Виды адресации операндов в памяти
Прямая адресация — это простейший вид адресации операнда в памяти, так как эффективный адрес содержится в самой команде и для его формирования не используется никаких дополнительных источников или регистров. Эффективный адрес берется непосредственно из поля смещения машинной команды, которое может иметь размер 8, 16, 32 бита. Это значение однозначно определяет байт, слово или двойное слово в сегменте данных. Прямая адресация может быть двух типов.
· Относительная прямая адресация используется в командах условных переходов для указания относительного адреса перехода. Относительность такого пе- рехода заключается в том, что в поле смещения машинной команды содержится 8-, 16- или 32-разрядное значение, которое в результате работы команды будет складываться с содержимым регистра указателя команд IP/EIP. В результате такого сложения получается адрес, по которому и осуществляется переход.
· Абсолютная прямая адресация — в этом случае эффективный адрес является частью машинной команды, но формируется этот адрес только из значения поля смещения в команде. Для формирования физического адреса операнда в памяти процессор складывает это поле со сдвинутым на четыре бита значением сегментного регистра. Однако такая адресация применяется редко — обычно ячейкам в программе присваиваются символические имена. В процессе трансляции ассемблер вычисляет и подставляет значения смещений этих имен в поле смещения формируемой им машинной команды (см. главу 3). В итоге получается, что машинная команда прямо адресует свой операнд, имея, фактически, в одном из своих полей значение эффективного адреса.
Остальные виды адресации относятся к косвенным. Слово косвенный в названии этих видов адресации означает, что в самой команде может находиться лишь часть эффективного адреса, а остальные его компоненты находятся в регистрах, на которые указывают своим содержимым байт mod r/m и, возможно, байт sib. Косвенная адресация имеет следующие разновидности:
· Косвенная базовая (или регистровая) адресация. Эффективный адрес операнда может находиться в любом из регистров общего назначения, кроме SP/ESP и ВР/ЕВР (это специальные регистры для работы с сегментом стека). Синтаксически в команде этот режим адресации выражается заключением имени регистра в квадратные скобки. К примеру, команда mov ax,[ecx] помещает в регистр АХ содержимое слова по адресу сегмента данных со смещением, хранящимся в регистре ЕСХ. Так как содержимое регистра легко изменить в ходе работы программы, данный способ адресации позволяет динамически назначить адрес операнда для некоторой машинной команды. Это очень полезно, например, для организации циклических вычислений и для работы с различными структурами данныхтипа таблиц или массивов.
· Косвенная базовая адресация со смещением является дополнением предыдущего вида адресации и предназначена для доступа к данным с известным смещением относительно некоторого базового адреса. Этот вид адресации удобно использовать для доступа к элементам структур данных, когда смещение элементов известно заранее на стадии разработки программы, а базовый (начальный) адрес структуры должен вычисляться динамически на стадии выполнения программы. Модификация содержимого базового регистра позволяет обращаться к одноименным элементам различных экземпляров однотипных структур данных. К примеру, команда mov ax,[edx+3h] пересылает в регистр АХ слово из области памяти по адресу, определяемому содержимым EDX + 3h. Команда mov ax,mas[dx] пересылает в регистр АХ слово по адресу, определяемому содержимым DX плюс значение идентификатора mas (не забывайте, что транслятор присваивает каждому идентификатору значение, равное смещению этого идентификатора относительно начала сегмента данных).
· Косвенная индексная адресация со смещением очень похожа на косвенную базовую адресацию со смещением. Здесь также для формирования эффективного адреса используется один из регистров общего назначения. Но индексная адресация обладает одной интересной особенностью, которая очень удобна для работы с массивами. Она связана с возможностью так называемого масштабирования содержимого индексного регистра.
· Косвенная базовая индексная адресация. Ээффективный адрес формируется как сумма содержимого двух регистров общего назначения: базового и индексного. В качестве этих регистров могут применяться любые регистры общего назначения, при этом часто содержимое индексного регистра масштабируется.
· Косвенная базовая индексная адресация со смещением. является дополнением косвенной индексной адресации. Эффективный адрес формируется как сумма трех составляющих: содержимого базового регистра, содержимого индексного регистра и значения поля смещения в команде.
