Registros
de la CPU
Para
poder hacer estas cosas, es obvio que la CPU necesita almacenar algunos datos temporalmente.
Debe recordar la posición de la última instrucción de forma que sepa dónde ir
a buscar la siguiente. Necesita almacenar instrucciones y datos temporalmente
mientras una instrucción está siendo ejecutada. En otras palabras, la CPU
necesita una pequeña memoria interna. En la estructura interna de la CPU se
indican los caminos de transferencia de datos y de control lógico, que incluyen
un elemento con el rótulo bus interno de la CPU. Este elemento es necesario
para transferir datos entre los diversos registros y la ALU, ya que ésta en
realidad sólo opera con datos de la memoria interna de la CPU. La figura
muestra también los elementos básicos típicos de la ALU. Dentro de la CPU hay una
memoria interna compuesta por un conjunto de registros. Los registros de la CPU
son:
- Registros visibles al usuario:
Permiten al programador de lenguaje de máquina o ensamblador
minimizar las referencias a memoria principal optimizando el uso
de los registros.
- Registros de control: Son utilizados por la unidad de control para controlar el
funcionamiento de la CPU y por programas privilegiados del sistema para
controlar la ejecución de programas.
- Registro de estado: Se utiliza para tomar decisiones en función
de operaciones realizadas.
- Registro puntero a pila.
Registros
visibles al usuario
Un
registro visible al usuario es aquél que puede ser referenciado por medio del
lenguaje máquina que ejecuta la CPU. Prácticamente todos los diseños
contemporáneos de CPUs están provistos de varios registros visibles al usuario,
en oposición a disponer de un único acumulador.
Podemos
clasificarlos en:
- Uso General
- Datos
- Direcciones
- Códigos de Condición
Registros
de control
Hay
diversos registros de la CPU que se pueden emplear para controlar su
funcionamiento. La mayoría de éstos, en la mayor parte de las máquinas, no son
visibles al usuario. Algunos de ellos pueden ser visibles a instrucciones de
máquina ejecutadas en un modo de control o de sistema operativo. Naturalmente,
máquinas diferentes tendrán diferentes organizaciones de registros y usará
distinta terminología. Se enumera aquí una lista razonablemente completa de
tipos de registros, con una breve descripción. Son esenciales cuatro registros
para la ejecución de una instrucción: el contador de programa , el registro de
dirección, el registro de instrucción y el registro de datos. El contador de
programa contiene una dirección de instrucción. Típicamente, la CPU actualiza
el PC después de cada captación de instrucción de manera que siempre apunta a
la siguiente instrucción a ejecutar. Una instrucción de bifurcación o salto
también modificará el contenido de PC. La instrucción captada se carga en el
registro de instrucción, donde son analizados el código de operación y los
campos de operando. Se intercambian datos con la memoria por medio de registro
de direcciones y el de datos. En un sistema con organización de bus, el de
direcciones se conecta directamente al bus de direcciones, y el de datos
directamente al bus de datos. Los registros visibles al usuario, sucesivamente,
intercambian datos con el de datos. Los cuatro registros que acaban de
mencionar se usan para la transferencia de datos entre la CPU y la memoria. Dentro
de la CPU, los datos tienen que ofrecerse a la ALU para su procesamiento. La
ALU puede tener acceso directo al de datos y a los registros visibles al
usuario. Como alternativa, puede haber registros intermedios adicionales en el
límite de la ALU; estos registros sirven como registros de entrada y salida de
la ALU e intercambian datos con el de datos y los registros visibles al
usuario.
Todos los
diseños de CPUs incluyen un registro o un conjunto de registros, conocidos a
menudo como palabra de estado de programa "programa status
word", PSW), que contiene información de estado. La PSW contiene
típicamente códigos de condición además de otra información de estado. Entre
los campos comunes o indicadores se incluyen los expresados en la tabla.
Registro
puntero a pila
El
registro puntero a pila permite almacenar la dirección de acceso a la memoria
pila. Veremos su funcionamiento al tratar las subrutinas.
