инжинирингу.

Строительный блок регистра – два инвертора в цепи обратной связи, хранящих один бит (см. ниже). Если на верхнем проводнике 0, правый инвертор выдаст 1 на нижний проводник. Затем левый инвертор выдаст 0 на верхний проводник, завершая цикл. Таким образом цепь оказывается стабильной и «помнит» 0. И наоборот, если на верхнем проводнике 1, она превратится в 0 на нижнем проводнике, и обратно в 1 на верхнем. В итоге цепь может хранить 0 или 1, формируя однобитную память.

У 8086 два спаренных инвертора хранят в регистре один бит. Схема стабильно находится в состоянии 0 или 1.

К паре инверторов добавляются три транзистора, чтобы получилась пригодная для использования ячейка регистра. Один транзистор выбирает ячейку для чтения, второй выбирает ячейку для записи, третий усиливает сигнал при чтении. В центре схемы ниже два инвертора хранят бит. Для чтения бита ток подаётся на красную шину. Это соединяет выход инвертора с разрядной шиной через усиливающий транзистор. Для записи бита ток подаётся на красную шину, соединяющую разрядную шину с инверторами. Подавая высокотоковые сигналы 0 или 1 на разрядную шину (и, соответственно, на хранящийся бит), мы заставляем инверторы переключаться на нужное значение. Отметьте, что разрядная шина используется и для чтения, и для записи.

В других процессорах используются несколько другие ячейки для хранения регистров. 6502 использует дополнительный транзистор в цепи обратной связи инвертора, чтобы разбивать цепь при записи нового значения. Z80 пишет одновременно в оба инвертора, что «облегчает» изменение, однако требует наличия двух проводников для записи. У 8086 есть усиливающий транзистор в каждой ячейке регистра для чтения, а другие процессоры считывают выходной сигнал с обоих инверторов и используют внешний дифференциальный усилитель для усиления сигнала. Базовая ячейка регистра 8086 состоит из 7 транзисторов (7Т), что больше, чем в типичной статичной ячейке RAM, использующей 6 или 4 транзистора, однако она использует только одну разрядную шину, а не две разных. Динамическая память (DRAM) работает гораздо эффективнее, и использует один транзистор и конденсатор, однако без обновления данных они будут утеряны.

Принципиальная схема хранящей бит ячейки регистра. Регистровый файл делается из массива таких ячеек.

Регистровый файл состоит из матрицы ячеек регистров, подобных описанному выше. Ширина матрицы составляет 16 ячеек, поскольку в регистрах хранятся 16-битные значения. Каждый регистр расположен по горизонтали, поэтому шина чтения или записи выбирает все ячейки определённого регистра. 16 вертикальных разрядных шин формируют единую шину, поэтому все 16 битов в выбранном регистре читаются и записываются параллельно.

На фото ниже показан увеличенный регистровый файл 8086 общего назначения, и видна матрица регистровых ячеек: 16 столбцов и 8 строк, 8 16-битных регистров. Затем дано увеличение одной регистровой ячейки в файле. Объясню, как реализована эта ячейка.

Фото кристалла 8086 с увеличением нижнего регистрового файла (восьми 16-битовых регистров), а потом и отдельной регистровой ячейки. Чтобы было видно кремниевые структуры, металлический и поликремниевый слои удалены.

8086 делается из кремния с примесями и поликремниевых проводников с металлическими проводниками сверху. На левом фото ниже показаны вертикальные металлические проводники регистровой ячейки. Отмечены земля, питание и проводники разрядной шины (оставшийся проводник пересекает регистровый файл, но не контачит с ним). На фото справа металлический слой растворён, чтобы было видно поликремний и кремний. Шины чтения и записи – это горизонтальные поликремниевые проводники. Поскольку у чипа только один металлический слой, в регистрах для вертикальных шин используется металл, а для горизонтальных – поликремний, чтобы они не пересекались друг с другом). Сквозные соединения металла и кремния видны как более яркие круги на фото с металлом и как кружки на фото с кремнием.

Ячейка хранения регистра. На фото слева показан металлический слой, а справа – соответствующие слои поликремния и кремния.

На диаграмме ниже показано соответствие физической схемы регистровой ячейки с принципиальной. Инверторы состоят из транзистора А и В и регистров. Транзисторы C, D и E формируются отмеченными кусочками поликремния. Разрядная шина не видна, поскольку располагается в металлическом слое. Отметьте, что схема ячейки памяти сильно оптимизирована для минимизации размера. Также отметьте, что транзистор А гораздо меньше других. У инвертора А довольно слабый выходной ток, поэтому разрядная шина может преодолеть его при записи.

Регистровая ячейка от 8086 с соответствующей схемой

Поддержка 8-битных регистров

Если тщательно изучить кристалл, видно, что некоторые регистровые ячейки имеют немного другую структуру. Слева расположена регистровая ячейка, которую мы уже обсудили, а справа – пара регистровых ячеек с двумя шинами записи вместо одной. На левом фото шина записи пересекает кремний в обеих регистровых ячейках. На правом фото шина «правой записи» пересекает кремний в правой части, однако проходит между участками кремния в левой. И наоборот, шина «левой записи» пересекает кремний с левой стороны и проходит между участками кремния справа. Таким образом, одна шина управляет записью правого бита, а другая – левого. В 16-битном регистре таким образом можно отдельно записывать перемежающиеся 8-битные части.

Регистровая ячейка на кристалле повторяются не единообразно – каждая вторая ячейка является зеркальным отражением предыдущей. Это увеличивает плотность регистровой ячейки – шина питания, идущая между двумя зеркальными ячейками, может питать их обе (то же касается и земли). Зеркальные повторения уменьшают количество требуемых шин питания и земли в два раза.

Хотя на блок-схемах обычно нарисовано, как 16-битные регистры делятся на левую и правую половины, в реальном исполнении биты с каждой из сторон чередуются, вместо того, чтобы всегда хранить первую 8-битовую часть слева, а вторую – справа. Такая реализация упрощает иногда возникающую задачу перемены местами двух половин 16-битного слова. Один из таких случаев – чтение или запись памяти без выравнивания. Другой – операция АЛУ, использующая верхнюю часть регистра – например, АН. Для перемены местами битов между правой и левой половинами потребовалось бы тянуть длинные проводники между всеми битами половин слов. Однако при чередующемся расположении для перемены местами двух половин слова требуется поменять местами каждую пару соседних битов, для чего длинные проводники не нужны. Иначе говоря, чередующееся расположение регистров 8086 облегчает задачу расположения проводников для перемены местами двух половин слова.

Две пары ячеек памяти с разными цепями. У ячеек слева одна шина записи, а справа – отдельные шины записи для левых и правых битов.

Почему у некоторых регистров две шины записи, а других – одна? Причина в том, что у 8086 16-битные регистры, однако к четырём из них можно обращаться и как к 8-битным, как показано ниже. К примеру к 16-битному аккумулятору А можно обращаться как к 8-битному AH (старшая часть аккумулятора) и 8-битному AL (младшая часть) регистрам. Реализация регистров с двумя шинами контроля записи позволяет вести запись в каждую половину регистра отдельно.

Если бы регистровый файл поддерживал только 16-битные регистры вместо 8-битных, процессор мог бы работать, но менее эффективно. Записи в 8-битные половины производились бы путём чтения всех 16 бит, изменения 8-битной половины и записи всех 16 бит. В результате вместо доступа к одному регистру обращение шло бы к трём. При этом регистровому файлу не нужно как-то особо поддерживать чтение 8 бит, поскольку ненужную половину можно просто игнорировать.

Регистры общего назначения в процессоре 8086. Регистры A, B, C и D можно делить на две 8-битных половины.

Многопортовые регистры

Пока что мы рассмотрели восемь «нижних регистров» общего назначения. У 8086 есть также семь «верхних регистров», используемых для доступа к памяти, включая печально известные сегментные регистры. У этих регистров схема работы более сложная, многопортовая, позволяющая одновременно вести несколько процессов чтения и записи. К примеру, многопортовый регистровый файл позволяет прочесть счётчик программы, сегментный регистр и записать другой сегментный регистр – и всё это одновременно.

