Что такое регистр в ассемблере

Регистры

Регистр — это определенный участок памяти внутри самого процессора, от 8-ми до 32-х бит длиной, который используется для промежуточного хранения информации, обрабатываемой процессором. Некоторые регистры содержат только определенную информацию.

Регистры общего назначения — EAX, EBX, ECX, EDX. Они 32-х битные и делятся еще на две части, нижние из которых AX, BX, CD, DX — 16-ти битные, и деляется еще на два 8-ми битных регистра. Так, АХ делится на AH и AL, DX на DH и DL и т.д. Буква «Н» означает верхний регистр.

Так, AH и AL каждый по одному байту, АХ — 2 байта (или word — слово), ЕАХ — 4 байта (или dword — двойное слово). Эти регистры используются для операций с данными, такими, как сравнение, математические операции или запись данных в память.

Регистр СХ чаще всего используется как счетчик в циклах.

АН в DOS программах используется как определитель, какой сервис будет использоваться при вызове INT.

Регистры сегментов — это CS, DS, ES, FS, GS, SS. Эти регистры 16-ти битные, и содержат в себе первую половину адреса «оффсет:сегмент».

• CS — сегмент кода (страница памяти) исполняемой в данный момент программы.
• DS — сегмент (страница) данных исполняемой программы, т.е. константы, строковые ссылки и т.д.
• SS — сегмент стека исполняемой программы.
• ES, FS, GS — дополнительные сегменты, и могут не использоваться программой.

Регистры оффсета — EIP, ESP, EBP, ESI, EDI. Эти регистры 32-х битные, нижняя половина которых доступна как регистры IP, SP, BP, SI, DI.

• EIP — указатель команд, и содержит оффсет (величину смещения относительно начала программы) на линию кода, которая будет исполняться следующей. То есть полный адрес на следующую исполняемую линию кода будет CS:ЕIP.
• Регистр ESP указывает на адрес вершины стека (адрес, куда будет заноситься следующая переменная командой PUSH).
• Регистр ЕВР содержит адрес, начиная с которого в стек вносится или забирается информация (или «глубина» стека). Параметры функций имеют положительный сдвиг относительно ЕВР, локальные переменные — отрицательный сдвиг, а полный адрес этого участка памяти будет SS:EBP.
• Регистр ESI — адрес источника, и содержит адрес начала блока информации для операции «переместить блок» (полный адрес DS:SI), а регистр EDI- адрес назначения в этой операции (полный адрес ES:EDI).

Регистры управления — CR0, CR1, CR2, CR3. Эти 32-х битные регистры устанавливают режим работы процессора (нормальный, защищенный и т.д.), постраничное распределение памяти и т.д. Они доступны только для программ в первом кольце памяти (Kernel, например). Трогать их не следует.

Регистры дебаггера — DR0, DR1, DR2, DR3, DR4, DR5, DR6, DR7. Первые четыре регистра содержат адреса на точки прерывания, остальные устанавливают, что должно произойти при достижении точки прерывания.

Контрольные регистры — TR6, TR7. Используются для контроля постраничной системы распределения памяти операционной системой. Нужны только если вы собираетесь написать свою ОС.

Ассемблер. Сегменты памяти и регистры

Обновл. 29 Сен 2019 |

Мы уже рассматривали 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:

Результат выполнения программы выше:

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 определённого типа. Один сегмент используется для хранения кода инструкций, второй — для хранения элементов данных, а третий — для программного стека.

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 остаётся статической во всей программе. Секция .bss также является секцией статической памяти, которая содержит 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 через шину управления в блок памяти и получение данных по одному и тому же каналу.

Чтобы ускорить свою работу, процессор подключает определённые 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 регистра. 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 четырёх 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 или AX или 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) относится к текущей позиции 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

32-битные индексные регистры ESI и EDI и их 16-битные версии: SI и DI, которые 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 объединённый 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 состояние флагов, а некоторые другие условные инструкции проверяют значения флагов состояния, чтобы перенести поток управления в другое место.

Распространённые 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 принимает направление слева направо, а когда DF = 1 , то строковая операция принимает направление 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 до 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 до 0, а нулевой результат устанавливает его равным 1.

Вспомогательный флаг переноса (Auxiliary Carry Flag или AF) — после выполнения арифметической операции содержит перенос с бита 3 на бит 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-бит в результате, полученном после выполнения арифметической операции. Чётное число 1-бит сбрасывает PF до 0, а нечётное число 1-бит 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 таблице ниже указано положение битовых флагов в 16-битном регистре флагов:

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 (Extra Segment или ES), 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, что обычно не сохраняется 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 звездочек с простым сообщением:

Регистры процессора

Начиная с модели 80386 процессоры Intel предоставляют 16 основных регистров для пользовательских программ и ещё 11 регистров для работы с мультимедийными приложениями (MMX) и числами с плавающей точкой (FPU/NPX). Все команды так или иначе изменяют содержимое регистров. Как уже говорилось, обращаться к регистрам быстрее и удобнее, чем к памяти. Поэтому при программировании на языке Ассемблера регистры используются очень широко.

В этом разделе мы рассмотрим основные регистры процессоров Intel. Названия и состав/количество регистров для других процессоров могут отличаться. Итак, основные регистры процессоров Intel.

Таблица 2.1. Основные регистры процессора.

Регистры EAX, EBX, ECX, EDX – это регистры общего назначения. Они имеют определённое назначение (так уж сложилось исторически), однако в них можно хранить любую информацию.

Регистры EBP, ESP, ESI, EDI – это также регистры общего назначения. Они имеют уже более конкретное назначение. В них также можно хранить пользовательские данные, но делать это нужно уже более осторожно, чтобы не получить «неожиданный» результат.

Регистр флагов и сегментные регистры требуют отдельного описания и будут более подробно рассмотрены далее.

Пока для вас здесь слишком много непонятных слов, но со временем всё прояснится)))

Когда-то процессоры были 16-разрядными, и, соответственно, все их регистры были также 16-разрядными. Для совместимости со старыми программами, а также для удобства программирования некоторые регистры разделены на 2 или 4 «маленьких» регистра, у каждого из которых есть свои имена. В таблице 2.2 перечислены такие регистры.

Вот пример такого регистра.

Из этого следует, что вы можете написать в своей программе, например, такие команды: Обе команды поместят в регистр AX число 1. Разница будет заключаться только в том, что вторая команда обнулит старшие разряды регистра EAX, то есть после выполнения второй команды в регистре EAX будет число 1. А первая команда оставит в старших разрядах регистра EAX старые данные. И если там были данные, отличные от нуля, то после выполнения первой команды в регистре EAX будет какое-то число, но не 1. А вот в регистре AX будет число 1. Сложно? Ну это пока… Со временем вы к таким вещам привыкните.

Мы пока не говорили о разрядах (битах). Эту тему мы обсудим в разделах, посвящённых системам счисления. А сейчас пока вам достаточно знать, что нулевой разряд (бит) – это младший бит. Он крайний справа. Старший бит – крайний слева. Номер старшего бита зависит от разрядности числа/регистра. Например, в 32-разрядном регистре старшим битом является 31-й бит (потому что отсчёт начинается с 0, а не с 1).

Ниже приведён список регистров общего назначения, которые можно поделить описанным выше способом и при этом к «половинкам» и «четвертинкам» этих регистров можно обращаться в программе как к отдельному регистру.

Таблица 2.2. «Делимые» регистры..

На этом мы закончим наше краткое знакомство с регистрами. Если вам пока не всё понятно – просто прочитайте этот раздел, чтобы более-менее представлять себе, что такое регистры. По мере приобретения новых знаний вы можете вернуться к этому разделу и уже на новом уровне воспринять эту информацию. А в следующем разделе мы коротко опишем процесс выполнения команды.

Что такое регистр в ассемблере

На этом шаге мы познакомимся с регистрами .

Процессор имеет 14 регистров (смотри шаг 4), используемых для управления выполняющейся программой, адресации памяти и обеспечения арифметических вычислений. Каждый регистр имеет длину в одно слово (16 бит) и адресуется по имени. Биты регистра принято нумеровать слева направо.

Замечание . Процессоры 80386, 80486, Pentium имеют ряд дополнительных регистров, некоторые из них 32-битовые. Эти регистры здесь не рассматриваются.

Перечислим регистры и кратко определим их назначение.

1. Сегментные регистры (CS, DS, SS, ES) .
   • Регистр сегмента кода (CS) содержит начальный адрес сегмента кода. Этот адрес плюс значение смещения в командном указателе ( IP ) определяет адрес команды, которая должна быть выбрана для выполнения .
   • Регистр сегмента данных (DS) содержит начальный адрес сегмента данных. Этот адрес плюс значение смещения, определенное в команде, указывают на конкретную ячейку в сегменте данных.
   • Регистр сегмента стека (SS) содержит начальный адрес сегмента стека.
   • Регистр ES . Некоторые операции над строками используют дополнительный сегментный регистр для управления адресацией памяти. В этом случае этот регистр связан с индексным регистром DI . Если необходимо использовать регистр ES , ассемблерная программа должна его инициализировать.

2. Регистры общего назначения (AX, BX, CX, DX) . Особенность этих регистров состоит в том, что возможна адресация их как одного целого слова, так и однобайтовой части . Левый байт является старшей частью ( High ), а правый — младшей частью ( Low ) соответствующего регистра. Например, двухбайтовый регистр CX состоит из двух однобайтовых CH и CL , и ссылки на регистр возможны по любому из этих трех имен.

Рис.1. Адресация регистров общего назначения

Таким образом, любые регистры общего назначения могут участвовать в арифметических операциях как 8, так и 16-битовых значений. Разберем назначение каждого из регистров.

• Регистр AX . Он является основным сумматором и применяется для всех операций ввода-вывода, некоторых операций над строками и некоторых арифметических операций. Например, команды умножения, деления и сдвига предполагают использование регистра AX . Некоторые команды генерируют более эффективный код, если они имеют ссылки на регистр AX .
• Регистр BX . Он является базовым регистром . Это единственный регистр общего назначения, который может использоваться в качестве «индекса» для расширенной адресации. Также он используется при организации вычислений.
• Регистр CX . Это счетчик , используемый для управления числом повторений циклов и для операций сдвига влево или вправо. Регистр CX используется также при вычислениях.
• Регистр DX . Он является регистром данных и применяется для некоторых операций ввода-вывода и тех операций умножения и деления над большими числами, которые используют регистровую пару DX:AX .