Cómo funcionan los registros
en un CPU
El CPU (Central Processing Unit - Unidad de procesamiento central), una
parte importante de todas las computadoras, es un dispositivo complejo y
sofisticado. Sus varias partes realizan comparaciones lógicas, aritmética y
otras operaciones con datos. Un CPU tiene un conjunto de unidades
almacenamiento de datos conocidas como registros; estos permiten que el CPU
ejecute sus varias tareas a velocidades muy altas. Dependiendo del registro,
puede tener datos o puntos de ubicaciones de memoria que tienen datos.
Registros de segmento
Un registro de segmento tiene 16 bits de longitud y facilita un área de
memoria para direccionamiento conocida como el segmento actual.
Registro CS. El DOS almacena la dirección inicial del segmento de
código de un programa en el registro CS. Esta dirección de segmento, mas un
valor de desplazamiento en el registro apuntador de instrucción (IP), indica la
dirección de una instrucción que es buscada para su ejecución.
Registro DS. La dirección inicial de un segmento de datos de programa
es almacenada en el registro DS. En términos sencillos, esta dirección, mas un
valor de desplazamiento en una instrucción, genera una referencia a la
localidad de un byte especifico en el segmento de datos.
Registro SS. El registro SS permite la colocación en memoria de una
pila, para almacenamiento temporal de direcciones y datos. El DOS almacena la
dirección de inicio del segmento de pila de un programa en le registro SS. Esta
dirección de segmento, mas un valor de desplazamiento en el registro del
apuntador de pila (SP), indica la palabra actual en la pila que esta siendo
direccionada.
Registros ES. Alguna operaciones con cadenas de caracteres (datos de
caracteres) utilizan el registro extra de segmento para manejar el
direccionamiento de memoria. En este contexto, el registro ES esta asociado con
el registro DI (índice). Un programa que requiere el uso del registro ES puede
inicializarlo con una dirección de segmento apropiada.
Registros FS y GS. Son registros extra de segmento en los
procesadores 80386 y posteriores.
Registros de propósito general.
Los registros de propósito general
AX, BX, CX y DX son los
caballos de batalla del sistema. Son únicos en el sentido de que se puede
direccionarlos como una palabra o como una parte de un byte. El ultimo byte de
la izquierda es la parte "alta", y el ultimo byte de la derecha es la
parte "baja". Por ejemplo, el registro CX consta de una parte CH
(alta) y una parte Cl (baja), y usted puede referirse a cualquier parte por su
nombre.
Registro AX. El registro AX, el acumulador principal, es utilizado
para operaciones que implican entrada/salida y la mayor parte de la aritmética.
Por ejemplo, las instrucciones para multiplicar , dividir y traducir suponen el
uso del AX. También, algunas operaciones generan código mas eficiente si se
refieren al AX en lugar de a los otros registros.
Registro BX. El BX es conocido como el registro base ya que es el
único registro de propósito general que puede ser índice para direccionamiento
indexado. También es común emplear el BX para cálculos.
Registro DX. El DX es conocido como l registro de datos. Alguna
operaciones de entrada/salida requieren uso, y las operaciones de
multiplicación y división con cifras grandes suponen al DX y al AX trabajando
juntos.
Registro de Apuntador de Instrucciones.
El registro apuntador de instrucciones (IP) de 16 bits contiene el
desplazamiento de dirección de la siguiente instrucción que se ejecuta. El IP
esta asociado con el registro CS en el sentido de que el IP indica la instrucción
actual dentro del segmento de código que se esta ejecutando actualmente. Los
procesadores 80386 y posteriores tienen un IP ampliado de 32 bits, llamado EIP.
En el ejemplo siguiente, el registro CS contiene 25A4[0]H y el IP contiene
412H. Para encontrar la siguiente instrucción que será ejecutada, el procesador
combina las direcciones en el CS y el IP:
Segmento de dirección en el registro CS: 25A40H Desplazamiento de dirección
en el registro IP: + 412H Dirección de la siguiente instrucción: 25E52H
Registros Apuntadores.
Los registros SP (apuntador de la pila) Y BP (apuntador de base) están
asociados con el registro SS y permiten al sistema accesar datos en el segmento
de la pila.
Registro SP. El apuntador de la pila de 16 bits esta asociado con el
registro SS y proporciona un valor de desplazamiento que se refiere a la
palabra actual que esta siendo procesada en la pila. Los procesadores 80386 y
posteriores tienen un apuntador de pila de 32 bits, el registro ESP. El sistema
maneja de forma automática estos registros.
