Практическая работа № 12
«Моделирование работы процессора»

Возможности программы «ЛамПанель»

Программа «ЛамПанель» – это модель процессора, который управляет ламповой панелью, то есть, может с помощью специальных команд зажигать и гасить определенные лампочки.

Вы уже знаете, что в области 1 на рисунке показано содержание регистров, в области 2 записан текст программы. Сегодня мы познакомимся еще с двумя областями:

3 – отладчик
4 – оперативная память

Коды в памяти

Память (область 4) разбита на ячейки размером 1 байт = 8 бит. Значение каждой ячейки записывается в виде двух шестнадцатеричных цифр – каждая из них кодируется ровно четырьмя битами.

Каждая строчка в окне 4 содержит 8 байт памяти. Число слева, выделенное красным цветом – это адрес (номер) первой ячейки, показанной в этой строке. Справа от шестнадцатеричных кодов показана символьная строка из 8 символов – те же данные, только представленные как символы.

Данные можно записывать в память напрямую, используя команду DATA, например, можно набрать такую программу:

DATA 3132

DATA FFFF

Если теперь нажать клавиши Ctrl+F9, происходит ассемблирование («сборка») – перевод программы в машинные коды, затем эти коды записываются в память:

Посмотрим на окно отладчика. Каждый байт памяти имеет собственный адрес, адреса соседних байтов отличаются на единицу. Однако байтовые ячейки, как правило, слишком малы для хранения чисел (как целых, так и дробных) и машинных команд. Поэтому процессор должен уметь работать с более крупными блоками данных, которые часто называют машинными словами. Программа «ЛамПанель» умеет работать с 16-битными словами, то есть может сразу читать из памяти (в регистр) и записывать в память двухбайтный блок.

Любая машинная команда состоит из целого числа 16-битных слов, то есть из четного числа байтов. По договоренности адресом двухбайтового слова считается меньший из адресов входя-щих в него байтов, причем адрес этот обязательно должен быть четным.

В нашем случае память записаны два 16-битных слова (4 байта), 3132₁₆ и FFFF₁₆, причем эти слова процессор распознал как две команды:

MOV R3,R2

STOP

Такой перевод из кодов команд в их символьное обозначение называется дизассемблирование (обратное ассемблирование, «разборка»).

Эту программу можно запустить, нажав на клавишу F9, и убедиться, что она действительно скопирует содержимое регистра R3 в регистр R2.

Теперь посмотрим на окно «Память»:

Видим, что байты 16-битного слова расположены «наоборот» – сначала младший байт 32₁₆, а затем – старший 31₁₆. Кроме того, в правой части окна видно, что эти коды соответствуют символам «21яя». Все специальные коды (не соответствующие каким-то принятым изображениям символов) обозначены точками. Таким образом, компьютер, основанный на архитектуре фон Неймана, не может самостоятельно различить, где данные, а где команды.

Выполнение программы

Теперь выполним программу в пошаговом режиме, нажав на клавишу F8. После этого в регистр PC (англ. program counter – программный счётчик) записывается стартовый адрес 0, с которого начинается выполнение программы. В окне Отладчик зелёным цветом выделена первая команда. Она еще не выполнялась, но будет выполнена при повторном нажатии F8. При этом регистр PC, будет указывать на начало следующей команды (которая еще не выполнялось).

Таким образом:

• регистр PC содержит адрес команды, которая будет выполнена следующей; как только эта команда будет выбрана из памяти, регистр-счетчик автоматически будет увеличен так, чтобы снова указывать на очередную команду;
• процессор воспринимает байты, расположенные по этому адресу, как код команды (а не как данные);
• программа всегда начинает выполняться с некоторого известного (в данном случае – нулевого) адреса, который «вшит» в компьютер и автоматически заносится в регистр PC при его включении;
• программа останавливается, когда будет выполнена команда STOP с кодом FFFF₁₆.

Заметим, что команды, содержащие числовые данные, могут занимать в памяти два 16-битных слова, например:

Работа с памятью

Для того, чтобы обрабатывать данные из оперативной памяти, процессор должен загрузить их в регистры. Поскольку программа и данные расположены в одной области памяти, размещать данные можно сразу после команды STOP:

...

