Для чего нужны сегментные регистры перечислите их

Ключевую роль в обработке данных в процессоре играют специальные ячейки, известные как регистры . Регистры в процессоре x86-64 можно разделить на четыре категории: регистры общего назначения, специальные регистры для приложений, сегментные регистры и специальные регистры режима ядра. Здесь нас будут интересовать прежде всего регистры общего назначения (general-purpose registers), которые в основном и используются в приложениях на ассемблере.

Начнем с того, что процессор архитектуры x86 имел восемь 32-битных регистров общего назначения, регистр флагов и указатель инструкций. Регистры общего назначения:

EAX (Accumulator): для арифметических операций
ECX (Counter): для хранения счетчика цикла
EDX (Data): для арифметических операций и операций ввода-вывода
EBX (Base): указатель на данные
ESP (Stack pointer): указатель на верхушку стека
EBP (Base pointer): указатель на базу стека внутри функции
ESI (Source index): указатель на источник при операциях с массивом
EDI (Destination index): указатель на место назначения в операциях с массивами
EIP : указатель адреса следующей инструкции для выполнения
EFLAGS : регистр флагов, содержит биты состояния процессора

Можно получить доступ к частям 32-битных регистров с меньшей разрядностью. Например, младшие 16 бит 32-битного регистра EAX обозначаются как AX. К регистру AX можно обращаться как к отдельным байтам, используя имена AH (старший байт) и AL (младший байт).

Регистры процессора Intel x86

В архитектуре х64 эти регистры были расширены до 64 бит, а новые расширенные регистры получили имена, которые начинаются с буквы R , например, RAX , RBX и т.д. Кроме того, были добавлены 8 новых 64-битных регистров R8 — R15

Регистры в архитектуре х64

Для обращения к 32-, 16- и 8-битной части 64-разрядных регистров используются стандартные для архитектуры x86 имена регистров. Для доступа к подрегистрам новых 64-битных регистров R8 — R15 применяется соответствующий суффикс:

D : для получения младших 32 бит регистра, например, R11D
W : для получения младших 16 бит регистра, например, R11W
B : для получения младших 8 бит регистра, например, R11B

Таким образом, в архитектуре x86-64 мы можем использовать следующие регистры общего пользования:

Шестнадцать 64-разрядных регистров RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RBP, RSP, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14 и R15
Шестнадцать 32-разрядных регистров EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP, R8D, R9D, R10D, R11D, R12D, R13D, R14D и R15D
Шестнадцать 16-разрядных регистров AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP, R8W, R9W, R10W, R11W, R12W, R13W, R14W и R15W
Шестнадцать 8-разрядных регистров AL, AH, BL, BH, CL, CH, DL, DH, DIL, SIL, BPL, SPL, R8B, R9B, R10B, R11B, R12B, R13B, R14B и R15B

Например, запись в часть 64-битного регистра, например в регистр AL, влияет только на биты этой части. В случае AL загрузка 8-битного значения изменяет младшие 8 битов RAX, оставляя остальные 56 бит без изменений.

Хотя эти регистры и называются общего назначения, но это не значит, что их можно использовать для любых целей. Все регистры x86-64 имеют свое особое назначение, которое ограничивает их использование в определенных контекстах.

Регистр флагов RFLAGS, содержит биты состояния процессора:

Флаг переноса (Carry flag):казывает, был ли при сложении перенос или заимствование при вычитании. Используется в качестве входных данных для инструкций сложения и вычитания.

Флаг четности: устанавливается, если младшие 8 битов результата содержат четное число единиц.

Флаг настройки: указывает, был ли при сложении перенос или заимствование при вычитании младших 4 битов.

Флаг нуля (Zero flag): устанавливается, если результат операции равен нулю

Флаг знака (Sign flag): устанавливается, если результат операции отрицательный.

Флаг прерывания выполнения (Trap flag): используется при одношаговой отладке.

Флаг разрешения прерывания: установка этого бита разрешает аппаратные прерывания.

Флаг направления: контролирует направление обработки. Если не установлен, то порядок от самого младшего до самого старшего адреса. Если установлен, то порядок обратный — от самого старшего до самого младшего адреса.

Флаг переполнения (Overflow flag): если устанавлен, то операция привела к переполнению со знаком.

Уровень привилегий ввода-вывода (I/O privilege level): уровень привилегий текущего выполняемого потока. IOPL 0 — это режим ядра, а 3 — пользовательский режим.

Флаг вложенной задачи (Nested task flag): управляет цепочкой прерываний.

Флаг возобновления (Resume flag): используется для обработки исключений во время отладки.

Флаг режима виртуальной машины 8086: если установлен, режим совместимости с 8086 активен. Этот режим позволяет запускать некоторые приложения MS-DOS в контексте операционной системы в защищенном режиме.

Флаг проверки выравнивания (Alignment check flag): если установлен, проверка выравнивания памяти активна. Например, если установлен флаг AC, сохранение 16-битного значения по нечетному адресу вызывает исключение проверки выравнивания. Процессоры x86 могут выполнять невыровненный доступ к памяти, когда этот флаг не установлен, но количество требуемых командных циклов может увеличиться.

Флаг виртуального прерывания (Virtual interrupt flag): виртуальная версия флага IF в виртуальном режиме 8086..

Флаг ожидания виртуального прерывания: Устанавливается, когда прерывание находится в состоянии ожидания в виртуальном режиме 8086.

Флаг ID: если этот бит установлен, то поддерживается инструкция cpuid. Эта инструкция возвращает идентификатор процессора и информацию о его функциях.

Основными являются флаги переноса, нуля, знака и переполнения, которые называют флагами состояния. Как видно, не все биты из 64-х разрядного регистра флагов имеют назначение. Неуказанные биты не используются.

В дополнение к регистрам общего назначения x86-64 предоставляет регистры специального назначения, в том числе восемь регистров для работы с числами с плавающей точкой, реализованных в модуле x87 с плавающей точкой (floating-point unit или FPU). Intel назвала эти регистры ST0 — ST7. Каждый регистр с плавающей точкой имеет ширину 80 бит. В отличие от регистров общего назначения обычная пользовательская программа не может получить к ним прямой доступ.

Также есть шестнадцать 128-битных регистров XMM (XMM0 — XMM15) и набор инструкций SSE/SSE2. Каждый регистр можно настроить как четыре 32-битных регистра с плавающей точкой; два 64-битных регистра двойной точности с плавающей точкой; или шестнадцать 8-битных, восемь 16-битных, четыре 32-битных, два 64-битных или один 128-битный целочисленный регистр. В более поздних вариантах семейства процессоров x86-64 AMD/Intel удвоили размер регистров до 256 бит каждый (переименовав их в YMM0-YMM15), добавив поддержки восьми 32-битных значений с плавающей точкой или четырех 64-битных значений с плавающей точкой двойной точности. (целочисленные операции по-прежнему ограничивались 128 битами).

41. Сегментные регистры

В программной модели микропроцессора имеется шесть сегментных регистров: cs, ss, ds, es, gs, fs.

Их существование обусловлено спецификой организации и использования оперативной памяти микропроцессорами Intel. Она заключается в том, что микропроцессор аппаратно поддерживает структурную организацию программы в виде трех частей, называемых сегментами. Соответственно такая организация памяти называется сегментной.

Для того чтобы указать на сегменты, к которым программа имеет доступ в конкретный момент времени, и предназначены сегментные регистры. Фактически (с небольшой поправкой) в этих регистрах содержатся адреса памяти, с которыхначинаются соответствующие сегменты. Логика обработки машинной команды построена так, что при выборке команды, доступе к данным программы или к стеку неявно используются адреса во вполне определенных сегментных регистрах.

