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PALESTRA Nº 17. Estruturas de comando no Assembler

1. Estrutura de instrução da máquina

Um comando de máquina é uma indicação ao microprocessador, codificado de acordo com certas regras, para realizar alguma operação ou ação. Cada comando contém elementos que definem:

1) o que fazer? (A resposta a esta pergunta é dada pelo elemento de comando chamado código de operação (COP).);

2) objetos sobre os quais algo precisa ser feito (esses elementos são chamados de operandos);

3) como fazer? (Esses elementos são chamados de tipos de operando e geralmente são implícitos.)

O formato de instrução de máquina mostrado na Figura 20 é o mais geral. O comprimento máximo de uma instrução de máquina é de 15 bytes. Um comando real pode conter um número muito menor de campos, até um - apenas COP.

Arroz. 20. Formato de instrução de máquina

Vamos descrever o propósito dos campos de instrução de máquina.

1. Prefixos.

Elementos de instrução de máquina opcionais, cada um dos quais é de 1 byte ou pode ser omitido. Na memória, os prefixos precedem o comando. A finalidade dos prefixos é modificar a operação realizada pelo comando. Um aplicativo pode usar os seguintes tipos de prefixos:

1) prefixo de substituição de segmento. Especifica explicitamente qual registrador de segmento é usado nesta instrução para endereçar a pilha ou os dados. O prefixo substitui a seleção de registro de segmento padrão. Os prefixos de substituição de segmento têm os seguintes significados:

a) 2eh - substituição do segmento cs;

b) 36h - substituição do segmento ss;

c) 3eh - substituição do segmento ds;

d) 26h - substituição do segmento es;

e) 64h - substituição do segmento fs;

e) 65h - substituição do segmento gs;

2) o prefixo de quantidade de bits do endereço especifica a quantidade de bits do endereço (32 ou 16 bits). Cada instrução que usa um operando de endereço recebe a largura de bits do endereço desse operando. Este endereço pode ser de 16 ou 32 bits. Se o comprimento do endereço deste comando for de 16 bits, significa que o comando contém um deslocamento de 16 bits (Fig. 20), corresponde a um deslocamento de 16 bits do operando de endereço relativo ao início de algum segmento. No contexto da Figura 21, esse deslocamento é chamado de endereço efetivo. Se o endereço for de 32 bits, significa que o comando contém um deslocamento de 32 bits (Fig. 20), corresponde ao deslocamento de 32 bits do operando de endereço em relação ao início do segmento, e seu valor forma um deslocamento de 32 bits deslocamento de -bit no segmento. O prefixo de bitness de endereço pode ser usado para alterar o bitness de endereço padrão. Essa alteração afetará apenas o comando precedido pelo prefixo;

Arroz. 21. O mecanismo de formação de um endereço físico em modo real

3) O prefixo da largura do bit do operando é semelhante ao prefixo da largura do bit do endereço, mas indica o comprimento do bit do operando (32 bits ou 16 bits) com o qual a instrução trabalha. Quais são as regras para definir os atributos de endereço e largura de bit do operando por padrão?

No modo real e no modo virtual 18086, os valores desses atributos são 16 bits. No modo protegido, os valores dos atributos dependem do estado do bit D nos descritores de segmentos executáveis. Se D = 0, os valores de atributo padrão são 16 bits; se D = 1, então 32 bits.

Valores de prefixo para largura de operando 66h e largura de endereço 67h. Com o prefixo de bit de endereço de modo real, você pode usar endereçamento de 32 bits, mas esteja ciente do limite de tamanho de segmento de 64 KB. Semelhante ao prefixo de largura de endereço, você pode usar o prefixo de largura de operando de modo real para trabalhar com operandos de 32 bits (por exemplo, em instruções aritméticas);

4) o prefixo de repetição é usado com comandos de cadeia (comandos de processamento de linha). Este prefixo "lança" o comando para processar todos os elementos da cadeia. O sistema de comando suporta dois tipos de prefixos:

a) incondicional (rep - OOh), forçando o comando encadeado a ser repetido um certo número de vezes;

b) condicional (repe/repz - OOh, repne/repnz - 0f2h), que, ao fazer o loop, verifica alguns flags e, como resultado da verificação, é possível a saída antecipada do loop.

2. Código de operação.

Elemento obrigatório que descreve a operação realizada pelo comando. Muitos comandos correspondem a vários códigos de operação, cada um dos quais determina as nuances da operação. Os campos subsequentes da instrução de máquina determinam a localização dos operandos envolvidos na operação e as especificidades de seu uso. A consideração desses campos está ligada às formas de especificar operandos em uma instrução de máquina e, portanto, será realizada posteriormente.

3. Modo de endereçamento byte modr/m.

O valor deste byte determina a forma de endereço do operando utilizada. Os operandos podem estar na memória em um ou dois registradores. Se o operando estiver na memória, o byte modr/m especifica os componentes (registradores de deslocamento, base e índice) usados ​​para calcular seu endereço efetivo (Figura 21). No modo protegido, o byte sib (Scale-Index-Base) pode ser usado adicionalmente para determinar a localização do operando na memória. O byte modr/m consiste em três campos (Fig. 20):

1) o campo mod determina o número de bytes ocupados pelo endereço do operando no comando (Fig. 20, campo offset no comando). O campo mod é usado em conjunto com o campo r/m, que especifica como o endereço do operando "deslocamento de instrução" é modificado. Por exemplo, se mod = 00, isso significa que não há campo de deslocamento no comando, e o endereço do operando é determinado pelo conteúdo do registrador base e (ou) índice. Quais registradores serão usados ​​para calcular o endereço efetivo é determinado pelo valor deste byte. Se mod = 01, significa que o campo offset está presente no comando, ocupa 1 byte e é modificado pelo conteúdo do registro base e (ou) índice. Se mod = 10, isso significa que o campo de deslocamento do comando está presente, ocupa 2 ou 4 bytes (dependendo do tamanho do endereço padrão ou definido pelo prefixo) e é modificado pelo conteúdo do registro base e/ou índice. Se mod = 11, isso significa que não há operandos na memória: eles estão em registradores. O mesmo valor do byte mod é usado quando um operando imediato é usado na instrução;

2) o campo reg/cop determina ou o registrador localizado no comando no lugar do primeiro operando, ou uma possível extensão do opcode;

3) o campo r/m é usado em conjunto com o campo mod e determina o registrador localizado no comando no local do primeiro operando (se mod = 11), ou os registradores base e índice usados ​​para calcular o endereço efetivo (junto com o campo de deslocamento no comando).

4. Escala de bytes - índice - base (byte sib).

Usado para expandir as possibilidades de endereçamento de operandos. A presença do byte sib em uma instrução de máquina é indicada pela combinação de um dos valores 01 ou 10 do campo mod e o valor do campo r/m = 100. O byte sib é composto por três campos:

1) campos de escala ss. Este campo contém o fator de escala para o índice do componente de índice, que ocupa os próximos 3 bits do byte sib. O campo ss pode conter um dos seguintes valores: 1, 2, 4, 8.

Ao calcular o endereço efetivo, o conteúdo do registro de índice será multiplicado por este valor;

2) campos de índice. Usado para armazenar o número do registro de índice que é usado para calcular o endereço efetivo do operando;

3) campos de base. Usado para armazenar o número do registrador base, que também é usado para calcular o endereço efetivo do operando. Quase todos os registradores de uso geral podem ser usados ​​como registradores de base e de índice.

5. Campo de deslocamento no comando.

Um inteiro com sinal de 8, 16 ou 32 bits que representa, no todo ou em parte (sujeito às considerações acima), o valor do endereço efetivo do operando.

6. O campo do operando imediato.

Um campo opcional que é um operando imediato de 8 bits, 16 bits ou 32 bits. A presença deste campo é, obviamente, refletida no valor do byte modr/m.

2. Métodos para especificar operandos de instrução

O operando é definido implicitamente no nível de firmware

Nesse caso, a instrução explicitamente não contém operandos. O algoritmo de execução do comando usa alguns objetos padrão (registros, sinalizadores em eflags, etc.).

Por exemplo, os comandos cli e sti funcionam implicitamente com o sinalizador de interrupção if no registrador eflags, e o comando xlat acessa implicitamente o registrador al e uma linha na memória no endereço especificado pelo par de registradores ds:bx.

O operando é especificado na própria instrução (operando imediato)

O operando está no código de instrução, ou seja, faz parte dele. Para armazenar tal operando em um comando, um campo de até 32 bits é alocado (Figura 20). O operando imediato só pode ser o segundo operando (origem). O operando destino pode estar na memória ou em um registrador.

Por exemplo: mov ax,0ffffti move a constante hexadecimal ffff para o registrador ax. O comando add sum, 2 adiciona o conteúdo do campo na soma do endereço com o inteiro 2 e grava o resultado no local do primeiro operando, ou seja, na memória.

O operando está em um dos registradores

Os operandos de registro são especificados por nomes de registro. Os registros podem ser usados:

1) registradores de 32 bits EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, ESP, EUR;

2) registradores de 16 bits AX, BX, CX, DX, SI, DI, SP, BP;

3) registradores de 8 bits AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH, DL;

4) registradores de segmento CS, DS, SS, ES, FS, GS.

Por exemplo, a instrução add ax,bx adiciona o conteúdo dos registradores ax e bx e escreve o resultado em bx. O comando dec si diminui o conteúdo de si em 1.

