Директивы сегментации

В ходе предыдущего обсуждения мы выяснили все основные правила записи команд и операндов в программе на ассемблере. Открытым остался вопрос о том, как правильно оформить последовательность команд, чтобы транслятор мог их обработать, а микропроцессор — выполнить.

При рассмотрении архитектуры микропроцессора мы узнали, что он имеет шесть сегментных регистров, посредством которых может одновременно работать:

• с одним сегментом кода;
• с одним сегментом стека;
• с одним сегментом данных;
• с тремя дополнительными сегментами данных.

Еще раз вспомним, что физически сегмент представляет собой область памяти, занятую командами и (или) данными, адреса которых вычисляются относительно значения в соответствующем сегментном регистре.

Синтаксическое описание сегмента на ассемблере представляет собой конструкцию, изображенную на рис. 14:

Рис. 14. Синтаксис описания сегмента

Важно отметить, что функциональное назначение сегмента несколько шире, чем простое разбиение программы на блоки кода, данных и стека. Сегментация является частью более общего механизма, связанного с концепцией модульного программирования. Она предполагает унификацию оформления объектных модулей, создаваемых компилятором, в том числе с разных языков программирования. Это позволяет объединять программы, написанные на разных языках. Именно для реализации различных вариантов такого объединения и предназначены операнды в директиве SEGMENT.
Рассмотрим их подробнее.

• Атрибут выравнивания сегмента (тип выравнивания) сообщает компоновщику о том, что нужно обеспечить размещение начала сегмента на заданной границе. Это важно, поскольку при правильном выравнивании доступ к данным в процессорах i80х86 выполняется быстрее. Допустимые значения этого атрибута следующие:
• BYTE — выравнивание не выполняется. Сегмент может начинаться с любого адреса памяти;
• WORD — сегмент начинается по адресу, кратному двум, то есть последний (младший) значащий бит физического адреса равен 0 (выравнивание на границу слова);
• DWORD — сегмент начинается по адресу, кратному четырем, то есть два последних (младших) значащих бита равны 0 (выравнивание на границу двойного слова);
• PARA — сегмент начинается по адресу, кратному 16, то есть последняя шестнадцатеричная цифра адреса должна быть 0h (выравнивание на границу параграфа);
• PAGE — сегмент начинается по адресу, кратному 256, то есть две последние шестнадцатеричные цифры должны быть 00h (выравнивание на границу 256-байтной страницы);
• MEMPAGE — сегмент начинается по адресу, кратному 4 Кбайт, то есть три последние шестнадцатеричные цифры должны быть 000h (адрес следующей 4-Кбайтной страницы памяти).

По умолчанию тип выравнивания имеет значение PARA.

• Атрибут комбинирования сегментов (комбинаторный тип) сообщает компоновщику, как нужно комбинировать сегменты различных модулей, имеющие одно и то же имя. Значениями атрибута комбинирования сегмента могут быть:
• PRIVATE — сегмент не будет объединяться с другими сегментами с тем же именем вне данного модуля;
• PUBLIC — заставляет компоновщик соединить все сегменты с одинаковыми именами. Новый объединенный сегмент будет целым и непрерывным. Все адреса (смещения) объектов, а это могут быть, в зависимости от типа сегмента, команды и данные, будут вычисляться относительно начала этого нового сегмента;
• COMMON — располагает все сегменты с одним и тем же именем по одному адресу. Все сегменты с данным именем будут перекрываться и совместно использовать память. Размер полученного в результате сегмента будет равен размеру самого большого сегмента;
• AT xxxx — располагает сегмент по абсолютному адресу параграфа (параграф — объем памяти, кратный 16; поэтому последняя шестнадцатеричная цифра адреса параграфа равна 0). Абсолютный адрес параграфа задается выражением xxx. Компоновщик располагает сегмент по заданному адресу памяти (это можно использовать, например, для доступа к видеопамяти или области ПЗУ), учитывая атрибут комбинирования. Физически это означает, что сегмент при загрузке в память будет расположен, начиная с этого абсолютного адреса параграфа, но для доступа к нему в соответствующий сегментный регистр должно быть загружено заданное в атрибуте значение. Все метки и адреса в определенном таким образом сегменте отсчитываются относительно заданного абсолютного адреса;
• STACK — определение сегмента стека. Заставляет компоновщик соединить все одноименные сегменты и вычислять адреса в этих сегментах относительно регистра ss. Комбинированный тип STACK (стек) аналогичен комбинированному типу PUBLIC, за исключением того, что регистр ss является стандартным сегментным регистром для сегментов стека. Регистр sp устанавливается на конец объединенного сегмента стека. Если не указано ни одного сегмента стека, компоновщик выдаст предупреждение, что стековый сегмент не найден. Если сегмент стека создан, а комбинированный тип STACK не используется, программист должен явно загрузить в регистр ss адрес сегмента (подобно тому, как это делается для регистра ds).

По умолчанию атрибут комбинирования принимает значение PRIVATE.