Микропроцессор поддерживает следующие типы сегментов.

1. Сегмент кода. Содержит команды программы. Для доступа к этому сегменту служит регистр cs (code segment register) – сегментный регистр кода. Он содержит адрес сегмента с машинными командами, к которому имеет доступ микропроцессор (т. е. эти команды загружаются в конвейер микропроцессора).

2. Сегмент данных. Содержит обрабатываемые программой данные. Для доступа к этому сегменту служит регистр ds (data segment register) – сегментный регистр данных, который хранит адрес сегмента данных текущей программы.

3. Сегмент стека. Этот сегмент представляет собой область памяти, называемую стеком. Работу со стеком микропроцессор организует по следующему принципу: последний записанный в эту область элемент выбирается первым. Для доступа к этому сегменту служит регистр ss (stack segment register) – сегментный регистр стека, содержащий адрес сегмента стека.

4. Дополнительный сегмент данных. Не явно алгоритмы выполнения большинства машинных команд предполагают, что обрабатываемые ими данные расположены в сегменте данных, адрес которого находится в сегментном регистре ds. Если программе недостаточно одного сегмента данных, то она имеет возможность использовать еще три дополнительных сегмента данных. Но в отличие от основного сегмента данных, адрес которого содержится в сегментном регистре ds, при использовании дополнительных сегментов данных их адреса требуется указывать явно с помощью специальных префиксов переопределения сегментов в команде. Адреса дополнительных сегментов данных должны содержаться в регистрах es, gs, fs (extension data segment registers).

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Сегментные регистры

В реальном режиме процессора при записи адреса ячейки в памяти используется формат СЕГМЕНТ:СМЕЩЕНИЕ, где СЕГМЕНТ — это номер сегмента (блока памяти), а СМЕЩЕНИЕ — это номер ячейки памяти относительно начала сегмента. Почему так повелось, я рассказал здесь. А в этой статье расскажу о сегментации памяти и сегментных регистрах.

Сегментация памяти

В реальном режиме используется сегментная модель памяти. Суть её заключается в том, что вся память разделена на блоки по 64 КБ. Эти блоки и называются сегментами. У каждого сегмента есть свой адрес. Например, нулевой сегмент имеет адрес 0000. В пределах каждого сегмента каждая ячейка памяти (а в одной ячейке памяти может храниться один байт) также пронумерована, но уже относительно сегмента. Например:

0000:0000 - ячейка 0 в сегменте 0 0000:0001 - ячейка 1 в сегменте 0 0001:0000 - ячейка 0 в сегменте 1 0001:0015 - ячейка 21 в сегменте 1

Обратите внимание на последний пример. Почему ячейка номер 21? Да потому что все числа в такой модели памяти представлены в шестнадцатеричной системе. То есть 15 в шестнадцатеричной — это 21 в десятичной.

Допустим, что у нас в разных сегментах записаны данные. Например, буквы:

0010:Привет, 0020:МИР!

Для каждого символа в памяти выделен один байт, и у каждого из этих байтов есть свой адрес. Мы можем прочитать байт, зная его адрес, или записать новое значение в этот адрес. В нашем примере, в сегментной модели памяти, у символов будут следующие адреса:

0010:0000 (П) 0010:0001 (р) 0010:0002 (и) 0010:0003 (в) 0010:0004 (е) 0010:0005 (т) 0010:0006 (,) 0020:0000 (М) 0020:0001 (И) 0020:0002 (Р) 0020:0003 (!)

Конечно, в реальной программе никто не будет размещать одну строку в разных сегментах. Но это просто пример. Здесь мы знаем адрес каждого символа нашей строки. Мы можем прочитать из памяти отдельный символ, или записать по данному адресу другой символ, изменив таким образом строку. Например, если мы запишем в адрес 0020:0002 символ Г , то в памяти у нас будет:

0010:Привет, 0020:МИГ!

