Архитектура компьютера и операционные системы

1.  Структура программы на языке ассемблера Intel 8088 

Структура программы на языке ассемблера  выглядит следующим образом:

.SECT .TEXT
! <последовательность инструкций процессора>
.SECT .DATA
! <последовательность команд ассемблера выделения памяти с инициализацией>
.SECT .BSS
! <последовательность команд выделения памяти без инициализации>

Последние две секции могут быть пустыми, но заголовки всё равно должны присутствовать. Первая секция предназначена для написания кода (инструкций процессору), вторые две — для хранения статических данных, это полный аналог глобальных переменных в высокоуровневых языках программирования (например, C).

Пример последовательности инструкций для сложения двух чисел 2 и 3:

MOV    AX, 2
ADD    AX, 3

Сначала в регистр AX помещается (командой MOV) двойка (регистрами называется быстрые именованные элементы памяти на процессоре, куда помещаются операнды). Затем к содержимому AX добавляется тройка. Смысл инструкций MOV и ADD легко запомнить, если применять следующую мнемонику: большинство арифметических инструкций аналогичны присваивающим формам арифметических операций в C (в частном случае, MOV аналогичен операции присваивания). То есть код выше можно было бы перевести на C следующим образом (считая AX обычной переменной):

AX =  2
AX += 3

Попробуйте сассемблировать (с помощью as88) и выполнить по шагам (с помощью t88) программу, приведённую выше. Для этого нужно создать текстовый файл (назовём его task-0.s) с объявлением всех трёх секций и с двумя указанными инструкциями в секции кода. А затем выполнить

as88 task-0.s && t88 task-0.s

в терминале (он запускается командой Ctrl+Alt+T). Если ассемблирование (команда as88) пройдёт без ошибок, то запустится отладка (t88). В ходе отладки проследите изменение значений регистра AX. После выполнения обеих инструкций (клавиша Enter) и проверки значения регистра AX завершите работу отладчика командой q.

Замечание по оформлению кода: правило «четырёх столбцов». Код рекомендуется оформлять в 4 столбца: столбец меток, столбец инструкций и команд ассемблера, столбец операндов, комментарии. Это правило используется, даже если столбец пуст (например, первая колонка с метками почти всегда пуста и потому инструкции пишутся с отступом). Исключением являются начала секций — директива .SECT пишется без отступа. Столбцы разделяются достаточным для визуального восприятия количеством нажатий Tab (1 или 2 в зависимости от настроек редактора), желательно, чтобы визуально это соответствовало 8 пробелам. Между секциями следует оставлять пустые строки.

Помните, что выполнение требований по оформлению и именованию файлов оценивается.

Замечание об эффективной работе с инструментами. На странице с описанием утилит ассемблирования кратко описано, как лучше всего работать с текстами программ и выполнять их запуск. В частности, там предлагается скачать два вспомогательных сценария — рекомендуется сделать это прямо сейчас.

2.  Режимы адресации

Под термином режимы адресации в языках ассемблеров понимается способ передачи («адресация») операндов инструкций, перечислим основные из этих способов.

1. Непосредственная адресация («непосредственные операнды») — операнд передаётся процессору прямо вместе с инструкцией. Как 2 и 3 в примере выше.

2. Регистровая адресация — операнд находится в указанном регистре процессора (пока мы использовали один регистр — AX).

3. Прямая адресация в памяти — операнды располагаются в оперативной памяти (в наших примерах чаще всего — в сегменте данных) по известному на этапе ассемблирования адресу. Такой адрес обычно задаётся с помощью символического имени: «метки». Ниже приводится соответствующий пример.

   .SECT .TEXT
           MOV     AX, (x)
           ADD     AX, (y)
   
   .SECT .DATA
   x:     .WORD    2
   y:     .WORD    3
   
   .SECT .BSS

В данном примере суммируемые значения размещены в сегменте данных по меткам x и y. Метка отделяется от команды двоеточием. Метка очень похожа на константный указатель C++: она представляет адрес нужного значения (в примере x это адрес значения 2, y это адрес значения 3. Для обращения по этому адресу используется запись (x), (y) и т. п. (аналогично операции разыменования указателя * в C). Часто, для краткости, метки наподобие x и y называют «переменными», хотя это не полностью отражает их смысл.

