Microprocessador Intel 8086

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1 Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Microprocessador Intel 8086 Disciplina: Arquitetura de Computadores I Professor: Eduardo Augusto Bezerra Alunos: Fabiano Klein Franklin Mota Amormino Rodrigo Belagamba de Moraes Tiago Scapin Porto Alegre, 28 de maio de 2009.

2 Índice ÍNDICE... 2 ARQUITETURA DO MICROPROCESSADOR INTEL INTRODUÇÃO DESCRIÇÃO GERAL DA ARQUITETURA DO PROCESSADOR REGISTRADORES REGISTRADORES DE SINALIZADORES (FLAGS) ENDEREÇO FÍSICO DE MEMÓRIA E SEGMENTAÇÃO EXEMPLO DE ENDEREÇAMENTO MODOS DE ENDEREÇAMENTO CONJUNTOS DE INSTRUÇÕES TRANSFERÊNCIA ARITMÉTICAS LÓGICAS DIVERSOS SALTOS (GERAIS) SALTOS SEM SINAL SALTOS COM SINAL (INTEIRO) DESCRIÇÃO GERAL DO NETWIDE ASSEMBLER (NASM) ESCRITA DE PROGRAMAS COMPILANDO COM O NASM ESTRUTURA DE UM PROGRAMA NASM CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DO NASM

3 Arquitetura do microprocessador Intel 8086 Introdução Neste trabalho iremos fazer uma breve descrição do processador Intel 8086 que surgiu em 1978, vindo de uma linha de desenvolvimento da qual se destaca os processadores 8080 e 8085, datados de 1974, e com os quais o 8086 procurou manter uma certa compatibilidade. Iremos abordar importantes tópicos referentes a arquitetura do 8086, entre eles: registradores, endereçamento físico de memória, modos de endereçamento e o conjunto instruções usadas pelo

4 1 Descrição Geral da Arquitetura do processador 8086 O microprocessador 8086 da Intel é um microprocessador de 16 bits, de forma que sua unidade lógica e aritmética, os seus registradores internos, e a maior parte das suas instruções foram projetados para trabalhar com palavras de 16 bits. Além disso, o 8086 tem um barramento de dados de largura 16 bits, ou seja, pode ler e escrever na memória ou nos portos de E/S utilizando 16 bits de uma só vez. O barramento de endereços é de 20 bits, de forma que o 8086 pode endereçar 1MB (2² ) posições de memória. Cada uma destas posições de memória é ocupada por um Byte. A arquitetura do 8086 pode ser organizada em duas unidades distintas: a BIU (Bus Interface Unit) e a EU (Execution Unit). A BIU envia endereços para o barramento de endereços, lê instruções da memória, lê e escreve dados nas portas e na memória. Assim, a BIU é a unidade responsável por todas as transferências de dados e endereços através dos barramentos. Por sua vez, a EU diz á BIU onde é que há de ir buscar instruções ou dados, decodifica e executa as instruções. O processador 8086 de 16 bits foi lançado em junho de 1978 e operava a 4,77MHz. Para o seu primeiro microcomputador, a IBM resolveu usar o 8088 por dois motivos: manter os custos do PC reduzidos e manter a compatibilidade com chips periféricos. é que o 8088 aceitava um barramento interno de 16 bits (como o 8086), mas seu barramento externo era de 8 bits. O processador 8088 foi implementado com transistores e compactado num pacote de 40 pinos. O estudo da arquitetura do 8086 permite entender a arquitetura dos processadores mais modernos. O modelo de programação básico é muito similar aos processadores mais modernos e todos os recursos em nível de aplicativos, como registradores, tipos de dados e modo de endereçamento, são extensões do conjunto de recursos do 8086 original. No diagrama de blocos da figura abaixo estão ilustrados os componentes principais do microprocessador 8086: registradores, unidade lógica e aritmética e os barramentos. Destaca-se também a interface com a memória, com sua unidade somadora e o sistema de controle de execução. 4

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6 2 Registradores O 8086 possui 1 registrador de flags, 4 registradores de endereço, 4 registradores de segmento 4 registradores de dados, todos de 16 bits.os registradores de dados são compostos de dois registradores de 8 bits, os quais correspondem a parte baixa L e a parte alta H do registrador 16 bits que é representado pela letra X. Classificação dos registradores: Registradores de Dados Ax Registrador Acumulador Bx Registrador Base Cx Registrador Contador Dx Registrador de Dados Al Acumulador de 8 bits Ah Parte alta do registrador Ax Bl Parte baixa do registrador Bx Bh Parte alta do registrador Bx Cl Contador de 8 bits Ch Parte alta do registrador Cx DL Parte baixa do registrador Dx Dh Parte alta do registrador Dx Registradores de Segmentos DS Registrador de Segmento de dados ES Registrador de Segmento extra SS Registrador de Segmento de pilha CS Registrador de Segmento de código Registradores de índice SI Registrador índice fonte DI Registrador de índice destino Registradores Apontadores BP Registrador apontador da base IP Registrador Apontador de Instrução SP Registrador Apontador de Pilha Registradores Sinalizadores F Registrador de flags 6

7 2.1 Registradores de sinalizadores (Flags) Indica o estado processador em cada instrução, onde cada bit representa uma informação individualmente. No total existem 9 flags, 6 de sinal de estado, 3 de controle, e os outros sete restantes não tem função alguma. Flags de estados Carry Flag CF Indicador de "vai-um" Parity Flag PF Indicador de número PAR de 1's no byte inferior Auxiliary Carry AF Indicador de "vai-um" para operações em BCD Zero Flag ZF Indicador de "zero" na última operação Sign Flag SF Indicador de resultado negativo Overflow Flag OF Indicador de erro de transbordamento Flag de controle Trap flag TF Quando TF=1 após uma interrupção TF=0 Interruption Flag IF Habilita o uso de interrupções Direction Flag DF Decremento do endereço de memória 3 Endereço físico de memória e Segmentação A memória do 8086 possui 20 bits de endereçamento na memória, ou seja 1MByte de posições endereçáveis, porém o 8086 opera apenas com registradores de 16 bits, para que seja possível endereçar 20 bits com 16, surge a idéia da segmentação. Segmento é um bloco de memórias com 64Kbytes de posições consecutivas. O endereço físico de memória de 20 bits é o resultado da soma de um registrador de segmento (deslocado de 4 bits para a esquerda) com um deslocamento de 16 bits. O registrador de segmento e a maneira como o deslocamento é calculado dependem do tipo de referência à memória utilizado. Uma posição de memória é dada pelo endereço do segmento mais um deslocamento (offset), o cálculo feito é mostrado abaixo: 3.1 Exemplo de endereçamento Dado o endereço lógico: 8350:0420h reconhece-se: o endereço físico vale: Outro exemplo: segmento nº. 8350h deslocamento 0420h 83500h -> desloca-se uma casa hexa (4 casas binárias) h -> soma-se o deslocamento 83920h -> endereço físico resultante (20 bits) 7

8 CS (base) <- endereço lógico Bits IP (offset) <- endereço físico para a memória Modos de endereçamento Os modos de endereçamento, juntamente com os seus respectivos significados : Modo Imediato: Registrador: Direto: Registrador indireto: Indexado (ou base): Base e indexado com deslocamento: Significado Operando na instrução Operando em registrador Operando na memória, endereçado por deslocamento contido na instrução Operando na memória, endereçado por deslocamento contido em registrador Operando na memória, endereçado pela soma do conteúdo do registrador de índice (ou base) com o deslocamento contido na instrução Operando na memória, endereçado pela soma do conteúdo do registrador base e com o deslocamento contido na instrução O endereço final de um operando é formado pela soma do registrador de segmento com o endereço efetivo fornecido pelo modo de endereçamento. Exemplo de modo de e Endereçamento usando a instrução ADD: Imediato: ADD CH,5F Registrador: ADD BX,DX Direto: ADD WVAR,BX (WVAR é uma referência a memória) Registrador indireto: ADD CX,[BX] Indexado (ou base): ADD [SI+6],AL Base e indexado com deslocamento: ADD [BX+DI+5],DX O endereço do operando em negrito corresponde ao modo de endereçamento referenciado. Os modos de endereçamento não podem ser usados livremente combinados a qualquer instrução do processador. A maior parte das instruções só aceita alguns dos modos apresentados acima. Deve ser verificado cuidadosamente quais modos são válidos para uma dada instrução. As instruções podem ter zero, um ou dois operandos, e a maioria opera a tanto byte como a word. Dados imediatos podem ser usados como operandos fontes e são permitidos somente em algumas instruções. 8

9 5 Conjuntos de Instruções 5.1 Transferência Nome Comentário Sintaxe MOV Mover (copiar) MOV Dest,Source XCHG Troca XCHG Op1,Op2 STC Seta Carry STC CLC Limpa Carry CLC CMC Complementa Carry CMC STD Seta Direção STD CLD Limpa Direção CLD STI Seta Interrupção STI CLI Clear Interrupção CLI PUSH Empilha na pilha PUSH Source PUSHF Empilha flags PUSHF PUSHA Empilha os registradores gerais PUSHA POP Desempilha da pilha POP Dest POPF Desempilha flags POPF POPA Desempilha os registradores gerais POPA CBW Converte byte para Word CBW CWD Converte word para Double CWD CWDE Conv word para extended double CWDE IN Input IN Dest, Port OUT Output OUT Port, Source 5.2 Aritméticas Nome Comentário Sintaxe ADD Adiciona ADD Dest,Source ADC Adiciona com Carry ADC Dest,Source SUB Subtrai SUB Dest,Source SBB Subtrai com borrow SBB Dest,Source DIV Divisão (sem sinal) DIV Op IDIV Divisão inteira com sinal IDIV Op MUL Multiplicação (sem sinal) MUL Op IMUL Multiplicação inteira com sinal IMUL Op INC Incrementa INC Op DEC Decrementa DEC Op CMP Compara CMP Op1,Op2 SAL Deslocamento aritimético para esquerda SAL Op,Quantity SAR Deslocamento aritimético para direita SAR Op,Quantity RCL Girar para esquerda com Carry RCL Op,Quantity RCR Girar para direita com Carry RCR Op,Quantity ROL Girar para esquerda ROL Op,Quantity ROR Girar para direita ROR Op,Quantity 9

10 5.3 Lógicas Nome Comentário Sintaxe NEG Negação (complemento de 2) NEG Op NOT Inverte cada bit NOT Op AND and lógico AND Dest,Source OR or lógico OR Dest,Source XOR or exclusivo lógico XOR Dest,Source SHL Deslocamento lógico para esquerda SHL Op,Quantity SHR Deslocamento lógico para direita SHR Op,Quantity 5.4 Diversos Nome Comentário Sintaxe NOP Sem operação NOP LEA Carrega o endereço efetivo LEA Dest,Source INT Interrupção INT Nr 5.5 Saltos (gerais) Nome Comentário Sintaxe CALL Chama sub-rotina CALL Proc JMP Salta JMP Dest JE Salta se Igual JE Dest JZ Salta se Zero JZ Dest JCXZ Salta se CX for Zero JCXZ Dest JP Salta se há paridade par JP Dest JPE Salta se há paridade par JPE Dest RET Return para sub-rotina RET JNE Salta se não é Igual JNE Dest JNZ Salta se não é Zero JNZ Dest JECXZ Salta se ECX for Zero JECXZ Dest JNP Salta se não há paridade JNP Dest JPO Salta se há paridade impar JPO Dest 5.6 Saltos sem sinal JÁ Salta se maior JA Dest JAE Salta se maior ou igual JAE Dest JB Salta se menor JB Dest JBE Salta se menor ou igual JBE Dest JNA Salta se não é maior JNA Dest JNAE Salta se não é maior ou igual JNAE Dest JNB Salta se não é menor JNB Dest JNBE Salta se não é menor ou igual JNBE Dest JC Salta se há Carry JC Dest JNC Salta se não há Carry JNC Dest 10

11 5.7 Saltos com sinal (Inteiro) JG Salta se maior JG Dest JGE Salta se maior ou igual JGE Dest JL Salta se menor JL Dest JLE Salta se menor ou igual JLE Dest JNG Salta se não é maior JNG Dest JNGE Salta se não é maior ou igual JNGE Dest JNL Salta se não é menor JNL Dest JNLE Salta se não é menor ou igual JNLE Dest JO Salta se há Overflow JO Dest JNO Salta se não há Overflow JNO Dest JS Salta se há sinal (= negativo) JS Dest JNS Salta se não há Sign (= positivo) JNS Dest 6 Descrição geral do Netwide Assembler (NASM) A partir daqui iremos abordar os principais aspectos e funcionalidades do NASM, um montador (assembler) 80x86 feito para portabilidade e modularidade. Suporta uma grande variedade de arquivos objeto incluindo Linux e NetBSD/FreeBSD a.out, ELF, COFF, Microsoft 16-bit.obj e Win32. Também gera arquivos binários simples. Sua sintaxe foi desenvolvida para ser simples e de fácil compreensão, similar ao da Intel, porém menos complexa. Suporta Pentium, P6, MMX, 3DNow!, SSE e SSE2 opcodes, e tem um forte apoio para macros. O NASM possui também um disassembler. 6.1 Escrita de Programas O processo de escrita de programas típico é constituído por um conjunto de passos (edição, assemblagem e execução), que se esquematizam a seguir. Este conjunto de passos é sempre executado para qualquer programa que se pretenda criar. 1º Passo: criar o programa fonte, usando um editor de texto.o ficheiro deverá ter extensão asm. 2º Passo: converter o programa fonte para código-máquina usando o NASM. Verificar se há erros indicados pelo NASM, se houver, corrigi-los. (ver Compilando com o NASM) 3º Passo: executar o programa; verificar se o resultado é o esperado, caso contrário o programa ainda contém erros que devem ser corrigidos. 6.2 Compilando com o NASM nasm -f <formato> <nome_do_arquivo> [-o <saída>] Por exemplo, suponhamos que nós temos um arquivo chamado Exemplo.asm e queremos que ele seja compilado com o NASM utilizando o formato ELF (padrão do 11