Эта ячейка памяти смещена от начала сегмента на три байта. Но, поскольку нумерация начинается с 0 , то мы записываем букву в байт номер 2 от начала смещения.

Таким образом получается, что для работы с памятью в реальном режиме нам надо знать два числа: адрес сегмента и адрес смещения.

Сегментные регистры процессора

Для хранения адресов сегментов используются сегментные регистры: CS, DS, SS, ES. Эти регистры используются для обращения к сегментам данных. Смещения могут храниться в других регистрах (но не в любых).

Регистр CS (Code Segment — сегмент кода) используется для хранения сегмента кода программы. То есть в этом сегменте хранится код программы.
Регистр DS (Data Segment — сегмент данных) используется для хранения данных программы.
Регистр SS (Stack Segment — сегмент стека) используется для хранения сегмента стека.
Регистр ES — дополнительный регистр, который может хранить адрес любого сегмента (например, видеобуфера). Именно этот регистр наиболее часто используется в программах для работы с памятью.

Для примера попробуем записать в регистр ES адрес сегмента 0020:

MOV ES, 0020h

Простое, казалось бы, решение. Но оно не работает! А всё почему? А потому что запись любого числа напрямую в сегментные регистры запрещена! Поэтому вместо одной команды приходится выполнять две:

MOV AX, 0020h MOV ES, AX

то есть сначала записываем сегмент в регистр АХ, а только потом можно записать содержимое АХ в сегментный регистр.

На этом пока всё. Подключайтесь к группе Основы программирования в Телеграм, или к другим каналам (ссылки ниже), чтобы ничего не пропустить.

Ассемблер. Сегменты памяти и регистры

Мы уже рассматривали на предыдущем уроке 3 секции, из которых состоят программы на ассемблере. Эти секции также представляют различные сегменты памяти. Что интересно, если вы замените ключевое слово section на segment , то получите тот же результат. Например:

segment . text ; сегмент кода
global _ start ; должно быть объявлено для линкера
_start : ; сообщаем линкеру точку входа
mov edx , len ; длина сообщения
mov ecx , msg ; сообщение для вывода на экран
mov ebx , 1 ; файловый дескриптор ( stdout )
mov eax , 4 ; номер системного вызова ( sys_write )
int 0x80 ; вызов ядра
mov eax , 1 ; номер системного вызова ( sys_exit )
int 0x80 ; вызов ядра
segment . data ; сегмент данных
msg db ‘Hello, world!’ , 0xa ; наша строка
len equ $ — msg ; длина нашей строки

Результат выполнения программы:

Оглавление:

Сегменты памяти
Регистры
Регистры процессора
Регистры данных
Регистры-указатели
Индексные регистры
Регистры управления
Сегментные регистры
Пример на практике

Сегменты памяти

Модель сегментированной памяти разбивает системную память на группы независимых сегментов, на которые указывают указатели, расположенные в регистрах сегментов. Каждый сегмент используется для хранения данных определенного типа. Первый сегмент используется для хранения кода инструкций, второй — для хранения элементов данных, а третий — для программного стека.

Сегменты памяти:

Сегмент данных (data segment) — представлен секциями .data и .bss. Секция .data используется для объявления области памяти, где хранятся элементы данных для программы. Эта секция не может быть расширена после объявления элементов данных, и она остается статической во всей программе. Секция .bss также является секцией статической памяти, содержащей буферы для данных, которые будут объявлены в программе позже. Эта буферная память заполнена нулями.

Сегмент кода (code segment) — представлен секцией .text. Он определяет область в памяти, в которой хранятся коды инструкций. Это также фиксированная область.

Стек (stack) — это сегмент, который содержит значения данных, передаваемые в функции и процедуры в программе.

Регистры

Обычно операции с процессором включают в себя обработку данных. Эти данные могут быть как сохранены в памяти, так и извлечены оттуда. Однако процесс чтения данных из памяти и хранения данных в памяти замедляет работу процессора, так как это предполагает сложный процесс отправки запроса данных в блок памяти и получение данных обратно из блока по одному и тому же каналу — через шину управления.

