Знакомство с архитектурой компьютера

– 32-разрядные процессоры семейства x86

Процессоры делятся на поколения. История семейства x86 фирмы Intel началась с 16разрядного процессора 8086, который относится к первому поколению (отсюда и сокращение x86). Начиная с процессора 80386 (третье поколение) все последующие модели процессоров являются 32-разрядными.

Смотреть деление процессоров Intel на поколения, а также года их выпусков, основные характеристики и общепринятые обозначения.

из пяти режимов и переключаться между ними очень быстро:

Реальный (незащищенный) режим (real address mode) — режим, в котором работал процессор 8086. В современных процессорах этот режим поддерживается в основном для совместимости с древним программным обеспечением (DOS программами).
Защищенный режим (protected mode) — режим, который впервые был реализован в 80286 процессоре. Все современные операционные системы (Windows, Linux и пр.) работают в защищенном режиме. Программы реального режима не могут функционировать в защищенном режиме.
Режим виртуального процессора 8086 (virtual-8086 mode, V86) — в этот режим можно перейти только из защищенного режима. Служит для обеспечения функционирования программ реального режима, причем дает возможность одновременной работы нескольких таких программ, что в реальном режиме невозможно. Режим V86 предоставляет аппаратные средства для формирования виртуальной машины, эмулирующей процессор 8086. Виртуальная машина формируется программными средствами операционной системы. В Windows такая виртуальная машина называется VDM (Virtual DOS Machine — виртуальная машина DOS). VDM перехватывает и обрабатывает системные вызовы от работающих DOS-приложений.
Нереальный режим (unreal mode, он же big real mode) — аналогичен реальному режиму, только позволяет получать доступ ко всей физической памяти, что невозможно в реальном режиме.
Режим системного управления System Management Mode (SMM) используется в служебных и отладочных целях.

реальном режиме, в этом режиме работали первые операционные системы, например MS-DOS, однако современные операционные системы, такие как Windows и Linux переводят процессор в защищенный режим.

В защищенном режиме процессор защищает выполняемые программы в памяти от взаимного влияния (умышленно или по ошибке) друг на друга, что легко может произойти в реальном режиме. Поэтому защищенный режим и назвали защищенным.

которые может и должна использовать любая программа. Каждый регистр имеет свое уникальное имя. Именно с помощью регистров программисты манипулируют процессором в своих программах на ассемблере. Начиная с 386 процессора, регистры делятся на следующие группы:
16 пользовательских регистров;
16 системных регистров;
13 регистров для работы с мультимедийными приложениями (MMX) и числами с плавающей запятой (FPU/NPX);
В современных процессорах (PIII, P4) имеются дополнительные регистры: XMM (расширение SSE/SSE2).

В последующих поколениях процессоров следует ожидать только увеличения числа регистров, как это происходило до сих пор. Как уже говорилось, в процессоре имеются невидимые для программиста регистры, входящие в микроархитектуру процессора, которые процессор использует только для собственных нужд.

Пользовательские регистры это основные регистры, которые использует программист на ассемблере. Системные регистры используются в защищенном режиме ассемблера. Регистры FPU, MMX и XMM необходимы для ускорения вычислений и чаще всего используются в графических приложениях ( в компьютерных играх).

сегментные регистры, регистры флагов и указателя команд

Расширения, которые появились в 32-разрядных процессорах, выделены на рис. серым цветом.

общего назначения. В процессорах первого поколения регистры общего назначения были 16 разрядными. Начиная с третьего поколения (с процессора 80386) регистры общего назначения стали 32-разрядными.

Именно из-за того, что регистры общего назначения являются 32-разрядными Intel-совместимые процессоры и называются 32-разрядными. Аналогично процессоры первого поколения назывались 16-разрядными потому, что имели 16-разрядные регистры общего назначения. Соответственно 64-разрядные процессоры Intel имеют 64-разрядные регистры общего назначения.

Из-за совместимости с процессорами первых поколений регистры общего назначения можно использовать, как полностью 32 бита (EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP), так и только младшую половину 16 бит (AX, BX, CX , DX, SI, DI, BP, SP). В свою очередь младшая половина в некоторых регистрах общего назначения также может использоваться частями по 8 бит (AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH, DL). Как видно названия 32-битных регистров отличаются от 16-битных только приставкой E (Extended — расширенный).

