计算机系统-x86架构下的寄存器与寻址

一：段的概念
比方说有这样一段汇编程序

.data
abc DWORD 666
.code
call abcdef

可以肤浅的理解为abc DWORD 666这句代码存在的内存区域，叫做数据段，call abcdef这句代码存在的内存区域，叫做代码段，调用call指令的时候，还需要堆栈，而堆栈占用的那片内存区域，叫做堆栈段，那么大致的内存图如下，从图中可以看出，每个程序都有自己的段，而且代码段，堆栈段，数据段之间有可能连续，也有可能不连续

二：基址（段的起始位置）与段长度
段的起始位置也叫基址，与长度一样，是段的属性之一，从上图中可以看到
程序1的数据段，基址是10004，程序1的数据段长度是2
程序2的堆栈段，基址是10014，程序2的堆栈段长度是3

注意，上述只是举例子，实际情况是段起始地址必须是以0x00结尾的地址

三：地址总线的寻址能力
CPU如果要想获取某个内存处的地址，比如上图中，CPU想获取10003处的值，则CPU会将10003放到地址总线中，这样内存中的33这个数据，就会通过数据总线传递给CPU，这有个前提，就是地址总线中必须能放得下10003这个数才行，比方说，地址总线只有两条，每条线肯定只有高电平(1)或者低电平(0)两种选择，那么这个地址总线的表达能力最多是3，只能获取内存中0-3之间的数据，而8086CPU有20条地址总线，它的表达能力是2²⁰，内存中0-2²⁰之间位置都能获取到，也就是1MB，这种能力，叫做地址总线的寻址能力，8086的地址总线寻址能力是1MB

四：CPU的寻址能力，段地址，偏移地址
8086CPU是16位CPU，定义为一次处理，传输，暂存的数据最大值是2¹⁶，也就是64KB，如果这样，那么8086的CPU寻址能力将是64KB

CPU的寻址能力导致的问题
从上文可以看出，CPU的寻址能力可以说是远远不如地址总线的寻址能力，这就好比地址总线是一个很宽的高速公路，而CPU却是一台特别慢的汽车，根本配不上这条高速公路，假如现在要获取内存位置65KB处的数据，CPU根本无法表达65KB这个信息给地址总线，这就很尴尬，因为这个原因，CPU使用地址加法器，让自己的输出从16位变成了20为，从而使CPU的寻址达到最大化，地址加法器的做法是取1个16位寄存器，将每个bit值，依次放到16跟地址总线中，这个寄存器里的值，就叫做段地址
取另外一个16为寄存器中的四个数据，放到剩下的4跟地址总线中，这叫做偏移地址（理解偏移长度更好一些）
说白了就是用两个16位寄存器，来表达20位地址总线中的数据

五：地址加法器
假设段地址16进制是：2000H
假设偏移长度16进制是：1H
经过地址加法器合成之后，CPU实际查询的内存是：20001H，该结果可以用以下公式计算
真实地址=段地址乘以16+偏移长度
注意：段地址乘以16，就是上文的基址（段的起始位置）
所以也可以说真实地址=基址（段的起始位置）+偏移长度
在8086架构中

CS寄存器存储代码段的段地址，IP寄存器存放代码段的偏移长度
DS寄存器存储数据段的段地址，多数情况下用DX存放数据段的偏移长度
SS寄存器存储堆栈段的段地址，SP寄存器存放堆栈段的偏移长度

CPU运行过程如下图

在8086中，设CS中的内容为M，IP中的内容为N，则CPU从M*16+N单元开始读取一条指令并执行，任意时刻，CPU都将CS:IP指向的内容当做指令执行
CS+IP通过地址加法器，合成一个内存地址，这个内存地址中的内容，就是CPU要执行的指令

注：8086中加电启动或复位后，CS和IP被设置成CS=FFFF，IP=0000，所以8086电脑开机之后执行的第一条指令是：FFFF0H存储单元的指令

四个段寄存器：CS/DS/SS/ES

六：CS和IP寄存器
如何修改CS和IP？？？

mov指令叫做传送指令，传送指令不可以修改cs寄存器，因为CPU就不提供这种功能，需要使用转移指令进行修改，一个典型转移指令就是jmp指令

jmp 段地址:偏移地址

//执行这条指令之后，CS=2AE3，IP=0003，接下来CPU将执行2AE33存储单元内的指令
jmp 2AE3:3

jmp 某一寄存器

// 将ax中的值放到ip寄存器中
jmp ax

日记：使用CALL指令将EIP内容读取到栈，这样我们就能获取到EIP中的内容了，然后使用RET/IRET指令修改栈，这样就实现了函数注入

七：DS寄存器
汇编代码有时候会遇见中括号的写法，这种写法叫做[address]，这种方式是以字为单位进行操作的，千万要注意，"以字为单位"这句话，并且address只能是一个常量，或者一些指定的寄存器，它们分别是bx,bp,si,di，例如下面的汇编代码是正确的

mov ax,[666];使用ds作为段寄存器，默认就是ds
mov ax,[bx];使用ds作为段寄存器，因为中括号[]中有bx寄存器
mov ax,[bx+si];使用ds作为段寄存器，因为中括号[]中有bx寄存器
mov ax,[bx+di];使用ds作为段寄存器，因为中括号[]中有bx寄存器
mov ax,[bp];使用ss作为段寄存器，因为中括号[]中有bp寄存器
mov ax,[bp+si];使用ss作为段寄存器，因为中括号[]中有bp寄存器
mov ax,[bp+di];使用ss作为段寄存器，因为中括号[]中有bp寄存器

下面的汇编代码是错误的

mov ax,[bx+bp];bx和bp不能同时出现在同一个中括号里
mov ax,[cx]
mov ax,[dx]
mov ax,[ds]

假设DS=2000H，并且内存如下图

则执行mov ax,[1]这条汇编指令的时候，根据CPU位数不同，其处理也是不同的

8位CPU：将一个内存地址20001处的值B8挪到ax中
16位CPU：将一个内存地址20001处的值B8，20002处的值23，合并成一个16位数23B8H，然后将23B8H挪到ax中
32位CPU：将一个内存地址20001处的值B8，20002处的值23，20003处的01，20004出的B8，合并成一个32位数B80123B8H，挪到ax中

如何修改DS寄存器中的值？
由于CPU硬件设计问题，DS寄存器只能接收其他寄存器的值，而不接受立即数，例如下面的汇编语言是错误的

mov ds,1111H

要想让ds的值为1111H，则必须同一个一个寄存器进行中转，下面的汇编语言是正确的

mov ax,1111H
mov ds,ax

别问为什么，8086CPU就是这么设计的，我也不知道为什么

八：SS和SP寄存器
确定栈空间，就是确定栈顶在哪个位置，任意时刻，SS和SP都指向栈顶，段寄存器SS用于存放段地址，寄存器SP用于存放偏移地址，执行push和pop指令的时候，CPU根据SS:SP获取栈顶位置
当执行下面push指令时候
push ax
SP首先-2（8086CPU），将栈顶往上挪动2个存储单元，然后将ax中的内容放到栈内
相对的，pop指令的时候，sp首先会自动+2
注意：执行修改SS指令的时候，比如mov ss,xxx，此时CPU强制屏蔽中断，直到下一条指令执行完毕，所以，mov ss,xxx之后，下面的指令我们必须要修改sp才行
九：ES
与DS功能相同

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