Чтобы ускорить свою работу, процессор подключает определенные внутренние места хранения памяти, которые называются регистрами. Регистры хранят элементы данных для обработки без необходимости получать доступ к памяти. Ограниченное количество регистров встроено в чип процессора.

Регистры процессора

В архитектуре IA-32 есть десять 32-битных и шесть 16-битных процессорных регистров. Регистры делятся на три категории:

Общие регистры (General Registers);

Регистры управления (Control Registers);

Сегментные регистры (Segment Registers).

В свою очередь, общие регистры делятся на следующие:

Регистры данных (Data Registers);

Регистры-указатели (Pointer Registers);

Индексные регистры (Index Registers).

Регистры данных

Регистры данных — это четыре 32-битных регистра, которые используются для арифметических, логических и других операций. Эти 32-битные регистры могут быть использованы следующими тремя способами:

как полные 32-битные регистры данных: EAX, EBX, ECX, EDX;

нижние половины 32-битных регистров могут использоваться как четыре 16-битных регистра данных: AX, BX, CX и DX;

нижняя и верхняя половины вышеупомянутых четырех 16-битных регистров могут использоваться как восемь 8-битных регистров данных: AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH и DL.

Некоторые из этих регистров данных имеют специфическое применение в арифметических операциях:

AX (primary accumulator) — используется для ввода/вывода и в большинстве арифметических операций. Например, в операции умножения один операнд сохраняется в регистре EAX/AX/AL в соответствии с размером операнда.

BX (base register) — используется при индексированной адресации.

CX (count register) — хранит количество циклов в повторяющихся операциях (также, как и регистры ECX и CX).

DX (data register) — используется в операциях ввода/вывода, а также с регистрами AX и DX для выполнения операций умножения и деления, связанных с большими значениями.

Регистры-указатели

Регистрами-указателями являются 32-битные регистры EIP, ESP и EBP и соответствующие им 16-битные регистры IP, SP и BP. Есть три категории регистров-указателей:

Указатель на инструкцию или команду (Instruction Pointer или IP) — 16-битный регистр IP хранит смещение адреса следующей команды, которая должна быть выполнена. IP в сочетании с регистром CS (как CS:IP) предоставляет полный адрес текущей инструкции в сегменте кода.

Указатель на стек (Stack Pointer или SP) — 16-битный регистр SP обеспечивает значение смещения в программном стеке. SP в сочетании с регистром SS (SS:SP) означает текущее положение данных или адреса в программном стеке.

Базовый указатель (Base Pointer или BP) — 16-битный регистр BP используется в основном при передаче параметров в подпрограммы. Адрес в регистре SS объединяется со смещением в BP, чтобы получить местоположение параметра. BP также можно комбинировать с DI и SI в качестве базового регистра для специальной адресации.

Индексные регистры

В процессоре существуют 32-битные индексные регистры ESI и EDI и их 16-битные версии: SI и DI. Все они используются в индексированной адресации, и, иногда, в операциях сложения/вычитания. Есть два типа индексных указателей:

Исходный индекс (Source Index или SI) — используется в качестве исходного индекса в строковых операциях.

Индекс назначения (Destination Index или DI) — используется в качестве индекса назначения в строковых операциях.

Регистры управления

Регистром управления является объединенный 32-битный регистр инструкций и 32-битный регистр флагов (регистр процессора, отражающий его текущее состояние). Многие инструкции включают в себя операции сравнения и математические вычисления, которые способны изменить состояния флагов, а некоторые другие условные инструкции проверяют значения флагов состояния, чтобы перенести поток управления в другое место.

Распространенные битовые флаги:

Флаг переполнения (Overflow Flag или OF) — указывает на переполнение старшего бита данных (крайнего левого бита) после signed арифметической операции.

