80386 процессор

Содержание

1.Введение

2.Режимы процессора

2.1.Реальный режим

2.2.Защищенный режим

3.Типы данных

4.Регистры

4.1.Регистры общего назначения

4.2.Регистр системных флагов

4.3.Регистры сегментов

4.4.Регистры управления сегментированной памятью

4.5.Указатель команд

4.6.Регистры управления

4.7.Регистры отладки

4.8.Буфер ассоциативной трансляции

5.Система команд

5.1.Формат команд

5.2.Описание обозначения

5.3.Список команд

1. Введение

МП 80386 вышел на рынок с уникальным преимуществом. Он является единственным 32-разрядным МП, для которого пригодно существующее прикладное програмное обеспечение, написанное для МП предыдущих моделей от 8086/88 до 80286. Любые программы, написанные для этих МП могут выполняться на 80386 без всяких исправлений и дополнений, лишь только с увеличением скорости их выполнения. Это свойство МП называется совместимостью снизу вверх. Также, дополнительными преимуществами этого МП являются многозадачность, встроенное управление памятью, виртуальная память с разделением на страницы, защита программ и большое адресное пространство. Аппаратная совместимость с предыдущими моделями сохранена посредством динамического изменения разряд­ности магистрали.

МП 80386 выполнен на основе технологии CHMOS III фирмы Intel, которая вобрала в себя быстродействие технологии HMOS (МДП высокой плотности) и малое потребление мощности техноло­гии CMOS (КМДП). МП 80386 предусматривает переключение прог­рамм, выполняемых под управлением различных операционных систем, таких как MS-DOS и UNIX. Это свойство позволяет разра­ботчикам программ включать стандартное прикладное программное обеспечение для 16-разрядных МП непосредственно в 32-разрядную систему. Процессор определяет адресное пространство как один или несколько сегментов памяти любого размера в диапазоне от 1 байт до 4 Гбайт. Эти сегменты могут быть индивидуально защище­ны уровнями привилегий и таким образом избирательно разде­ляться различными задачами.

2. Режимы процессора

Для более полного понятия системы команд МП 80386 необхо­димо предварительно описать общую схему его работы и архитек­туру.

В данном реферате не раскрывается более подробно значения некоторых специфических слов и понятий, считая, что читатель предварительно ознакомился с МП 8086 и МП 80286 и имеет представление о их работе и архитектуре. Описываются только те функции МП 80386, которые отсутствуют или изменены в предыду­щих моделях МП.

МП 80386 имеет два режима работы: режим реальных адресов, называемый реальным режимом, и защищенный режим.

2.1. Реальный режим

При подаче сигнала сброса или при включении питания уста­навливается реальный режим, причем МП 80386 работает как очень быстрый МП 8086, но, по желанию программиста, с 32-разрядным расширением. В реальном режиме МП 80386 имеет такую же базовую архитектуру, что и МП 8086, но обеспечивает доступ к 32-раз­рядным регистрам. Механизм адресации, размеры памяти и обра­ботка прерываний МП 8086 полностью совпадают с аналогичными функциями МП 80386 в реальном режиме.

Единственным способом выхода из реального режима является явное переключение в защищенный режим. В защищенный режим МП 80386 входит при установке бита включения защиты (РЕ) в нуле­вом регистре управления (CR0) с помощью команды пересылки (MOV to CR0). Для совместимости с МП 80286 с целью установки бита РЕ может быть также использована команда загрузки слова состо­яния машины LMSW. Процессор повторно входит в реальный режим в том случае, если программа командой пересылки сбрасывает бит РЕ регистра CR0.

2.2. Защищенный режим

Полные возможности МП 80386 раскрываются в защищенном ре­жиме. Программы могут исполнять переключение между процессами с целью входа в задачи, предназначенные для режима виртуально­го МП 8086. Каждая такая задача проявляет себя в семантике МП 8086 (т.е. в отношениях между символами и приписываемыми им значениями независимо от интерпретирующего их оборудования). Это позволяет выполнять на МП 80386 програмное обеспечение для МП 8086 - прикладную программу или целую операционную систему. В то же время задачи для виртуального МП 8086 изолированы и защищены как друг от друга, так и от главной операционной системы МП 80386.

3. Типы данных

МП 80386 подразделяет память на 8-разрядные байты, 16-разрядные слова и 32-разрядные двойные слова. Дополнительно МП 80386 поддерживает также следующие дополнительные типы дан­ных.

Неупакованный двоично-десятичный тип - распакованное бай­товое представление десятичной цифры от 0 до 9. Распакованные десятичные числа хранятся как беззнаковые байтовые значения по одной цифре в каждом байте. Значение цифры определяется млад­шим полубайтом. Старший полубайт должен быть равным нулю при делении и умножении, но может иметь любое значение при вычита­нии или сложении.

Упакованный двоично-десятичный тип - упакованное байтовое представление двух десятичных цифр от 0 до 9. Каждая цифра хранится в своем полубайте. Цифра в старшем полубайте является более значимой. Диапазон упакованного десятичного байта составляет от 0 до 99.

Битовое поле - непрерывная последовательность битов, в которой каждый бит рассматривается как независимая переменная. Битовое поле может начинаться с любого бита любого байта и мо­жет быть длиной до 32 бит.

Битовая строка - подобно битовому полю, битовая строка является непрерывной последовательностью битов. Битовая строка может начинаться с любого бита любого байта и иметь длину до (2Е32-1) бит.

Ближний указатель - 32-разрядный логический адрес, кото­рый представляет собой относительный адрес внутри сегмента. Ближние указатели используются как в сплошной, так и в сегмен­тированной модели памяти.

Дальний указатель - 48-разрядный логический адрес из двух компонентов: 16-разрядного сегмента и 32-разрядного относи­тельного адреса. Дальние указатели используются программистами тольком в том случае, когда конструкторы системы выбирают сег­ментированную организацию памяти.

Целый тип - знаковое двоичное значение, содержащееся в 32-разрядном двойном слове, 16-разрядном слове или 8-разрядном байте. Все операции предполагают представление чисел в допол­нительном коде. Знаковый бит расположен в бите 7 в байте, в бите 15 в слове и в бите 31 в двойном слове. Он равен нулю для положительных чисел и единице для отрицательных. Поскольку этот старший бит используется как знаковый, то 8-разрядное (байт) целое число может изменяться в диапазоне от -128 до +127, 16-разрядное (слово) целое число в диапазоне от -32768 до +32767, а 32-разрядное (двойное слово) целое число в диапа­зоне от -2Е31 до +2Е31-1. Нулевое значение имеет положительный знак.

Обычный тип - беззнаковое двоичное значение, содержащееся в 32-разрядном двойном слове, 16-разрядном слове или 8-разряд­ном байте. Все биты определяют величину числа.

Строка - непрерывная последовательность байтов, слов или двойных слов. Строка может содержать от 0 до 2Е32 -1 байтов или 4 Гбайтов.

4. Регистры

Регистр является устройством временного хранения данных и используется с целью облегчения арифметических, логических и пересылочных операций. Регистры МП 80386 являются расширением регистров прежних МП 8086, 80186, 80286. Все 16-разрядные ре­гистры МП предыдущих поколений содержатся внутри 32-разрядной архитектуры.

Микропроцессор 80386 включает шесть непосредственно доступных программисту регистров селекторов сегментов, которые содержат указатели сегментов. Значения этих селекторов могут быть загружены при исполнении программы и являются специфичны­ми для задачи. Это значит, что регистры сегментов перезагружа­ются автоматически при переключении МП 80386 на другую задачу. За регистрами селекторов сегментов стоят реальные регистры кэш-памяти сегментов, которые содержат описания сегментов, указываемых селектором. Это сделано на аппаратном уровне для того, чтобы избежать дополнительной выборки из памяти в слу­чае, когда требуется описание сегмента.

4.1. Регистры общего назначения

Восемь регистров общего назначения имеют длину в 32 бит и содержат адреса или данные. Они поддерживают операнды-данные длиной 1, 8, 16, 32 и 64 бит; битовые поля от 1 до 32 бит: операнды-адреса длиной 16 и 32 бит. Эти регистры называются EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP.

Доступ к младшим 16 бит этих регистров выполняется неза­висимо. Это делается в большинстве ассемблеров при использова­нии 16-разрядных имен регистров: AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP.

4.2. Регистр системных флагов

Регистр EFLAGS управляет вводом-выводом, маскируемыми прерываниями, отладкой, переключением задач и включением исполнения в режиме виртуального МП 8086 в защищенной многоза­дачной среде - все это в дополнение к флагам состояния, кото­рые отражают результат исполнения команды. Младшие 16 бит его представляют собой 16-разрядный регистр флагов и состояния МП 80286, называемый FLAGS, который наиболее полезен при исполне­нии программ для МП 8086 и 80286.

4.2. Регистры сегментов

Шесть 16-разрядных регистров содержат значения селекторов сегментов, которые указывают на текущие адресуемые сегменты памяти. Ниже перечислены эти регистры.

Регистр сегмента программы (CS) - указывает на сегмент, который содержит текущую последовательность исполняемых ко­манд. Процессор выбирает все команды из этого сегмента, используя содержимое счетчика команд как относительный адрес. Содержимое CS изменяется в результате выполнения внутрисег­ментных команд управления потоком, прерываний и исключений. Он не может быть загружен явным способом.

Регистр сегмента стека (SS). Вызовы подпрограмм, записи параметров и активизация процедур обычно требуют области памя­ти, резервируемой под стек. Все операции со стеком используют регистр SS при обращении к стеку. В отличие от регистра CS ре­гистр SS может быть загружен явно с помощью команды программы.

Остальные четыре регистра являются регистрами сегментов данных (DS, ES, FS, GS), каждый из которых адресуется текущей исполняемой программой. Доступ к четырем раздельным областям данных имеет целью повысить эффективность программ, позволяя им обращаться к различным типам структур данных. Содержимое этих регистров может быть заменено под управлением программы.

При использовании регистров сегментов МП 80386 с каждым выбранным сегментом связывает базовый адрес. При адресации единицы данных внутри сегмента к базовому адресу сегмента до­бавляется 32-разрядный относительный адрес. Если сегмент выб­ран загрузкой селектора сегмента в регистр сегмента, то коман­дам манипуляции данными нужен только этот относительный адрес.

4.3. Регистры управления сегментированной памятью

Регистр таблицы глобальных дескрипторов (GDTR). Содержит 32-разрядный линейный адрес и 16-разрядную границу таблицы глобальных дескрипторов.

Регистр таблицы локальных дескрипторов (LDTR). Содержит 16-разрядный селектор для таблицы локальных дескрипторов. Так как эта таблица является специфичным для задачи сегментом, то она определяется значением селектора, хранимым в регистрах системного сегмента. Регистр дескриптора сегмента, связанный с этой таблицей, програмно недоступен.

Регистр таблицы дескрипторов прерываний (IDTR). Указывает на таблицу точек входа в программы обработки прерываний. Ре­гистр содержит 32-разрядный линейный базовый адрес и 16-раз­рядную границу таблицы дескрипторов прерываний (IDT).

Регистр задачи (TR). Указывает на информацию, необходимую процессору для определения текущей задачи. Регистр TR содержит 16-разрядный селектор дескриптора сегмента состояния задачи. Поскольку этот сегмент специфичен для задачи, то он определя­ется значениями селекторов, хранящихся в регистрах системного сегмента. Заметим, что с каждым регистром системных сегментов связан программно недоступный регистр дескриптора сегмента.

