Funcionamiento del 8086/8088

Grupo de Arquitectura de Computadores y Diseño Lógico. UEX, 1997.
http://atc.unex.es/gacdl
Funcionamiento del 8086/8088
Germán Galeano Gil. Juan A. Gómez Puildo
Funcionamiento del 8086/8088
En este capítulo se ofrece una pequeña descripción del funcionamiento de un
8086/8088. En concreto, se explica cómo está organizada la memoria, como se ejecuta un
programa y cómo se manejan las interrupciones.
Modos de direccionamiento
En el 8086/8088, los parámetros (operadores) de una instrucción pueden ser de tres
tipos:
1. registros internos de la CPU,
2. valores inmediatos,
3. direcciones de memoria, de las que hay cinco tipos diferentes de representación.
En total son siete las clases de parámetros que se pueden utilizar y conjuntamente
forman los llamados siete modos de direccionamiento.
MODO
Registro
Valor
Variable
Indirecto
mediante
registro
Relativo a base
Directo indexado
Indexado a base
OPERADOR
Registro
Valor inmediato
Offset inmediato
[BX]
[BP]
[DI]
[SI]
[BX] + desp
[BP] + desp
[DI] + desp
[SI] + desp
[BX] + [SI] + desp
[BX] + [DI] + desp
[BP] + [SI] + desp
[BP] + [DI] + desp
REGISTRO BASE
--DS
DS
SS
DS
DS
DS
SS
DS
DS
DS
DS
SS
SS
EJEMPLO
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
AX, BX
AX, 2604
AX, [1432]
DX,DS:[BX]
DX,SS:[BP]
DX,DS:[DI]
DX,DS:[SI]
CX,DS:[BX+40000]
CX,SS:[BP+40000]
CX,DS:[DI+40000]
CX,DS:[SI+40000]
AX,DS:[BX][SI]+300
AX,DS:[BX][DI]+300
AX,SS:[BP][SI]+300
AX,SS:[BP][DI]+300
Figura.1. Modos de direccionamiento existentes en el 8086/8088.
En la figura 1, se puede observar un esquema de todos los modos de direccionamiento,
que se detallan a continuación:
1. Registros internos: el origen y destino de la operación son los registros internos de
la CPU.
2. Valores inmediatos: en este modo, el origen de los datos (y sólo el origen) es un
valor numérico.
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3. Valores de memoria. Hay cinco modos de acceso a memoria:
3.1 Modo directo: Se indica la dirección de memoria a la que se quiere acceder.
3.2 Modo indirecto mediante registro: Es similar al modo anterior sólo que el
valor del desplazamiento del operando no se indica directamente sino que se
encuentra en un registro de la CPU.
3.3 Modo relativo a base: Es unir los dos modos anteriores. Consiste en indicar
la posición del operando utilizando como desplazamiento el valor de un
registro sumado con una cantidad constante.
3.4 Modo directo indexado: Idéntico al anterior pero usando como registro de
desplazamiento el registro SI o el DI.
3.5 Modo indexado a base: Este es el modo más complejo, y se podría decir
que es el resultado de unir los cuatro anteriores. En este modo, el
desplazamiento del operando se compone a partir de un registro que hace de
base, un registro índice y un valor inmediato que se les suma.
La pila (stack)
La pila es una característica interna del 8086/8088. Proporciona a los programas un
lugar donde almacenar y seguir la pista del trabajo que se está llevando a cabo. La función
más importante de la pila es la de mantener el registro de los lugares donde se llamó a una
subrutina y de los parámetros que se le pasaron. La pila también puede utilizarse para el
almacenamiento temporal de datos de trabajo, aunque esto es menos fundamental y no tan
común.
La pila obtiene su nombre por analogía con los montones de platos apilados (pilas de
platos). Cuando un dato nuevo es introducido (push) en la cima de la pila, éste será el primer
en ser extraído (pop). Por eso se dice que la pila siempre opera en el orden “último en entrar,
primero en salir” (LIFO, Last In First Out). Esto significa que cuando la pila se utiliza para
seguir la pista de los retornos de las subrutinas, la primera llamada a subrutina que se hizo es
la última que vuelve. De esta manera, la pila mantiene ordenado el funcionamiento del
programa, las subrutinas y las rutinas de tratamiento de interrupción, sin importar lo complejo
de la operación.
La pila se utiliza desde la parte de abajo (dirección más alta) a la parte de arriba
(dirección más baja), de forma que cuando un dato es introducido (push) a la cima de la pila,
se almacena en la posición de memoria justo por debajo de la cima actual. Así, la pila crece
hacia abajo de forma que, a medida que se añaden datos, la posición de la cima se mueve más
y más hacia direcciones más bajas, decrementando cada vez el valor de SP.
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1008
1006
1004
1002
1000
5E00
4D00
3C00
Å Final pila
Å Cima pila
(SP = 1004)
a) Pila antes de un PUSH
1008
1006
1004
1002
1000
5E00
4D00
3C00
2B00
Å Final pila
Å Antigua cima
Å Cima pila
(SP = 1002)
b) Pila después de un PUSH
5E00
4D00
3C00
1008
1006
1004
1002
1000
Å Final pila
Å Cima pila
(SP = 1004)
c) Pila después de un POP
Figura 2. Ejemplos del funcionamiento de una pila.
Cualquier parte de un programa puede crear un nuevo espacio de pila en el momento
que desee. Por lo general, cuando un programa está funcionando se crea para él una sola pila y
se utiliza durante todo el funcionamiento.
No hay una forma sencilla de estimar el tamaño de la pila que un programa pueda
necesitar, y el diseño del 8086/8088 no proporciona ninguna manera automática de detectar
cuándo el espacio de pila está agotado o casi agotado. Esto puede llevar a que los
programadores estén indecisos acerca del espacio que deben reservar para la pila. Una
estimación conservadora del espacio que hay que reservar da alrededor de 2 KB (2048 bytes),
que es la cantidad que asignan por defecto la mayoría de los compiladores de lenguajes de alto
nivel.
Las interrupciones
Las interrupciones1 son mecanismos utilizados en los ordenadores por medio de los
cuales es posible interrumpir la ejecución de un programa para atender la llegada de un
acontecimiento externo. Así, pues, son señales que se le envían a la CPU para que suspenda la
ejecución de la instrucción en curso y atienda una petición determinada.
Hay cuatro tipo de interrupciones:
•
Interrupciones hardware: Son las generadas por la circutería del ordenador en respuesta
a algún evento como pulsar una tecla del teclado. Este tipo de interrupciones la maneja el
controlador de interrupciones, que establece la prioridad antes de enviar la señal a la CPU.
•
Interrupciones internas: Son las generadas por la propia CPU cuando se produce una
situación anormal, como por ejemplo, una división por cero.
•
Interrupciones software: Son las generadas por el propio programa para invocar a ciertas
rutinas almacenadas en memoria (ROM o RAM). Es posible cambiar estas rutinas. Las
interrupciones se aprovechan también en la actualidad como funciones software: no son
activadas por dispositivos externos al procesador, sino que lo son por los propios
programas. Las interrupciones software pueden ser activadas internamente por la propia
CPU cuando se producen situaciones especiales, como, por ejemplo, cuando se intenta
1
Para más información ver [ENI01], [PA01], [PCI00] y [TE01]
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hacer una división siendo el divisor igual a cero. Esto ahorra el tiempo que, en otro caso,
deberían dedicar los programas a la comprobación previa de los divisores.
•
Interrupciones no enmascarables: Se usan para pedir la atención inmediata de la CPU
en situaciones de emergencia, como caída de voltaje o error de paridad de memoria.
Cada interrupción lleva asociado un número que identifica el tipo de servicio que debe
realizar. A partir del número de interrupción, calcula la dirección de la rutina que realiza el
servicio requerido, la ejecuta y retorna a la instrucción siguiente a la última que ejecutó antes
de que se produjera la interrupción.
El mecanismo de la interrupción es simple: en un momento determinado se activa la
entrada de la interrupción al procesador. El procesador suspende entonces la ejecución del
programa en curso, pasando el control al programa de interrupción. Este programa tratará la
causa de la interrupción, desactivará el dispositivo que la ha producido y devolverá el control
al programa principal. El programa principal es transparente a este proceso y no tiene ninguna
indicación de que se ha producido, salvo, por supuesto, por el tiempo de proceso transcurrido.
Una función que ejecutan todas las interrupciones al activarse el programa de
interrupción es salvar los registros del procesador para evitar que sean modificados y alteren
el funcionamiento del programa suspendido. Estos registros se restauran justo antes de volver
al programa principal. Éste tiene, sin embargo, la posibilidad de bloquear las interrupciones
mediante instrucciones que activan o desactivan una bandera de interrupción (bandera IF).
Tal posibilidad es necesaria cuando el programa principal accede a datos o periféricos que son
también utilizados por las interrupciones, pues se pueden producir situaciones erróneas
cuando los dos (proceso e interrupción) intenten utilizar los mismos recursos
simultáneamente.
La mayoría de los procesadores disponen de una entrada especial de interrupción que no
puede ser impedida por software: se trata de la NMI (non maskable interrupt). Esta entrada es
necesaria para aplicaciones de alta prioridad y urgencia (como es el caso de un fallo en la
alimentación) en los que el procesador tiene escaso tiempo para detener los procesos y salvar
los datos vitales de la máquina.
Vectores de interrupción
La familia IBM PC, como todos los ordenadores basados en la familia de
microprocesadores Intel 8086/8088, se controla en gran medida a través de la utilización de
interrupciones, las cuales pueden ser generadas por el hardware y el software, como ya se ha
visto. Las rutinas de servicios del BIOS no son una excepción y cada una de ellas tiene
asignada un número de interrupción al que se puede invocar cada vez que se quiera usar ese
servicio.
Cuando se produce una interrupción, el control del ordenador se transfiere a una
subrutina de tratamiento de la interrupción que a menudo está almacenada en la ROM del
sistema (una rutina de servicio del BIOS no es más que una rutina de tratamiento de
interrupción). A esta rutina de tratamiento de la interrupción se le llama cargando su dirección
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de segmento y desplazamiento en los registros CS e IP, respectivamente. Las direcciones de
segmentos que ubican las rutinas de tratamiento de la interrupción se llaman vectores de
interrupción.
Durante el proceso de arranque, la ROM BIOS establece los vectores de interrupción
para que apunten a las rutinas de tratamiento de la interrupción en la ROM. La tabla de
vectores de interrupción comienza al principio de la RAM, en la dirección 0000:0000.
Cada entrada de la tabla se almacena como una pareja de palabras, con el
desplazamiento en la primera parte y el segmento en la segunda. Los vectores de interrupción
pueden cambiarse para que apunten a una nueva rutina de tratamiento de la interrupción
simplemente ubicando el vector y cambiando su valor.
Proceso de arranque
Cuando el PC se pone en funcionamiento, el proceso de carga del sistema2 se inicia por
medio de la ROM y después se carga el sistema operativo (en nuestro caso el DOS), ya sea
desde un disco flexible o desde el disco duro. En la memoria también se cargan varias rutinas
del BIOS. Una vez realizado todo el proceso de carga, se instala en la memoria el procesador
de comandos COMMAND.COM.
Los archivos de arranque son el IO.SYS y el MSDOS.SYS, y, junto con el
COMMAND.COM, constituyen la parte principal de la arquitectura del sistema operativo MSDOS. Las rutinas contenidas en los dos primeros archivos son las encargadas de manejar
todos los dispositivos y controlar las tareas de I/O asociadas con los periféricos. Además, el
segundo de ellos contiene todas las rutinas de servicio del DOS. A todas estas rutinas se
accede por medio de interrupciones software y hardware(vistas en el apartado anterior).
La importancia de estas rutinas es tal que son utilizadas por el 99.99% de los programas
desarrollados para MS-DOS. A una gran parte de esas rutinas se accede por medio de una
llamada a la interrupción 21h, conocida como interrupción del sistema (en el apéndice D se
encuentra una lista de todas las interrupciones y de todos los servicios que ofrece esta
interrupción 21h).
Es poco probable que el usuario desee modificar las rutinas de servicio ya que ellas
proporcionan un marco de referencia para llevar a cabo tareas de programación muy tediosas.
Ejecución de programas
Este apartado pretende clarificar, sin entrar en demasiados detalles técnicos, la forma en
que se ejecutan las instrucciones y cómo funciona la CPU.
2
En el capítulo 3 de [Nor01] hay información muy detallada sobre este proceso. También hay información en [Ray00],
[PCI00] y [Terr00]
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1. Lo primero que ocurre es que el oscilador (reloj) envía un pulso a la circutería.
2. Entonces la CPU envía por el bus de direcciones la posición (dirección de memoria)
de la instrucción siguiente a la última ejecutada. Este paso se denomina también fase
de búsqueda, y en ella la CPU ordena la transferencia del contenido del contador de
programa al registro de selección de memoria y envía a la memoria la orden de
lectura.
3. Una vez enviada la petición, el sistema lee el contenido de los bytes de la posición
que contiene la instrucción y sus parámetros, si es que posee, para enviarlos a la
CPU a través del bus de datos.
4. Cuando llega la instrucción a la CPU, ésta la decodifica, tras lo cual se inicia la fase
de búsqueda de operandos, en la que la CPU transfiere la dirección del operando, en
el caso de que éste se encuentre en memoria. Posteriormente se realiza el mismo
proceso con el otro operando.
5. Una vez obtenidos los operandos, la instrucción es ejecutada. Para ejecutarse, cada
instrucción necesita un número diferente de ciclos o señales de oscilador.
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