Флаг направления (Direction Flag или DF) — определяет направление влево или вправо для перемещения или сравнения строковых данных. Если DF = 0 , то строковая операция идет слева направо, а когда DF = 1 — строковая операция идет справа налево.

Флаг прерывания (Interrupt Flag или IF) — определяет, будут ли игнорироваться или обрабатываться внешние прерывания (например, ввод с клавиатуры и т.д.). Он отключает внешнее прерывание, когда значение равно 0 , и разрешает прерывание, когда установлено значение 1 .

Флаг ловушка (Trap Flag или TF) — позволяет настроить работу процессора в одношаговом режиме.

Флаг знака (Sign Flag или SF) — показывает знак результата арифметической операции. Этот флаг устанавливается в соответствии со знаком элемента данных после выполнения арифметической операции. Знак определяется по старшему левому биту. Положительный результат сбрасывает значение SF в 0 , а отрицательный результат устанавливает его равным 1 .

Нулевой флаг (Zero Flag или ZF) — указывает результат арифметической операции или операции сравнения. Ненулевой результат сбрасывает нулевой флаг в 0 , а нулевой результат устанавливает его равным 1 .

Вспомогательный флаг переноса (Auxiliary Carry Flag или AF) — после выполнения арифметической операции содержит перенос от бита 3 до бита 4. Используется для специализированной арифметики. AF устанавливается, когда 1-байтовая арифметическая операция вызывает перенос из бита 3 в бит 4.

Флаг равенства (Parity Flag или PF) — указывает общее количество 1-битов в результате, полученном после выполнения арифметической операции. Чётное число 1-битов сбрасывает PF в 0 , а нечётное число 1-битов устанавливает PF равным 1 .

Флаг переноса (Carry Flag или CF) — после выполнения арифметической операции содержит перенос 0 или 1 из старшего бита (крайнего слева). Кроме того, хранит содержимое последнего бита операции сдвига или поворота.

В следующей таблице указано положение битовых флагов в 16-битном регистре флагов:

Флаг:	O	D	I	T	S	Z	A	P	C
Бит №:	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0

Сегментные регистры

Сегменты — это специфические части программы, которые содержат данные, код и стек. Есть три основных сегмента:

Сегмент кода (Code Segment или CS) — содержит все команды и инструкции, которые должны быть выполнены. 16-битный регистр сегмента кода или регистр CS хранит начальный адрес сегмента кода.

Сегмент данных (Data Segment или DS) — содержит данные, константы и рабочие области. 16-битный регистр сегмента данных или регистр DS хранит начальный адрес сегмента данных.

Сегмент стека (Stack Segment или SS) — содержит данные и возвращаемые адреса процедур или подпрограмм. Он представлен в виде структуры данных «Стек». Регистр сегмента стека или регистр SS хранит начальный адрес стека.

Кроме регистров CS, DS и SS существуют и другие регистры дополнительных сегментов — ES (Extra Segment), FS и GS, которые предоставляют дополнительные сегменты для хранения данных.

При написании программ на ассемблере, программе необходим доступ к ячейкам памяти. Все области памяти в сегменте относятся к начальному адресу сегмента. Сегмент начинается с адреса, равномерно делимого на десятичное 16 или на шестнадцатеричное 10. Таким образом, крайняя правая шестнадцатеричная цифра во всех таких адресах памяти равна 0 , которая обычно не хранится в сегментных регистрах.

Сегментные регистры хранят начальные адреса сегмента. Чтобы получить точное местоположение данных или команды в сегменте, требуется значение смещения. Чтобы сослаться на любую ячейку памяти в сегменте, процессор объединяет адрес сегмента в сегментном регистре со значением смещения местоположения.

Пример на практике

Посмотрите на следующую простую программу, чтобы понять, как используются регистры в программировании на ассемблере. Эта программа выводит 9 звёздочек с простым сообщением:

Для чего нужны сегментные регистры перечислите их