Что такое регистры микропроцессора

Лекция 2: Регистровая структура универсального микропроцессора

Регистровая структура универсального микропроцессора

В универсальном 32-разрядном микропроцессоре выделяют следующие группы регистров:

Рассмотрим каждую из этих групп подробнее.

Основные функциональные регистры

В состав регистров этой группы входят:

Состав и структура регистров общего назначения представлены на рис. 2.1.

Блок состоит из восьми 32-разрядных регистров. К каждому из них можно обращаться как к одному двойному слову (32 разряда).

Все эти регистры используются для хранения промежуточных результатов вычислений и составных частей адреса при различных режимах адресации операндов, расположенных в памяти.

Кроме того, ряд регистров этого блока имеют свое, присущее только им назначение:

Регистр указателя команд и регистр флагов имеют длину 32 разряда.

Младшее слово каждого из этих регистров (разряды 0-15) функционально соответствует аналогичным разрядам в 16-разрядном микропроцессоре (рис. 2.2).

Регистр указателя команд EIP хранит смещение адреса команд относительно начала сегмента кода (сегмента команд).

Регистр флагов EFLAGS содержит признаки результата выполненной команды, а также разряды, управляющие работой микропроцессора: обработкой маскированных прерываний, последовательностью вызываемых задач, вводом-выводом и рядом других действий. Из этих флагов рассмотрим только наиболее значимые и интересные с точки зрения дальнейшего изучения работы микропроцессора.

К битам состояния регистра флагов относятся:

В состав флагов управления входят:

При работе микропроцессора в реальном режиме в сегментном регистре содержатся старшие 16 разрядов 20-разрядного базового адреса сегмента. Физический адрес начала сегмента получается умножением этой величины на 16:

Регистры процессора с плавающей точкой

К этой группе регистров относятся (рис. 2.3):

Источник

Регистры процессора

Регистр процессора — сверхбыстрая память внутри процессора, предназначенная прежде всего для хранения промежуточных результатов вычисления (регистр общего назначения/регистр данных) или содержащая данные, необходимые для работы процессора — смещения базовых таблиц, уровни доступа и т. д. (специальные регистры).

Регистр представляет собой цифровую электронную схему, служащую для временного хранения двоичных чисел. В процессоре имеется значительное количество регистров, большая часть которых используется самим процессором и недоступна программисту. Например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд. Программист обратиться к этому регистру не может. Имеются так же регистры, которые в принципе программно доступны, но обращение к ним осуществляется из программ операционной системы (например управляющие регистры и теневые регистры дескрипторов сегментов). Этими регистрами пользуются в основном разработчики операционных систем.

Основные регистры процессора, совместимого с Intel 386

IP (англ. Instruction Pointer ) — регистр, обозначающий смещение следующей команды относительно кодового сегмента.

IP — 16-битный (младшая часть EIP)

EIP — 32-битный аналог

Сегментные регистры — Регистры указывающие на сегменты.

CS — указатель на кодовый сегмент. Связка CS:IP указывает на адрес в памяти следующей команды.

Регистры данных — служат для хранения промежуточных вычислений.

RAX, RBX, RCX, RDX, RBP, RSI, RDI, RSP, R8 — R15 — 64-битные

EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESI, EDI, ESP — 32-битные (extended AX)

AX, BX, CX, DX — 16-битные

AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH, DL — 8-битные (половинки 16-ти битных регистров)

RAX

RBX

RCX

RDX

——

EAX

——

EBX

——

ECX

——

EDX

——

——

AX

——

——

BX

——

——

CX

——

——

DX

——

——

AH

AL

——

——

BH

BL

——

——

CH

CL

——

——

DH

DL

Регистр флагов EFLAGS — содержит текущее состояние процессора.