O operando está na memória

Esta é a maneira mais complexa e ao mesmo tempo mais flexível de especificar operandos. Ele permite que você implemente os dois tipos principais de endereçamento a seguir: direto e indireto.

Por sua vez, o endereçamento indireto tem as seguintes variedades:

1) endereçamento indireto de base; seu outro nome é endereçamento indireto de registro;

2) endereçamento indireto de base com offset;

3) endereçamento de índice indireto com offset;

4) endereçamento indireto do índice base;

5) endereçamento indireto do índice base com offset.

O operando é uma porta de E/S

Além do espaço de endereço de RAM, o microprocessador mantém um espaço de endereço de E/S, que é usado para acessar dispositivos de E/S. O espaço de endereço de E/S é de 64 KB. Os endereços são alocados para qualquer dispositivo de computador neste espaço. Um valor de endereço específico dentro desse espaço é chamado de porta de E/S. Fisicamente, a porta de E/S corresponde a um registrador de hardware (não confundir com um registrador de microprocessador), que é acessado usando instruções de montagem especiais de entrada e saída.

Por exemplo:

em al,60h; insira um byte da porta 60h

Os registros endereçados por uma porta de E/S podem ter 8,16, 32 ou XNUMX bits de largura, mas a largura do bit de registro é fixa para uma determinada porta. Os comandos de entrada e saída operam em um intervalo fixo de objetos. Os chamados registros acumuladores EAX, AX, AL são usados ​​como fonte de informação ou destinatário. A escolha do registro é determinada pela quantidade de bits da porta. O número da porta pode ser especificado como um operando imediato nas instruções de entrada e saída, ou como um valor no registrador DX. O último método permite determinar dinamicamente o número da porta no programa.

O operando está na pilha

As instruções podem não ter nenhum operando, podem ter um ou dois operandos. A maioria das instruções requer dois operandos, um dos quais é o operando de origem e o outro é o operando de destino. É importante que um operando possa estar localizado em um registrador ou memória, e o segundo operando em um registrador ou diretamente na instrução. Um operando imediato só pode ser um operando de origem. Em uma instrução de máquina de dois operandos, as seguintes combinações de operandos são possíveis:

1) cadastro - cadastro;

2) registrador - memória;

3) memória - registro;

4) operando imediato - registrador;

5) operando imediato - memória.

Existem exceções a esta regra em relação a:

1) comandos em cadeia que podem mover dados de memória para memória;

2) comandos de pilha que podem transferir dados da memória para uma pilha que também está na memória;

3) comandos do tipo multiplicação, que, além do operando especificado no comando, também utilizam um segundo operando implícito.

Das combinações de operandos listadas, registrador - memória e registrador de memória - são os mais usados. Em vista de sua importância, vamos considerá-los mais detalhadamente. Acompanharemos a discussão com exemplos de instruções do montador que mostrarão como o formato de uma instrução do montador muda quando um ou outro tipo de endereçamento é aplicado. A esse respeito, observe novamente a Figura 21, que mostra o princípio de formação de um endereço físico no barramento de endereços do microprocessador. Pode-se observar que o endereço do operando é formado pela soma de dois componentes - o conteúdo do registrador de segmento deslocado em 4 bits e o endereço efetivo de 16 bits, que geralmente é calculado como a soma de três componentes: base, deslocamento e índice.

3. Métodos de endereçamento

Listamos e, em seguida, consideramos as características dos principais tipos de operandos de endereçamento na memória:

1) endereçamento direto;

2) endereçamento básico indireto (registro);

3) endereçamento básico indireto (registro) com offset;

4) endereçamento de índice indireto com offset;

5) endereçamento indireto do índice base;

6) endereçamento indireto do índice base com offset.

Endereçamento direto

Essa é a forma mais simples de endereçar um operando na memória, pois o endereço efetivo está contido na própria instrução e nenhuma fonte ou registrador adicional é usado para formá-lo. O endereço efetivo é obtido diretamente do campo de deslocamento da instrução de máquina (veja a Figura 20), que pode ter 8, 16, 32 bits de tamanho. Esse valor identifica exclusivamente o byte, palavra ou palavra dupla localizada no segmento de dados.

O endereçamento direto pode ser de dois tipos.

Endereçamento direto relativo

Usado para instruções de salto condicional para indicar o endereço de salto relativo. A relatividade de tal transição reside no fato de que o campo de deslocamento da instrução de máquina contém um valor de 8, 16 ou 32 bits, que, como resultado da operação da instrução, será adicionado ao conteúdo da instrução de máquina. o registrador de ponteiro de instrução ip/eip. Como resultado desta adição, é obtido o endereço para o qual a transição é realizada.

Endereçamento direto absoluto

Neste caso, o endereço efetivo faz parte da instrução de máquina, mas este endereço é formado apenas a partir do valor do campo offset na instrução. Para formar o endereço físico do operando na memória, o microprocessador soma este campo com o valor do registrador de segmento deslocado em 4 bits. Várias formas deste endereçamento podem ser usadas em uma instrução assembler.

