home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Shareware Grab Bag / Shareware Grab Bag.iso / 007 / a86v302b.arc / 07FLOAT.DOC < prev    next >
Text File  |  1987-04-08  |  18KB  |  392 lines

  1. CHAPTER 7   THE FLOATING-POINT PROCESSOR                  7-1
  2.  
  3.  
  4. In this chapter, we'll refer to the various Central Processing 
  5. Units (CPUs) as the "86".  Thus "86" refers to either the 8088, 
  6. 8086, 80186, 80286, etc.  We'll refer to the various coprocessors 
  7. as the "87".  Thus "87" refers to either the 8087 or the 287.  
  8.  
  9.  
  10. The 8087 and 287 Coprocessors
  11.  
  12. All IBM-PC's, and most clones, contain a socket for a floating-
  13. point coprocessor.  If you shell out between $80 and $300, and 
  14. plug the appropriate chip into that socket, then a host of 
  15. floating-point instructions is added to the assembly-language 
  16. instruction set.  
  17.  
  18. The original IBM-PC, and the XT, accept the original floating-
  19. point chip, the 8087.  The AT accepts a later update, the 287.  
  20. From a programming standpoint, the two chips are nearly 
  21. identical: the 287 adds the instructions FSETPM and FSTSW AX, and 
  22. ignores the instructions FENI and FDISI.  There is, however, a 
  23. rather nasty design flaw in the 8087, that was corrected in the 
  24. 287.  
  25.  
  26. To understand the flaw, you must understand how the 86 and 87 
  27. work as coprocessors. Whenever the 86 sees a floating-point 
  28. instruction, it communicates the instruction, and any associated 
  29. memory operands, to the 87.  Then the 86 goes on to its next 
  30. instruction, operating in parallel with the 87.  That's OK, so 
  31. long as the following instructions don't do one of the following: 
  32.  
  33.   1. Execute another floating point instruction; or
  34.   2. Try to read the results of the still-executing floating 
  35.      point instruction.  
  36.  
  37. If they do, then you must provide an instruction called WAIT (or 
  38. synonymously FWAIT), which halts the 86 until the 87 is finished. 
  39. For almost all floating-point instructions, it should not be 
  40. necessary to provide an explicit FWAIT; the 86 ought to know that 
  41. it should wait.  For the 8087, it IS necessary to give an 
  42. explicit FWAIT before each floating-point instruction: that is 
  43. the flaw.  
  44.  
  45. Because of the flaw, all assemblers supporting the 8087 will 
  46. silently insert an FWAIT code (hex 9B) before all 87 
  47. instructions, except those few (the FN-instructions other than 
  48. FNOP) not requiring the FWAIT. A86 provides the directive ".287", 
  49. compatible with Microsoft's assembler, to signal that the 287 is 
  50. the target processor.  However, the actions taken by A86 and 
  51. Microsoft when seeing .287 are completely disjoint!  To wit: 
  52.  
  53. * A86 ceases outputting FWAIT directives that are unnecessary for 
  54.   the 287.  For reasons beyond my comprehension, Microsoft 
  55.   continues to put them out.  Can someone enlighten me as to why 
  56.   Microsoft is putting out those codes?  
  57.                                                           7-2
  58. * A86 ignores the instructions FENI, FDISI, FNENI, and FNDISI 
  59.   after it sees a .287 directive.  Microsoft continues to 
  60.   assemble these instructions.  
  61.  
  62. * Microsoft recognizes the new 287 instructions, if and only if 
  63.   it sees the .287 directive.  A86 recognizes them even if .287 
  64.   is not given.  In general, I don't attempt to police your 
  65.   instruction usage-- if you use an instruction available on a 
  66.   limited number of processors, I trust that you are programming 
  67.   for one of those processors.  
  68.  
  69. In summary, if your program will be running only on machines with 
  70. a 287, you can give ".287" directive. Your programs will be 
  71. significantly shorter than if they were assembled by Microsoft.  
  72. If you want your programs to run on all machines containing a 
  73. floating-point chip, you should refrain from specifying .287. 
  74.  
  75. WARNING: The most common mistake 87 programmers make is to try to 
  76. read the results of an 87 operation in 86 memory, before the 
  77. results are ready.  At least on my AT, the system often crashes 
  78. when you do this!  If your program runs correctly when single-
  79. stepped, but crashes when set loose, then chances are you need an 
  80. extra explicit FWAIT somewhere. 
  81.  
  82.  
  83.  
  84. The Floating Point Stack
  85.  