Регистром называется функциональный узел, осуществляющий приём, хранение и передачу информации. Регистры состоят из группы триггеров, обычно D. По типу приёма и выдачи информации различают 2 типа регистров:

Сдвиговые регистры представляют собой последовательно соединённую цепочку триггеров. Основной режим работы — сдвиг разрядов кода от одного триггера к другому на каждый импульс тактового сигнала.

По назначение регистры различаются на:

См. также

Примечания

МикроконтроллерыАрхитектура

8-bit	MCS-51 • MCS-48 • AVR • Z8 • H8 • COP8 • 68HC08 • 68HC11
16-bit	PIC24 • MAXQ • Nios • 68HC12 • 68HC16
32-bit	ARM • PIC32MX • 683XX • M32R •

ПроизводителиAnalog Devices • Fujitsu • Holtek • Infineon • MicroChip • Maxim • Parallax • Texas Instruments • ZilogКомпонентыРегистр • Прерывание • CPU • SRAM • Флеш-память • кварцевый резонатор • кварцевый генератор • RC-генератор • КорпусПериферияТаймер • АЦП • ЦАП • Компаратор • ШИМ контроллер • Счётчик • LCD • Датчик температуры • Watchdog TimerИнтерфейсCAN • UART • SPI • I²C • ОСμClinux • BeRTOS • ChibiOS/RT • RTEMS • Unison • MicroC/OS-II • ПрограммированиеПрограмматор • Ассемблер • MPLAB • AVR Studio • MCStudio

Полезное

Смотреть что такое «Регистры процессора» в других словарях:

Архитектура процессора — количественная составляющая компонентов микроархитектуры вычислительной машины (процессора компьютера) (например, регистр флагов или регистры процессора), рассматриваемая IT специалистами в аспекте прикладной деятельности. С точки зрения… … Википедия

Регистр процессора — Эта статья включает описание термина «IP»; см. также другие значения. Регистр процессора блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ) внутри процессора; используется самим процессором и большой частью недоступен… … Википедия

Кэш процессора — Кэш микропроцессора кэш (сверхоперативная память), используемый микропроцессором компьютера для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти. Является одним из верхних уровней иерархии памяти[1] … Википедия

Кэш центрального процессора — Кэш (англ. cache[1], произносится kæʃ кЭш) промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий копию той информации, которая хранится в памяти с менее быстрым доступом, но с наибольшей вероятностью может быть оттуда запрошена. Доступ к данным в… … Википедия

Моделезависимые регистры — (Model Specific Registers, MSR) cпециальные регистры процессоров архитектуры x86, наличие и назначение которых варьируется от модели к модели процессора. Программно доступны при помощи команд RDMSR и WRMSR. Адресуются 32 битным индексом,… … Википедия

Регистр (цифровая техника) — У этого термина существуют и другие значения, см. Регистр. 4 х разрядный сдвиговый регистр, преобразователь последовательного кода в параллельный и обратно Регистр последовательное или параллельное … Википедия

РОН (электроника) — Регистр процессора сверхбыстрая память внутри процессора, предназначенная прежде всего для хранения промежуточных результатов вычисления (регистр общего назначения/регистр данных) или содержащая данные, необходимые для работы процессора … … Википедия

Регистр (вычислительная техника) — Регистр процессора сверхбыстрая память внутри процессора, предназначенная прежде всего для хранения промежуточных результатов вычисления (регистр общего назначения/регистр данных) или содержащая данные, необходимые для работы процессора … … Википедия

Motorola 6809 — > Центральный процессор Процессор Motorola 6809E с рабочей частотой 1 МГц, выпущен в 1983 году … Википедия

Иерархия памяти — Пирамида иерархии памяти. По левой грани обозначены размер и емкость, по центру требование постоянного электропитания и длительность хранения, справа пример памяти данного уровня, скорос … Википедия

Источник

Регистры микропроцессоров, их виды и назначение

Общие сведения.

При составлении программ в первую очередь необходимо

знать, какие из регистров микропроцессора являются программно–доступными регистрами, в которых можно хранить подлежащие обработке данные (операн­ды), адреса и управляющие сигналы (команды). Совокупность программно–до­ступных регистров образуют регистровую модель микропроцессора. Адресация регистровой области процессора и быстрый доступ к ней обеспечивают создание эффективно исполняемых программ.

В регистровой модели современных процессоров обычно выделяют следу­ющие группы регистров:

● регистры, используемые при выполнении прикладных программ. К ним относят:

• основные функциональные регистры (регистры общего назначения; ука­затель команд, или программный счетчик; сегментные регистры; регистр флагов, или слова состояния);

обработки чисел с плавающей точкой (регистры данных, тегов, состояния, управления, регистры–указатели команды и операнда);

обработки пакетов чисел с плавающей точкой (регист­ры пакетов данных и регистр управления–состояния);

● системные регистры (регистры управления режимом, регистры системных адресов, регистры отладки);

● служебные (модельно–специфические) регистры, которые используются в про­цессе отладки систем, содержат информацию о процессе выполнения про­граммы (число декодированных команд, полученных запросов прерывания, число загрузок в кэш–память и т. п.), обеспечивают различные режимы рабо­ты кэш–памяти при обращении к определенным областям основной памяти

О неоднородности регистров.

Регистровая область памяти микропроцессора (

— регистровый сегмент) представляет собой набор неоднородных по возможности доступа и по выполняемым функциям регистров. Например, в рас­смотренном выше 8–разрядном процессоре:

● регистр команд является неадресуемым регистром и предназначен только для приема первого байта (кода команды) из памяти;

● адресуемые регистры В и С могут быть использованы для хранения одного байта данных или 16–разрядного адреса (в паре);

● указатель стека, представляющий собой 16–разрядный регистр, использует­ся для доступа к стеку путем явной и неявной (с помощью специальных ко­манд

● программный счетчик, или указатель команд, выполняет строго определен­ные функции и не может быть использован для хранения 16–разрядных опе­рандов.

Функциональная неоднородность области

процессора проявляется в специализации регистров. В зависимости от выполняемых функций можно вы­делить три группы регистров:

● регистры данных, используемые в операциях АЛУ в качестве источника и приемника операндов;

● адресные регистры, или указатели, предназначенные для формирования ад­ресов данных и команд;

● специальные регистры, служащие для индикации текущего состояния про­цессора и управления режимами его работы.

Функциональная специализация затрудняет программирование (из–за необхо­димости учета организации регистров), однако позволяет создать быстро испол­няемую программу с меньшим требуемым объемом памяти для ее хранения.

Регистры обозначаются латинскими буквами, используемыми для символи­ческого кодирования и отражающими назначение регистра.

Среди регистров данных важное место занимает аккуму­лятор А (

), который выполняет функции временного хранения исход­ных операндов и результатов операций арифметическо–логических устройств (АЛУ). Интенсивное использование аккумулятора и связанное с ним большинство команд арифметической и логической обработки операндов способствует сниже­нию загруженности шины данных, упрощению адресации, повышению быстро­действия процессора. В системах команд микропроцессора выделяются опера­ции с аккумулятором. Поэтому ссылка на аккумулятор при адресации, как прави­ло, производится неявно с помощью кода операции. Неявная адресация позволя­ет не указывать в командах месторасположение одного из операндов и (или) результата операции, что уменьшает длину их кода. В составе микропроцессора может быть не один, а два аккумулятора (например, в МС6809). К регистрам данных относятся явно адресуемые рабочие регистры

1, …., используемые как сверхскоростные регистровые ОЗУ.

Рабочие регистры могут использоваться в операциях совместно с аккумулятором. Некоторые из них могут совмещать функцию хранения данных с функцией адресации. Для образования полноразмерного адреса регистры данных объединяются в пары.