• Атрибут класса сегмента (тип класса) — это заключенная в кавычки строка, помогающая компоновщику определить соответствующий порядок следования сегментов при собирании программы из сегментов нескольких модулей. Компоновщик объединяет вместе в памяти все сегменты с одним и тем же именем класса (имя класса, в общем случае, может быть любым, но лучше, если оно будет отражать функциональное назначение сегмента). Типичным примером использования имени класса является объединение в группу всех сегментов кода программы (обычно для этого используется класс “code”). С помощью механизма типизации класса можно группировать также сегменты инициализированных и неинициализированных данных;
• Атрибут размера сегмента. Для процессоров i80386 и выше сегменты могут быть 16 или 32-разрядными. Это влияет, прежде всего, на размер сегмента и порядок формирования физического адреса внутри него. Атрибут может принимать следующие значения:
• USE16 — это означает, что сегмент допускает 16-разрядную адресацию. При формировании физического адреса может использоваться только 16-разрядное смещение. Соответственно, такой сегмент может содержать до 64 Кбайт кода или данных;
• USE32 — сегмент будет 32-разрядным. При формирования физического адреса может использоваться 32-разрядное смещение. Поэтому такой сегмент может содержать до 4 Гбайт кода или данных.

Все сегменты сами по себе равноправны, так как директивы SEGMENT и ENDS не содержат информации о функциональном назначении сегментов. Для того чтобы использовать их как сегменты кода, данных или стека, необходимо предварительно сообщить транслятору об этом, для чего используют специальную директиву ASSUME, имеющую формат, показанный на рис. 15. Эта директива сообщает транслятору о том, какой сегмент к какому сегментному регистру привязан. В свою очередь, это позволит транслятору корректно связывать символические имена, определенные в сегментах. Привязка сегментов к сегментным регистрам осуществляется с помощью операндов этой директивы, в которых имя_сегмента должно быть именем сегмента, определенным в исходном тексте программы директивой SEGMENT или ключевым словом nothing. Если в качестве операнда используется только ключевое слово nothing, то предшествующие назначения сегментных регистров аннулируются, причем сразу для всех шести сегментных регистров. Но ключевое слово nothing можно использовать вместо аргумента имя сегмента; в этом случае будет выборочно разрываться связь между сегментом с именем имя сегмента и соответствующим сегментным регистром (см. рис. 15).

Рис. 15. Директива ASSUME

На уроке 3 мы рассматривали пример программы с директивами сегментации. Эти директивы изначально использовались для оформления программы в трансляторах MASM и TASM. Поэтому их называют стандартными директивами сегментации.

Для простых программ, содержащих по одному сегменту для кода, данных и стека, хотелось бы упростить ее описание. Для этого в трансляторы MASM и TASM ввели возможность использования упрощенных директив сегментации. Но здесь возникла проблема, связанная с тем, что необходимо было как-то компенсировать невозможность напрямую управлять размещением и комбинированием сегментов. Для этого совместно с упрощенными директивами сегментации стали использовать директиву указания модели памяти MODEL, которая частично стала управлять размещением сегментов и выполнять функции директивы ASSUME (поэтому при использовании упрощенных директив сегментации директиву ASSUME можно не использовать). Эта директива связывает сегменты, которые в случае использования упрощенных директив сегментации имеют предопределенные имена, с сегментными регистрами (хотя явно инициализировать ds все равно придется).

В листинге 1 приведен пример программы с использованием упрощенных директив сегментации:

Синтаксис директивы MODEL показан на рис. 16.

Рис. 16. Синтаксис директивы MODEL

Обязательным параметром директивы MODEL является модель памяти. Этот параметр определяет модель сегментации памяти для программного модуля. Предполагается, что программный модуль может иметь только определенные типы сегментов, которые определяются упомянутыми нами ранее упрощенными директивами описания сегментов. Эти директивы приведены в табл. 3.

Таблица 3. Упрощенные директивы определения сегмента

Наличие в некоторых директивах параметра [имя] говорит о том, что возможно определение нескольких сегментов этого типа. С другой стороны, наличие нескольких видов сегментов данных обусловлено требованием обеспечить совместимость с некоторыми компиляторами языков высокого уровня, которые создают разные сегменты данных для инициализированных и неинициализированных данных, а также констант.

При использовании директивы MODEL транслятор делает доступными несколько идентификаторов, к которым можно обращаться во время работы программы, с тем, чтобы получить информацию о тех или иных характеристиках данной модели памяти (см. табл. 5). Перечислим эти идентификаторы и их значения (табл. 4).

Таблица 4. Идентификаторы, создаваемые директивой MODEL

Если вы посмотрите на текст листинга 1, то увидите пример использования одного из этих идентификаторов. Это @data; с его помощью мы получили значение физического адреса сегмента данных нашей программы.

Теперь можно закончить обсуждение директивы MODEL. Операнды директивы MODEL используют для задания модели памяти, которая определяет набор сегментов программы, размеры сегментов данных и кода, способ связывания сегментов и сегментных регистров. В табл. 5 приведены некоторые значения параметра модель памяти директивы MODEL.

Таблица 5. Модели памяти

Параметр модификатор директивы MODEL позволяет уточнить некоторые особенности использования выбранной модели памяти (табл. 6).

Таблица 6. Модификаторы модели памяти

Необязательные параметры язык и модификатор языка определяют некоторые особенности вызова процедур. Необходимость в использовании этих параметров появляется при написании и связывании программ на различных языках программирования.

Описанные нами стандартные и упрощенные директивы сегментации не исключают друг друга. Стандартные директивы используются, когда программист желает получить полный контроль над размещением сегментов в памяти и их комбинированием с сегментами других модулей.

Упрощенные директивы целесообразно использовать для простых программ и программ, предназначенных для связывания с программными модулями, написанными на языках высокого уровня. Это позволяет компоновщику эффективно связывать модули разных языков за счет стандартизации связей и управления.

9. ПРОГРАММИРОВАНИЕ НА АССЕМБЛЕРЕ