Лекция 3: Физическая и логическая организация адресного пространства
Для адресации операндов в физическом адресном пространстве программы используют логическую адресацию. Процессор автоматически транслирует логические адреса в физические, выдаваемые затем на системную шину.
Архитектура компьютера различает физическое адресное пространство (ФАП) и логическое адресное пространство (ЛАП). Физическое адресное пространство представляет собой простой одномерный массив байтов, доступ к которому реализуется аппаратурой памяти по адресу, присутствующему на шине адреса микропроцессорной системы . Логическое адресное пространство организуется самим программистом исходя из конкретных потребностей. Трансляцию логических адресов в физические осуществляет блок управления памятью MMU .
В архитектуре современных микропроцессоров ЛАП представляется в виде набора элементарных структур: байтов, сегментов и страниц. В микропроцессорах используются следующие варианты организации логического адресного пространства:
- плоское (линейное) ЛАП: состоит из массива байтов, не имеющего определенной структуры; трансляция адреса не требуется, так как логический адрес совпадает с физическим;
- сегментированное ЛАП: состоит из сегментов — непрерывных областей памяти, содержащих в общем случае переменное число байтов; логический адрес содержит 2 части: идентификатор сегмента и смещение внутри сегмента; трансляцию адреса проводит блок сегментации MMU ;
- страничное ЛАП: состоит из страниц — непрерывных областей памяти, каждая из которых содержит фиксированное число байтов. Логический адрес состоит из номера (идентификатора) страницы и смещения внутри страницы; трансляция логического адреса в физический проводится блоком страничного преобразования MMU ;
- сегментно-страничное ЛАП: состоит из сегментов, которые, в свою очередь, состоят из страниц; логический адрес состоит из идентификатора сегмента и смещения внутри сегмента. Блок сегментного преобразования MMU проводит трансляцию логического адреса в номер страницы и смещение в ней, которые затем транслируются в физический адрес блоком страничного преобразования MMU .
Таким образом, основой получения физического адреса памяти служит логический адрес . В какой-то степени логическое адресное пространство , с которым имеет дело программист, можно сравнить со структурой книги, где аналогом сегмента выступает рассказ, страница книги соответствует странице ЛАП, а искомая информация — это некоторое слово . При этом если память организована как линейная, то номер искомого слова задается в явном виде и просто отсчитывается от начала книги. При сегментном представлении памяти искомое слово определяется его номером в заданном рассказе. Страничное представление памяти предполагает задание информации о слове в виде номера страницы в книге и номера слова на указанной странице. При сегментно-страничном представлении логический адрес слова задается номером слова в определенном рассказе. В этом случае по оглавлению книги определяется номер страницы, с которой начинается указанный рассказ. Затем, зная количество слов на странице и положение слова в рассказе, можно вычислить страницу книги и положение искомого слова на этой странице.
Формирование физического адреса в универсальном микропроцессоре при различных режимах работы
Микропроцессор способен работать в двух режимах: реальном и защищенном.
При работе в реальном режиме возможности процессора ограничены: емкость адресуемой памяти составляет 1 Мбайт, отсутствует страничная организация памяти, сегменты имеют фиксированную длину 2 16 байт .
Этот режим обычно используется на начальном этапе загрузки компьютера для перехода в защищенный режим.
В реальном режиме сегментные регистры процессора содержат старшие 16 бит физического адреса начала сегмента. Сдвинутый на 4 разряда влево селектор дает 20-разрядный базовый адрес сегмента. Физический адрес получается путем сложения этого адреса с 16-разрядным значением смещения в сегменте, формируемого по заданному режиму адресации для операнда или извлекаемому из регистра EIP для команды (рис. 3.1). По полученному адресу происходит выборка информации из памяти.
Наиболее полно возможности микропроцессора по адресации памяти реализуются при работе в защищенном режиме. Объем адресуемой памяти увеличивается до 4 Гбайт, появляется возможность страничного режима адресации. Сегменты могут иметь переменную длину от 1 байта до 4 Гбайт.
Общая схема формирования физического адреса микропроцессором , работающим в защищенном режиме, представлена на рис. 3.2.
Как уже отмечалось, основой формирования физического адреса служит логический адрес . Он состоит из двух частей: селектора и смещения в сегменте.
Селектор содержится в сегментном регистре микропроцессора и позволяет найти описание сегмента (дескриптор) в специальной таблице дескрипторов. Дескрипторы сегментов хранятся в специальных системных объектах глобальной ( GDT ) и локальных ( LDT ) таблицах дескрипторов. Дескриптор играет очень важную роль в функционировании микропроцессора , от формирования физического адреса при различной организации адресного пространства и до организации мультипрограммного режима работы. Поэтому рассмотрим его структуру более подробно.
Сегменты микропроцессора , работающего в защищенном режиме, характеризуются большим количеством параметров. Поэтому в универсальных 32-разрядных микропроцессорах информация о сегменте хранится в
специальной 8-байтной структуре данных, называемой дескриптором, а за сегментными регистрами закреплена основная функция — определение местоположения дескриптора.
Структура дескриптора сегмента представлена на рис. 3.3.
Мы будем рассматривать именно структуру, а не формат дескриптора, так как при переходе от микропроцессора i286 к 32-разрядному МП расположение отдельных полей дескриптора потеряло свою стройность и частично стало иметь вид «заплаток», поставленных с целью механического увеличения разрядности этих полей.
32-разрядное поле базового адреса позволяет определить начальный адрес сегмента в любой точке адресного пространства в 2 32 байт (4 Гбайт).
Поле предела (limit) указывает длину сегмента (точнее, длину сегмента минус 1: если в этом поле записан 0, то это означает, что сегмент имеет длину 1) в адресуемых единицах, то есть максимальный размер сегмента равен 2 20 элементов.
Величина элемента определяется одним из атрибутов дескриптора битом G ( Granularity — гранулярность , или дробность):
В сегменте кода: бит подчинения, или согласования, C ( Conforming ) определяет дополнительные правила обращения, которые обеспечивают защиту сегментов программ. При C = 1 данный сегмент является подчиненным сегментом кода. В этом случае он намеренно лишается защиты по привилегиям. Такое средство удобно для организации, например, подпрограмм, которые должны быть доступны всем выполняющимся в системе задачам. При C = 0 — это обычный сегмент кода; бит считывания R ( Readable ) устанавливает, можно ли обращаться к сегменту только на исполнение или на исполнение и считывание, например, констант как данных с помощью префикса замены сегмента. При R = 0 допускается только выборка из сегмента команд для их выполнения. При R = 1 разрешено также чтение данных из сегмента.
Запись в сегмент кода запрещена. При любой попытке записи возникает программное прерывание .
В сегменте данных:
- ED ( Expand Down) — бит направления расширения. При ED = 1 этот сегмент является сегментом стека и смещение в сегменте должно быть больше размера сегмента. При ED = 0 — это сегмент собственно данных (смещение должно быть меньше или равно размеру сегмента);
- бит разрешения записи W(Writeable) . При W = 1 разрешено изменение сегмента. При W = 0 запись в сегмент запрещена, при попытке записи в сегмент возникает программное прерывание .
В случае обращения за операндом смещение в сегменте формируется микропроцессором по режиму адресации операнда, заданному в команде. Смещение в сегменте кода извлекается из регистра — указателя команд EIP .
Сумма извлеченного из дескриптора начального адреса сегмента и сформированного смещения в сегменте дает линейный адрес (ЛА).
Если в микропроцессоре используется только сегментное представление адресного пространства, то полученный линейный адрес является также и физическим.
Если помимо сегментного используется и страничный механизм организации памяти , то линейный адрес представляется в виде двух полей: старшие разряды содержат номер виртуальной страницы , а младшие смещение в странице. Преобразование номера виртуальной страницы в номер физической проводится с помощью специальных системных таблиц: каталога таблиц страниц (КТС) и таблиц страниц (ТС). Положение каталога таблиц страниц в памяти определяется системным регистром CR3. Физический адрес вычисляется как сумма полученного из таблицы страниц адреса физической страницы и смещения в странице, полученного из линейного адреса.
