汇编语言

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书上内容比较全，初学者多看看王爽老师的书。有不懂的再来查。
笔记是简略版，有检测点和实验的答案，还有自己的理解。

前言

在学之前，搞清楚本书的重心：

通过学习关键指令来深入理解机器工作的基本原理，培养底层编程意识和思想。

读者应具备以下知识：

  • 二进制、十六进制的知识
  • 一门高级语言基本编程基础（顺序，选择，循环）

第一章：基本知识

位、字、字长、字节

  • 位（bit，b）：是计算机中最小的数据单位，一个位的值只可能是0或1
  • 字节（Byte，B）：8位是一个字节
  • 字长：CPU在单位时间可以处理的最大二进制的位数。8位CPU，也就是单位时间内最大可以处理一字节。
  • 字（Word，W)：计算机处理数据时，一次存取、加工、传送的数据的长度称为字。一个字通常是由多个字节构成。字长为32的CPU，一个字等于4个字节。显然，字与字长有关，可以理解为：一个字 = 字长/8。

机器语言

  1. 机器语言是机器指令的集合
  2. 机器指令展开来讲就是一台机器可以正确执行的命令。

汇编语言的产生

  1. 汇编语言的主体是汇编指令
  2. 汇编指令与机器指令的差别在于指令的表示方法上。汇编指令是机器指令便于记忆的书写格式。
  3. 汇编指令是机器指令的助记符。

汇编语言的产生

机器只认识二进制，机器语言就是一堆二进制码。所有的高级语言写的源程序最终都会变成二进制，给机器运行。

机器语言人难写又难读，所以就用另一种人比较好看的语言来做这些事情，通过编译器最终转换成机器语言。

这个转换过程叫做翻译。

寄存器：CPU中可以存储数据的器件，一个CPU中有多个寄存器。

汇编语言的组成

  1. 汇编指令（机器码的助记符，有对应的机器码）
  2. 伪指令（没有对应的机器码，由编译器执行，计算机不执行）
  3. 其它符号（由编译器识别，没有对应的机器码）

汇编语言的核心是汇编指令，它决定了汇编语言的特性。

存储器

CPU是计算机的核心部件，它控制整个计算机的运作并时进行运算，要想让一个CPU工作，就必须向它提供指令和数据。

指令和数据在存储器中存放， 也就是平时所说的内存。计算机中的硬件一般都有固定的存储，显卡，网卡，BIOS都有。

存储单元

存储器被划分为若干个存储单元，每个存储单元从0开始编号。

微机存储器的容量是以字节为最小单位来计算的，一个存储单元就是1Byte，即8个二进制位。也就是说64KB就是10^16字节，字节单位已经是最小单位了，不能再细分了。

B=>KB=>MB=>GB=>TB

指令和数据

在计算机的内存和磁盘上，只有二进制数。这些二进制数有两种可能，要么是数据，要么是指令。

CPU对存储器的读写

  1. 存储单元的地址（地址信息）
  2. 器件的选择，读或写命令（控制信息）
  3. 读或写的数据（数据信息）

地址线发出操作3这个地址，控制线说是读，数据线将08读入CPU。

同理：地址线发出操作3这个地址，控制线说是写，数据线将一个数据写进3这个内存单元。

三大总线

  • 地址总线：

    • CPU是通过地址总线来指定存储单元的*(定位的是Byte，不是bit)*

      尤其要注意这里，能寻址的最小单元是字节单元，也就是说，这个单元上的二进制能表达256种可能。

    • 地址总线上能传送多少个不同的信息，CPU就可以对多少个存储单元进行寻址

    一个CPU有N根地址总线，则可以说这个CPU的地址总线的宽度为N

    其最多可以寻找2的N次方个内存单元（2^N byte）

  • 控制总线

    • CPU对外部器件的控制是通过控制总线来进行的。在这里控制总线是个总称，控制总线是一些不同控制线的集合
    • 有多少根控制总线，就意味着CPU提供了对外部器件的多少种控制，其宽度决定了CPU对外部器件的控制能力

    内存的读或写命令是由几根控制线综合发出的：

    • 其中有一根名为读信号输出控制线负责由CPU向外传送读信号，CPU向该控制线上输出低电平表示将要读取数据
    • 有一根名为写信号输出控制线负责由CPU由外传送写信号

    可以粗略的理解为每一条线对应一个东西，发送0、1进行读写。

  • 数据总线

    • CPU和内存或其它器件之间的数据传送是通过数据总线来进行的
    • 数据总线的宽度决定了CPU和外界的数据传送速度

    数据总线与地址总线不同了，他的一根线就表示一位。8位数据（1byte）就要8根线，而地址线找地址一根就能找两种内存单元（byte）。

注意点

地址总线寻址是从存储（内存）单元寻址的，从寻址来说，存储单元就是最小可编址单位，一般就是1Byte。一根就是1Byte。N根就是2^N个Byte。

数据总线一根就是一位。

内存编址：存储器由许多可存放一段信息的单元（位置）组成，每个单元都有一个编号，程序可以通过这个编号来访问这个单元，这个编号就是这个单元的地址。

显然地址总线就是通过这个编号来访问每一个地址单元的，而地址线一根就是两种状态，通过组合又组成了多种状态来找到这个编号。 如果有6个单元就至少需要3根线（2^3=8）。

