Математический сопроцессор

Стек

Стеком называют область программы для временного хранения произвольных данных. Разумеется, данные можно сохранять и в сегменте данных, однако в этом случае для каждого сохраняемого на время данного надо заводить отдельную именованную ячейку памяти, что увеличивает размер программы и количество используемых имен. Удобство стека заключается в том, что его область используется многократно, причем сохранение в стеке данных и выборка их оттуда выполняется с помощью эффективных команд push и pop без указания каких-либо имен.

Стек традиционно используется, например, для сохранения содержимого регистров, используемых программой, перед вызовом подпрограммы, которая, в свою очередь, будет использовать регистры процессора "в своих личных целях". Исходное содержимое регистров извлекается из стека после возврата из подпрограммы. Другой распространенный прием - передача подпрограмме требуемых ею параметров через стек. Подпрограмма, зная, в каком порядке помещены в стек параметры, может забрать их оттуда и использовать при своем выполнении.

Отличительной особенностью стека является своеобразный порядок выборки содержащихся в нем данных: в любой момент времени в стеке доступен только верхний элемент, т.е. элемент, загруженный в стек последним. Выгрузка из стека верхнего элемента делает доступным следующий элемент.

Элементы стека располагаются в области памяти, отведенной под стек, начиная со дна стека (т.е. с его максимального адреса) по последовательно уменьшающимся адресам. Адрес верхнего, доступного элемента хранится в регистре-указателе стека SP. Как и любая другая область памяти программы, стек должен входить в какой-то сегмент или образовывать отдельный сегмент. В любом случае сегментный адрес этого сегмента помещается в сегментный регистр стека SS. Таким образом, пара регистров SS:SP описывают адрес доступной ячейки стека: в SS хранится сегментный адрес стека, а в SP - смещение последнего сохраненного в стеке данного (рис. а). Обратите внимание на то, что в исходном состоянии указатель стека SP указывает на ячейку, лежащую под дном стека и не входящую в него.

Состояния стека:

а - исходное состояние,

б - после загрузки одного элемента (в данном примере - содержимого регистра АХ),

в - после загрузки второго элемента (содержимого регистра DS),

г - после выгрузки одного элемента,

д - после выгрузки двух элементов и возврата в исходное состояние.

Загрузка в стек осуществляется специальной командой работы со стеком push (протолкнуть). Эта команда сначала уменьшает на 2 содержимое указателя стека, а затем помещает операнд по адресу в SP. Если, например, мы хотим временно сохранить в стеке содержимое регистра АХ, следует выполнить команду

push АХ

Стек переходит в состояние, показанное на рис. б. Видно, что указатель стека смещается на два байта вверх (в сторону меньших адресов) и по этому адресу записывается указанный в команде проталкивания операнд. Следующая команда загрузки в стек, например,

push DS

переведет стек в состояние, показанное на рис. в. В стеке будут теперь храниться два элемента, причем доступным будет только верхний, на который указывает указатель стека SP. Если спустя какое-то время нам понадобилось восстановить исходное содержимое сохраненных в стеке регистров, мы должны выполнить команды выгрузки из стека pop (вытолкнуть):

pop DS

pop AX

Состояние стека после выполнения первой команды показано на рис. г, а после второй - на рис. д. Для правильного восстановления содержимого регистров выгрузка из стека должна выполняться в порядке, строго противоположном загрузке - сначала выгружается элемент, загруженный последним, затем предыдущий элемент и т.д.

Совсем не обязательно при восстановлении данных помещать их туда, где они были перед сохранением. Например, можно поместить в стек содержимое DS, а извлечь его оттуда в другой сегментный регистр - ES;

push DS

pop ES; Теперь ES=DS, а стек пуст

Это распространенный прием для перенесения содержимого одного регистра в другой, особенно, если второй регистр - сегментный.

Обратите внимание на то, что после выгрузки сохраненных в стеке данных они физически не стерлись, а остались в области стека на своих местах. Правда, при "стандартной" работе со стеком они оказываются недоступными. Действительно, поскольку указатель стека SP указывает под дно стека, стек считается пустым; очередная команда push поместит новое данное на место сохраненного ранее содержимого АХ, затерев его. Однако пока стек физически не затерт, сохраненными и уже выбранными из него данными можно пользоваться, если помнить, в каком порядке они расположены в стеке. Этот прием часто используется при работе с подпрограммами.

Какого размера должен быть стек? Это зависит от того, насколько интенсивно он используется в программе. Если, например, планируется хранить в стеке массив объемом 10 000 байт, то стек должен быть не меньше этого размера. При этом надо иметь в виду, что в ряде случаев стек автоматически используется системой, в частности, при выполнении команды прерывания int 21h. По этой команде сначала процессор помещает в стек адрес возврата, а затем операционная система отправляет туда же содержимое регистров и другую информацию, относящуюся к прерванной программе. Поэтому, даже если программа совсем не использует стек, он все же должен присутствовать в программе и иметь размер не менее нескольких десятков слов, например, 128 слов.

Семейство процессоров IA-32 содержит так называемый модуль операций с ПТ {FPU - Floating-Point Unit), который используется исключительно для быстрого выполнения этого типа операций. В процессорах Intel386 этот блок был реализован в виде отдельной микросхемы математического сопроцессора, которая обозначалась как InteI387. Однако, начиная с процессоров Intel486, математический сопроцессор стал находиться на одном кристалле с основным процессором.

В модуле FPU содержится 8 внутренних регистров для хранения данных с ПТ, которые называются ST(0), ST(1), ST(2), ST(3), ST(4), ST(5), ST(6) и ST(7). Они образуют стек сопроцессора Остальные регистры, выполняющие функции управления и хранящие указатели, показаны на рисунке.

Другие регистры. В этом разделе мы просто упомянем о двух других наборах регистров, которые используютсядля поддержки мультимедийных приложений.

· Восемь 64-разрядных регистров, использующихся в так называемых ММХ-командах.

· Восемь 128-разрядных ХММ-регистров, использующихся при выполнении потоковой обработки данных (SIMD-операций), т.е. когда с помощью одной машинной команды можно выполнить одну и ту же операцию над несколькими данными (Single-Instruction, Multiple-Data, или SIMD).