В процессорах, предназначенных для работы в реальном времени, могут быть предусмотрены не один, а два или даже четыре (например, в некоторых микро­контроллерах) набора рабочих регистров. Один из регистров резервируется для системных целей или обработки прерываний, а остальные — для прикладных задач пользователя. В каждый момент времени доступен только один набор ра­бочих регистров, выбираемый специальным указателем.

К регистрам данных также относятся рассматриваемые ниже регистры общего назначения, которые совмещают функции хранения данных и адресов.

Среди регистров, на которые возложена функция адре­сации, следует выделить:

), или указатель инструкций–команд (

), хранящий адрес следующей команды выпол­няемой программы. Его разрядность обычно соответствует числу линий ад­ресной шины. При выполнении программы с последовательно возрастающи­ми адресами команд содержимое

увеличивается на 1 или 2 для указания следующего байта или слова. Увеличение содержимого счетчика происходит автоматически сразу после начала выполнения команды. Изменение после­довательной выборки команд из ячеек памяти осуществляется путем загруз­ки программного счетчика адресом требуемой ячейки. Такая ситуация возни­кает, например:

• при выполнении команд условных и безусловных переходов;

• при инициализации микропроцессора путем сброса;

• при обслуживании запросов на прерывание;

используемый для обращений к систем­ному стеку. Стек представляет собой область памяти, предназначенную для хранения адресов возврата и состояний процессора (содержимого регист­ров) при вызове подпрограмм и обслуживании прерываний. Доступ к стеку организован по принципу «последним пришел — первым ушел» (

т. е. в него можно только последовательно добавлять (втал­кивать) или извлекать (выталкивать) элементы данных. Типовой стек, приме­няемый в большинстве процессоров, заполняется в сторону уменьшения ад­ресов.

всегда показывает на последнюю заполненную ячейку, называемую вершиной стека (

Поэтому при операции за­писи (

) в стек элемента данных сначала содержимое указателя

уменьшается на 1 или 2 в зависимости от длины элемента (байт, два байта), формируя адрес ячейки, в которую затем помещается элемент. При операции считывания (

) сначала элемент данных извлекается из стека, после чего содержимое указателя

увеличивается на 1 или 2.

Принцип взаимодействия указателя

со стеком проиллюстрирован на примере записи в стек и считывания из него четырех однобайтных элементов (рис. 2.4.1, а).

При операциях со стеком значение указателя

непрерывно меняется, поэтому применять его в качестве точки отсчета при доступе к хранящимся в стеке данным вызывает определенные трудности. Поэтому в ряде случаев, например, при хранении в стеке локальных переменных или при обмене па­раметрами между вызываемой и вызывающей процедурой (подпрограммой), используется указатель кадра (

) — специально зарезерви­рованный адресный регистр. Регистр

, указывающий на начало области па­раметров в стеке (рис. 2.4.1, б), принадлежит к классу базовых регистров. В 16–разрядных процессорах указателем кадра служит индексный регистр ВХ;

регистры, предназначенные для хранения адресов обращения к основной па­мяти. Такие регистры, называемые указательными или индексными, позволя­ют сократить размер кода (программы). К ним следует отнести:

• регистры косвенного адреса (

), содержащие непосред­ственно адрес операнда;

), хранящие начальные (базовые) адреса массивов и записей;

• индексные регистры I или X (

), содержимое которых является относи­тельным (смещенным) адресом операнда;

• регистры автоинкрементной и автодекрементной адресации, автоматиче­ски увеличивающие или уменьшающие свое содержимое после выполне­ния операции;

• регистры расширения адресного пространства (до 1М байт).

К специальным регистрам следует отнести регистр флагов (

), или регистр слова состояния программы (

а также ряд регистров, используемых в сопроцессорах и микроконтроллерах.