En el ejemplo siguiente, el registro SS contiene la dirección de segmento
27B3[0]H y el SP el desplazamiento 312H. Para encontrar la palabra actual que
esta siendo procesada en la pila, la computadora combina las direcciones en el
SS y el SP:
Registro BP. El BP de 16 bits facilita la referencia de parámetros,
los cuales son datos y direcciones transmitidos vía pila. Los procesadores
80386 y posteriores tienen un BP ampliado de 32 bits llamado el registro EBP.
Registros Indice.
Los registros SI y DI están disponibles para direccionamiento indexado y
para sumas y restas.
Registro SI. El registro índice fuente de 16 bits es requerido por
algunas operaciones con cadenas (de caracteres). En este contexto, el SI esta
asociado con el registro DS. Los procesadores 80386 y posteriores permiten el
uso de un registro ampliado de 32 bits, el ESI.
Registro DI. El registro índice destino también es requerido por
algunas operaciones con cadenas de caracteres. En este contexto, el DI esta
asociado con el registro ES. Los procesadores 80386 y posteriores permiten el
uso de un registro ampliado de 32 bits, el EDI.
Registro de Banderas.
De los 16 bits del registro de banderas, nueve son comunes a toda la familia
de procesadores 8086, y sirven para indicar el estado actual de la maquina y el
resultado del procesamiento. Muchas instrucciones que piden comparaciones y
aritmética cambian el estado de las banderas, algunas cuyas instrucciones
pueden realizar pruebas para determinar la acción subsecuente. En resumen, los
bits de las banderas comunes son como sigue:
OF (Overflow, desbordamiento). Indica desbordamiento de un bit
de orden alto (mas a la izquierda) después de una operación aritmética.
DF (dirección). Designa la dirección hacia la izquierda o hacia la
derecha para mover o comparar cadenas de caracteres.
IF (interrupción). Indica que una interrupción externa, como la
entrada desde el teclado, sea procesada o ignorada.
TF (trampa). Permite la operación del procesador en modo de un paso.
Los programas depuradores, como el DEBUG, activan esta bandera de manera que
usted pueda avanzar en la ejecución de una sola instrucción a un tiempo, para
examinar el efecto de esa instrucción sobre los registros de memoria.
SF (signo). Contiene el signo resultante de una operación aritmética
(0 = positivo y 1 = negativo).
ZF (cero). Indica el resultado de una operación aritmética o de
comparación (0 = resultado diferente de cero y 1 = resultado igual a cero).
AF (acarreo auxiliar). Contiene un acarreo externo del bit 3 en un
dato de 8 bits para aritmética especializada.
PF (paridad). Indica paridad par o impar de una operación en datos de
8 bits de bajo orden (mas a la derecha).
CF (acarreo). Contiene el acarreo de orden mas alto (mas a la
izquierda) después de una operación aritmética; también lleva el contenido del
ultimo bit en una operación de corrimiento o de rotación. Las banderas están en
el registro de banderas en las siguientes posiciones:
Las banderas mas importantes para la programación en ensamblador son O, S, Z
y C, para operaciones de comparación y aritméticas, y D para operaciones de
cadenas de caracteres. Los procesadores 80286 y posteriores tienen algunas
banderas usadas para propósitos internos, en especial las que afectan al modo
protegido. Los procesadores 80286 y posteriores tienen un registro extendido de
banderas conocido como Eflags.
Registros de PILA
La pila es un área de memoria importante y por ello tiene, en vez de uno,
dos registros que se usan como desplazamiento (offset) para apuntar a su
contenido. Se usan como complemento al registro
y son:
-SP- Stack Pointer: Se traduce como puntero de pila y es el que se
reserva el procesador para uso propio en instrucciones de manipulado de pila.
Por lo general , el programador no debe alterar su contenido.
-BP- Base pointer: Se usa como registro auxiliar. El programador
puede usarlo para su provecho.
Claro que estos nombres y tipos de registros son estándar, ya que cada
fabricante puede utilizar otros registro que reemplacen a estos o los auxilien,
aun así, los fabricantes que usan otros registro tienen la misma función que
los anteriormente mencionados
Ejemplo
Registros de uso general del 8086/8088:
Tienen 16 bits cada uno y son ocho:
- AX =
Registro acumulador, dividido en AH y AL (8 bits cada uno). Usándolo se
produce (en general) una instrucción que ocupa un byte menos que si se
utilizaran otros registros de uso general. Su parte más baja, AL, también
tiene esta propiedad. El último registro mencionado es el equivalente al
acumulador de los procesadores anteriores (8080 y 8085). Además hay
instrucciones como DAA; DAS; AAA; AAS; AAM; AAD; LAHF; SAHF; CBW; IN y OUT
que trabajan con AX o con uno de sus dos bytes (AH o AL). También se
utiliza este registro (junto con DX a veces) en multiplicaciones y
divisiones.
- BX =
Registro base, dividido en BH y BL. Es el registro base de propósito
similar (se usa para direccionamiento indirecto) y es una versión más
potente del par de registros HL de los procesadores anteriores.
- CX =
Registro contador, dividido en CH y CL. Se utiliza como contador en bucles
(instrucción LOOP), en operaciones con cadenas (usando el prefijo REP) y
en desplazamientos y rotaciones (usando el registro CL en los dos últimos
casos).
- DX =
Registro de datos, dividido en DH y DL. Se utiliza junto con el registro
AX en multiplicaciones y divisiones, en la instrucción CWD y en IN y OUT
para direccionamiento indirecto de puertos (el registro DX indica el
número de puerto de entrada/salida).
- SP =
Puntero de pila (no se puede subdividir). Aunque es un registro de uso
general, debe utilizarse sólo como puntero de pila, la cual sirve para
almacenar las direcciones de retorno de subrutinas y los datos temporarios
(mediante las instrucciones PUSH y POP). Al introducir (push) un valor en
la pila a este registro se le resta dos, mientras que al extraer (pop) un
valor de la pila este a registro se le suma dos.
- BP =
Puntero base (no se puede subdividir). Generalmente se utiliza para
realizar direccionamiento indirecto dentro de la pila.
- SI =
Puntero índice (no se puede subdividir). Sirve como puntero fuente para
las operaciones con cadenas. También sirve para realizar direccionamiento
indirecto.
- DI =
Puntero destino (no se puede subdividir). Sirve como puntero destino para
las operaciones con cadenas. También sirve para realizar direccionamiento
indirecto.
Cualquiera de estos registros puede utilizarse como fuente o destino en
operaciones aritméticas y lógicas
Indicadores (flags)
Hay nueve indicadores de un bit en este registro de 16 bits. Los cuatro bits
más significativos están indefinidos, mientras que hay tres bits con valores
determinados: los bits 5 y 3 siempre valen cero y el bit 1 siempre vale uno
(esto también ocurría en los procesadores anteriores).
CF (Carry Flag, bit 0): Si vale 1, indica que hubo
"arrastre" (en caso de suma) hacia, o "préstamo" (en caso
de resta) desde el bit de orden más significativo del resultado. Este indicador
es usado por instrucciones que suman o restan números que ocupan varios bytes.
Las instrucciones de rotación pueden aislar un bit de la memoria o de un
registro poniéndolo en el CF.
PF (Parity Flag, bit 2): Si vale uno, el resultado tiene paridad par,
es decir, un número par de bits a 1. Este indicador se puede utilizar para
detectar errores en transmisiones.
AF (Auxiliary carry Flag, bit 4): Si vale 1, indica que hubo
"arrastre" o "préstamo" del nibble (cuatro bits) menos
significativo al nibble más significativo. Este indicador se usa con las
instrucciones de ajuste decimal.
ZF (Zero Flag, bit 6): Si este indicador vale 1, el resultado de la
operación es cero.
SF (Sign Flag, bit 7): Refleja el bit más significativo del
resultado. Como los números negativos se representan en la notación de
complemento a dos, este bit representa el signo: 0 si es positivo, 1 si es
negativo.
TF (Trap Flag, bit 8): Si vale 1, el procesador está en modo paso a
paso. En este modo, la CPU automáticamente genera una interrupción interna
después de cada instrucción, permitiendo inspeccionar los resultados del
programa a medida que se ejecuta instrucción por instrucción.
IF (Interrupt Flag, bit 9): Si vale 1, la CPU reconoce pedidos de
interrupción externas enmascarables (por el pin INTR). Si vale 0, no se reconocen
tales interrupciones. Las interrupciones no enmascarables y las internas
siempre se reconocen independientemente del valor de IF. DF (Direction Flag,
bit 10): Si vale 1, las instrucciones con cadenas sufrirán
"auto-decremento", esto es, se procesarán las cadenas desde las
direcciones más altas de memoria hacia las más bajas. Si vale 0, habrá
"auto-incremento", lo que quiere decir que las cadenas se procesarán
de "izquierda a derecha".
OF (Overflow flag, bit 11): Si vale 1, hubo un desborde en una
operación aritmética con signo, esto es, un dígito significativo se perdió
debido a que tamaño del resultado es mayor que el tamaño del destino.
El procesador Z80
Registros de propósito general
El Z80 posee 14 registros de propósito general de 8 bits denominados A, B,
C, D, H, L y A', B', C', D', H' , L'. Solamente un set de siete registros y el
correspondiente registro de Flags F pueden estar activos al mismo tiempo. Una
instrucción especial selecciona A y F o A' y F' mientras que otra instrucción
selecciona B, C, D, E, H, L o C', D', E' ,H' L'.
El programador puede cambiar
rápidamente de un conjunto de registros de propósito general a otro. Esto
proporciona una mayor capacidad de almacenamiento en registros. El acceso a
datos presentes en registros de la CPU es mucho más rápido que el acceso a
datos en memoria.
Los registros pueden agruparse de a
pares formando registros de 16 bits. Estos son los pares BC, DE y HL (sus
equivalentes primas también pueden agruparse).
Flags
Aunque los Flags existen físicamente
dentro de la CPU están agrupados lógicamente formando un registro. Los Flags
del Z80 son los siguientes:
Flag de Cero(Z): Toma el valor 1 si el
resultado de una operación es cero. Es el bit seis.
Flag de signo(S): Toma el valor 1 si el
resultado de una operación es negativo. Es el bit siete.
Flag de Carry(C): Este flag es afectado
por las instrucciones de desplazamiento y es puesto en 1 ó 0 según el valor del
bit desplazado. También es afectado por las operaciones aritméticas. Este flag
es el bit cero.
Flag de Paridad y overflow(P/V): En el
caso de paridad, se pone en 1 si el resultado de una operación posee un número
par de unos. Cuando el flag P/V se usa para representar overflow, el flag se
pone en 1 si ocurre un overflow después de una operación aritmética. Este flag
es el bit 2.
Flag H y N: Son dos Flip Flop que no
pueden ser examinados por las instrucciones de salto condicional. El Z80 los
usa para las operaciones BCD. H representa el rebalse que genera considerando
los cuatro bits menos significativos del resultado y N es el flag de resta, el
cual se activa para indicar si la última instrucción ejecutada fue suma o
resta. En el caso general, una instrucción de resta coloca en 1 el flag N y una
instrucción de suma lo coloca en 0. Los Flags H y N son los bits 4 y 1
respectivamente.
Registros de propósito especial
Program Counter:
Es un registro de 16 bits que indica la
dirección de la próxima instrucción ejecutar. Las instrucciones del Z80 pueden
contar de uno, dos, tres o cuatro bytes.
Stack-Pointer:
Es un registro de 16 bits que indica la
dirección de una memoria RAM externa denominada Stack. El objetivo de esta área
de memoria es proporcionar un medio de almacenamiento temporal de los registros
del usuario, registro de Flags y del program Counter. La provisión de Stack es
fundamental para operaciones tales como los llamados a sub-rutinas e
interrupciones.
Registros índices IX e IY: Estos
registros son de 16 bits, diseñados para permitir un direccionamiento indexado
en los programas del Z80. Cuando se ejecuta una instrucción en un modo de
direccionamiento indexado, se usa uno de los dos registros índices para
calcular la dirección del operando.
Registro de interrupciones I: Es
un registro de 8 bits que puede ser cargado para especificar el byte más
significativo de una dirección de memoria. El byte menos significativo es
proporcionado por el dispositivo que solicita la interrupción.
Registro de refresh de memoria R:
Es un registro especial diseñado para proporcionar un refresh automático de las
memorias RAM dinámicas.
Registro de instrucciones:
El registro de instrucciones tiene por
misión almacenar el código de operación de la instrucción leída desde memoria.
Este código es descodificado y con esta información se dirigen todos los
micro-pasos.