  86. The 87 has its own register set, of 8 floating-point numbers 
  87. occupying 10 bytes each, plus 14 bytes of status and control 
  88. information.  Many of the 87's instructions cause the numbers to 
  89. act like a stack, much like a Hewlett-Packard calculator.  For 
  90. this reason, the numbers are called the floating-point stack.  
  91. The standard name for the top element of the floating-point stack 
  92. is either ST or ST(0); the others are named ST(1) through ST(7).  
  93. Thus, for example, the instruction to add stack element number 3 
  94. into the top stack element is usually coded FADD ST,ST(3).  
  95.  
  96. I find this notation painfully verbose.  Especially bad are the 
  97. parentheses, which are hard to type, and which add visual clutter 
  98. to the program.  To alleviate this problem while retaining 
  99. language compatibility, I name my stack elements simply 0 through 
  100. 7.  I recognize ST as a synonym for 0.  I allow expression 
  101. elements to be concatenated; concatenation is the same as 
  102. addition.  Thus, when A86 sees ST(3), it computes 0+3 = 3.  So 
  103. you can code the old way, FADD ST,ST(3), or you can code the 
  104. concise way, FADD 0,3 or simply FADD 3.  
  105.                                                           7-3
  106. Floating Point Initializations
  107.  
  108. In general, you use the 87 by loading numbers from 86 memory to 
  109. the 87 stack (using FLD instructions), calculating on the 87 
  110. stack, and storing the results back to 86 memory (using FST and 
  111. FSTP instructions).  There are seven constant numbers built into 
  112. the 87 instruction set: zero, one, Pi, and four logarithmic 
  113. conversion constants.  These can be loaded using the FLD0, FLD1, 
  114. FLDPI, FLDL2T, FLDL2E, FLDLG2, and FLDLN2 instructions.  All 
  115. other constants must be declared in, then loaded from, 86 memory.
  116. Integer constant words and doublewords can be loaded via FILD.
  117. Non-integer constant doubleword, quadwords, and ten-byte numbers 
  118. can be loaded via FLD.
  119.  
  120. A86 allows you to declare constants loaded via FLD as floating-
  121. point numbers, using scientific notation if you like.  As an 
  122. exclusive feature, A86 allows you to use any of the 4 arithmetic 
  123. functions +, -, *, / in expressions involving floating-point 
  124. numbers.  A86 will even do type conversion if one of the two 
  125. operands is given as an integer; though for clarity I recommend 
  126. that you always give floating-point constants with their decimal 
  127. point.
  128.  
  129.  
  130. Built-In Constant Names
  131.  
  132. A86 offers another exclusive feature: the built-in symbols
  133.  
  134.     PI   ratio of circumference to diameter of a circle
  135.     L2T  log base 2 of 10
  136.     L2E  log base 2 of the calculus constant e = 2.71828...
  137.     LG2  log base 10 of 2 
  138.     LN2  natural log (base e) of 2
  139.  
  140. You can use these symbols in expressions, to declare useful 
  141. constants.  For example, you can declare the degrees-to-radians 
  142. conversion constant:
  143.  
  144.     DEG_TO_RAD  DT  PI/180.
  145.  
  146.  
  147. Special Immediate FLD Form
  148.  
  149. Yet another exclusive A86 feature is the instruction form
  150. FLD constant.  This form is intended primarily to facilitate 
  151. "fooling around" with the 87 when using D86; but it is also 
  152. useful for quick-and-dirty programs.  For example, the 
  153. instruction FLD 12.3 generates the following sequence of code 
  154. bytes (without explicitly using the local labels given):
  155.  
  156.     CS FLD T[M1]
  157.     JMP >M2
  158.   M1  DT 12.3
  159.   M2:
  160.                                                           7-4
  161. Obviously, this form is not terrifically efficient: you can 
  162. always save the JMP by placing the constant outside of the 
  163. instruction stream; and the CS-override might not be needed.  But 
  164. the form is very, very convenient!
  165.  
  166. NOTE that the preceding 2 sections imply that you can get 
  167. careless and code, for example, FLD PI when you intended FLDPI.  
  168. Though the two are functionally equivalent, the first form takes 
  169. a whopping 17 bytes; and second, only 2 bytes.  Be careful!
  170.  
  171.  
  172.  
  173. Floating Point Operand Types
  174.  
  175. The list of floating point instructions contains a variety of 
  176. operand types.  Here is a brief explanation of those types: 
  177.  
  178. 0  stands for the top element of the floating-point stack.  A 
  179.    synonym for 0 is ST or ST(0).  
  180.  
  181. i  stands for element number i of the floating-point stack.  i 
  182.    can range from 0 through 7.  A synonym for i is ST(i).  
  183.  
  184. mem10r is a 10-byte memory quantity (typically declared with a DT 
  185.    directive) containing a full-precision floating point number.  
  186.    Intel recommends that you NOT store your numbers in full 
  187.    precision; that you use the following double precision format 
  188.    instead.  Full-precision numbers are intended for storage of 
  189.    intermediate results (on the stack); they exist to insure 
  190.    maximum accuracy for calculations on double-precision numbers, 
  191.    which is the official external format of 87 numbers.  
  192.  
  193. mem8r is an 8-byte memory quantity (typically declared with a DQ 
  194.    directive) containing a double-precision floating-point 
  195.    number.  This is the best format for floating-point numbers on 
  196.    the 87.  The 87 takes the same amount of time on double-
  197.    precision calculations as it does on single-precision.  The 
  198.    only extra time is the memory access of 4 more bytes; 
  199.    negligible in comparison to the calculation time.  
  200.  
  201. mem4r is a 4-byte quantity (typically defined with a DD 
  202.    directive) containing a single-precision floating-point 
  203.    number.  
  204.  
  205. mem10d is a 10-byte quantity (also defined via DT) containing a 
  206.    special Binary Coded Decimal format recognized by the FBLD and 
  207.    FBSTP instructions.  This format is useful for input and 
  208.    output of floating-point numbers.  
  209.  
  210. mem4i is a 4-byte quantity representing a signed integer in 
  211.    two's-complement notation.  
  212.  
  213. mem2i is a 2-byte quantity representing a signed integer in 
  214.    two's-complement notation.  
  215.  
  216. mem14 and mem94 are 14- and 94-byte buffers containing the 87 
  217.     machine state.  
  218.                                                           7-5
  219.  
  220. Operand Choices in A86
  221.  
  222. The choice of operands for floating-point instructions seems 
  223. inconsistent to me.  For example, to subtract stack i from 0, you 
  224. must provide two operands; to do the equivalent comparison, you 
  225. must provide only one operand.  A86 smooths out these 
  226. inconsistencies by allowing more choices for operands: FADD i is 
  227. equivalent to FADD 0,i.  FCOM 0,i is equivalent to FCOM i.  The 
  228. same holds for the other main arithmetic instructions.  FXCH 0,i 
  229. and FXCH i,0 are allowed.  So if you wish to retain compatibility 
  230. with other assemblers, you should use their more restrictive 
  231. instruction list, not the following one.  
  232.  
  233.  
  234. The 87 Instruction Set
  235.  
  236. Following is the 87 instruction set.  The "w" in the opcode field 
  237. is the FWAIT opcode, hex 9B, which is suppressed if .287 is 
  238. selected.  Again, "0", "1", and "i" stand for the associated 
  239. floating point stack registers, not constant numbers!  Constant 
  240. numbers in the descriptions are given with decimal points: 0.0, 
  241. 1.0, 2.0, 10.0.  
  242.  
  243.  w D9 F0     F2XM1           0 := (2.0 ** 0) - 1.0
  244.  w D9 E1     FABS            0 := |0|
  245.  w DE C1     FADD            1 := 1 + 0, pop
  246.  w D8 C0+i   FADD i          0 := i + 0
  247.  w DC C0+i   FADD i,0        i := i + 0
  248.  w D8 C0+i   FADD 0,i        0 := i + 0
  249.  w D8 /0     FADD mem4r      0 := 0 + mem4r
  250.  w DC /0     FADD mem8r      0 := 0 + mem8r
  251.  w DE C0+i   FADDP i,0       i := i + 0, pop
  252.  w DF /4     FBLD mem10d     push, 0 := mem10d
  253.  w DF /6     FBSTP mem10d    mem10d := 0, pop
  254.  w D9 E0     FCHS            0 := -0
  255. 9B DB E2     FCLEX           clear exceptions
  256.  w D8 D1     FCOM            compare 0 - 1
  257.  w D8 D0+i   FCOM 0,i        compare 0 - i
  258.  w D8 D0+i   FCOM i          compare 0 - i
  259.  w D8 /2     FCOM mem4r      compare 0 - mem4r
  260.  w DC /2     FCOM mem8r      compare 0 - mem8r
  261.  w D8 D9     FCOMP           compare 0 - 1, pop
  262.  w D8 D8+i   FCOMP 0,i       compare 0 - i, pop
  263.  w D8 D8+i   FCOMP i         compare 0 - i, pop
  264.  w D8 /3     FCOMP mem4r     compare 0 - mem4r, pop
  265.  w DC /3     FCOMP mem8r     compare 0 - mem8r, pop
  266.  w DE D9     FCOMPP          compare 0 - 1, pop both
  267.                                                           7-6
  268.  
  269.  w D9 F6     FDECSTP         decrement stack pointer
  270.  w DB E1     FDISI           disable interrupts (.287 ignore)
  271.  w DE F9     FDIV            1 := 1 / 0, pop
  272.  w D8 F0+i   FDIV i          0 := 0 / i
  273.  w DC F8+i   FDIV i,0        i := i / 0
  274.  w D8 F0+i   FDIV 0,i        0 := 0 / i
  275.  w D8 /6     FDIV mem4r      0 := 0 / mem4r
  276.  w DC /6     FDIV mem8r      0 := 0 / mem8r
  277.  w DE F8+i   FDIVP i,0       i := i / 0, pop
  278.  w DE F1     FDIVR           1 := 0 / 1, pop
  279.  w D8 F8+i   FDIVR i         0 := i / 0
  280.  w DC F0+i   FDIVR i,0       i := 0 / i
  281.  w D8 F8+i   FDIVR 0,i       0 := i / 0
  282.  w D8 /7     FDIVR mem4r     0 := mem4r / 0
  283.  w DC /7     FDIVR mem8r     0 := mem8r / 0
  284.  w DE F0+i   FDIVRP i,0      i := 0 / i, pop
  285.  w DB E0     FENI            enable interrupts (.287 ignore)
  286.  w DD C0+i   FFREE i         empty i
  287.  w DE /0     FIADD mem2i     0 := 0 + mem4i
  288.  w DA /0     FIADD mem4i     0 := 0 + mem2i
  289.  w DE /2     FICOM mem2i     compare 0 - mem2i
  290.  w DA /2     FICOM mem4i     compare 0 - mem4i
  291.  w DE /3     FICOMP mem2i    compare 0 - mem2i, pop
  292.  w DA /3     FICOMP mem4i    compare 0 - mem4i, pop
  293.  w DE /6     FIDIV mem2i     0 := 0 / mem2i
  294.  w DA /6     FIDIV mem4i     0 := 0 / mem4i
  295.  w DE /7     FIDIVR mem2i    0 := mem2i / 0
  296.  w DA /7     FIDIVR mem4i    0 := mem4i / 0
  297.  w DF /0     FILD mem2i      push, 0 := mem2i
  298.  w DB /0     FILD mem4i      push, 0 := mem4i
  299.  w DF /5     FILD mem8i      push, 0 := mem8i
  300.  w DE /1     FIMUL mem2i     0 := 0 * mem2i
  301.  w DA /1     FIMUL mem4i     0 := 0 * mem4i
  302.  w D9 F7     FINCSTP         increment stack pointer
  303. 9B DB E3     FINIT           initialize 80287
  304.  w DF /2     FIST mem2i      mem2i := 0
  305.  w DB /2     FIST mem4i      mem4i := 0
  306.  w DF /3     FISTP mem2i     mem2i := 0, pop
  307.  w DB /3     FISTP mem4i     mem4i := 0, pop
  308.  w DF /7     FISTP mem8i     mem8i := 0, pop
  309.  w DE /4     FISUB mem2i     0 := 0 - mem2i
  310.  w DA /4     FISUB mem4i     0 := 0 - mem4i
  311.  w DE /5     FISUBR mem2i    0 := mem2i - 0
  312.  w DA /5     FISUBR mem4i    0 := mem4i - 0
  313.                                                           7-7
  314.  
  315.  w D9 C0+i   FLD i           push, 0 := old i
  316.  w DB /5     FLD mem10r      push, 0 := mem10r
  317.  w D9 /0     FLD mem4r       push, 0 := mem4r
  318.  w DD /0     FLD mem8r       push, 0 := mem8r
  319.  w D9 E8     FLD1            push, 0 := 1.0
  320.  w D9 /5     FLDCW mem2i     control word := mem2i
  321.  w D9 /4     FLDENV mem14    environment := mem14
  322.  w D9 EA     FLDL2E          push, 0 := log base 2.0 of e
  323.  w D9 E9     FLDL2T          push, 0 := log base 2.0 of 10.0
  324.  w D9 EC     FLDLG2          push, 0 := log base 10.0 of 2.0
  325.  w D9 ED     FLDLN2          push, 0 := log base e of 2.0
  326.  w D9 EB     FLDPI           push, 0 := Pi
  327.  w D9 EE     FLDZ            push, 0 := +0.0
  328.  w DE C9     FMUL            1 := 1 * 0, pop
  329.  w D8 C8+i   FMUL i          0 := 0 * i
  330.  w DC C8+i   FMUL i,0        i := i * 0
  331.  w D8 C8+i   FMUL 0,i        0 := 0 * i
  332.  w D8 /1     FMUL mem4r      0 := 0 * mem4r
  333.  w DC /1     FMUL mem8r      0 := 0 * mem8r
  334.  w DE C8+i   FMULP i,0       i := i * 0, pop
  335.    DB E2     FNCLEX          nowait clear exceptions
  336.    DB E1     FNDISI          disable interrupts (.287 ignore)
  337.    DB E0     FNENI           enable interrupts (.287 ignore)
  338.    DB E3     FNINIT          nowait initialize 80287
  339.  w D9 D0     FNOP            no operation
  340.    DD /6     FNSAVE mem94    mem94 := 80287 state
  341.    D9 /7     FNSTCW mem2i    mem2i := control word
  342.    D9 /6     FNSTENV mem14   mem14 := environment
  343.    DF E0     FNSTSW AX       AX := status word
  344.    DD /7     FNSTSW mem2i    mem2i := status word
  345.  w D9 F3     FPATAN          0 := arctan(1/0), pop
  346.  w D9 F8     FPREM           0 := REPEAT(0 - 1)
  347.  w D9 F2     FPTAN           push, 1/0 := tan(old 0)
  348.  w D9 FC     FRNDINT         0 := round(0)
  349.  w DD /4     FRSTOR mem94    80287 state := mem94
  350.  w DD /6     FSAVE mem94     mem94 := 80287 state
  351.  w D9 FD     FSCALE          0 := 0 * 2.0 ** 1
  352. 9B DB E4     FSETPM          set protection mode
  353.  w D9 FA     FSQRT           0 := square root of 0
  354.                                                           7-8
  355.  
  356.  w DD D0+i   FST i           i := 0
  357.  w D9 /2     FST mem4r       mem4r := 0
  358.  w DD /2     FST mem8r       mem8r := 0
  359.  w D9 /7     FSTCW mem2i     mem2i := control word
  360.  w D9 /6     FSTENV mem14    mem14 := environment
  361.  w DD D8+i   FSTP i          i := 0, pop
  362.  w DB /7     FSTP mem10r     mem10r := 0, pop
  363.  w D9 /3     FSTP mem4r      mem4r := 0, pop
  364.  w DD /3     FSTP mem8r      mem8r := 0, pop
  365.  w DF E0     FSTSW AX        AX := status word
  366.  w DD /7     FSTSW mem2i     mem2i := status word
  367.  w DE E9     FSUB            1 := 1 - 0, pop
  368.  w D8 E0+i   FSUB i          0 := 0 - i
  369.  w DC E8+i   FSUB i,0        i := i - 0
  370.  w D8 E0+i   FSUB 0,i        0 := 0 - i
  371.  w D8 /4     FSUB mem4r      0 := 0 - mem4r
  372.  w DC /4     FSUB mem8r      0 := 0 - mem8r
  373.  w DE E8+i   FSUBP i,0       i := i - 0
  374.  w DE E1     FSUBR           1 := 0 - 1, pop
  375.  w D8 E8+i   FSUBR i         0 := i - 0
  376.  w DC E0+i   FSUBR i,0       i := 0 - i
  377.  w D8 E8+i   FSUBR 0,i       0 := i - 0
  378.  w D8 /5     FSUBR mem4r     0 := mem4r - 0
  379.  w DC /5     FSUBR mem8r     0 := mem8r - 0
  380.  w DE E0+i   FSUBRP i,0      i := 0 - i, pop
  381.  w D9 E4     FTST            compare 0 - 0.0
  382. 9B           FWAIT           wait for 80287 ready
  383.  w D9 E5     FXAM            C3 -- C0 := type of 0
  384.  w D9 C9     FXCH            exchange 0 and 1
  385.  w D9 C8+i   FXCH 0,i        exchange 0 and i
  386.  w D9 C8+i   FXCH i          exchange 0 and i
  387.  w D9 C8+i   FXCH i,0        exchange 0 and i
  388.  w D9 F4     FXTRACT         push, 1 := expo, 0 := sig
  389.  w D9 F1     FYL2X           0 := 1 * log base 2.0 of 0, pop
  390.  w D9 F9     FYL2XP1         0 := 1 * log base 2.0 of (0+1.0), pop
  391.  
  392.