Что такое регистр в программировании

Работа с регистрами

Регистры, байты, биты

В этом уроке мы научимся работать напрямую с регистрами микроконтроллера. Зачем? Я думаю в первую очередь это нужно для того, чтобы понимать чужой код и переделывать его под себя, потому что прямая работа с регистрами в скетчах из Интернета встречается довольно часто. Начнём с того, что вспомним, где мы пишем код: Arduino IDE. Несмотря на большое количество не всегда оправданного негатива в сторону этой программы, она очень крутая. Помимо кучи встроенных инструментов и поддержки “репозиториев” от сторонних разработчиков, Arduino IDE позволяет нам программировать плату на разных языках программирования. Это некая условность, но по сути получается три языка:

Что такое регистр? Тут всё весьма просто: это сверхбыстрые блоки оперативной памяти объёмом 1 байт, находящиеся рядом с ядром МК и периферией. На стороне программы это обычные глобальные переменные, которые можно читать и изменять. В регистрах микроконтроллера хранятся “настройки” для различной его периферии: таймеры-счётчики, порты с пинами, АЦП, шина UART, I2C, SPI и прочее железо, встроенное в МК. Меняя регистр, мы даём практически прямую команду микроконтроллеру, что и как нужно сделать. Запись в регистр занимает 1 такт, то есть 0.0625 микросекунды (при частоте тактирования 16 МГц) – это ОЧЕНЬ быстро. Имена регистров фиксированные, полный перечень с подробным описанием можно найти в даташите на микроконтроллер (официальный даташит на ATmega328 – Arduino Nano/UNO/Mini). Работа с регистрами очень непростая, если вы не выучили их все наизусть, потому что названия у них обычно нечитаемые, аббревиатуры. Так называемые “Ардуиновские” функции собственно и занимаются тем, что работают с регистрами, оставляя нам удобную, понятную и читаемую функцию. Ничего сверхъестественного в этом нет. Зачем вообще работать с регистрами напрямую? Есть несколько больших преимуществ:

Но считать значение бита по его названию можно! Причём значение будет равно его номеру в регистре, считая справа. CS11 равен 1, WGM13 равен 4, ICNC1 равен 7 (см. таблицу выше). Думаю здесь всё понятно: есть регистр (байт), имеющий уникальное имя и состоящий из 8 бит, каждый бит также имеет уникальное имя, по которому можно получить номер этого бита в байте его регистра. Осталось понять, как этим всем пользоваться.

Запись/чтение регистра

Существует несколько способов установки битов в регистрах. Мы рассмотрим их все, чтобы столкнувшись с одним из них вы знали, что это вообще такое и как работает данная строчка кода. Абсолютно вся работа с регистрами заключается в установке нужных битов в нужном байте (в регистре) в состояние 0 или 1. Рекомендую прочитать урок по битовым операциям, в котором максимально подробно разобрано всё, что касается манипуляций с битами. Давайте вернёмся к регистру таймера, который я показывал выше, и попробуем его сконфигурировать. Первый способ, это явное задание всего байта сразу, со всеми единицами и нулями. Сделать это можно так:

Только на первый можно посмотреть и сразу понять, что где стоит. Чего не скажешь про остальные два. Очень часто в чужих скетчах встречается такая запись, и это не очень комфортно. Гораздо чаще бывает нужно “прицельно” изменить один бит в байте, и тут на помощь приходят логические (битовые) функции и макросы. Рассмотрим все варианты, во всех из них BYTE это байт-регистр, и BIT это номер бита, считая с правого края. То есть BIT это цифра от 0 до 7, либо название бита из даташита.

Можно ещё добавить вариант, где в одной строчке можно “прицельно” установить несколько битов:

Я думаю тут всё понятно, давайте теперь попробуем “прицельно” прочитать бит из регистра:

Два рассмотренных способа возвращают 0 или 1 в зависимости от состояния бита. Пример:

Ещё больше примеров работы с битами смотри в предыдущем уроке по битовым операциям.

16-бит регистры

Такую запись почему-то используют редко, возможно для совместимости с другими компиляторами. Чаще всего вы встретите вот такой вариант, в котором значения “склеиваются” через сдвиг:

Записывать нужно со старшего байта. Как только мы записываем младший байт (последний) – МК “защелкивает” оба регистра в память, соответственно если сначала записать младший – в старшем будет 0, и последующая запись старшего будет проигнорирована.

Источник

Ассемблер. Сегменты памяти и регистры

Обновл. 27 Сен 2021 |

Результат выполнения программы:

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

Сегменты памяти:

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 остается статической во всей программе. Секция .bss также является секцией статической памяти, содержащей 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 в блок памяти и получение данных обратно из блока по одному и тому же каналу — через шину управления.

Чтобы ускорить свою работу, процессор подключает определенные 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 регистров. 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 четырех 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/AX/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) означает текущее положение 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

В процессоре существуют 32-битные индексные регистры ESI и EDI и их 16-битные версии: SI и DI. Все они 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 объединенный 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 состояния флагов, а некоторые другие условные инструкции проверяют значения флагов состояния, чтобы перенести поток управления в другое место.