4.5. Указатель команд

Расширенный указатель команд (EIP) является 32-разрядным регистром. Он содержит относительный адрес следующей команды, подлежащей выполнению. Относительный адрес отсчитывается от начала сегмента текущей программы. Указатель команд не­посредственно не доступен программисту, но он управляется явно командами управления потоком, прерываниями и исключениями.

Младшие 16 бит регистра EIP называются IP и могут быть использованы процессором независимо. Это свойство полезно при исполнении команд МП 8086 и 80286, которые имеют только ре­гистр IP.

4.6. Регистры управления

МП 80386 имеет три 32-разрядных регистра управления (CR0, CR2 и CR3, а CR1 зарезервирован фирмой Intel), в которых хра­нятся состояния машины или глобальные состояния. Глобальное состояние - это такое состояние, к которому может получить доступ любой из логических блоков системы или которое управля­ет этими блоками. Вместе с регистрами системных адресов эти регистры хранят информацию о состоянии машины, которая влияет на все задачи в системе. Для доступа к регистрам управления определены команды их загрузки и сохранности содержимого.

Системным программистам регистры управления доступны только через варианты команды MOV, которые позволяют их загру­жать или сохранять в регистрах общего назначения.

4.7. Регистры отладки

Шесть доступных программисту регистров отладки (DR0-DR3, DR6 и DR7) расширяют возможности отладки в МП 80386, они уста­навливают точки останова по данным и позволяют устанавливать точки останова по командам без модификации сегментов программ. Регистры DR0-DR3 предназначены для четырех линейных точек останова. Регистры DR4 и DR5 зарезервированы фирмой Intel для будущих разработок. Регистр DR6 показывает текущее состояние точек останова, а регистр DR7 используется для установки точек останова.

4.8. Буфер ассоциативной трансляции

Буфер ассоциативной трансляции (TLB) - это кэш-память, используемая для трансляции линейных адресов в физические.

Механизм проверки TLB является уникальным для МП 80386 и может быть не реализован в том же виде в будущих процессорах. Программы, которые используют этот механизм в его нынешнем ви­де, могут оказаться несовместимыми с будущими процессорами.

5. Система команд

5.1. Формат команд

Команды МП 80386 состоят из отдельных элементов и могут иметь различные форматы. Из всех описанных ниже элементов только один (код операции, Коп) обязательно присутствует в лю­бой команде. Остальные элементы могут отсутствовать, что опре­деляется характером операции, а также местоположением и типом операндов.

Команды состоят из следующих элементов: необязательных префиксов; одного или двух байтов кодов операции; возможно - описателя адреса, который включает байт Mod R/M и байт масшта­ба, индекса и базы; смещения - если требуется; поля не­посредственных данных - если требуется.

Префиксы - один или несколько байтов, предшествующих ко­манде и модифицирующих операцию этой команды. Имеется 4 типа префиксов.

1. Повторение - используется с командами обработки строк; заставляет команду воздействовать на каждый элемент строки.

2. Размер операнда - переключает разрядность операндов, устанавливая их 32-разрядными или 16-разрядными.

3. Размер адреса - переключает разрядность адреса, опре­деляя образование 32-разрядных или 16-разрядных адресов.

4. Замена сегмента - в явной форме указывает, какой сег­ментный регистр должна использовать команда. Префикс отменяет действующий по умолчанию выбор сегментного регистра, обычно осуществляемый МП 80386 при выполнении этой команды.

Код операции (Коп) - описывает операцию, выполняемую ко­мандой. Некоторым командам присущи несколько кодов операций, каждый из которых описывает определенный вариант операции.

Описатель регистра - в команде могут быть описаны один или два регистра в качестве операндов. Описатель регистра мо­жет присутствовать как в байте кода операции, так и в байте описателя режима адресации.