12 Linux), o comando seria: nasm -f elf Exemplo.asm o objeto de saída seria Exemplo.o, é neste caso que vale o -o, podemos definir o nome do arquivo de saída, por exemplo: nasm -f elf Exemplo.asm -o Exemplo.com Caso queiramos que o NASM retorne em um arquivo os códigos hexadecimais gerados, seria utilizando então o '-l', por exemplo: nasm -f coff Exemplo.asm -l Exemplo.lst Temos também a possibilidade de gerar dentro de nossos códigos "pistas" para que possamos debbugar um código após estar compilado, assim utilizamos o '-g' para tal propósito, veja o exemplo: nasm -f elf Exemplo.asm -o Exemplo.com -g Pronto, o código executável gerado possui nossas pistas para DEBUG. Uma utilidade muito legal é podermos, quando criamos nossos códigos cheios de erros, de fazer com que o NASM envie a saída de erros do console para um arquivo específico. Veja o exemplo abaixo em que os erros do programa Exemp01.asm são enviados para o arquivo QuantosErros.err: nasm -E QuantosErros.err -f obj Exemp01.asm Se ao invés de '-E' usássemos '-s' teríamos a saída na STDOUT, a saída padrão. Como em C/C++ e o no GCC, temos a possibilidade de que o NASM nos mostre Warnings, ou seja, códigos ou variáveis que talvez tenham sido utilizadas de forma equivocada (no caso do gcc o parametro é -Wall), para isso utilizamos o '-w' para que esses "Warning's" sejam gerados. 6.3 Estrutura de um programa NASM Os programas executáveis serão do tipo.com, ficheiros em binário puro, os quais devem ser carregados e executados a partir do endereço 100h. Para o efeito, os programas devem começar com a directiva org 100, seguidos de três secções (text, data e bss) segundo o esquema abaixo: ficheiro fonte: teste.asm 12

13 Estas secções podem ser colocadas por outra ordem (ao criar o programa executável, o NASM acaba sempre por colocar a section.text no início). As secções são opcionais: um programa pode conter apenas algumas delas se um programa não precisar de dados inicializados a section.data será omitida; se não precisar de dados não inicializados, então a section.bss não existirá. No entanto, não faz muito sentido que não exista a section.text, pois nesse caso o programa não fará nada. 6.4 Características principais do NASM Comentários: começam por ; e tudo o que lhe seguir é ignorado pelo assembler. Podem ser aplicados a uma linha inteira ou apenas a parte. É importante comentar as partes do programa cujo significado seja menos evidente, como sejam os algoritmos utilizados, significado das variáveis, etc. Maiúsculas/minúsculas: o NASM é case-sensitive, ou seja, distingue entre elementos escritos em maiúsculas ou minúsculas. Esta regra não é universal, aplicandose a nomes (constantes, variáveis), mas não a instruções, diretivas ou comentários. Por exemplo, a instrução mov pode ser escrita Mov ou MOV, pois é uma palavra reservada da linguagem, mas uma variável que tenha sido declarada com o nome foo não pode ser referenciada por FOO, caso contrário o NASM indica que a variável não existe. Linha de código: uma linha típica de código em NASM tem a forma: <label>: <instrução>, <operandos> ;comentário em que todos os elementos são opcionais i.e., uma linha de código pode não conter alguns deste elementos: <label>: indica um local para onde uma instrução de salto pode saltar Obs.: a utilização dos dois pontos é opcional, mas é mais seguro utilizá-los. Se não forem usados o NASM pode considerar que uma instrução que foi escrita por engano é uma label, não indicando erro, mas fazendo com que o programa não trabalhe corretamente (ex. se numa linha com uma única instrução, escrever por engano lodab em vez da instrução carreta lodsb, o NASM considera lodab uma label e não dá qualquer erro) <instrução> uma das instruções (mnemônicas) do NASM (ex: mov, add, jmp) 13

14 <operandos> constantes, variáveis, registros, etc, a que a instrução faz referência Exemplo: mov al, 5 ;coloca o valor inteiro 5 no registro al cont: dec al ;define a label cont e decrementa de uma unidade o valor do registro al jnz cont ;salta (jump) para a linha anterior (aonde foi definida a label cont ) se não ;resultou zero da última operação aritmética realizada (que foi dec al ) 14