Структура машинной команды

Машинная команда представляет собой закодированное по определенным правилам указание микропроцессору на выполнение некоторой операции или действия. Каждая команда содержит элементы, определяющие:

1) что делать? (Ответ на этот вопрос дает элемент команды, называемый кодом операции (КОП).);

2) объекты, над которыми нужно что-то делать (эти элементы называются операндами);

3) как делать? (Эти элементы называются типами операндов – обычно задаются неявно).

Приведенный на рисунке 20 формат машинной команды является самым общим. Максимальная длина машинной команды – 15 байт. Реальная команда может содержать гораздо меньшее количество полей, вплоть до одного – только КОП.

Рис. 20. Формат машинной команды

Опишем назначения полей машинной команды.

1. Префиксы.

Необязательные элементы машинной команды, каждый из которых состоит из 1 байта или может отсутствовать. В памяти префиксы предшествуют команде. Назначение префиксов – модифицировать операцию, выполняемую командой. Прикладная программа может использовать следующие типы префиксов:

1) префикс замены сегмента. В явной форме указывает, какой сегментный регистр используется в данной команде для адресации стека или данных. Префикс отменяет выбор сегментного регистра по умолчанию. Префиксы замены сегмента имеют следующие значения:

а) 2eh – замена сегмента cs;

б) 36h – замена сегмента ss;

в) 3eh – замена сегмента ds;

г) 26h – замена сегмента es;

д) 64h – замена сегмента fs;

е) 65h – замена сегмента gs;

2) префикс разрядности адреса уточняет разрядность адреса (32– или 16-разрядный). Каждой команде, в которой используется адресный операнд, ставится в соответствие разрядность адреса этого операнда. Этот адрес может иметь разрядность 16 или 32 бит. Если разрядность адреса для данной команды 16 бит, это означает, что команда содержит 16-разрядное смещение (рис. 20), оно соответствует 16-разрядному смещению адресного операнда относительно начала некоторого сегмента. В контексте рисунка 21 это смещение называется эффективный адрес. Если разрядность адреса 32 бит, это означает, что команда содержит 32-разрядное смещение (рис. 20), оно соответствует 32-разрядному смещению адресного операнда относительно начала сегмента, и по его значению формируется 32-битное смещение в сегменте. С помощью префикса разрядности адреса можно изменить действующее по умолчанию значение разрядности адреса. Это изменение будет касаться только той команды, которой предшествует префикс;

Рис. 21. Механизм формирования физического адреса в реальном режиме

3) префикс разрядности операнда аналогичен префиксу разрядности адреса, но указывает на разрядность операндов (32– или 16-разрядные), с которыми работает команда. В соответствии с какими правилами устанавливаются значения атрибутов разрядности адреса и операндов по умолчанию?

В реальном режиме и режиме виртуального 18086 значения этих атрибутов – 16 бит. В защищенном режиме значения атрибутов зависят от состояния бита D в дескрипторах исполняемых сегментов. Если D = 0, то значения атрибутов, действующие по умолчанию, равны 16 бит; если D = 1, то 32 бит.

Значения префиксов разрядности операнда 66h и разрядности адреса 67h. С помощью префикса разрядности адреса в реальном режиме можно использовать 32-разрядную адресацию, но при этом необходимо помнить об ограниченности размера сегмента величиной 64 Кбайт. Аналогично префиксу разрядности адреса вы можете использовать префикс разрядности операнда в реальном режиме для работы с 32-разрядными операндами (к примеру, в арифметических командах);

4) префикс повторения используется с цепочечными командами (командами обработки строк). Этот префикс «зацикливает» команду для обработки всех элементов цепочки. Система команд поддерживает два типа префиксов:

а) безусловные (rep – OOh), заставляющие повторяться цепочечную команду некоторое количество раз;

б) условные (repe/repz – OOh, repne/repnz – 0f2h), которые при зацикливании проверяют некоторые флаги, и в результате проверки возможен досрочный выход из цикла.

2. Код операции.

Обязательный элемент, описывающий операцию, выполняемую командой. Многим командам соответствует несколько кодов операций, каждый из которых определяет нюансы выполнения операции. Последующие поля машинной команды определяют местоположение операндов, участвующих в операции, и особенности их использования. Рассмотрение этих полей связано со способами задания операндов в машинной команде и потому будет выполнено позже.

3. Байт режима адресации modr/m.

Значения этого байта определяет используемую форму адреса операндов. Операнды могут находиться в памяти в одном или двух регистрах. Если операнд находится в памяти, то байт modr/m определяет компоненты (смещение, базовый и индексный регистры), используемые для вычисления его эффективного адреса (рисунок 21). В защищенном режиме для определения местоположения операнда в памяти может дополнительно использоваться байт sib (Scale-Index-Base – масштаб-индекс-база). Байт modr/m состоит из трех полей (рис. 20):

1) поле mod определяет количество байт, занимаемых в команде адресом операнда (рис. 20, поле смещение в команде). Поле mod используется совместно с полем r/m, которое указывает способ модификации адреса операнда «смещение в команде». К примеру, если mod = 00, это означает, что поле смещение в команде отсутствует, и адрес операнда определяется содержимым базового и (или) индексного регистра. Какие именно регистры будут использоваться для вычисления эффективного адреса, определяется значением этого байта. Если mod = 01, это означает, что поле смещение в команде присутствует, занимает 1 байт и модифицируется содержимым базового и (или) индексного регистра. Если mod = 10, это означает, что поле смещение в команде присутствует, занимает 2 или 4 байта (в зависимости от действующего по умолчанию или определяемого префиксом размера адреса) и модифицируется содержимым базового и (или) индексного регистра. Если mod =11, это означает, что операндов в памяти нет: они находятся в регистрах. Это же значение байта mod используется в случае, когда в команде применяется непосредственный операнд;

2) поле reg/коп определяет либо регистр, находящийся в команде на месте первого операнда, либо возможное расширение кода операции;

3) поле r/m используется совместно с полем mod и определяет либо регистр, находящийся в команде на месте первого операнда (если mod =11), либо используемые для вычисления эффективного адреса (совместно с полем смещение в команде) базовые и индексные регистры.

4. Байт масштаб – индекс – база (байт sib).

Используется для расширения возможностей адресации операндов. На наличие байта sib в машинной команде указывает сочетание одного из значений 01 или 10 поля mod и значения поля r/m = 100. Байт sib состоит из трех полей:

1) поля масштаба ss. В этом поле размещается масштабный множитель для индексного компонента index, занимающего следующие 3 бита байта sib. В поле ss может содержаться одно из следующих значений: 1, 2, 4, 8.

При вычислении эффективного адреса на это значение будет умножаться содержимое индексного регистра;

2) поля index. Используется для хранения номера индексного регистра, который применяется для вычисления эффективного адреса операнда;

3) поля base. Используется для хранения номера базового регистра, который также применяется для вычисления эффективного адреса операнда. В качестве базового и индексного регистров могут использоваться практически все регистры общего назначения.

5. Поле смещения в команде.

8-, 16– или 32-разрядное целое число со знаком, представляющее собой, полностью или частично (с учетом вышеприведенных рассуждений), значение эффективного адреса операнда.

6. Поле непосредственного операнда.

Необязательное поле, представляющее собой 8-, 16– или 32-разрядный непосредственный операнд. Наличие этого поля, конечно, отражается на значении байта modr/m.