Регистры общего назначения

Режимы работы процессора архитектуры IA-32

Режим работы процессора определяет поведение, номенклатуру и свойства доступных ресурсов процессора. Перевод процессора из одного режима в другой осуществляется специальными программными и аппаратными методами.

В рамках архитектуры IA-32 доступны следующие режимы работы процессора. Режим реальных адресов, или просто реальный режим (real mode).

Защищенный режим (protected mode) позволяет максимально реализовать все идеи, заложенные в процессорах архитектуры IA-32.

Режим виртуального процессора 8086 предназначен для организации многозадачной работы программ, разработанных для реального режима (процессора i8086), совместно с программами защищенного режима. Переход в этот режим (virtual 8086 mode) возможен, если процессор уже находится в защищенном режиме. Работа программ реального режима в режиме виртуального i8086 возможна благодаря тому, что процесс формирования физического адреса для них производится по правилам реального режима.

Режим системного управления (System Management Mode, SMM) – это новый режим работы процессора, впервые появившийся в процессоре Pentium. Он обеспечивает операционную систему механизмом для выполнения машинно-зависимых функций, таких как перевод компьютера в режим пониженного энергопотребления или выполнения действий по защите системы. Для перехода в данный режим процессор должен получить специальный сигнал SMI от усовершенствованного программируемого контроллера прерываний (Advanced Programmable Interrupt Controller, APIC), при этом сохраняется состояние вычислительной среды процессора. Функционирование процессора в этом режиме подобно его работе в режиме реальных адресов. Возврат из этого режима производится специальной командой процессора.

Процессор всегда начинает работу в реальном режиме.

Набор регистров

Первую группу образуют пользовательские регистры, к которым относятся:

регистры общего назначения EAX/AX/AH/AL, EBX/BX/BH/BL, EDX/DX/DH/DL, ЕСХ/ CX/CH/CL, ЕВР/ВР, ESI/SI, EDI/DI, ESP/SP предназначены для хранения данных и адресов, программист может их использовать (с определенными ограничениями) для реализации своих алгоритмов;

сегментные регистры CS, DS, SS, E5, FS, GS используются для хранения адресов сегментов в памяти;

регистры сопроцессора ST(0), ST(1). ST(2), ST(3), ST(4), ST(5), ST(6), ST(7) предназначены для написания программ, использующих тип данных с плавающей точкой;

целочисленные регистры MMX-расширения ММХ0, ММХ1, ММХ2, ММХЗ, ММХ4, ММХ5, ММХ6, ММХ7;

регистры MMX-расширения с плавающей точкой XMM0, XMM1, ХММ2, ХММЗ, ХММ4,ХММ5,ХММ6,ХММ7;

регистры состояния и управления (регистр флагов EFLAGS/FLAGS и регистр-указатель команды EIP/IP) содержат информацию о состоянии процессора, исполняемой программы и позволяют изменить это состояние.

Во вторую группу входят системные регистры, то есть регистры, предназначенные для поддержания различных режимов работы, сервисных функций, а также регистры, специфичные для определенной модели процессора:

управляющие регистры CR0.. .CR4 определяют режим работы процессора и характеристики текущей исполняемой задачи;

регистры управления памятью GDTR, IDTR, LDTR и TR используются в защищенном режиме работы процессора для локализации управляющих структур этого режима;

отладочные регистры DR0.. .DR7 предназначены для мониторинга и управления различными аспектами отладки;

регистры типов областей памяти MTRR используются для аппаратного управления кэшированием в целях назначения соответствующих свойств областям памяти;

машинно-зависимые регистры MSR используются для управления процессором, контроля за его производительностью, получения информации об ошибках.

Регистры общего назначения

Регистры общего назначения используются в программах для хранения:

операндов логических и арифметических операций;

компонентов адреса;

указателей на ячейки памяти.

Все эти регистры доступны для хранения операндов без особых ограничений, хотя в определенных условиях некоторые из них имеют жесткое функциональное назначение, закрепленное на уровне логики работы машинных команд. Среди всех этих регистров особо следует выделить регистр ESP. Его не следует использовать явно для хранения каких-либо операндов программы, так как в нем хранится указатель на вершину стека программы.

Все регистры этой группы позволяют обращаться к своим «младшим» частям (рис. 2). Обращение производится по их именам. При этом, использовать для самостоятельной адресации можно только младшие 16- и 8-разрядные части этих регистров. Старшие 16 битов как самостоятельные объекты недоступны. Это сделано для совместимости с первыми 16-разрядными моделями процессоров фирмы Intel. К группе регистров общего назначения, физически размещающимися в процессоре внутри арифметико-логического устройства (поэтому их еще называют регистрами АЛУ) относятся:

регистр-аккумулятор (Accumulator register) EAX/AX/AH/AL применяется для хранения промежуточных данных, в некоторых командах его использование обязательно;

базовый регистр (Base register) EBX/BX/BH/BL применяется для хранения базового адреса некоторого объекта в памяти;

Рис. 2. Структура регистра флагов

регистр-счетчик (Count register) ECX/CX/CH/CL применяется в командах, производящих некоторые повторяющиеся действия. Использование регистра-счетчика зачастую скрыто в алгоритме работы той или иной команды. Например, команда организации цикла LOOP помимо передачи управления анализирует и уменьшает на единицу значение регистра ЕСХ/СХ;

регистр данных (Data register) EDX/DX/DH/DL, так же как и регистр ЕАХ/АХ/АН/ AL, хранит промежуточные данные (в некоторых командах его явное использование обязательно, в других он используется неявно).

Следующие два регистра предназначены для поддержки так называемых цепочечных операций, то есть операций, производящих последовательную обработку цепочек элементов, каждый из которых может иметь длину 32, 16 или 8 бит:

регистр индекса источника (Source Index register) ESI/SI в цепочечных операциях содержит текущий адрес элемента в цепочке-источнике;

регистр индекса приемника (Destination Index register) EDI/DI в цепочечных операциях содержит текущий адрес в цепочке-приемнике. В архитектуре процессора на программно-аппаратном уровне поддерживается такая структура данных, как стек. Для работы со стеком в системе команд процессора есть специальные команды, а в программной модели процессора для этого существуют специальные регистры:

регистр указателя стека (Stack Pointer register) ESP/SP содержит указатель на вершину стека в текущем сегменте стека;

регистр указателя базы кадра стека (Base Pointer register) EBP/BP предназначен для организации произвольного доступа к данным внутри стека.

Жесткое функциональное назначения регистров АЛУ обуславливается тем, что при программировании хранить операнды команд можно в большинстве регистров, причем практически в любых сочетаниях. Однако всегда следует помнить, что некоторые команды требуют строго определенных регистров. Цель подобного жесткого закрепления регистров для этих команд – более компактная кодировка их машинного представления. Знание особенностей использования регистров машинными командами позволяет, при необходимости, экономить память, занимаемую кодом программы, и более эффективно программировать алгоритм.

Сегментные регистры

Процессоры Intel аппаратно поддерживают сегментную организацию программы.

Это означает, что любая программа состоит из трех сегментов: кода, данных и стека. Логически машинные команды в архитектуре IA-32 построены так, что при выборке каждой команды для доступа к данным программы или к стеку неявно используется информация из вполне определенных сегментных регистров. В зависимости от режима работы процессора по их содержимому определяются адреса памяти, с которых начинаются соответствующие сегменты. В программной модели IA-32 имеется шесть сегментных регистров CS, SS, DS, ES, GS, FS, служащих для доступа к четырем типам сегментов.

Сегмент кода содержит команды программы. Для доступа к этому сегменту служит регистр сегмента кода (Code Segment register) CS. Он содержит адрес сегмента с машинными командами, к которому имеет доступ процессор (эти команды загружаются в конвейер процессора).

Сегмент данных содержит обрабатываемые программой данные. Для доступа к этому сегменту служит регистр сегмента данных (Data Segment register) DS, который хранит адрес сегмента данных текущей программы.

Сегмент стека представляет собой область памяти, называемую стеком. Работу со стеком процессор организует по следующему принципу: последний записанный в эту область элемент выбирается первым. Для доступа к этой области служит регистр сегмента стека (Stack Segment register) SS, содержащий адрес сегмента стека.

Дополнительный сегмент данных. Неявно алгоритмы выполнения большинства машинных команд предполагают, что обрабатываемые ими данные расположены в сегменте данных, адрес которого находится в регистре сегмента данных DS. Если программе недостаточно одного сегмента данных, то она имеет возможность задействовать еще три дополнительных сегмента данных. Но в отличие от основного сегмента данных, адрес которого содержится в регистре DS, при использовании дополнительных сегментов данных их адреса требуется указывать явно с помощью специальных префиксов переопределения сегментов в команде. Адреса дополнительных сегментов данных должны содержаться в регистрах дополнительного сегмента данных (Extension Data Segment registers) ES, GS, FS.