Распространенные битовые флаги:

Флаг переполнения (Overflow Flag или OF) — указывает на переполнение старшего бита данных (крайнего левого бита) после signed арифметической операции.

Флаг ловушка (Trap Flag или TF) — позволяет настроить работу процессора в одношаговом режиме.

Вспомогательный флаг переноса (Auxiliary Carry Flag или AF) — после выполнения арифметической операции содержит перенос от бита 3 до бита 4. Используется для специализированной арифметики. AF устанавливается, когда 1-байтовая арифметическая операция вызывает перенос из бита 3 в бит 4.

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 следующей таблице 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 — ES (Extra Segment), FS и GS, которые предоставляют дополнительные сегменты для хранения данных.

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 звёздочек с простым сообщением:

Источник

Уроки FASM. Регистры. Window x32

Что это такое и зачем нужны?

Это самая быстрая память в ПК по сравнению с ОЗУ. Но при этом размер регистров намного меньше чем ОЗУ, по этой причине используют ОЗУ.

Регистр RAX это дополнение EAX, EAX это дополнение AX, AX это объединение 2 регистров AH и AL.

wikipedia

OllyDbg

Ollydbg

Зачем так много разновидностей 1 регистра?

Для поддержке более старых версий процессоров x86 (обратная совместимость, например: на 64 битном ЦП запустить 32 битную программу)

Какие бывают регистры?

Их очень много и каждый под свои задачи, но есть регистры общего доступа, с которыми мы будем работать.

Это 32 битные регистры (16, 8):

ESI (SI, это 16 битный регистр, меньше нет)

EDI (DI, это 16 битный регистр, меньше нет)

Как работать с регистрами?

В них можно хранить любую информацию: числа со знаком (int), числа без знака (unsigned int), числа с плавающей запятой (float, в x64 можно хранить double в регистре), адрес, символы (не превышая размер регистра), и другую информацию.

Попробуем записать значение в регистры:

Что за регистр FLAGS?

Это регистр состояния ЦП, он нужен для проверки и сравнению чисел, проверки регистров.

Источник

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.

Источник

MS-DOS и TASM 2.0. Часть 8. Регистры.

Регистры процессора.

Процессор работает с данными. Обрабатываемые данные содержаться в оперативной памяти, куда считываются с жёсткого диска. Для того, чтобы ими манипулировать, а также верно организовывать свою работу по их обработке — выполнению программного кода, у процессора имеется система, построенная на небольших, но очень быстрых блоках памяти — регистров. Регистры процессора — это входящие непосредственно в процессор блоки памяти.

Изучать регистры процессора мы будем с использованием отладчика TD (Turbo Debugger) и нашей первой программы «Hello, world!» (prg.com). Так что запускаем предустановленный DOSBox и поехали (всё необходимое имеется в архиве DOS-1.rar, который можно скачать с нашего сайта).

Изучаем регистры процессора с помощью TD и нашей первой программы.

Для удобства работы с Turbo Debugger целесообразно увеличить рабочую площадь программы на всё окно.

Используем F5 для увеличения рабочей площади TD.

Регистры процессора Intel и их аналоги.

Количество регистров и их размер зависит от разрядности и сложности процессора.
Практически при написании кода регистры нужно понимать как постоянно имеющиеся под рукой программиста переменные.

Начиная с 80386, процессоры Intel и их аналоги имеют 16 основных регистров и 11 регистров для работы с числами с плавающей запятой (FPU/NPX) и мультимедийными приложениями (MMX). Для машины всегда быстрее и удобнее обращаться к регистру процессора, чем к памяти.

Помимо основных регистров существуют регистры управления памятью (GDTR, IDTR, TR, LDTR), регистры управления (CR0, CR1 – CR4), отладочные регистры (DR0 – DR7) и машинно-зависимые регистры, которые практически не используются в прикладном программировании.

Регистры процессора 8086.

Так как мы имеем дело с 16 битной операционной системой MS-DOS, то вернёмся во времена процессоров 8086 и 80286. В процессорах следующих поколений указанные регистры являются частями соответствующих 32 и 64 битных регистров с сохранением названия и функционала.

Например, регистр ax (16 бит) является составляющей частью регистра eax (32 бита). Благодаря указанному подходу достигается совместимость работы старых программ на новых компьютерах. Также сохраняются команды и директивы, переходя с 16 битного в 32 битный код.

Итак, процессор (8086 и 80286) содержит 12 16-ти разрядных программно-адресуемых регистров. Регистры процессора принято объединять в три группы:

Кроме этого, в состав процессора входят:

16-ти разрядность обозначает, что в каждом регистре может содержаться 0FFFFh бит информации, то есть два байта: 0FFh-0FFh информации.

Регистры данных (регистры общего назначения).

Регистры данных допускают независимое обращение к старшим (High — обозначается литерой H) и младшим (Lough — обозначается литерой L) половинам.

Источник