por Dario Alejandro Alpern
Los sistemas de desarrollo son factores clave para asegurar las ventas de una empresa fabricantes de chips. La inmensa mayoría de ventas son a otras empresas, las cuales usan estos chips en aparatos electrónicos, diseñados, fabricados y comercializados por ellas mismas. A estas empresas se las llama "fabricantes de equipo original", o en inglés, OEM (Original Equipment Manufacturer). El disminuir el tiempo de desarrollo de hardware y software para las OEM es esencial, ya que el mercado de estos productos es muy competitivo. Necesitan soporte pues los meses que les puede llevar el desarrollo de las herramientas apropiadas les puede significar pérdidas por millones de dólares. Además quieren ser los primeros fabricantes en el mercado, con lo cual pueden asegurarse las ventas en dos áreas importantes: a corto plazo, ya que al principio la demanda es mucho mayor que la oferta, y a largo plazo, ya que el primer producto marca a menudo los estándares.
De esta manera la empresa Intel había desarrollado una serie completa de software que se ejecutaba en una microcomputadora basada en el 8085 llamada "Intellec Microcomputer Development System". Los programas incluían ensambladores cruzados (éstos son programas que se ejecutan en un microprocesador y generan código de máquina que se ejecuta en otro), compiladores de PL/M, Fortran y Pascal y varios programas de ayuda. Además había un programa traductor llamado CON V86 que convertía código fuente 8080/8085 a código fuente 8086/8088. Si se observan de cerca ambos conjuntos de instrucciones, queda claro que la transformación es sencilla si los registros se traducen así: A -> AL, B -> CH, C -> CL, D -> DH, E -> DL, H -> BH y L -> BL. Puede parecer complicado traducir LDAX B (por ejemplo) ya que el 8088 no puede utilizar el registro CX para direccionamiento indirecto, sin embargo, se puede hacer con la siguiente secuencia: MOV SI, CX; MOV AL, [SI]. Esto aprovecha el hecho que no se utiliza el registro SI. Por supuesto el programa resultante es más largo (en cantidad de bytes) y a veces más lento de correr que en su antecesor 8085. Este programa de conversión sólo servía para no tener que volver a escribir los programas en una primera etapa. Luego debería reescribirse el código fuente en assembler para poder obtener las ventajas de velocidad ofrecidas por el 8088. Luego debía correr el programa en la iSBC 86/12 Single Board Computer basado en el 8086. Debido al engorro que resultaba tener dos plaquetas diferentes, la empresa Godbout Electronics (también de California) desarrolló una placa donde estaban el 8085 y el 8088, donde se utilizaba un ensamblador cruzado provisto por la compañía Microsoft. Bajo control de software, podían conmutarse los microprocesadores. El sistema operativo utilizado era el CP/M (de Digital Research).
El desarrollo más notable para la familia 8086/8088 fue la elección de la CPU 8088 por parte de IBM (International Business Machines) cuando en 1981 entró en el campo de las computadoras personales. Esta computadora se desarrolló bajo un proyecto con el nombre "Acorn" (Proyecto "Bellota") pero se vendió bajo un nombre menos imaginativo, pero más correcto: "Computadora Personal IBM", con un precio inicial entre 1260 dólares y 3830 dólares según la configuración (con 48KB de memoria RAM y una unidad de discos flexibles con capacidad de 160KB costaba 2235 dólares). Esta computadora entró en competencia directa con las ofrecidas por Apple (basado en el 6502) y por Radio Shack (basado en el Z-80).
La ventaja de esta división fue el ahorro de esfuerzo necesario para producir el 8088. Sólo una mitad del 8086 (el BIU) tuvo que rediseñarse para producir el 8088.
La explicación del diagrama en bloques es la siguiente:
Cualquiera de estos registros puede utilizarse como fuente o destino en operaciones aritméticas y lógicas, lo que no se puede hacer con ninguno de los seis registros que se verán más adelante.
Además de lo anterior, cada registro tiene usos especiales:
| Bit | 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Flag | -- | -- | -- | -- | OF | DF | IF | TF | SF | ZF | 0 | AF | 0 | PF | 1 | CF |
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.
Los registros de segmento se llaman:
CS: Registro de segmento de código.
DS: Registro de segmento de datos.
ES: Registro de segmento extra.
SS: Registro de segmento de pila.
La utilización de estos registros se explica más adelante, en la sección que trata de direccionamiento a memoria.
El 8088 tiene un bus de datos externo reducido de 8 bits. La razón para ello era prever la continuidad entre el 8086 y los antiguos procesadores de 8 bits, como el 8080 y el 8085. Teniendo el mismo tamaño del bus (así como similares requerimientos de control y tiempo), el 8088, que es internamente un procesador de 16 bits, puede reemplazar a los microprocesadores ya nombrados en un sistema ya existente.
El 8088 tiene muchas señales en común con el 8085, particularmente las asociadas con la forma en que los datos y las direcciones están multiplexadas, aunque el 8088 no produce sus propias señales de reloj como lo hace el 8085 (necesita un chip de soporte llamado 8284, que es diferente del 8224 que necesitaba el microprocesador 8080). El 8088 y el 8085 siguen el mismo esquema de compartir los terminales correspondientes a los 8 bits más bajos del bus de direcciones con los 8 bits del bus de datos, de manera que se ahorran 8 terminales para otras funciones del microprocesador. El 8086 comparte los 16 bits del bus de datos con los 16 más bajos del bus de direcciones.
El 8085 y el 8088 pueden, de hecho, dirigir directamente los mismos chips controladores de periféricos. Las investigaciones de hardware para sistemas basados en el 8080 o el 8085 son, en su mayoría, aplicables al 8088.
En todo lo recién explicado se basó el éxito del 8088.
Nótese en el gráfico el semicírculo que identifica la posición de la pata 1. Esto sirve para no insertar el chip al revés en el circuito impreso.
El 8086/8088 puede conectarse al circuito de dos formas distintas: el modo máximo y el modo mínimo. El modo queda determinado al poner un determinado terminal (llamado MN/MX) a tierra o a la tensión de alimentación. El 8086/8088 debe estar en modo máximo si se desea trabajar en colaboración con el Procesador de Datos Numérico 8087 y/o el Procesador de Entrada/Salida 8089 (de aquí se desprende que en la IBM PC el 8088 está en modo máximo). En este modo el 8086/8088 depende de otros chips adicionales como el Controlador de Bus 8288 para generar el conjunto completo de señales del bus de control. El modo mínimo permite al 8086/8088 trabajar de una forma más autónoma (para circuitos más sencillos) en una manera casi idéntica al microprocesador 8085.
Los 40 pines del 8088 en modo mínimo tienen las siguientes funciones:
En modo máximo (cuando se aplica +5V al pin 33) hay algunos pines que cambian de significado:
24.- QS1: Estado de la cola de instrucciones (bit 1).
25.- QS0: Estado de la cola de instrucciones (bit 0).
26.- S0: Bit de estado 0.
27.- S1: Bit de estado 1.
28.- S2: Bit de estado 2.
29.- /LOCK: Cuando vale cero indica a otros controladores del bus (otros
microprocesadores o un dispositivo de DMA) que no deben ganar el control del
bus. Se activa poniéndose a cero cuando una instrucción tiene
el prefijo LOCK.
30.- RQ/GT1: Es bidireccional y tiene la misma función que
HOLD/HLDA en modo mínimo.
31.- RQ/GT0: Como RQ/GT1 pero tiene mayor prioridad.
34.- Esta salida siempre está a uno.
Por ser este microprocesador mucho más complejo que el 8085, tiene más bits de estado que el recién mencionado. A título informativo se detallan los bits de estado:
| S2 | IO/M | DT/R | /SSO | Significado |
|---|---|---|---|---|
| S1 | S0 | |||
| 1 | 0 | 0 | 0 | Acceso a código (instrucciones) |
| 1 | 0 | 0 | 1 | Lectura de memoria |
| 1 | 0 | 1 | 0 | Escritura a memoria |
| 1 | 0 | 1 | 1 | Bus pasivo (no hace nada) |
| 0 | 1 | 0 | 0 | Reconocimiento de interrupción |
| 0 | 1 | 0 | 1 | Lectura de puerto de entrada/salida |
| 0 | 1 | 1 | 0 | Escritura a puerto de E/S |
| 0 | 1 | 1 | 1 | Estado de parada (Halt) |
| QS1 | QS0 | Significado |
|---|---|---|
| 0 | 0 | No hay operación |
| 0 | 1 | Primer byte del código de operación |
| 1 | 0 | Se vacía la cola de instrucciones |
| 1 | 1 | Siguiente byte de la instrucción |
Deben sumarse cuatro cantidades: 1) dirección de segmento, 2) dirección base, 3) una cantidad índice y 4) un desplazamiento.
La dirección de segmento se almacena en el registro de segmento (DS, ES, SS o CS). En la próxima sección se indica la forma en que se hace esto. Por ahora basta con saber que el contenido del registro de segmento se multiplica por 16 antes de utilizarse para obtener la dirección real. El registro de segmentación siempre se usa para referenciar a memoria.
La base se almacena en el registro base (BX o BP). El índice se almacena en el registro índice (SI o DI). Cualquiera de estas dos cantidades, la suma de las dos o ninguna, pueden utilizarse para calcular la dirección real, pero no pueden sumarse dos bases o dos índices. Los registros restantes (AX, CX, DX y SP) no pueden utilizarse para direccionamiento indirecto. El programador puede utilizar tanto la base como el índice para gestionar ciertas cosas, tales como matrices de dos dimensiones, o estructuras internas a otras estructuras, esquemas que se utilizan en las prácticas comunes de programación. La base y el índice son variables o dinámicas, ya que están almacenadas en registros de la CPU. Es decir, pueden modificarse fácilmente mientras se ejecuta un programa.
Además del segmento, base e índice, se usa un desplazamiento de 16 bits, 8 bits o 0 bits (sin desplazamiento). Ésta es una cantidad estática que se fija al tiempo de ensamblado (paso de código fuente a código de máquina) y no puede cambiarse durante la ejecución del programa (a menos que el programa se escriba sobre sí mismo, lo que constituye una práctica no aconsejada).
Todo esto genera los 24 modos de direccionamiento a memoria que se ven a continuación:
- Registro indirecto: 1) [BX], 2) [DI]. 3) [SI].
- Basado: 4) desp8[BX], 5) desp8[BP], 6) desp16[BX], 7) desp16[BP].
- Indexado: 8) desp8[SI], 9) desp8[DI], 10) desp16[SI], 11) desp16[DI].
- Basado-indexado: 12) [BX+SI], 13) [BX+DI], 14) [BP+SI], 15) [BX+DI].
- Basado-indexado con desplazamiento: 16) desp8[BX+SI], 17) desp8[BX+DI],
18) desp8[BP+SI], 19) desp8[BX+DI], 20) desp16[BX+SI], 21) desp16[BX+DI],
22) desp16[BP+SI], 23) desp16[BX+DI].
- Directo: 24) [desp16].
Aquí desp8 indica desplazamiento de 8 bits y desp16 indica desplazamiento de 16 bits. Otras combinaciones no están implementadas en la CPU y generarán error al querer ensamblar, por ejemplo, ADD CL,[DX+SI].
El ensamblador genera el tipo de desplazamiento más apropiado (0, 8 ó 16 bits) dependiendo del valor que tenga la constante: si vale cero se utiliza el primer caso, si vale entre -128 y 127 se utiliza el segundo, y en otro caso se utiliza el tercero. Nótese que [BP] sin desplazamiento no existe. Al ensamblar una instrucción como, por ejemplo, MOV AL,[BP], se generará un desplazamiento de 8 bits con valor cero. Esta instrucción ocupa tres bytes, mientras que MOV AL,[SI] ocupa dos, porque no necesita el desplazamiento.
Estos modos de direccionamiento producen algunos inconvenientes en el 8086/8088. La CPU gasta tiempo calculando una dirección compuesta de varias cantidades. Principalmente esto se debe al hecho de que el cálculo de direcciones está programado en microcódigo (dentro de la CROM del sistema de control de la unidad de ejecución). En las siguientes versiones (a partir del 80186/80188) estos cálculos están cableados en la máquina y, por lo tanto, cuesta mucho menos tiempo el realizarlos.
Veamos un ejemplo: MOV AL, ES:[BX+SI+6]. En este caso el operando de la izquierda tiene direccionamiento a registro mientras que el de la derecha indica una posición de memoria. Poniendo valores numéricos, supongamos que los valores actuales de los registros sean: ES = 3200h, BX = 200h, SI = 38h. Como se apuntó más arriba la dirección real de memoria será:
ES * 10h + BX + SI + 6 = 3200h * 10h + 200h + 38h + 6 = 3223Eh
Estructura de memoria de segmentación: Como se ha mencionado anteriormente, el 8086/8088 usa un esquema ingenioso llamado segmentación, para acceder correctamente a un megabyte completo de memoria, con referencias de direcciones de sólo 16 bits.
Veamos cómo funciona. Cualquier dirección tiene dos partes, cada una de las cuales es una cantidad de 16 bits. Una parte es la dirección de segmento y la otra es el offset. A su vez el offset se compone de varias partes: un desplazamiento (un número fijo), una base (almacenada en el registro base) y un índice (almacenado en el registro índice). La dirección de segmento se almacena en uno de los cuatro registros de segmento (CS, DS, ES, SS). El procesador usa estas dos cantidades de 16 bits para calcular la dirección real de 20 bits, según la siguiente fórmula:
Dirección real = 16 * (dirección del segmento) + offset
Tal como veíamos antes, dado que 16 en decimal es 10 en hexadecimal, multiplicar por ese valor es lo mismo que correr el número hexadecimal a la izquierda una posición.
Hay dos registros de segmento que tienen usos especiales: el microprocesador utiliza el registro CS (con el offset almacenado en el puntero de instrucción IP) cada vez que se debe acceder a un byte de instrucción de programa, mientras que las instrucciones que utilizan la pila (llamados a procedimientos, retornos, interrupciones y las instrucciones PUSH y POP) siempre utilizan el registro de segmento SS (con el offset almacenado en el registro puntero de pila SP). De ahí los nombres que toman: CS es el segmento de código mientras que SS es el registro segmento de pila.
Para acceder a datos en la memoria se puede utilizar cualquiera de los cuatro registros de segmento, pero uno de ellos provoca que la instrucción ocupe un byte menos de memoria: es el llamado segmento por defecto, por lo que en lo posible hay que tratar de usar dicho segmento para direccionar datos. Este segmento es el DS (registro de segmento de datos) para todos los casos excepto cuando se utiliza el registro base BP. En este caso el segmento por defecto es SS.
Si se utiliza otro registro, el ensamblador genera un byte de prefijo correspondiente al segmento antes de la instrucción: CS -> 2Eh, DS -> 3Eh, ES -> 26h y SS -> 36h. El uso de estos diferentes segmentos significa que hay áreas de trabajo separadas para el programa, pila y los datos. Cada área tiene un tamaño máximo de 64 KBytes. Dado que hay cuatro registros de segmento, uno de programa (CS), uno de pila (SS) y dos de datos (segmento de datos DS y segmento extra ES) el área de trabajo puede llegar a 4 * 64 KB = 256 KB en un momento dado suponiendo que las áreas no se superponen.
Si el programa y los datos ocupan menos de 64 KB, lo que se hace es fijar los registros de segmento al principio del programa y luego se utilizan diferentes offsets para acceder a distintas posiciones de memoria. En caso contrario necesariamente deberán cambiarse los registros de segmento en la parte del programa que lo requiera. Los registros de segmento DS, ES y SS se cargan mediante las instrucciones MOV y POP, mientras que CS se carga mediante transferencias de control (saltos, llamadas, retornos, interrupciones) intersegmento.
Veremos primeramente el caso de interrupciones por hardware: Como se mencionó anteriormente, el 8086/8088 tiene dos entradas de petición de interrupción: NMI e INTR y una de reconocimiento (INTA). La gran mayoría de las fuentes de interrupción se conectan al pin INTR, ya que esto permite enmascarar las interrupciones (el NMI no). Para facilitar esta conexión, se utiliza el circuito integrado controlador de interrupciones, que tiene el código 8259A. Este chip tiene, entre otras cosas, ocho patas para sendas fuentes de interrupción (IRQ0 - IRQ7), ocho para el bus de datos (D0 - D7), una salida de INTR y una entrada de INTA. Esto permite una conexión directa con el 8088/8086. Al ocurrir una petición de alguna de las ocho fuentes, el 8259A activa la pata INTR. Al terminar de ejecutar la instrucción en curso, el microprocesador activa la pata INTA, lo que provoca que el 8259A envíe por el bus de datos un número de ocho bits (de 0 a 255) llamado tipo de interrupción (programable por el usuario durante la inicialización del 8259A), que el 8086/8088 utiliza para saber cuál es la fuente de interrupción. A continuación busca en la tabla de vectores de interrupción la dirección del manejador de interrupción (interrupt handler). Esto se hace de la siguiente manera. Se multiplica el tipo de interrupción por cuatro, y se toman los cuatro bytes que se encuentran a partir de esa dirección. Los dos primeros indican el offset y los dos últimos el segmento del manejador, como se muestra a continuación.
| Posición memoria | 00 | 02 | 04 | 06 | 08 | 0A | 0C | 0E | 10 | 12 | .... | 3FC | 3FE |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| IP | CS | IP | CS | IP | CS | IP | CS | IP | CS | IP | CS | ||
| Tipo de interrupción | 00 | 01 | 02 | 03 | 04 | FF | |||||||
Como se puede observar, la tabla ocupa el primer kilobyte de memoria (256 tipos * 4 bytes/tipo = 1024 bytes).
Una vez que se pusieron en la pila los flags, CS e IP (en ese orden), la CPU hace IF <- 0 (deshabilita interrupciones) y TF <- 0 (deshabilita la ejecución de instrucciones paso a paso) para que el manejador de interrupción no sea interrumpido, y carga IP y CS con los valores hallados en la tabla, con lo que se transfiere el control al manejador de interrupción, que es el procedimiento encargado de atender la fuente de interrupción. Luego de haber hecho su trabajo, el manejador debe terminar indicándole al controlador de interrupciones que ya fue atendido el pedido y finalmente deberá estar la instrucción IRET, que restaura los valores de los registros IP, CS y el registro de indicadores. El manejador debe poner en la pila todos los registros que use y restaurar sus valores antes de salir (en orden inverso al de su introducción en la pila), en caso contrario el sistema corre peligro de "colgarse", ya que, al ocurrir la interrupción en cualquier momento de la ejecución del programa, se cambiarían los valores de los registros en el momento menos esperado, con consecuencias imprevisibles.
Las interrupciones por software ocurren cuando se ejecuta la instrucción INT tipo. De esta manera se pueden simular interrupciones durante la depuración de un programa. El tipo de interrupción (para poder buscar el vector en la tabla) aparece en la misma instrucción como una constante de 8 bits. Muchos sistemas operativos (programas que actúan a modo de interfaz entre los programas de los usuarios (llamados también "aplicaciones") y el hardware del sistema) utilizan esta instrucción para llamadas a servicios, lo que permite no tener que conocer la dirección absoluta del servicio, permitiendo cambios en el sistema operativo sin tener que cambiar los programas que lo ejecutan. De esta manera, una de las primeras operaciones que debe realizar dicho sistema operativo es inicializar la tabla de vectores de interrupción con los valores apropiados.
Existen algunas interrupciones predefinidas, de uso exclusivo del microprocesador, por lo que no es recomendable utilizar estos tipos de interrupción para interrupciones por hardware o software.
- Tipo 0: Ocurre cuando se divide por cero o el cociente es mayor que el valor máximo que permite el destino.
- Tipo 1: Ocurre después de ejecutar una instrucción si TF (Trap Flag) vale 1. Esto permite la ejecución de un programa paso a paso, lo que es muy útil para la depuración de programas.
- Tipo 2: Ocurre cuando se activa la pata NMI (interrupción no enmascarable).
- Tipo 3: Existe una instrucción INT que ocupa un sólo byte, que es la correspondiente a este tipo. En los programas depuradores (debuggers) (tales como Debug, CodeView, Turbo Debugger, etc.), se utiliza esta instrucción como punto de parada (para ejecutar un programa hasta una determinada dirección, fijada por el usuario del depurador, se inserta esta instrucción en la dirección correspondiente a la parada y se lanza la ejecución. Cuando el CS:IP apunte a esta dirección se ejecutará la INT 3, lo que devolverá el control del procesador al depurador). Debido a esto, si se le ordena al depurador que ejecute el programa hasta una determinada dirección en ROM (memoria de sólo lectura) (por ejemplo, para ver cómo funciona una subrutina almacenada en dicha memoria), la ejecución seguirá sin parar allí (ya que la instrucción INT 3 no se pudo escribir sobre el programa). En el 80386, con su elaborado hardware de ayuda para la depuración, se puede poner un punto de parada en ROM.
- Tipo 4: Ocurre cuando se ejecuta la instrucción de interrupción condicional INTO y el flag OF (Overflow Flag) vale 1.
Los tipos 5 a 31 (1F en hexadecimal) están reservados para interrupciones internas (también llamados "excepciones") de futuros microprocesadores.
Prioridad entre diferentes fuentes de interrupción:
1) Error de división, INT n (no enmascarable), INTO.
2) NMI (no enmascarable).
3) INTR (enmascarable mediante IF).
4) Ejecución paso a paso (enmascarable mediante TF).
