Регистры общего назначения

Регистры

Регистры – это специальные ячейки памяти, расположенные непосредственно в процессоре. Работа с регистрами выполняется намного быстрее, чем с ячейками оперативной памяти, поэтому регистры активно используются как в программах на языке ассемблера, так и компиляторами языков высокого уровня.

Регистры можно разделить на регистры общего назначения, указатель команд, регистр флагов и сегментные регистры.

Регистры общего назначения

К регистрам общего назначения относится группа из 8 регистров, которые можно использовать в программе на языке ассемблера. Все регистры имеют размер 32 бита и могут быть разделены на 2 или более частей.

Как видно из рисунка, регистры ESI, EDI, ESP и EBP позволяют обращаться к младшим 16 битам по именам SI, DI, SP и BP соответственно, а регистры EAX, EBX, ECX и EDX позволяют обращаться как к младшим 16 битам (по именам AX, BX, CX и DX), так и к двум младшим байтам по отдельности (по именам AH/AL, BH/BL, CH/CL и DH/DL).

Названия регистров происходят от их назначения:

• EAX/AX/AH/AL (accumulator register) – аккумулятор;
• EBX/BX/BH/BL (base register) –регистр базы;
• ECX/CX/CH/CL (counter register) – счётчик;
• EDX/DX/DH/DL (data register) – регистр данных;
• ESI/SI (source index register) – индекс источника;
• EDI/DI (destination index register) – индекс приёмника (получателя);
• ESP/SP (stack pointer register) – регистр указателя стека;
• EBP/BP (base pointer register) – регистр указателя базы кадра стека.

Несмотря на существующую специализацию, все регистры можно использовать в любых машинных операциях. Однако надо учитывать тот факт, что некоторые команды работают только с определёнными регистрами. Например, команды умножения и деления используют регистры EAX и EDX для хранения исходных данных и результата операции. Команды управления циклом используют регистр ECX в качестве счётчика цикла.

Ещё один нюанс состоит в использовании регистров в качестве базы, т.е. хранилища адреса оперативной памяти. В качестве регистров базы можно использовать любые регистры, но желательно использовать регистры EBX, ESI, EDI или EBP. В этом случае размер машинной команды обычно бывает меньше.

К сожалению, количество регистров катастрофически мало, и зачастую бывает трудно подобрать способ их оптимального использования.

Указатель команд

Регистр EIP (указатель команд) содержит смещение следующей подлежащей выполнению команды. Этот регистр непосредственно недоступен программисту, но загрузка и изменение его значения производятся различными командами управления, к которым относятся команды условных и безусловных переходов, вызова процедур и возврата из процедур.

Регистр флагов

Флаг – это бит, принимающий значение 1 («флаг установлен»), если выполнено некоторое условие, и значение 0 («флаг сброшен») в противном случае. Процессор имеет регистр флагов, содержащий набор флагов, отражающий текущее состояние процессора.

№ бита	Обозначение	Название	Описание	Тип флага
FLAGS
	CF	Carry Flag	Флаг переноса	Состояние
		Зарезервирован
	PF	Parity Flag	Флаг чётности	Состояние
		Зарезервирован
	AF	Auxiliary Carry Flag	Вспомогательный флаг переноса	Состояние
		Зарезервирован
	ZF	Zero Flag	Флаг нуля	Состояние
	SF	Sign Flag	Флаг знака	Состояние
	TF	Trap Flag	Флаг трассировки	Системный
	IF	Interrupt Enable Flag	Флаг разрешения прерываний	Системный
	DF	Direction Flag	Флаг направления	Управляющий
	OF	Overflow Flag	Флаг переполнения	Состояние
	IOPL	I/O Privilege Level	Уровень приоритета ввода-вывода	Системный
	NT	Nested Task	Флаг вложенности задач	Системный
		Зарезервирован
EFLAGS
	RF	Resume Flag	Флаг возобновления	Системный
	VM	Virtual-8086 Mode	Режим виртуального процессора 8086	Системный
	AC	Alignment Check	Проверка выравнивания	Системный
	VIF	Virtual Interrupt Flag	Виртуальный флаг разрешения прерывания	Системный
	VIP	Virtual Interrupt Pending	Ожидающее виртуальное прерывание	Системный
	ID	ID Flag	Проверка на доступность инструкции CPUID	Системный
		Зарезервированы
...