STOP

D:

DATA 1234

Метка D нужна для того, чтобы удобно было загружать адрес блока данных в регистр, например, так:

MOV @D, R0 ; загрузить адрес метки D а R0

Можно считать, что D – это переменная программы. После этого легко загрузить в регистр данные из памяти:

MOV (R0),R1 ; загрузить в R1 данные, адрес которых записан в R0

Аналогичной командой можно изменить содержимое ячейки памяти:

MOV R2,(R0) ; записать данные из R2 в ячейку, адрес которой ; записан в R0

Заметим, что с помощью этого метода можно сразу обратиться к любой ячейке памяти, поэтому такой вид памяти называется память с произвольным доступом (англ. RAM = random access memory).

Обработка отдельных байтов

Как вы знаете, минимальная ячейка памяти, имеющая собственный адрес, называется байтом. В современных компьютерах 1 байт составляют 8 бит. Поэтому компьютер должен иметь возможность работать не только с 16-битными словами, но и с отдельными байтами.

Во-первых, в команде DATA можно задавать не только шестнадцатеричные числа, но и символьные строки, взятые в кавычки.

D:

DATA "ABCDEFG"

В этом случае символы заданной строки записываются в память последовательно, начиная с первого. Теперь запишем адрес строки в регистр в какой-нибудь регистр, например, в R0:

MOV @D,R0

Чтобы работать с отдельными байтами, используют байтовые версии команд, которые заканчиваются на букву B. Например, байтовый вариант команды MOV называется MOVB. Команда

MOVB (R0),R2

загружает один байт из памяти (расположенный по адресу, который записан в R0) в регистр R2. Теперь рассмотрим такую задачу – преобразовать все заглавные латинские буквы в строчные. Для этого нужно посмотреть, чем отличаются коды заглавных и строчных букв:

Оказывается, коды заглавных и соответствующих строчных букв отличаются одним битом (этот пятый бит выделен желтым фоном). Поэтому для того, чтобы получить из заглавной буквы строчную букву, нужно установить 5-й бит (сделать его равным 1). Для этого можно, например, использовать логическую операцию «ИЛИ» с маской 0020₁₆, в которой 5-й бит установлен, а остальные – сброшены:

OR 20,R2

Затем нужно записать результат обратно в память, по адресу, находящемуся в R0:

MOVB R2,(R0)

Для перехода к следующему символу просто увеличиваем R0 на единицу

ADD 1,R0

и выполняем те же самые команды. Отметим, что две команды

MOVB R2,(R0) ; записать байт в память

ADD 1,R0 ; к следующему байту

можно заменить на одну, которая делает то же самое:

MOVB R2,(R0)+ ; записать байт в память и перейти

; к следующему байту

Чтобы обработать 6 символов, можно организовать цикл со счётчиком в регистре R1:

MOV @D,R0 ; адрес данных – в R0

MOV 6,R1 ; счётчик шагов цикла (сделать 6 раз)

M:

MOVB (R0),R2 ; прочитать байт из памяти

OR 20,R2 ; заглавную – в строчную

MOVB R2,(R0)+ ; записать байт в память и перейти к следующему

SUB 1,R1 ; уменьшить счетчик

JNZ M ; если не все сделали – переход на метку M

STOP

D:

DATA "ABCDEFG"

Задание на практическую работу

1. Запустите тренажёр «ЛамПанель». Введите программу

DATA 01D0

DATA 3536

DATA 0101

DATA FFFF

Используя дизассемблер программы «ЛамПанель», запишите эту программу на языке ассемблера:

Программа:

Запишите код команды STOP:

Запишите содержимое памяти, в которой располагается эта программы, в виде последовательности символов:

2. Как вы думаете, какой код будет иметь команда MOV R1,R3? Проверьте свой ответ с помощью программы.

3. Блок данных программы выглядит так.

A:

DATA 1234

B:

DATA 4321

SUM:

DATA 0

Напишите программу, которая складывает переменные A и B и записывает результат в переменную SUM:

Программа:

4. Напишите программу, которая преобразует строчные буквы в заглавные, используя байтовые операции. Блок данных может выглядеть так:

D:

DATA "abcdefgh"

Программа:

5. Усовершенствуйте программу так, чтобы цикл останавливался не после заданного количества букв, а тогда, когда очередной прочитанный байт равен 0. Возможно, вам понадобятся другие команды условного или безусловного перехода – изучите их по справочной системе (клавиша F1).

Программа:

6. Поскольку в компьютере с архитектурой фон Неймана программа и данные расположены в одной области памяти, программа может менять свой собственный код. Напишите какую-нибудь программу, которая изменяет сама себя во время работы.

Программа: