Основы микропроцессорной техники

1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

  1.1. Обоснование  выбора и описание операционной  системы

  Операционная  система, сокр. ОС (англ. operating system) — комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой стороны — предназначены для управления устройствами, управления вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений. Это определение применимо к большинству современных ОС общего назначения.

  Линейку самых гибких, универсальных и  надёжных операционных систем представляет компания Microsoft. Семейство операционных систем Windows претерпело сильные изменения по сравнению с начальной версией Windows 3.1, ставшей популярной в 90-е годы. На сегодняшний день пользователям предлагается несколько версий операционных систем.

  Моим выбором является ОС  MS Windows 7 Максимальная.  Это наиболее универсальный и производительный выпуск Windows 7. Он сочетает в себе:

• выпуск «Домашняя расширенная» с развлекательными функциями;
• выпуск «Профессиональная» с компонентами для ведения бизнеса;
• ОС Windows 7 Максимальная поддерживает 35 языков, обеспечивая дополнительную гибкость. Также предоставляет другие возможности для уверенной и стабильной работы, такие как:

  Повышенная производительность. При использовании Windows 7 Максимальная можно меньше задумываться о технологиях и посвящать больше времени достижению поставленных целей. Улучшения производительности и обновленный рабочий стол помогают быстрее выполнять больше задач. Можно с легкостью присоединяться к доменам и работать с автономными файлами даже без подключения к сети.

  Защита результатов работы. Все выпуски Windows 7 содержат улучшения компонента Архивация и восстановление, поэтому можно настроить архивацию файлов и папок и забыть об этой обязанности. Windows 7 Максимальная также позволяет архивировать файлы, папки и даже диски в сети, а шифрование файлов обеспечивает защиту конфиденциальных сведений на компьютерах с несколькими пользователями.

  Использование программ Windows XP. Большинство программ, предназначенных для Windows XP, эффективно работают и в Windows 7. Для тех программ, которые не удалось запустить, Windows 7 Максимальная предлагает отличное решение: режим Windows XP. Этот компонент для бесплатной загрузки, поддерживающий только выпуски Windows 7 Профессиональная, Максимальная и Корпоративная, может запускать программы Windows XP в отдельном окне на рабочем столе Windows 7.

  Развлечения. Использование компьютера для работы не означает, что нужно пожертвовать развлечениями. Во время перерыва можно сполна насладиться удивительно реалистичной графикой игр благодаря технологии DirectX 11, а также всеми аудиовизуальными возможностями приложения Windows Media Center (например, для просмотра, приостановки и записи телепередач) и проигрывателя Windows Media.

  Из вышеперечисленных возможностей ОС Windows 7 видно, что она более надежна, практична, удобна, не имеет конфликтов с другим программным обеспечением, следовательно ее можно с уверенностью использовать для разработки любой программы. 

   1.2. Описание языка Ассемблер

   Язык программирования наиболее полно учитывающий особенности "родного" микропроцессора и содержащий мнемонические обозначения машинных команд называется Ассемблером. Программа, написанная на Ассемблере называется исходной программой.

   Язы́к ассе́мблера — язык программирования низкого уровня, мнемонические команды которого (за редким исключением) соответствуют инструкциям процессора вычислительной системы. Трансляция программы в исполняемый машинный код производится ассемблером (от англ. assembler - сборщик) - программой-транслятором, которая и дала языку ассемблера его название.

   Команды языка ассемблера один к одному соответствуют  командам процессора, фактически, они представляют собой более удобную для человека символьную форму записи (мнемокод) команд и их аргументов. При этом одной команде языка ассемблера может соответствовать несколько вариантов команд процессора.

   Кроме того, язык ассемблера позволяет использовать символические метки вместо адресов ячеек памяти, которые при ассемблировании заменяются на автоматически рассчитываемые абсолютные или относительные адреса, а также так называемые директивы (команды, не переводящиеся в процессорные инструкции, а выполняемые самим ассемблером).

   Директивы ассемблера позволяют, в частности, включать блоки данных, задать ассемблирование  фрагмента программы по условию, задать значения меток, использовать макроопределения с параметрами.

   Каждая  модель (или семейство) процессоров  имеет свой набор команд и соответствующий  ему язык ассемблера. Наиболее популярные синтаксисы — Intel-синтаксис и AT&T-синтаксис.

   Существуют  компьютеры, реализующие в качестве машинного язык программирования высокого уровня (Forth, Lisp, Эль-76); фактически, в них он является языком ассемблера.

   Достоинства:

• При достаточной квалификации программиста, язык ассемблера позволяет писать самый быстрый и компактный код. Возможно, даже лучше, чем генерируемый трансляторами языков более высокого уровня;
• Если код программы достаточно большой, данные, которыми он оперирует, не помещаются целиком в регистрах процессора, то есть частично или полностью находятся в оперативной памяти, то искусный программист, как правило, способен значительно оптимизировать программу по сравнению с высокоуровневыми трансляторами по одному или нескольким параметрам: скорость работы (за счёт оптимизации вычислений и/или более рационального обращения к ОП, перераспределения данных), объём кода (в том числе за счёт эффективного использования промежуточных результатов);
• Обеспечение максимального использования специфических возможностей конкретной платформы, что также позволяет создавать более эффективные программы с меньшими затратами ресурсов;
• При программировании на языке ассемблера возможен непосредственный доступ к аппаратуре, в том числе портам ввода-вывода, регистрам процессора и др;
• Язык ассемблера применяется для создания драйверов оборудования и ядра операционной системы;
• Язык ассемблера используется для создания «прошивок» BIOS;
• С помощью языка ассемблера создаются компиляторы и интерпретаторы языков высокого уровня, а также реализуется совместимость платформ;
• Существует возможность исследования других программ с отсутствующим исходным кодом с помощью дизассемблера.