Значение флагов CF, DF и IF можно изменять напрямую в регистре флагов с помощью специальных инструкций (например, CLD для сброса флага направления), но нет инструкций, которые позволяют обратиться к регистру флагов как к обычному регистру. Однако можно сохранять регистр флагов в стек или регистр AH и восстанавливать регистр флагов из них с помощью инструкций LAHF, SAHF, PUSHF, PUSHFD, POPF и POPFD.

Флаги состояния

Флаги состояния (биты 0, 2, 4, 6, 7 и 11) отражают результат выполнения арифметических инструкций, таких как ADD, SUB, MUL, DIV.

• Флаг переноса CF устанавливается при переносе из старшего значащего бита/заёме в старший значащий бит и показывает наличие переполнения в беззнаковой целочисленной арифметике. Также используется в длинной арифметике.
• Флаг чётности PF устанавливается, если младший значащий байт результата содержит чётное число единичных битов. Изначально этот флаг был ориентирован на использование в коммуникационных программах: при передаче данных по линиям связи для контроля мог также передаваться бит чётности и инструкции для проверки флага чётности облегчали проверку целостности данных.
• Вспомогательный флаг переноса AF устанавливается при переносе из бита 3-го результата/заёме в 3-ий бит результата. Этот флаг ориентирован на использование в двоично-десятичной (binary coded decimal, BCD) арифметике.
• Флаг нуля ZF устанавливается, если результат равен нулю.
• Флаг знака SF равен значению старшего значащего бита результата, который является знаковым битом в знаковой арифметике.
• Флаг переполнения OF устанавливается, если целочисленный результат слишком длинный для размещения в целевом операнде (регистре или ячейке памяти). Этот флаг показывает наличие переполнения в знаковой целочисленной арифметике.

Из перечисленных флагов только флаг CF можно изменять напрямую с помощью инструкций STC, CLC и CMC.

Флаги состояния позволяют одной и той же арифметической инструкции выдавать результат трёх различных типов: беззнаковое, знаковое и двоично-десятичное (BCD) целое число. Если результат считать беззнаковым числом, то флаг CF показывает условие переполнения (перенос или заём), для знакового результата перенос или заём показывает флаг OF, а для BCD-результата перенос/заём показывает флаг AF. Флаг SF отражает знак знакового результата, флаг ZF отражает и беззнаковый, и знаковый нулевой результат.

В длинной целочисленной арифметике флаг CF используется совместно с инструкциями сложения с переносом (ADC) и вычитания с заёмом (SBB) для распространения переноса или заёма из одного вычисляемого разряда длинного числа в другой.

Инструкции условного перехода Jcc (переход по условию cc), SETcc (установить значение байта-результата в зависимости от условия cc), LOOPcc (организация цикла) и CMOVcc (условное копирование) используют один или несколько флагов состояния для проверки условия. Например, инструкция перехода JLE (jump if less or equal – переход, если «меньше или равно») проверяет условие «ZF = 1 или SF ≠ OF».

Флаг PF был введён для совместимости с другими микропроцессорными архитектурами и по прямому назначению используется редко. Более распространено его использование совместно с остальными флагами состояния в арифметике с плавающей запятой: инструкции сравнения (FCOM, FCOMP и т. п.) в математическом сопроцессоре устанавливают в нём флаги-условия C0, C1, C2 и C3, и эти флаги можно скопировать в регистр флагов. Для этого рекомендуется использовать инструкцию FSTSW AX для сохранения слова состояния сопроцессора в регистре AX и инструкцию SAHF для последующего копирования содержимого регистра AH в младшие 8 битов регистра флагов, при этом C0 попадает во флаг CF, C2 – в PF, а C3 – в ZF. Флаг C2 устанавливается, например, в случае несравнимых аргументов (NaN или неподдерживаемый формат) в инструкции сравнения FUCOM.

Управляющий флаг

Флаг направления DF (бит 10 в регистре флагов) управляет строковыми инструкциями (MOVS, CMPS, SCAS, LODS и STOS) – установка флага заставляет уменьшать адреса (обрабатывать строки от старших адресов к младшим), обнуление заставляет увеличивать адреса. Инструкции STD и CLD соответственно устанавливают и сбрасывают флаг DF.