Регистры процессора

Как уже упоминалось, внутренние регистры процессора представ­ляют собой сверхоперативную память небольшого размера, которая предназначена для временного хранения служебной информации или данных. Количество регистров в разных процессорах может быть от 6—8 до нескольких десятков. Регистры могут быть универсальными и специализированными. Специализированные регистры, которые при­сутствуют в большинстве процессоров, — это регистр-счетчик команд, регистр состояния (PSW), регистр указателя стека. Остальные регис­тры процессора могут быть как универсальными, так и специализи­рованными.

Например, в 16-разрядном процессоре Т-11 фирмы DEC было 8 реги­стров общего назначения (РОН) и один регистр состояния. Все регистры имели по 16 разрядов. Из регистров общего назначения один отводился под счетчик команд, другой — под указатель стека. Все остальные регист­ры общего назначения полностью взаимозаменяемы, то есть имеют уни­версальное назначение, могут хранить как данные, так и адреса (указате­ли), индексы и т.д. Максимально допустимый объем памяти для данного процессора составлял 64 Кбайт (адрес памяти 16-разрядный).

В 16-разрядном процессоре MC68000 фирмы Motorola было 19 регист­ров: 16-разрядный регистр состояния, 32-разрядный регистр счетчика ко­манд, 9 регистров адреса (32-разрядных) и 8 регистров данных (32-раз­рядных). Два регистра адреса отведены под указатели стека. Максимально допустимый объем адресуемой памяти — 16 Мбайт (внешняя шина адреса 24-разрядная). Все 8 регистров данных взаимозаменяемы. 7 регистров ад­реса — тоже взаимозаменяемы.

В 16-разрядном процессоре Intel 8086, который стал базовым в линии процессоров, используемых в персональных компьютерах, реализован принципиально другой подход. Каждый регистр этого процессора имеет свое особое назначение, и заменять друг друга регистры могут только ча­стично или же не могут вообще. Остановимся на особенностях этого про­цессора подробнее.

Процессор 8086 имеет 14 регистров разрядностью по 16 бит. Из них четыре регистра (АХ, ВХ, СХ, DX) — это регистры данных, каждый из ко­торых помимо хранения операндов и результатов операций имеет еще и свое специфическое назначение:

• регистр АХ — умножение, деление, обмен с устройствами ввода/вы­
вода (команды ввода и вывода);

• регистр ВХ — базовый регистр в вычислениях адреса;

• регистр СХ — счетчик циклов;

• регистр DX — определение адреса ввода/вывода.

Для регистров данных существует возможность раздельного использо­вания обоих байтов (например, для регистра АХ они имеют обозначения AL — младший байт и АН — старший байт).

Следующие четыре внутренних регистра процессора — это сегментные регистры, каждый из которых определяет положение одного из рабочих сегментов (рис. 3.10):

• регистр CS (Code Segment) соответствует сегменту команд, испол­
няемых в данный момент;

• регистр DS (Data Segment) соответствует сегменту данных, с кото­
рыми работает процессор;

• регистр ES (Extra Segment) соответствует дополнительному сегменту
данных;

• регистр SS (Stack Segment) соответствует сегменту стека.

Рис. 3.10.Сегменты команд, данных и стека в памяти.

В принципе, все эти сегменты могут и перекрываться для оптимально­го использования пространства памяти. Например, если программа зани­мает только часть сегмента, то сегмент данных может начинаться сразу после завершения работы программы (с точностью 16 байт), а не после окончания всего сегмента программы.

Следующие пять регистров процессора (SP — Stack Pointer, BP — Base Pointer, SI — Source Index, DI — Destination Index, IP —Instruction Pointer) служат указателями (то есть определяют смещение в пределах сегмента). Например, счетчик команд процессора образуется парой регистров CS и IР, а указатель стека — парой регистров SP и SS. Регистры SI, DI используются в строковых операциях, то есть при последовательной обработке не­скольких ячеек памяти одной командой.

Последний регистр FLAGS — это регистр состояния процессора (PSW). Из его 16 разрядов используются только девять (рис. 3.11): CF (Carry Flag) — флаг переноса при арифметических операциях, PF (Parity Flag) — флаг четности результата, AF (Auxiliary Flag) — флаг дополнительного переноса, ZF (Zero Flag) — флаг нулевого результата, SF (Sign Flag) — флаг знака (со­впадает со старшим битом результата), TF (Trap Flag) — флаг пошагового режима (используется при отладке), IF (Interrupt-enable Flag) — флаг разрешения аппаратных прерываний, DF (Direction Flag) — флаг направле­ния при строковых операциях, OF (Overflow Flag) — флаг переполнения.

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5432 1 О

Рис. 3.11.Регистр состояния процессора 8086.

Биты регистра состояния устанавливаются или очищаются в зависи­мости от результата исполнения предыдущей команды и используются не­которыми командами процессора. Биты регистра состояния могут также устанавливаться и очищаться специальными командами процессора (о си­стеме команд процессора будет рассказано в следующем разделе).

Во многих процессорах выделяется специальный регистр, называемый аккумулятором(то есть накопителем). При этом как правило, только этот регистр-аккумулятор может участвовать во всех операциях, только через него может производиться взаимодействие с устройствами ввода/вывода. Иногда в него же помещается результат любой выполненной команды (в этом случае говорят даже об “аккумуляторной” архитектуре процессора). Например, в процессоре 8086 регистр данных АХ можно считать своеобразным аккуму­лятором, так как именно он обязательно участвует в командах умножения и деления, а также только через него можно пересылать данные в устройство ввода/вывода и из устройства ввода/вывода. Выделение специального регистра-аккумулятора упрощает структуру процессора и ускоряет пересылки кодов внутри процессора, но в некоторых случаях замедляет ра­боту системы в целом, так как весь поток информации должен пройти через один регистр-аккумулятор. В случае, когда несколько регистров процессо­ра полностью взаимозаменяемы, таких проблем не возникает.