Искусство схемотехники. Том 2 [Изд.4-е] - Пауль Хоровиц

Элементы с тремя состояниями или с открытым коллектором подключаются таким образом, чтобы их можно было перевести в отключенное состояние, поскольку при нормальной работе магистрали в каждый момент времени только одно устройство должно выставлять данные на соответствующие линии данных. Каждая ЭВМ придерживается тщательно разработанного протокола для определения того, какое устройство выставляет данные и когда. Если этого не сделать, возникает полный беспорядок, когда все кричат одновременно. (Компьютерщики не могут устоять перед искушением одушевить свои ЭВМ, а также их периферийные устройства и другие узлы. Инженеры идут дальше и обращаются как с живыми с триггерами и другими логическими схемами. Мы, естественно, будем следовать этой традиции.)

Среди разных типов внутренних магистралей компьютеров существует одно интересное различие. Они могут быть либо синхронными, либо асинхронными, в популярных микрокомпьютерах можно найти примеры каждого типа. Что это значит, вы увидите, когда мы будем детально рассматривать взаимодействие отдельных узлов компьютера через магистраль.

Мы вернемся к подробному рассмотрению магистрали с примерами соответствующих интерфейсов, рассматривая популярное семейство IBM PC/XT. Однако сначала нам необходимо познакомиться с набором команд ЦП.

Набор команд компьютера 

Для того чтобы понять сигналы магистрали и функционирование компьютера, необходимо выяснить, что делает ЦП во время выполнения различных команд. Соответственно нам хотелось бы познакомить читателя с набором команд семейства IBM PC/XT. К сожалению, набор команд большинства реально существующих микропроцессоров имеет тенденцию к расширению, сопровождающуюся усложнением, наряду с добавлением дополнительных возможностей, и МП Intel 8086 не исключение. Однако поскольку нашей целью является только иллюстрация сигналов магистрали и функционирования компьютера (а не изощренное программирование), рассмотрим сокращенный набор команд — подмножество набора команд МП 8086. Исключив «лишние» команды, мы тем самым решаем проблему выбора ограниченного содержательного подмножества понятных команд, достаточных для программирования любой задачи. Далее мы используем этот набор команд для того, чтобы продемонстрировать несколько примеров функционирования аппаратной части и программирования. Эти примеры помогут выразить идею программирования на уровне машинных команд, что решительно отличается от программирования на таких языках высокого уровня, как

Фортран или Си. Несколько слов по поводу языка машинных кодов и языка ассемблера. Как уже упоминалось выше, ЦП компьютера предназначен для интерпретации определенных машинных слов в качестве команд и выполнения соответствующих программных процедур. Такой машинный язык состоит из набора двоичных команд, каждая из которых занимает один или несколько байт. Например, команда инкрементирования (увеличения на единицу) содержимого регистра ЦП будет однобайтовой, в то время как загрузка в регистр содержимого памяти обычно требует как минимум двух байт, причем это число может быть увеличено до пяти (при этом первый будет определять собственно команду и регистр, а четыре будут необходимы для указания произвольной ячейки памяти для большой машины). Печальной реальностью нашей действительности является то, что разные компьютеры имеют отличающиеся машинные языки и здесь нет совершенно никакой стандартизации.

Программирование непосредственно в машинных кодах является исключительно тоскливым занятием, так как приходится иметь дело с колонками двоичных чисел, каждый бит которых существенен. Поэтому вы неизбежно должны использовать программу, называемую ассемблером; она позволяет писать программы, используя легко запоминаемые мнемонические обозначения команд и символьные имена, которые вы можете придумывать сами для ячеек ОЗУ и переменных. Программа на языке ассемблера на самом деле не более, чем набор похожих на шифр строк, содержащих буквы и числа; ее следует передать «в руки» программы, называемой ассемблер, для того чтобы получить в результате законченную программу в машинном объектном коде, которую компьютер может выполнить[3]. Каждая строка ассемблерного кода превращается в несколько байт машинного кода (1–6 байт для МП Intel 8086). Непосредственно выполнять команды на языке ассемблера компьютер не в состоянии.