Описатель режима адресации. Этот элемент, если он присутствует, описывает, является ли операнд содержимым ре­гистра или ячейки памяти. Если операнд находится в памяти, описатель режима указывает, надо ли использовать смещение, ин­дексный регистр, регистр базы и масштабирование.

Байты MOD R/M и SIB. Большинство команд, ссылающихся на операнд, находящийся в памяти, содержат после байта основного кода операции еще байт формы адресации. Этот байт описывает используемую форму адреса. Определенные значения кода поля MOD R/M указывают на наличие второго адресного байта SIB.

Байты MOD R/M и SIB содержат следующую информацию:

- тип индексации или номер регистра, используемого в ко­манде;

- используемый регистр или дополнительную информацию о выборе команды;

- информацию о базе, индексе и масштабе;

Смещение. Если описатель режима адресации указывает, что при вычислении адреса операнда будет использовано смещение, в состав кода команды включается поле смещения. Смещение представляет собой 8-, 16- или 32-разрядное целое число со знаком. 8-разрядная форма используется в тех случаях, когда значение смещения невелико.

Непосредственный операнд (данное). Если этот элемент присутствует, он представляет значение операнда команды. Не­посредственные операнды могут быть 8-, 16- или 32-разрядными. В случаях когда 8-разрядный непосредственный операнд использу­ется в команде вместе с 16- или 32-разрядным операндом, про­цессор автоматически увеличивает размер 8-разрядного операнда путем расширения его знакового разряда.

5.2. Описание обозначения

+rb, +rw, +rd Код регистра (от 0 до 7), который складыва­ется с указанным слева от знака плюс шестнадцетиричным числом (байтом) с лбразованием байта кода операции. Регистрам присво­ены следующие коды :

rb rw rd

AL=0 AX=0 EAX=0

CL=1 CX=1 ECX=1

DL=2 DX=2 EDX=2

BL=3 BX=3 EBX=3

AH=4 SP=4 ESP=4

CH=5 BP=5 EBP=5

DH=6 SI=6 ESI=6

BH=7 DI=7 EDI=7

/цифра Цифра, стоящая справа от косой черты, имеет, вооб­ще говоря, значение от 0 до 7. Она показывает, что в байте MOD R/M указывается только один операнд r/m (регистр/память). Сама цифра помещается в поле reg и образует расширение кода опера­ции.

/r Обозначение показывает, что байт MOD R/M содержит два операнда (reg и r/m).

cb, cw, cd, cp Величина размером 1 байт (cb), 2 байта (cw), 4 байта (cd) или 6 байт (cp) следует за кодом операции и определяет относительный адрес, а также, возможно новое значе­ние программного сегмента.

ib, iw, id Непосредственный операнд размером 1 байт (id), 2 байта (iw) или 4 байта (id) следует за байтами кода опера­ции, MOD R/M или SIB. Код операции указывает, является ли опе­ранд знаковой величиной.

imm8 Непосредственный операнд размером 1 байт. Величина imm8 является знаковой величиной между -128 и +127 включитель­но. В командах, где размер второго операнда составляет слово или двойное слово, величина imm8 расширяется до слова или двойного слова. Старшие байты расширенной величины заполняются старшим битом непосредственного операнда.

imm16 Непосредственный операнд размером 1 слово. Исполь­зуется в командах с атрибутом размера операнда 16 разрядов. Может иметь значение от -32768 до +32767 включительно.

imm32 Непосредственный операнд размером 1 двойное слово. Используется в командах с атрибутом размера операнда 32 разря­да. Может иметь значение от -2147483648 до +2147483647 включи­тельно.

m8 Байт памяти. Адресуется через регистры DS:SI или ES:DI.

m16 Слово памяти.

m32 Двойное слово памяти.

moffs8, moffs16, moffs32 Относительный адрес. Простая пе­ременная типа BYTE, WORD или DWORD, используемая некоторыми вариантами команды MOV. Фактический адрес записывается в виде простого смещения относительно базы сегмента. Число при аббре­виатуре "moffs" указывает разрядность смещения определяемую аттрибутом размера адреса в команде. Байт MOD R/M в команде не используется.

