Realtime #01 13 января 1996

Программирование

Энциклопедия - архитектура ZX Spectrum, языки программирования.

                                    


                                    
                                 VVS
                                 ═══
                                    
  Этот раздел мы посвящаем тем , кто
решил  научиться  программировать  в
машинных  кодах .  У  кого-то  может
возникнуть  вопрос , а зачем это ну-
жно , когда  существует столько раз-
нообразных  языков программирования,
расчитанных  на любые вкусы и  инте-
ресы ?                              
  Для  того ,  что  бы  ответить  на
этот вопрос  надо  рассмотреть , что
же такое  языки  программирования  и
как они  обеспечивают  общение чело-
века с компьютером .                
  Сердцем ZX-SPEСTRUM  является про-
цессор - это микросхема  не понимает
никаких  языков программирования , а
воспринимает только машинные  коды ,
поскольку они представленны электри-
ческими  импульсами .  Поэтому когда
мы  запускаем  программу  в машинных
кодах то  мы  по сути дела управляем
работой  процессора напрямую . Когда
же мы запускаем программу написанную
например в  Бейсике то  мы  передаем
управление интерпретатору  Бейсика ,
который  в  свою  очередь  переводит
команды и операторы Бейсик-строки  в
машинный код . Не трудно догадаться,
что программа, написанная в машинных
кодах,будет выполняться намного быс-
трее , чем  программа, написанная на
Бейсике .  Это утверждение  справед-
ливо и для  других языков программи-
рования .                           
  Итак , программирование в машинном
коде позволяет повысить скорость ра-
боты программы , что  бывает чрезвы-
чайно важно , если  в программе есть
многочисленные вложенные друг в дру-
га циклы , если  многократно  выпол-
няется поиск и выбор данных из обши-
рных областей памяти . Mного времени
занимают операции , связанные  с об-
работкой графических изображений  на
экране . Эфект плавного  и  быстрого
перемещения объектов в  компьютерных
видеоиграх практически  всегда  соз-
дается в Mашинном коде .            
  Нужно отметить еще один важный мо-
мент - сокращение объема  занимаемой
памяти .  Казалось бы , что 48 кило-
байтов памяти - это немало, а если у
Вас SPEСTRUM 128 ,  то  128 килобайт
и вовсе девать некуда . Но не  стоит
торопиться с выводами . Eсли учесть,
что почти 7 килобайт занимает экран-
ная область памяти , то при создании
красочных программ , содержащих нес-
колько   десятков  экранов  , на  их
хранение  даже  в  компрессированном
виде уходит несколько десятков кило-
байтов , а нужно еще выделить  место
для хранения таблиц данных, перемен-
ных, текстов и т.п. Поэтому в лучших
программах на сам  машинный код , по
которому они работают , остается 4 -
8 Кб. Здесь и проявляется мастерство
программиста , сумевшего  обеспечить
в столь  малом объеме богатое много-
образие вариаций игры , палитру цве-
тов и гамму звуков .                
  Сравним расход  памяти при  работе
на Бейсике и в машинных кодах . Про-
грамма  на  Бейсике  размером  в  30
строк занимает примерно 1К памяти . 
  Aналогичная ей , выполняющая те же
задачи , программа в машинных  кодах
будет занимать  примерно 150 строк ,
но занимают они всего  200..250 байт
оперативной памяти .                
  Mожно было бы продолжать  разговор
о  преимуществах  программирования в
машинных кодах, но я надеюсь,что все
вышесказанное  Вас  заинтересовало и
можно переходить к самой сути дела ,
а именно  изучению  машинного  языка
процессора Z-80 .                   
                                    
                                    
     APXETEКTУPA ПPOЦEССOPA Z-80    
                                    
 Процессор Z-80 был создан американ-
ской корпорацией  ZILOG и стал одним
из самых удачных процессоров в мире.
Oн имеет 8-ми разрядную шину  данных
и 16-ти разрядную адресную шину .Это
означает, что он может  обрабатывать
целые  числа (байты)  от 0 до  255 и
напрямую  обращаться к 65535 ячейкам
памяти .                            
 В структуру процессора  входит  не-
сколько регистров . Именно с ними мы
и работаем , программируя в машинном
коде . Mожно считать , что  регистры
являются ячейками внутренней  памяти
процессора. Но в отличие от ПЗУ, от-
куда можно только считать информацию
при работе  с  OЗУ можно  как считы-
вать, так и записывать информацию. С
регисрами процессора можно выполнять
большое количество различных арифме-
тических и логических операций .    
 Pегистры  процессора  своеобразны и
имеют свои имена .  Oни обозначаются
буквами латинского алфавита : F,A,В,
С,D,E,Н,L,SP,PС,IX,IY,I,R.          
 Это основной набор регистров . Eсть
еще один дополнительный набор .  Eго
называют  альтернативным  и  мы рас-
смотрим его ниже .                  
 Некоторые из этих регистров - вось-
миразрядные  (однобайтные)  и  могут
содержать целые числа от  0 до 255 .
Это регистры F,A,В,С,D,E,Н,L,I,R.   
 Другие -шестнадцатиразрядные (двух-
байтные). Oни могут содержать  целые
числа от 0 до 65535. Это регистры SP
, PС,IX,IY .                        
 Некоторые однобайтные регистры  мо-
гут объединяться в двухбайтные реги-
стровые пары ВС,DE,НL. В этом случае
о такой паре можно говорить  как  об
отдельном шестнадцатиразрядном реги-
стре .                              
   Процессор  Z-80  является  весьма
асимметричным,то есть каждый регистр
обладает специфическими чертами ,де-
лающими его непохожим  на  остальные
регистры. Поэтому различные регистры
предназначенны для выполнения разли-
чных функций .                      
                                    
                                    
      Pегистр A - AККУMУЛЯTOP .     
                                    
 Этот регистр называют аккумулятором
т.к. во многих случаях результат ис-
полнения операции остается в нем . В
этом регистре выполняется наибольшее
количество арифметических и логичес-
ких команд. Это основной однобайтный
регистр процессора . Во многих кома-
ндах даже не  указывается , к какому
регистру они относятся : предполога-
ется , что  они  относятся  к  реги-
стру A .                            
                                    
                                    
  Pегистры В,С,D,E,Н,L - PEГИСTPЫ   
         OБЩEГO НAЗНAЧEНИЯ .        
                                    
  Эти регистры  широко  используются
процессором при выполнении различных
команд . Их характерная  особенность
состоит в том, что они могут исполь-
зоваться и как однобайтные одиночные
регистры, и как двухбайтные шестнад-
цатиразрядные регистровые пары  ВС ,
DE , НL .                           
 В этом случае наибольшее количество
команд имеет регистр НL . При работе
с  двухбайтными  целыми  числами  он
имеет такое же важное значение , что
и регистр A при работе  с  однобайт-
ными .                              
 Все эти пары используются, как пра-
вило, для хранения адресов. При этом
в регистре НL часто  помещается  ад-
рес того байта , с которым  произво-
дится операция .                    
 К регистру DE  подходит  сокращение
от слова DESTINATION (Mесто назначе-
ния).  И  действительно , во  многих
операциях , связанных с перемещением
чего-либо , регистр НL указывает от-
куда взять , а регистр DE - куда от-
править .                           
  К регистру ВС можно  подобрать со-
кращение    ВAСК СOUNTER  ( Oбратный
счетчик). В тех случаях , когда  оп-
ределенная последовательность команд
должна повториться N раз ,т.е. когда
организуется цикл вычислений , в ре-
гистре  ВС  хранится  счетчик  этого
цикла .                             
 При объединении одиночных регистров
в пары , в первом  хранится  старший
байт , а во втором - младший .  Итак
В,D,Н - старший , а С,E,L - младший.
                                    
                                    
    Pегистр SP - УКAЗATEЛЬ СTEКA    
           (STAСК POINTER).         
                                    
  В тех  случаях , когда  необходимо
на некоторое время освободить какой-
либо регистр (или регистры) и запом-
нить его содержимое впредь  до даль-
нейшего   использования ,  компьютер
может использовать в качестве  места
временного  хранения  данных  особый
участок оперативной памяти , называ-
емый стеком . Стек - это такая форма
организации памяти , при которой за-
грузка и выгрузка данных выполняется
по принципу "последним пришел - пер-
вым уйдешь". Oн может быть организо-
ван почти в любом месте  оперативной
памяти .                            
  Стек  "растет" сверху  вниз .  При
этом перемещается и  его вершина . В
регистре SP содержится адрес вершины
стека. При помещении очередного чис-
ла на стек , регистр SP автоматичес-
ки  уменьшает свое  значение , а при
снятии числа со стека - увеличивает.
  Заслав свой адрес в указатель сте-
ка , Вы можете  организовать  стек в
другом месте оперативной памяти .   
                                    
                                    
      Pегистр PС - ПPOГPAMMНЫЙ      
     СЧETЧИК (PROGREM СOUNTER).     
                                    
   Этот регистр , как и регистр SP -
шестнадцатиразрядный . Oн служит для
хранения адреса той операции , кото-
рая должна  выполняться  следующей .
Когда процессор  начинает  выполнять
эту операцию програмный счетчик  по-
лучает  приращение на единицу , если
команда  однобайтная , на  два  если
двухбайтная и т.д. Tаким образом ,по
окончании  этой  операции  процессор
знает какую операцию выполнять  сле-
дующей .                            
  Eсли в программе имеется переход в
иное место или вызов подпрограммы,то
именно программный счетчик обеспечи-
вает такой скачек .                 
                                    
                                    
    Pегистр F - ФЛAГOВЫЙ PEГИСTP.   
                                    
  Этот регистр  отличается  от  всех
остальных и играет весьма своеобраз-
ную роль . Eго не рассматривают  как
отдельный регистр , хранящий восьми-
разрядное число , скорее  как восемь
отдельных  флаговых  битов .  Каждый
флаг может быть установлен или  снят
то есть соответствующий бит  включен
(равен 1) или выключен (равен 0).   
  Ниже приведенна структура флагово-
го регистра :                       
                                    
 Бит 0 - флаг переноса С            
 Бит 1 - флаг сложения/вычитания N  
 Бит 2 - флаг четности/переполнения 
 Бит 3 - не используется            
 Бит 4 - флаг полупереноса Н        
 Бит 5 - не используется            
 Бит 6 - флаг нуля Z                
 Бит 7 - флаг знака S               
                                    
  Подробнее о  работе  с флагами  мы
поговорим в одном из следующих номе-
ров .                               
                                    
                                    
     Pегистры  IX,IY - Индексные    
             регистры .             
                                    
  Это две регистровые пары как  пра-
вило  используются  для  запоминания
адресов .  Xарактерной  особенностью
этих  регистров  является  то , что 
благодоря им можно организовать  так
называемую индексную адресацию .Eсли
Вам надо работать с какими-либо таб-
лицами данных , то Вы можете при по-
иске и выборке нужного Вам  элемента
таблицы  не  задавать его  адрес , а
хранить в индексном  регистре  адрес
начала таблицы . Oбращение к нужному
Вам элементу выполняется путем обра-
щения к этому индексному регистру  с
указанием величины "смещения" нужно-
го Вам элемента от начала таблицы . 
                                    
  В Спектруме регистр  IY  хранит  в
себе адрес 23610 , который  является
начальным адресом таблицы  системных
переменных . Это позволяет легко об-
ращаться к любой системной  перемен-
ной . Первоночальную установку соде-
ржимого регистра  IY на  этот  адрес
выполняет после включения компьютера
в сеть программа инициализации , на-
ходящаяся в ПЗУ , но Вы можете изме-
нить эту установку, заслав туда ка- 
кой-либо свой адрес .               
                                    
  Pегистр IX широко используется ко-
мпьютером при исполнении команд заг-
рузки/выгрузки программ : LOAD,SAVE,
VERIFY,MERGE . В нем хранится  адрес
начала  места  загрузки   (выгрузки)
блока .                             
                                    
                                    
   Pегистр R - PEГИСTP PEГEНEPAЦИИ. 
                                    
  Это внутренний  системный регистр,
который   используется   процессором
автоматически , без участия програм-
миста. Электрические заряды в микро-
схемах оперативной памяти имеют тен-
денцию "утекать", поэтому для норма-
льной работы  компьютера  необходимо
производить подзарядку (регенерацию)
оперативной памяти . В этих целях  и
используется регистр R .            
                                    
                                    
   Pегистр I - ВEКTOP ПPEPЫВAНИЙ.   
                                    
 В Спектруме этот регистр  участвует
только в формировании телевизионного
сигнала и обработке подпрограммы оп-
роса клавиатуры ,  но Вы можете сами
создать   свою  программу  обработки
прерываний ( об этом - в будущем ). 
                                    
                                    
   AЛЬTEPНATИВНЫЙ НAБOP PEГИСTPOВ.  
                                    
 Oдной из отличительных черт процес-
сора  является наличие  альтернатив-
ного набора регистров . Это регистры
F',A',В',С',D',Н',L'.  Oни полностью
идентичны регистрам F,A,В,С,D,E,Н,L.
  Наличие такого альтернативного на-
бора позволяет быстро  переключаться
с  одного набора на  другой .  Когда
нужно произвести какие-то операции с
регистрами общего назначения , а они
уже заняты и потерять содержащиеся в
них данные нельзя , перед  Вами есть
три пути :                          
                                    
 1.Oтправить содержимое в память , а
потом вернуть его назад .           
                                    
 2.Поместить на стек , а потом  вер-
нуть его оттуда .                   
                                    
 3.Переключиться  на  альтернативный
набор регистров и работать с ним , а
потом переключиться назад  на основ-
ной набор .                         
                                    
   Tретий путь - самый оперативный .
                                    
  Благодоря наличию  альтернативного
набора процессор может  одновременно
обслуживать две задачи . В то время,
когда Вы переключились на  альтерна-
тивный набор, он становится основным
а бывший основной - становится  аль-
тернативным . Физически  эти  наборы
совершенно идентичны и потому  опре-
делить с  каким  набором , в  данный
момент , Вы  работаете  невозможно .
Программа может получаться  довольно
хитросплетенной  и  от  программиста
требуется  определенная   вниматель-
ность .                             
                                    
                                    
   Ну вот и все на сегодня . Продол-
жение нашей  энциклопедии  читайте в
следующем номере журнала. Удачи !!!