На регистр флагов возлагается функция хранения признаков. С каждым при­знаком связывается одноразрядная переменная (бит), называемая флагом (флажком). Регистр флагов содержит:

● биты признаков состояния процессора. Обычно эти признаки формируются в АЛУ после выполнения операции и характеризуют ее результат;

● биты управления и системных признаков, которые устанавливаются операци­онной системой (некоторые пользователем) и задают режим процессора при организации ввода–вывода данных, обслуживании прерываний и исключений, решении последовательности вызываемых задач и реализации ряда других процедур.

Упаковка всех флагов в одно слово и хранение в регистре дает возможность их быстрой пересылки в память с последующим восстановлением, например, при обслуживании запросов на прерывание.

Ниже приведены обозначение, название и назначение флагов признаков состояния, а также показан принцип формирования некоторых флагов из отдельных бит

–разрядных операндов вида

, которые могут быть как исходным операндом, так и результатом выполненной операции:

Источник

Пользовательские регистры

§ Сегментные регистры

§ Регистр флагов

§ Регистр управления

Программная модель микропроцессора содержит 32 регистра, которые можно разделить на две группы:

— 16 пользовательских регистров;

— 16 системных регистров.

Заметим, что в данном курсе мы изучаем и применяем только пользовательские регистры.

Системные регистры будут использоваться при изучении дисциплин «Системное программное обеспечение» и «Методы защиты компьютерной информации».

Пользовательские регистры

Пользовательскими регистры называются потому, что программист может их использовать при разработке программ.

К пользовательским регистрам относятся:

1) восемь 32-битных регистров, которые могут использоваться программистами для хранения данных и адресов (регистры общего назначения)

2) шесть регистров сегментов: cs, ds, ss, es, fs, gs

3) регистр состояния (регистр флагов) eflags/flags ;

Обратим внимание, наклонной разделительной чертой обозначены части одного большого 32-разрядного регистра. Они могут использоваться в программе как отдельные объекты.

Благодаря этому поддерживается работоспособность программ, написанных для младших 16-разрядных моделей микропроцессоров фирмы Intel, начиная с i8086. Регистры микропроцессоров i486 и Pentium в основном 32-разрядные. Размерность у них больше, что и отражено в их обозначениях — они имеют приставку e (Extended).

Регистры общего назначения

Регистры общего назначения физически находятся в микропроцессоре внутри арифметико-логического устройства (АЛУ), поэтому их еще называют регистрами АЛУ.

Применяется для хранения промежуточных данных.

Применяется для хранения базового адреса некоторого объекта в памяти.

Применяется в командах, производящих некоторые повторяющиеся действия.

Его использование часто неявно и скрыто в алгоритме работы соответствующей команды. Например, команда организации цикла loop кроме передачи управления команде, находящейся по некоторому адресу, анализирует и уменьшает на единицу значение регистра ecx/cx.

Применяется для хранения промежуточных данных.

. Старшие 16 бит этих регистров как самостоятельные объекты недоступны.

Регистры esi / si и edi / di используются для поддержки так называемых цепочечных операций, то есть операций, производящих последовательную обработку цепочек элементов (можно сравнить со строками в языке Pascal ).

Этот регистр в цепочечных операциях содержит текущий адрес элемента в цепочке-источнике (первоначальная строка).

edi/di (Destination Index register) — индекс приемника ( получателя ).

Этот регистр в цепочечных операциях содержит текущий адрес в цепочке-приемнике (результирующая строка).

Регистры ebp / bp и esp / sp предназначены для работы со стеком.

Содержит указатель вершины стека в текущем сегменте стека.

ebp/bp (Base Pointer register) — регистр указателя базы кадра стека.

Регистр предназначен для организации произвольного доступа к данным внутри стека.

Сегментные регистры

В программной модели микропроцессора имеется шесть сегментных регистров:

Все сегментные регистры ¾ 16-разрядные.

Их существование обусловлено спецификой организации и использования оперативной памяти: микропроцессоры Intel в любом режиме работы (реальный режим, защищенный режим) поддерживают сегментную модель организации оперативной памяти.