Mas esse endereçamento raramente é usado - células comumente usadas no programa recebem nomes simbólicos. Durante a tradução, o montador calcula e substitui os valores de deslocamento desses nomes na instrução de máquina que gera no campo "deslocamento de instrução". Como resultado, verifica-se que a instrução de máquina endereça diretamente seu operando, tendo, de fato, em um de seus campos o valor do endereço efetivo.

Outros tipos de endereçamento são indiretos. A palavra "indireto" no nome desses tipos de endereçamento significa que apenas parte do endereço efetivo pode estar na própria instrução, e seus demais componentes estão em registradores, que são indicados pelo seu conteúdo pelo byte modr/m e, possivelmente, pelo byte sib.

Endereçamento básico indireto (registro)

Com este endereçamento, o endereço efetivo do operando pode estar em qualquer um dos registradores de uso geral, exceto sp/esp e bp/ebp (estes são registradores específicos para trabalhar com um segmento de pilha). Sintaticamente em um comando, este modo de endereçamento é expresso colocando o nome do registrador entre colchetes []. Por exemplo, a instrução mov ax, [ecx] coloca nos registradores ax o conteúdo da palavra no endereço do segmento de dados com o deslocamento armazenado no registrador esx. Como o conteúdo do registrador pode ser facilmente alterado no decorrer do programa, este método de endereçamento permite atribuir dinamicamente o endereço de um operando para alguma instrução de máquina. Esta propriedade é muito útil, por exemplo, para organizar cálculos cíclicos e para trabalhar com várias estruturas de dados como tabelas ou arrays.

Endereçamento indireto de base (registro) com offset

Este tipo de endereçamento é uma adição ao anterior e é projetado para acessar dados com um deslocamento conhecido em relação a algum endereço base. Este tipo de endereçamento é conveniente para acessar os elementos das estruturas de dados, quando o deslocamento dos elementos é conhecido antecipadamente, na fase de desenvolvimento do programa, e o endereço base (inicial) da estrutura deve ser calculado dinamicamente, no a fase de execução do programa. A modificação do conteúdo da base cadastral permite acessar os elementos de mesmo nome em diferentes instâncias do mesmo tipo de estrutura de dados.

Por exemplo, a instrução mov ax,[edx+3h] transfere as palavras da área de memória para os registradores ax no endereço: o conteúdo de edx + 3h.

A instrução mov ax,mas[dx] move uma palavra para o registrador ax no endereço: o conteúdo de dx mais o valor do identificador mas (lembre-se que o compilador atribui a cada identificador um valor igual ao deslocamento deste identificador do início do segmento de dados).

Endereçamento de índice indireto com deslocamento

Este tipo de endereçamento é muito semelhante ao endereçamento de base indireto com deslocamento. Aqui, também, um dos registradores de uso geral é usado para formar o endereço efetivo. Mas o endereçamento de índice tem um recurso interessante que é muito conveniente para trabalhar com arrays. Ele está conectado com a possibilidade do chamado dimensionamento do conteúdo do registro de índice. O que é isso?

Veja a Figura 20. Estamos interessados ​​no byte sib. Ao discutir a estrutura desse byte, notamos que ele consiste em três campos. Um desses campos é o campo ss scale, pelo qual se multiplica o conteúdo do registro de índice.

Por exemplo, na instrução mov ax,mas[si*2], o valor do endereço efetivo do segundo operando é calculado pela expressão mas+(si)*2. Devido ao fato de que o montador não tem meios para organizar a indexação de arrays, o programador tem que organizá-la por conta própria.

A capacidade de dimensionar ajuda significativamente na solução desse problema, mas desde que o tamanho dos elementos da matriz seja de 1, 2, 4 ou 8 bytes.

Endereçamento de índice base indireto

Com este tipo de endereçamento, o endereço efetivo é formado pela soma do conteúdo de dois registradores de uso geral: base e índice. Esses registradores podem ser quaisquer registradores de uso geral, e o dimensionamento do conteúdo de um registrador de índice é frequentemente usado.

Endereçamento de índice base indireto com deslocamento

Este tipo de endereçamento é o complemento do endereçamento indexado indireto. O endereço efetivo é formado pela soma de três componentes: o conteúdo do registrador base, o conteúdo do registrador de índice e o valor do campo de deslocamento no comando.

Por exemplo, a instrução mov eax,[esi+5] [edx] move uma palavra dupla para o registrador eax no endereço: (esi) + 5 + (edx).

O comando add ax,array[esi] [ebx] adiciona o conteúdo do registrador ax ao conteúdo da palavra no endereço: o valor do array identificador + (esi) + (ebx).

Autor: Tsvetkova A.V.

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