ptr16:16, ptr16:32 Указатель FAR (дальний). Обычно он на­ходится в другом программном сегменте по отношению к команде. Обозначение 16:16 говорит о том, что указатель состоит из двух частей. Величина слева от двоеточия - это смещение в сегменте приемнике. Величина справа от двоеточия - это 16-разрядный се­лектор или величина, предназначенная для регистра программного сегмента. Если атрибут размера операнда команды равен 16, используйте 16:16. Для 32-разрядного атрибута используйте 16:32.

r8 Один из байтовых регистров: AL, CL, DL, BL, AH, CH, DH, BH.

r16 Один из однословных регистров: AX, CX, DX, BX, SP, BP, SI, DI.

r32 Один из двухсловных регистров: EAX, ECX, EDX, EBX, ESP, EBP, ESI, EDI.

rel8 Смещение для перехода в диапазоне от 128 байтов пе­ред концом команды до 127 байтов после конца команды.

rel16, rel32 Смещение для перехода в том же программном сегменте, что и ассемблируемая команда, rel16 относится к ко­мандам с атрибутом размера операнда 16 разрядов. rel32 от­носится к командам с атрибутом размера операнда 32 разряда.

r/m8, r/m16, r/m32 Соответственно одно-, двух- и четырех­байтовый операнд. Представляет собой содержимое либо памяти, либо регистра.

rrr Когда обозначение rrr появляется в колонке двоичного эквивалента кода операции, оно указывает конкретный адресуемый регистр.

000 = AX/EAX 100 = SP/ESP

001 = CX/ECX 101 = BP/EBP

010 = DX/EDX 110 = SI/ESI

011 = BX/EBX 111 = DI/EDI

Sreg Регистр сегмента. Кодирование сегментных регистров в поле reg: ES=0, CS=1, DS=3, FS=4, GS=5.

5.3. Список команд

AAA ASCII-коррекция после сложения.

Команда AAA преобразует содержимое регистра AL в неупако­ванное десятичное число и сбрасывает его старшие четыре разря­да. Она должна всегда следовать за сложением двух неупакован­ных десятичных операндов в AL. Если возникает перенос, уста­навливается флаг CF и происходит инкремент в регистре AH.

AAD ASCII-коррекция регистра AX перед делением.

Команда AAD преобразует число в регистрах AH и AL, подго­тавливая деления двух неупакованных десятичных операндов так, чтобы полученное в результате деления частное было бы правиль­ным неупакованным десятичным числом. В регистре AH должна на­ходится старшая цифра, в AL - младшая. Команда AAD корректиру­ет число и помещает результат в AL. Регистр AH содержит 0.

AAM ASCII-коррекция в регистре AX после умножения. Команда AAM корректирует результат умножения двух неупа-

кованных десятичных чисел. Эта команда должна всегда следовать за умножением двух десятичных цифр с целью образования пра­вильного десятичного результата. Старшая цифра помещается в регистр AH, младшая - в AL.

AAS ASCII-коррекция регистра AL после вычитания.

Команда AAS преобразует содержимое регистра AL в неупако­ванную десятичную цифру и заполняет нулями старшие четыре раз­ряда. Эта команда должна всегда следовать за вычитанием одного неупакованного десятичного операнда из другого в AL. Флаг CF устанавливается, а при наличии займа выполняется декремент в регистре AH.

ADC Сложение с переносом целых чисел.

Команда ADC суммирует операнды, прибавляет 1, если уста­новлен флаг CF, и помещает результат по адресу назначения. Ес­ли флаг CF сброшен, команда ADC выполняет ту же операцию, что и ADD. Комбинация команды ADD и нескольких команд ADC позволя­ет складывать числа, содержащие более 32 разрядов.