Рассмотрим теперь все этапы преобразования логического адреса в физический более подробно.
MS-DOS и TASM 2.0. Часть 18. Ещё раз об указателе.
В статье MS-DOS и TASM 2.0. Часть 9. Указатель просто и понятно было рассмотрено, что такое указатель в программировании (pointer). Сейчас мы перейдём к вопросу практического использования указателя. Ещё раз напомним, что указатель в ассемблере — более широкое понятие, чем в Си и С++, где указатель определён как переменная, значением которой является адрес ячейки памяти. Указатель — не только переменная. Указатель в программировании на ассемблере — адрес определённой ячейки памяти. Жёсткой привязки к понятию «переменной» нет.
Преимущество указателя — простая возможность обращаться к определённой части исполняемого кода либо данных, избегая их дублирования. Например, один раз написав код функции, мы можем обращаться к нему неоднократно, осуществляя вызов указанной функции. Кстати, вызов функции — это переход исполнения кода по указателю, который для удобства «обозвали» понятным для человека названием (ну, например, «MyBestFunc»).
Указатель в программировании используется также для получения и передачи входных-выходных значений функций. С этим применением мы встретимся при Windows программировании.
Указатель — адрес ячейки памяти.
Указатель в программировании на ассемблере — адрес ячейки памяти, содержащей определённые последовательности цифр — блоки кода и данных. Блоки кода и данных называются значениями указателя, например: строка, массив, структура, функция, переменная, константа.
Указатель — адрес ячейки памяти, содержащей блоки кода и данных.
Указателю можно присвоить условное обозначение (const_a, const_b, my_mass_1, MY_STRUCT_1, BitMask, my_prnt_func), определив тип данных или кода, на которые он указывает (db, dd, STRUC, RECORD, proc). Практически мы уже проделывали эти операции, создавая исходники наших простейших программ:
Работа с указателями.
Основная проблема начинающего программиста — это различие между указателем и значением, расположенным по адресу памяти, на которую указывает указатель.
Получение значения, на которое указывает указатель в Си и C++ называется «разыменование указателя». Это понятие можно употреблять и в ассемблере.
Получать адрес ячейки памяти (значение указателя) при программировании на ассемблере можно двумя способами, назовём их «статический» и «динамический». Реализовано это с помощью инструкций OFFSET и LEA.
При «статическом» способе указатель будет вычислен во время компиляции. Он не меняется и не вычисляется в процессе выполнения программы. В очень упрощённой форме: его значение равно смещению в байтах от начала программы, спроецированной в память, плюс адрес в оперативной памяти — «точка входа», адрес загрузки программы в память, который задаётся во время компиляции и записывается в заголовке (в начале) файла. Таким образом полученное значение фактически является константой.
OFFSET (Offset — смещение).
Получить «статическим способом» указатель в программировании на ассемблере можно с помощью оператора OFFSET (оператор — команда компилятору — подпрограмме, которая собирает исполняемый файл из исходного кода, написанного языком программирование). Offset возвращает значение метки в памяти. Меткой является любое именованное значение кода и данных. Например, имя переменной, константы или массива (именованное обозначение блока данных). Имя функции — фактически также является меткой (именованным обозначением блока кода).
LEA (Load Effective Address — загрузить эффективный адрес).
При «динамическом» способе адрес вычисляется в процессе исполнения программы. Для этого используется команда LEA (Load Effective Address).
lea операнд1, операнд2
Операнд 1 — это регистр-приёмник (ax, bx, dx и т.д.), куда будет перемещён эффективный адрес (указатель) ячейки памяти, в которой расположен операнд2.
Для начала, необходимо усвоить, что результат оба способа дают одинаковый, но иногда компилятор не имеет возможности определить указатель во время сборки программы. Например, при выделении динамической памяти (столкнёмся в 32 битном Windows программировании), не известно, по какому адресу она будет выделена. Если по этому адресу у нас будет находиться структура, то определить указатель на поля структуры возможно с использованием команды LEA.