Она заключается в том, что микропроцессор аппаратно поддерживает структурную организацию программы в виде частей (фрагментов), которые называются сегментами. Соответственно, такая организация памяти называется сегментной.

Сегментные регистры предназначены для того, чтобы указать на сегменты, к которым программа имеет доступ в конкретный момент времени.

Фактически в этих регистрах содержатся адреса ячеек памяти, с которых начинаются соответствующие сегменты.

Микропроцессор поддерживает следующие типы сегментов.

1. Сегмент кода (содержит команды программы).

Для доступа к этому сегменту служит регистр

Он содержит адрес сегмента кода, к которому в данный момент имеет доступ микропроцессор.

2. Сегмент данных (содержит обрабатываемые программой данные).

Для доступа к этому сегменту служит регистр

ds (data segment register) — сегментный регистр данных.

Он содержит адрес сегмента данных текущей программы.

3. Сегмент стека (область памяти, называемая стеком).

Работу со стеком микропроцессор организует по следующему принципу: последний записанный в эту область элемент выбирается первым ( LIFO ).

Для доступа к этому сегменту служит регистр

Он содержит адрес сегмента стека.

4. Дополнительные сегменты данных.

Если программе недостаточно одного сегмента данных, то она имеет возможность использовать еще три дополнительных сегмента данных.

Адреса дополнительных сегментов данных должны содержаться в регистрах

es, gs, fs (extension data segment registers).

es ¾ дополнительный сегментный регистр данных или экстракодов ( Extra Segment ).

При использовании дополнительных сегментов данных их адреса требуется указывать с помощью специальных префиксов переопределения сегментов в команде (например, fs : ).

Регистр состояния

Регистр состояния eflags/flags содержит информацию о состоянии микропроцессора.

Отдельные биты данного регистра имеют определенное функциональное назначение и называются флагами.

Младшая часть этого регистра полностью аналогична регистру flags для i8086.

Флаги регистра eflags/flags подразделяются на три группы.

Эти флаги отражают особенности результата исполнения арифметических или логических операций и могут изменяться после выполнения машинных команд.

Это позволяет анализировать состояние вычислительного процесса и реагировать на него (например, с помощью команд условных переходов и вызовов подпрограмм).

Используется для фиксирования факта потери значащего бита при арифметических операциях.

Используется в защищенном режиме работы микропроцессора для контроля доступа к командам ввода-вывода в зависимости от привилегированности задачи.

Используется в защищенном режиме работы микропроцессора для фиксации того факта, что одна задача вложена в другую

2) Флаг направления df (Directory Flag).

Он находится в 10-м бите регистра eflags и используется цепочечными командами. Значение флага df определяет направление обработки в цепочечных операциях: от начала строки к концу (df = 0) или от конца строки к ее началу (df = 1).

Управляют вводом/выводом, маскируемыми прерываниями, отладкой, переключением между задачами и виртуальным режимом 8086.

Предназначен для организации пошаговой работы микропроцессора.

Предназначен для разрешения или запрещения (маскирования) аппаратных прерываний.

(1 — аппаратные прерывания разрешены; 0 — аппаратные прерывания запрещены)

Используется при обработке прерываний от регистров отладки.

Признак работы микропроцессора в режиме виртуального 8086.

Предназначен для разрешения контроля выравнивания при обращениях к памяти.

Регистр управления

Регистр управления eip / ip содержит информацию о состоянии программы, команды которой в данный момент загружены на конвейер.

Содержит смещение следующей подлежащей выполнению команды (относительно текущего сегмента кода).

Регистр eip/ip имеет разрядность 32/16 бит.

. Этот регистр непосредственно недоступен программисту.

Загрузка и изменение его значения производятся различными командами условных и безусловных переходов, вызова процедур и возврата из процедур. Возникновение прерываний также приводит к модификации регистра eip/ip.

Источник