Большинство регистров общего назначения используются при программировании без ограничений для любых целей. Однако в некоторых случаях вводится жесткое ограничение.

(Accumulator register) — аккумулятор. В основном используется для хранения любых промежуточных данных. Только в некоторых командах использование этого регистра обязательно.
EBX/BX/BH/BL (Base register) — база. В основном используется для хранения любых промежуточных данных. Некоторые команды используют этот регистр при так называемой адресации по базе.
ECX/CX/CH/CL (Count register) — счетчик. В основном используется для хранения любых промежуточных данных. Использование этого регистра обязательно только в командах организации цикла (повторяющихся действий).
EDX/DX/DH/DL (Data register) — регистр данных. В основном используется для хранения любых промежуточных данных. Только в некоторых командах использование этого регистра обязательно.
ESI/SI (Source Index register) — индекс источника. Используется в цепочечных операциях (обычно цепочкой является строка символов) и содержит адрес элемента в цепочке-источника.
EDI/DI (Destination Index register) — индекс приемника (получателя). Используется в основном в цепочечных операциях (цепочкой обычно является строка символов) и содержит текущий адрес в цепочке-приемнике.
EBP/BP (Base Pointer register) — регистр указателя базы кадра стека. Предназначен для организации произвольного доступа к данным внутри стека.
ESP/SP (Stack Pointer register) — регистр указателя стека. Содержит указатель вершины стека.

делить программу в памяти на 3 части, которые прозвали сегментами, а сегментные регистры соответственно предназначены для доступа к этим сегментам:
Сегмент кода. В этом сегменте содержатся машинные команды. Для доступа к этому сегменту служит регистр CS (code segment register) — сегментный регистр кода.
Сегмент данных. Содержит обрабатываемые программой данные. Для доступа к этому сегменту служит регистр DS (data segment register) — сегментный регистр данных.
Сегмент стека. В этом сегменте содержится стек. Для доступа к этому сегменту служит регистр SS (stack segment register) — сегментный регистр стека.

Если программисту недостаточно одного сегмента данных адресуемого регистром DS, то он может задействовать в своей программе дополнительные сегменты данных с помощью сегментных регистров ES, GS, FS (extension data segment registers).

команд. 32/16-разрядный регистр, который содержит адрес следующей машинной команды в памяти, подлежащей выполнению.
EFLAGS/FLAGS (flag register) — регистр флагов. Каждый отдельный бит этого 32/16-разрядного регистра называется флагом. Говорят флаг установлен, если соответствующий разряд содержит 1, и сброшен, если разряд содержит 0.

На рис. показано содержимое регистра EFLAGS,

Просмотреть названия и назначение каждого флага.

микропроцессора, поэтому редко используются программистами.

К системным регистрам относят:
четыре регистра системных адресов (GDTR, IDTR, TR, LDTR)
пять регистров управления (CR0 – CR4)
восемь регистров отладки (DR0 – DR7).

блок чисел с плавающей запятой) предназначены для ускорения операций с числами с плавающей запятой.

В первых поколениях процессоров эти регистры располагались в отдельной микросхеме, которая называлась сопроцессор на материнской плате. Для соответствующего поколения процессора был свой сопроцессор: 8087, 80287, 80387, 80487. Начиная с процессора 80486DX, сопроцессор располагается на одном кристалле с центральным процессором. В разных поколениях процессоров сопроцессор, называли, по-разному FPU или NPX (Numeric Processor eXtention — числовое расширение процессора), однако первое название получило наибольшее распространение.

регистров:
регистр состояния SWR (Status Word Register)
регистр управления CWR (Control Word Register)
регистр тегов TWR (Tags Word Register)
регистр-указатель команд IPR (Instruction Point Register)
регистр-указатель данных DPR (Data Point Register)

Регистры MMX (MultiMedia eXtensions — мультимедийные расширения) появились в пятом поколении процессоров Intel. MMX ускоряют работу с мультимедийными приложениями. Это достигается за счет одновременной обработки нескольких элементов данных за одну инструкцию — так называемая технология SIMD (Single Instruction — Multiple Data).

Регистры MMX и FPU/NPX являются одними и теми же регистрами сопроцессора, просто в программе при необходимости программист явно указывает, желает он использовать эти регистры для работы с мультимедийными приложениями (MMX) или для работы с числами с плавающей запятой (FPU/NPX).