Приведённая ниже блок-схема отличается от большинства блок-схем для 8086, поскольку показывает реальную физическую реализацию процессора, а не ту, что представляет себе программист. В частности, на диаграмме показано два «регистра внутренних коммуникаций» среди регистров модуля интерфейса шины (справа) вместе с сегментными регистрами, совпадающими с 7 регистрами, которые можно рассмотреть на кристалле. Временные регистры, показанные ниже, физически являются частью АЛУ, поэтому в данной статье я их не рассматриваю.

В книжке «Разработка современных процессоров» обсуждаются сложные системы регистров в процессоре, начиная с 2000-х годов. Там написано, что сложность цепей быстро выходит за рамки трёх портов, а в некоторых передовых процессорах существуют регистровые файлы с 20 или более портами.

Многопортовая регистровая ячейка ниже создана на основе той же схемы из двух инверторов, однако у неё есть три разрядных шины (а не одна, как в предыдущем случае) и пять управляющих шин (вместо двух). Три шины чтения позволяют читать содержимое регистровой ячейки по любой из трёх разрядных шин, а две шины записи позволяют разрядной шине А или С вести запись в регистровую ячейку.

Многопортовая регистровая ячейка в процессоре 8086

На первый взгляд, регистровый файл 8086 выглядит как однородный набор регистров, однако при тщательном рассмотрении видно, что каждый регистр оптимизирован в зависимости от его функции. Некоторые из них – простые 16-битные регистры, и расположены наиболее компактно. К другим 16-битным регистрам можно обращаться как к двум 8-битным, что требует ещё одной управляющей шины. У наиболее сложных регистров есть два-три порта для чтения и один-два для записи. В каждом случае физическая реализация регистровой ячейки тщательно разработана так, чтобы занимать как можно меньше места, в связи с чем форма транзисторов часто получается сложной. Инженеры Intel сжимали схему расположения регистров как можно сильнее, чтобы уместить их все на доступной им площади.

У верхних регистров есть разное количество портов для чтения и записи: два регистра с 3 шинами чтения и 2 шинами записи, один регистр с 2 шинами чтения и 2 шинами записи, четыре регистра с 2 шинами чтения и 1 шиной записи. Три первых регистра – это, вероятно, счётчик программы, непрямой временный регистр и временный регистр операнда. Последние четыре – вероятно, сегментные регистры SS, DS, SS и ES. Также там есть три регистра буфера предварительной выборки команд, каждый с одной шиной для чтения и одной для записи.

Процессор 8088, использовавшийся в оригинальных компьютерах IBM PC, был практически идентичен 8086, кроме того, что у него была 8-битная внешняя шина вместо 16-битной – так стоимость системы получалась меньше. Размер буфера предварительной выборки у 8088 был 4 байта вместо 6 – вероятно, потому, что 4-х байт было достаточно для более медленной шины памяти 8088-го.

В отличие от 8086, регистры предварительной выборки у 8088 поддерживают независимую запись в 8-битные половинки (похоже на регистры A, B, C и D 8088-го, только эти ячейки выглядят по-другому). Всё потому, что 8088 запрашивал команды по одному байту за раз, а не по одному слову, из-за узкой шины. Поэтому регистры предварительной выборки должны поддерживать побайтовую запись, в то время, как 8086-й поддерживает предварительную выборку по словам.

Файл верхних регистров, состоящий из десяти 16-битных регистров. На фото видно кремний и поликремний. Вертикальные красные линии – остатки удалённого металлического слоя. Кликабельно.

Заключение

Хотя 8086 процессору уже 42 года, он до сих пор оказывает значительное влияние на современные компьютеры, поскольку архитектура х86 до сих пор очень часто используется. Регистры 8086 до сих пор существуют в современных компьютерах х86, хотя сегодня они уже имеют длину в 64 бита, а кроме этих регистров существует и множество других.

Кристалл 8086-го очень интересно изучать, поскольку его транзисторы можно рассмотреть под микроскопом. В своё время это был сложный процессор, поскольку на нём расположено 29 000 транзисторов, однако достаточно простой для того, чтобы отследить все цепи и понять, как они работают.