Для того чтобы конкретизировать высказанные соображения, рассмотрим наше подмножество команд языка ассемблера МП Intel 8086/8 и выполним несколько примеров.

Intel 8086 — это 16-разрядный процессор с богатым и несколько своеобразным набором команд, сложность которого отчасти обусловлена стремлением разработчиков сохранить совместимость с 8-разрядным МП Intel 8080 ранней модели. Более поздние разработки, такие как МП Intel 80286 и 80386, все еще поддерживают полный набор команд МП Intel 8086. Вооружившись подходящим мачете, выберемся из джунглей полного набора команд, сохранив лишь нужные нам сейчас 10 арифметических команд и 11 прочих. Вот они:

Краткий обзор. Некоторые пояснения: первые шесть арифметических команд работают с парами чисел (2-х операндные команды), которые мы обозначим как Ь, а и которые могут представлять собой любую из пяти пар, указанных в примечании; при этом m означает содержимое ячейки памяти, r означает содержимое регистра ЦП (их 8), a imm — непосредственный аргумент, который представляет собой число, располагаемое в следующих за командой от 1 до 4 байт памяти. Таким образом, например, команды:

MOV count,CX

ADD small,02H

AND AX,007FH

имеют аргументы типов m, r, m, imm, r, imm соответственно. Первая копирует содержимое регистра СХ в ячейку памяти, именуемую count; вторая прибавляет 2 к содержимому другой ячейки памяти, именуемой small; третья обнуляет 9 старших разрядов 16-разрядного регистра АХ, сохраняя при этом 7 младших разрядов неизменными (так называемая операция маскирования). Отметим принятое фирмой Intel соглашение о порядке аргументов: первый аргумент замещается вторым или модифицируется на основе значения второго аргумента. (В следующей главе мы увидим, что Motorola предписывает другой порядок действий).

Последние четыре арифметические операции имеют только один операнд, который может быть содержимым либо регистра, либо ячейки памяти. Вот два примера:

INC count

NEG AL

Первая команда прибавляет 1 к ячейке памяти, именуемой count, а вторая изменяет знак содержимого регистра AL.

Лирическое отступление: адресация. Прежде, чем продолжить, несколько слов по поводу адресации регистров и памяти. Процессор Intel 8086 предлагает использовать 8 его регистров общего назначения, однако после изучения рис. 10.2 вы придете к заключению о том, что большинство этих регистров используются специфически.

Рис. 10.2. Регистры общего назначения МП 8086.

Четыре из них (A-D) могут быть использованы как в виде единых 16-разрядных регистров (АХ, где X означает extended — расширенный), так и в виде пар байтовых регистров [АН, AL, соответственно Η означает старший (high) байт регистра АХ, a AL- младший (low) байт]. Регистры ВХ и ВР, так же как и SI, DI, могут содержать адреса и предназначены для использования при адресации (см. ниже). Специальные циклические команды (которые мы исключили из нашего краткого перечня) используют регистр С, а команды умножения/деления и ввода-вывода используют регистры А и D.

Данные, используемые в командах, могут представлять собой константу, величину, содержащуюся в регистре или величину, содержащуюся в памяти. Константы вы указываете, просто записывая их, а регистры - по именам, так, как было показано выше. Для адресации памяти МП Intel 8086 обеспечивает 6 режимов адресации, три из которых пояснены схемами на рис. 10.3.

Рис. 10.3. Некоторые способы адресации.

Вы можете прямо указать имя переменной, в этом случае ее адрес при ассемблировании будет определяться парой байтов, следующих сразу же за командой; вы можете занести адрес переменной в один из регистров, используемых для адресации (ВХ, ВР, SI или DI), а затем выполнить команду, в которой предусмотрена косвенная адресация через соответствующий регистр; можно модифицировать последний режим адресации и получать адрес переменной, прибавляя константу смещения к содержимому регистра, используемого для адресации. Косвенный режим быстрее (в предположении, что адрес уже загружен в соответствующий регистр) и является гораздо более приемлемым, если вы хотите выполнять некоторые операции над множеством чисел (строкой или массивом).