   Недостатки:

• В силу машинной ориентации («низкого» уровня) языка ассемблера человеку сложнее читать и понимать программу на нём по сравнению с языками программирования высокого уровня; программа состоит из слишком «мелких» элементов — машинных команд, соответственно, усложняются программирование и отладка, растёт трудоёмкость, велика вероятность внесения ошибок;
• Требуется высокая квалификация программиста. Код на ассемблере выполняется быстрее, но написанный неопытным программистом, обычно оказывается хуже сгенерированного компилятором;
• Как правило, меньшее количество доступных библиотек по сравнению с современными индустриальными языками программирования;
• Отсутствует переносимость программ на компьютеры с другой архитектурой и системой команд.

   Исторически можно рассматривать язык ассемблера как второе поколение языков программирования ЭВМ (если первым считать машинный код). Недостатки языка ассемблера, сложность  разработки на нём больших программных  комплексов привели к появлению  языков третьего поколения — языков программирования высокого уровня (Фортран, Лисп, Кобол, Паскаль, Си и др.). Именно языки программирования высокого уровня и их наследники в основном используются в настоящее время в индустрии информационных технологий. Однако языки ассемблера сохраняют свою нишу, обусловливаемую их уникальными преимуществами в части эффективности и возможности полного использования специфических средств конкретной платформы.

  На  языке ассемблера пишутся программы  или фрагменты программ, для которых  критически важны:

• быстродействие (драйверы, игры);
• объем используемой памяти (загрузочные секторы, встраиваемое (англ. embedded) программное обеспечение, программы для микроконтроллеров и процессоров с ограниченными ресурсами, вирусы, программные защиты);
• С использованием программирования на языке ассемблера производятся: Оптимизация критичных к скорости участков программ, написанных на языке высокого уровня, таком как C++. Это особенно актуально для игровых приставок, имеющих фиксированную производительность, и для мультимедийных кодеков, которые стремятся делать менее ресурсоёмкими и более популярными;
• Создание операционных систем (ОС). ОС часто пишут на Си, языке, который специально был создан для написания одной из первых версий UNIX. Аппаратно зависимые участки кода, такие как загрузчик ОС, уровень абстрагирования от аппаратного обеспечения (hardware abstraction layer) и ядро, часто пишутся на языке ассемблера. Ассемблерного кода в ядрах Windows или Linux совсем немного, поскольку авторы стремятся к переносимости и надёжности, но, тем не менее, он присутствует. Некоторые любительские ОС, такие как MenuetOS, целиком написаны на языке ассемблера. При этом MenuetOS помещается на дискету и содержит графический многооконный интерфейс;
• Программирование микроконтроллеров (МК) и других встраиваемых процессоров. По мнению профессора Таненбаума, развитие МК повторяет историческое развитие компьютеров новейшего времени.^[3] На сегодняшний день для программирования МК весьма часто применяют язык ассемблера. В МК приходится перемещать отдельные байты и биты между различными ячейками памяти. Программирование МК весьма важно, так как, по мнению Таненбаума, в автомобиле и квартире современного цивилизованного человека в среднем содержится 50 микроконтроллеров;
• Создание драйверов. Некоторые участки драйверов, взаимодействующие с аппаратным обеспечением, программируют на языке ассемблера. Хотя в целом в настоящее время драйверы стараются писать на языках высокого уровня в связи с повышенными требованиями к надёжности. Надёжность для драйверов играет особую роль, поскольку в Windows NT и Linux драйверы работают в режиме ядра. Одна ошибка может привести к краху системы;
• Создание антивирусов и других защитных программ;
• Написание трансляторов языков программирования.

   Поскольку на языке ассемблера часто разрабатываются  только фрагменты программ, их необходимо связывать с остальными частями программной системы, написанными на других языках программирования. Это достигается двумя основными способами:

• На этапе компиляции — вставка в программу ассемблерных фрагментов (англ. inline assembler) с помощью специальных директив языка (в частности, данный способ поддерживается языками программирования Си и Delphi), в том числе написание функций на языке ассемблера. Способ удобен для несложных преобразований данных, но полноценного ассемблерного кода, с данными и подпрограммами, включая подпрограммы с множеством входов и выходов, не поддерживаемых высокоуровневыми языками, с его помощью сделать нельзя;
• На этапе компоновки при раздельной компиляции. Для взаимодействия скомпонованных модулей достаточно, чтобы связующие функции (определённые в одних модулях и использующиеся в других) поддерживали нужные соглашения вызова (англ. calling conventions) и типы данных. Написаны же отдельные модули могут быть на любых языках, в том числе и на языке ассемблера.

   Синтаксис языка ассемблера определяется системой команд конкретного процессора.

   Формат  команд и их классификация. Инструкция записывается на отдельной строке и включает до четырех полей, необязательные из которых выделены [ ]:

|[метка:]|мнемоника_команды      |[операнд(ы)]  |[;комментарий]   |

   Метка или символический адрес содержит до 31 символа из букв цифр и знаков ? @ . _ $. Причем цифра не должна стоять первой, а точка, если есть должна быть первой.

   Мнемоника - сокращенное обозначение кода операции (КОП) команды, например мнемоника ADD обозначает сложение (addition).

   Операндами  могут быть явно или неявно задаваемые двоичные наборы, над которыми производятся операции.Операнды приводятся в одной  из четырех систем счисления и  должны оканчиваться символом b(B), o(O), d(D), h(H) для 2, 8, 10 или 16-ной СС. К шестнадцатеричному числу добавляется слева ноль если оно начинается с буквы.

   Система команд может быть классифицирована по трем основным признакам: