汇编语言访问寄存器和内存篇---02
本系列文章参考汇编语言第四版和汇编语言程序设计 贺利坚主讲整理而成
CPU的组成
- 运算器进行信息处理；
- 寄存器进行信息存储；
- 控制器协调各种器件进行工作；
- 内部总线实现CPU内 各个器件之间的联系
寄存器是CPU内部的信息存储单元
8086CPU有14个寄存器：
- 通用寄存器：AX、BX、CX、DX
- 变址寄存器：SI、DI
- 指针寄存器：SP、BP
- 指令指针寄存器： IP
- 段寄存器：CS、SS、DS、ES
- 标志寄存器：PSW
共性; 8086CPU所有的寄存器都是16位的， 可以存放两个字节。
通用寄存器——以AX为例
一个16位寄存器存储一个16位的数据, 最大值？
- 2的16次方-1
例：在AX中存储18D
- 18D — 12H — 10010B
再例：在AX中存储20000D
- 20000D — 4E20H — 0100111000100000B
横看成岭侧成峰
问题： 8086上一代CPU中的寄存器都是8位 的，如何保证程序的兼容性？
方案: 通用寄存器均可以分为两个独立的 8位寄存器使用
细化：
- AX可以分为AH和AL
- BX可以分为BH和BL
- CX可以分为CH和CL
- DX可以分为DH和DL
“字”在寄存器中的存储
8086是16位CPU
- 8086的字长(word size)为16bit
一个字(word)可以存在一个16位寄存器中
- 这个字的高位字节存在这个寄存器的高8位寄存器
- 这个字的低位字节存在这个寄存器的低8位寄存器
mov和add指令
注：汇编指令不区分大小写
确定物理地址的方法
物理地址
- CPU访问内存单元时要给出内存单元的地址。
- 所有的内存单元构成的存储空间是一个一维的线性空间。
- 每一个内存单元在这个空间中都有唯一的地址，这个唯 一的地址称为物理地址。
事实
- 8086有20位地址总线，可传送20位地址，寻址能力 为1M。
- 8086是16位结构的CPU运算器一次最多可以处理16位的数据，寄存器 的最大宽度为16位。
- 在8086内部处理的、传输、暂存的地址也是16位，寻址能力也只有64KB！
问题：8086如何处理在寻址空间上的这个矛盾？！
8086CPU给出物理地址的方法
8086CPU的解决方法
- 用两个16位地址(段地址、偏移地址) 合成一个20位的物理地址。
地址加法器合成物理地址的方法 ： 物理地址=段地址×16+偏移地址
段地址 * 16=基地址左移4个二进制位
演示：物理地址=段地址×16+偏移地址
注意: 并不是一个物理地址就可以决定一个段地址，而是当我们给出一个段地址后，通过适当调整，即加上一个偏移地址，就可以得到一个物理地址，看下面的例子:
“段地址×16+偏移地址=物理地址”的本质含义
要解决的问题 ： 用两个16位的地址（段地址、偏移地址）， 相加得到一个20位的物理地址
本质含义 : CPU在访问内存时，用一个基础地址（段 地址×16）和一个相对于基础地址的偏移 地址相加，给出内存单元的物理地址。
内存的分段表示法
用分段的方式管理内存
8086CPU用“（段地址×16）+偏移地址=物理地址”的方 式给出内存单元的物理地址。
内存并没有分段，段的划分来自于CPU！！！
同一段内存，多种分段方案
（1）段地址×16 必然是 16的倍数，所以一个段的起始地址也一定是16的倍数
（2）偏移地址为16位，16 位地址的寻址能力为 64K，所以一个段的长度最大为64K
用不同的段地址和偏移地址形成同一个物理地址
Debug
Debug是DOS系统中的著名的调试程序，也可以运行在windows系统实模式下。 :
使用Debug程序，可以查看CPU各种寄存器中的内容、内存的情况，并且在机器指令级跟踪程 序的运行！
启动Debug
在DOS提示符下输入命令：debug
用R命令查看、改变CPU寄存器的内容
- R - 查看寄存器内容
- R 寄存器名 - 改变指定寄存器内容
用D命令查看内存中的内容
- D - 列出预设地址内存处的 128个字节的内容
段地址*16 + 偏移地址得到的是物理地址
- D 段地址:偏移地址 - 列出内 存中指定地址处的内容
我们可以手动选择查看某一个段地址和对应的偏移地址，默认显示的是预设的段地址
- D段地址:偏移地址 结尾偏移 地址 - 列出内存中指定地址范 围内的内容
2000是指定的段地址,0000是偏移地址，而f是显示多少个字节，默认显示128个，这里我们要求显示16个字节,2f就是48个字节，这里使用和显示的数值都是十六进制形式的
用E命令改变内存中的内容
- E 段地址:偏移地址 数据1 数据2 …
- E 段地址:偏移地址
- 逐个询问式修改
- 空格 - 接受，继续
- 回车 -结束
如果采用询问式方式修改，那么每按一次空格，他都会给出下一个字节的内容，例如: 12. 然后我们需要在.后面给出需要替换掉当前字节的内容
用U命令将内存中的机器指令翻译成汇编指令
有汇编指令
- mov ax, 0123H
- mov bx 0003H
- mov ax, bx
- add ax, bx
对应的机器码为
- B8 23 01
- BB 03 00
- 89 D8
- 01 D8
e 地址 数据 - 写入
d 地址 - 查看
u 地址 - 查看代码
用A命令以汇编指令的格式在内存中写入机器指令
有汇编指令
- mov ax, 0123H
- mov bx, 0003H
- mov ax, bx
- add ax, bx
对应的机器码为
- B8 23 01
- BB 03 00
- 89 D8
- 01 D8
a 地址 - 写入汇编指令
向2000:100处写入上面汇编指令
d 地址 - 查看数据
u 地址 - 查看代码
用T命令执行机器指令
t - 执行CS:IP处的指令
- mov ax, 0123H
- mov bx, 0003H
- mov ax, bx
- add ax, bx
先调整cs和ip寄存器初始值
- 指令指针寄存器： IP
- 段寄存器：CS
用Q命令退出Debug
q - 退出Debug
CS、IP与代码段
两个关键的寄存器
- CS：代码段寄存器
- IP： 指令指针寄存器
- CS:IP：CPU将内存中CS:IP 指向的内容当作指令执行。
- CS提供段地址，16位
- IP可以理解为PC寄存器，提供的是偏移地址，也是16位
- 位址加法器对两个16位地址进行相加，然后得到一个20位地址
- 通过BUS地址总线，发送给MAR
- MAR从内存中取出该地址对应的指令，然后放入MDR
- MDR中的数据通过数据总线转交给CPU处理
- 因为，这里取出的指令是3个字节，因此这里IP自动加3
例示：在CS和IP指示下代码的执行
- 8086CPU当前状态：CS中内容为2000H，IP中内容为0000H
- 内存20000H~20009H处存放着可执行的机器代码
8086PC读取和执行指令演示
8086PC工作过程的简要描述：
（1）从CS:IP指向内存单元读取 指令，读取的指令进入指 令缓冲器；
（2）IP = IP + 所读取指令的长 度，从而指向下一条指令；
（3）执行指令。 转到步骤
（1），重复这个过程。
指令读取和执行的实证演示-Debug
用debug程序执行下面的代码
- mov ax, 0123H
- mov bx, 0003H
- mov ax, bx
- add ax, bx
a 地址 - 写入汇编指令
u 地址 - 查看代码
t - 执行CS:IP处代码
问：内存中有数据 B8 23 01 BB 03 00 89 D8 01 D8， 究竟用作一般数据，还是用作指令？
答：CPU将CS:IP指向的内存单元中的内容看作指令！
jmp指令
修改CS、IP的指令：
事实：执行何处的指令，取决于CS:IP
应用：可以通过改变CS、IP中的内容，来控制CPU要执行的目标指令
问题：如何改变CS、IP的值？
方法1：Debug 中的 R 命令可以改变寄存器的值——r cs, r ip
Debug是调试手段，并非程序方式！
方法2：用指令修改
方法3：转移指令 jmp
转移指令 jmp :
- 同时修改CS、IP的内容
jmp 段地址：偏移地址
jmp 2AE3:3
jmp 3:0B16
功能：用指令中给出的段地址修改CS，偏移地址修改IP。
- 仅修改IP的内容 jmp
某一合法寄存器
jmp ax （类似于 mov IP, ax）
jmp bx
功能：用寄存器中的值修改IP。
问题分析
从20000H开始，执行的序列是：
（1）mov ax,6622
（2）jmp 1000:3
（3）mov ax,0000
（4）mov bx,ax
（5）jmp bx
（6）mov ax,0123H
（7）转到第（3）步执行
内存中字的存储
事实：对8086CPU，16位作为一个字
问题： 16位的字存储在一个16位的寄存器中，如何存储？
回答:
- 高8位放高字节，低8位放低字节
问题: 16位的字在内存中需要2个连续字节存储，怎么存放？
回答:
- 低位字节存在低地址单元，高位字节存在高地址单元
例：20000D（4E20H）存放0、1两个单元，18D (0012H）存放在2、3两个单元
字单元
字单元：由两个地址连续的内存单元组成，存放一个字型数据（16位）
原理：在一个字单元中，低地址单元存放低位字节，高地址单元存放高位字节
- 在起始地址为0的单元中，存放的是4E20H
- 在起始地址为2的单元中，存放的是0012H
问题：
（1）0地址单元中存放的字节型数据是（ 20H）
（2）0地址字单元中存放的字型数据是（ 4E20H）
（3）2地址单元中存放的字节型数据是（ 12H ）
（4）2地址字单元中存放的字型数据是（ 0012H ）
用DS和[address]实现字的传送
要解决的问题：CPU从内存单元中要读取数据
要求： CPU要读取一个内存单元的时候，必须先给出这个内存单元的地址
原理： 在8086PC中，内存地址由段地址和偏移地址组成（段地址:偏移地址）
解决方案：DS和[address]配合 ，用 DS寄存器存放要访问的数据的段地址 ，偏移地址用[…]形式直接给出
给出偏移地址后，会默认去DS寄存器获取段地址
字的传送
8086CPU可以一次性传送一个字(16位的数据)
例
- mov bx, 1000H
- mov ds, bx
- mov ax, [0] —> 1000:0处的字型数据送入ax
- mov [0],cx —> cx中的16位数据送到1000:0处
案例
- 先将1000:0处内存的前四个字节设置为上面给出的值
- 在默认的起始地址处,输入指令
后面同理,DS和[address]配合，可以让我们通过从内存中快速读取一个字到指定寄存器中
DS与数据段
对内存单元中数据的访问
对于8086PC机，可以根据需要将一组内存单元定义为一个段。
- 物理地址=段地址×16+偏移地址
- 将一组长度为N（N≤64K）、地址连续、起始地址为16的倍数的内存单元当作专门存储数 据的内存空间，从而定义了一个数据段。
例：用123B0H~123B9H的空间来存放数据
- 段地址：123BH 起始偏移地址：0000H 长度：10字节
- 段地址：1230H 起始偏移地址：00B0H 长度：10字节
- …
处理方法：(DS): ( [address])
- 用DS存放数据段的段地址
- 用相关指令访问数据段中的具体单元，单元地址由[address]指出
mov、add、sub...
将哪段内存当作数据段，段地址如何定，在编程时安排
将123B0H~123BAH的内存单元定义为数据段
AL是AX的低字节位
用mov指令操作数据
加法add和减法sub指令
用DS和[address]形式访问内存中数据段方法小结
（1）字在内存中存储时 ，要用两个地址连续的内存单元来存放，字的 低位字节存放在低地址单元中，高位字节存放再高地址单元中。
（2）用 mov 指令要访问内存单元，可以在mov指令中只给出单元的偏 移地址，此时，段地址默认在DS寄存器中。
（3）[address]表示一个偏移地址为address的内存单元。
（4）在内存和寄存器之间传送字型数据时，高地址单元和高8位寄存器、 低地址单元和低8位寄存器相对应。
（5）mov、add、sub是具有两个操作对象的指令，访问内存中的数据段 （对照：jmp是具有一个操作对象的指令，对应内存中的代码段）。
（6）可以根据自己的推测，在Debug中实验指令的新格式。
栈及栈操作的实现
栈结构
栈是一种只能在一端进行插入或删除操作的数据结构。
栈有两个基本的操作：入栈和出栈。
- 入栈：将一个新的元素放到栈顶
- 出栈：从栈顶取出一个元素。
栈顶的元素总是最后入栈，需要出栈时，又最先被从栈 中取出。
栈的操作规则：LIFO（Last In First Out，后进先出）
CPU提供的栈机制:
现今的CPU中都有栈的设计。
8086CPU提供相关的指令，支持用栈的方式访问内存空间。
基于8086CPU的编程，可以将一段内存当作栈来使用。
PUSH(入栈)和 POP(出栈)指令
push ax：将ax中的数据送入栈中
pop ax：从栈顶取出数据送入ax
（以字为单位对栈进行操作）
例：设将10000H~1000FH内存当作栈来使用……
入站:
mov ax,0123H
push ax
mov bx,2266H
push bx
mov cx,1122H
push cx
出栈:
pop ax
pop bx
pop cx
问题：
1、CPU如何知道一段内存空间被当作栈使用？
2、执行push和pop的时候，如何知道哪个单元是栈顶单元？
回答：
8086CPU中，有两个与栈相关的寄存器：
- 栈段寄存器SS - 存放栈顶的段地址
- 栈顶指针寄存器SP - 存放栈顶的偏移地址
任意时刻，SS:SP指向栈顶元素。
栈的操作
push 指令和pop指令的执行过程
push ax
- （1）SP=SP–2；
- （2）将ax中的内容送入SS:SP指向的内存单 元处，SS:SP此时指向新栈顶
pop ax
- （1）将SS:SP指向的内存单元处的数据送 入ax中；
- （2）SP = SP+2，SS:SP指向当前栈顶下面的单元，以当前栈顶下面的单元为新的 栈顶。
栈顶超界问题:
如何能够保证在入栈、出栈时，栈顶不 会超出栈空间？
执行入栈(push)时，栈顶超出栈空间
执行出栈(pop)时，栈顶超出栈空间
栈顶超界问题的解决
栈的小结
push、pop 实质上就是一种内存传送指令，可以在寄存器和内存 之间传送数据，与mov指令不同的是，push和pop指令访问的内 存单元的地址不是在指令中给出的，而是由SS:SP指出的。
执行push和pop指令时，SP 中的内容自动改变。
8086CPU提供的栈操作机制：
- 在SS，SP中存放栈顶的段地址和偏移地址，入栈和出栈指 令根据SS:SP指示的地址，按照栈的方式访问内存单元。
- push指令的执行步骤：
1）SP=SP-2
2）向SS:SP指向的字单元中送入数据。
- pop指令的执行步骤：
1）从SS:SP指向的字单元中读取数据
2）SP=SP-2。
关于“段”的总结
基础: 物理地址=段地址×16+偏移地址
做法:
- 编程时，可以根据需要将一组内存单 元定义为一个段。
- 可以将起始地址为16的倍数，长度为 N（N ≤64K ）的一组地址连续的内存 单元，定义为一个段。
- 将一段内存定义为一个段，用一个段 地址指示段，用偏移地址访问段内的 单元——在程序中可以完全由程序员 安排。
三种段
- 数据段： 将段地址放在 DS中，用mov、add、sub等访问内存单元的指令 时，CPU将我们定义的数据段中的内容当作数据段来访问
- 代码段: 将段地址放在 CS中，将段中第一条指令的 偏移地址放在IP中 ,CPU将执行我们定义的代码段中的指令
- 栈段: 将段地址放在SS中，将栈顶单元的偏移地 置放在 SP 中 , CPU在需要进行栈操作(push、pop)时，就 将我们定义的栈段当作栈空间来用。
综合示例：按要求设置段并执行代码
综合示例：三个段地址可以一样滴！