1. [task-1.s, вычитание] [0.5 балла] Создайте программу, которая вычитает из числа 3 число 2 по аналогии с примером выше (числа размещены в сегменте данных). Инструкция вычитания SUB получает операнды полностью аналогично ADD.

2. [task-2.s, запись результата] [0.5 балла] Добавьте в предыдущую программу (используйте команду текстового редактора «Сохранить как…» из меню «Файл») к переменным x и y переменную res. Поскольку у res нет исходного значения, её разумно поместить в секции неинициализированных данных BSS. В этой секции вместо команды .WORD следует использовать команду .SPACE, после которой указывается количество байт под переменную. Все целочисленные значения имеют размер 2 байта.

   После получения результата в регистре AX скопируйте содержимое AX в res с помощью инструкции MOV. Чтобы следить в отладчике за изменением памяти по метке res, можно использовать команду:

   /res

   (её нужно ввести после запуска t88).

3.  Простейшие арифметические команды

1. [task-3.s, умножение] [1 балл] Инструкция умножения MUL имеет отличный от ADD и SUB интерфейс. Она имеет один (явный) операнд, он играет роль одного из сомножителей. Второй сомножитель берётся этой инструкцией (неявно) из регистра AX. Результат умножения может не поместиться в один регистр, потому для него используется пара регистров: младшие 16 бит результата помещаются в регистр AX, старшие — в DX. На занятиях мы будем работать с маленькими числами, потому регистр DX нас волновать не будет, однако такое устройство инструкции MUL может приводить к проблемам, если в регистре DX хранится некая полезная информация — после выполнения MUL она непременно затрётся (если результат умножения положителен и поместился в 16 бит, то в DX попадут нули). А потому программист должен сохранить полезную информацию из DX в каком-либо месте перед использованием MUL — в переменной или в другом регистре.

   Следуя данному описанию составьте программу, которая перемножает два числа, 2 и 3, заданные в сегменте данных, и помещает результат в переменную res, объявленную в секции BSS.

2. [task-4.s, целочисленное деление]  [1 балл]  Инструкция целочисленного деления DIV имеет аналогичный MUL интерфейс. Так же используется один явный параметр, играющий роль делителя. Делимое считается 32-битным и берётся из пары регистров DX:AX (старшие биты в DX). Если делимое помещается в 16 бит, то его нужно загрузить в регистр AX, а в DX забивается 1-битами, если делимое отрицательно и 0-битами в противном случае (такая операция называется знаковым расширением). Для этого непосредственно перед использованием инструкции DIV следует передать инструкцию CWD (Convert Word to Doubleword) без операндов. Вновь следует помнить о том, что хранившаяся в DX информация будет утеряна.

   Частное от деления помещается в регистр AX, а остаток от целочисленного деления — в DX.

   Следуя данному описанию, составьте программу, которая вычисляет сумму: 55 / 10 + 55 % 10 и помещает результат в переменную res, объявленную в секции BSS. (Здесь и далее / означает целочисленное деление, а % — остаток от целочисленного деления).

3. [task-5.s простейший цикл с LOOP]  [1 балл] Для организации циклов используются метки в сегменте кода и специальные инструкции перехода по этим меткам. Простейшая из таких инструкций — LOOP:

           MOV     CX, (n)     ! количество итераций цикла загружаем в CX —
                               !   это требование LOOP
   L1:     ADD     AX, (x)
           LOOP    L1          ! на каждом шаге уменьшает CX на 1, и если CX не равен 0,
                               !   то переходит по метке L1

   этот код (n) раз прибавляет к AX значение (x) (предполагается, что n и x это метки из сегмента данных, указывающие на некоторые числа).

   Следуя данному описанию составьте программу, которая считает сумму 5 + 10 + 15 + 20 + 25. Очередное слагаемое удобно хранить в отдельном регистре (например, BX) и увеличивать его на 5 на каждом шаге цикла.

4.  Дополнительное задание [1 балл]

1. [task-6.s] Вычислите значение многочлена 2x⁶ - 3x⁴ - 5x²+ x - 5 в точке x = 3 (задано в сегменте данных). Указание: четвёртая степень x должна вычисляться с помощью возведения в квадрат второй.

Помощь в подготовке к занятию (видео прошлого года)