检测: 检测点1.1

内存地址空间

一个CPU地址总线宽度为10，那么可以寻址1024个内存单元（Byte)，这个1024个可寻址的单元就构成了CPU的内存地址空间。

主板

主板上有一些主要部件和一些核心器件，这些器件通过三大总线相连。CPU、存储器、外围芯片组、扩展卡槽等

接口卡

计算机系统中，所有可用程序控制其工作的设备，都要受到CPU的控制，但是CPU并不能直接控制这些设备，直接控制这些的是在扩展卡槽上的接口卡，扩展卡槽通过总线与CPU相连，所以接口卡也相连。CPU可以直接控制这些接口卡，来间接的控制这些外部设备。

CPU ——> 接口卡——>外设

各类存储器芯片

一台PC机中，装有多个存储器芯片。

物理上来看这些芯片是独立的，从读写属性上分为两类

  • RAM 可读写，掉电内容丢失
  • ROM 只读

从功能和连接上分为

  1. 随机存储器RAM

    用于存放CPU使用的绝大部分数据和程序，主随机存储器一般由两个位置上的RAM组成

    1. 装在主板上RAM
    2. 插在扩展插槽上的RAM

  2. 装有BIOS(Basic Input/Output System)的ROM

    BIOS是由主板和各类接口卡厂商提供的软件系统，可以通过它利用该硬件设备进行最基本的输入与输出。

    主板有主板的BIOS

    显卡有显卡的BIOS

    如果网卡有ROM，那其中就可以存储网卡的BIOS

  3. 接口卡上的RAM

    某些接口卡需要对大批量输入、输出数据进行暂时存储，在其上装有RAM。

    典型的是显卡上的显存，显示卡随时将显存中的数据向显示器上输出，将需要的内空写入显存，就会出现在显存中。

内存地址空间

上面的存储器在物理上是独立的，但是下面两点是相同的

  • 都和CPU的总线相连
  • CPU对它们进行读或写的时候都通过控制线发出内存读写命令

CPU在操控它们时，把它们都当作了内存看待，把它们总的看作一个由若干存储单元组成的逻辑存储器，这个存储器就是内存地址空间

所有物理存储器被看作一个由若干存储单元组成的逻辑存储器，每个物理存储器在这个逻辑存储器中占有一个地址段，即一段地址空间。CPU在这段地址空间中读写数据，实际上就是在对应的物理存储器中读写数据。

内存地址空间大小受CPU地址总线宽度的限制，8086CPU地址总线宽度为20，所以8086PC内存地址空间为1MB，80386地址总线为32，则PC内存地址空间为4GB。

第二章：寄存器

一个典型的CPU由运算符、控制器、寄存器等器件构成，这些器件靠内部总线相连。

前一章说的总线相对于CPU内部而言其实是外部总线，而内部也有一个总线，实现了CPU内部各个器件之间的联系，外部总线实现CPU和主板上其他器件的联系。

在CPU内部

  • 运算器进行信息处理
  • 寄存器进行信息存储
  • 控制器控制各种器件进行工作
  • 内部总线连接各种器件，在它们之间进行数据传送

对于汇编程序员来说，CPU中的主要部件是寄存器。寄存器是CPU中程序员可以用指令读写的部件。程序员通过改变各种寄存器中内容来实现对CPU的控制。

这里的寄存器是在CPU中的

8086CPU

8086CPU中的所有寄存器都是16位的

通用寄存器

AX、BX、CX、DX

为了兼容上一代的8位寄存器， 这4个寄存器都可以分为两个可独立使用的8位寄存器。

以AX为例高8位AH，低8位AL。

上面表中AX最高位少了一个0

字在寄存器中的存储

8086CPU：

  • 字节：Byte，8bit
  • 字：两个字节，就是16位，分别是高位字节和低位字节

几条汇编指令

汇编指令和寄存器名称不区分大小写。

检测: 检测点2.1

物理地址

CPU访问内存单元时，要给出内存单元的地址，所有内存单元给同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，这个地址就是物理地址。

CPU通过地址总线送入存储器的，必须是一个内存单元的物理地址。而这个物理地址，不同的CPU有不同的形成方式。

8086CPU（16位结构的CPU）

16位的CPU（16位机，字长为16位），意味着：

  • 运算器一次最多可以处理16位数据
  • 寄存器最大宽度为16位
  • 寄存器和运算器之间的最大通路为16位

也就是说，在8086内部，能够一次性处理、传输、暂时存储的信息的最大长度是16位的。

8086CPU给出物理地址的方法

8086CPU有20位的地址总线，达到1MB的寻址能力，8086CPU又是16位的结构，如果从内部发出的话，也只能发出16位，8086CPU用段地址+偏移地址的方法来形成一个20位的物理地址。

物理地址=段地址*16 + 偏移地址

乘16也就意味着16进制数左移一位，也就是16位的2进制数变成了20 位的2进制数，再加上这个偏移地址，就形成了可以确定的20位的物理地址。

段的概念

要注意的是，内存其实没有分段，是CPU搞出来的段地址。

下面两张图：

可以认为左边的10000H-100FFH组成一个段，起始地址为10000H，段地址为1000H，大小为100FFH-10000H = 100H

可以认为右边的10000H-1007FH组成一个段，10080H-100FFH组成一个段，大小都为80H。

可以看出，起始地址=段地址*16，必然是16的倍数。

在8086CPU中，偏移地址是16位，最大寻址是64KB，0000H-FFFFH，想要两个段接得上，段的长度应该是64KB。

总结

在8086PC机中，存储单元的地址用两个元素来描述，段地址和偏移地址。

数据在21F60H内存单元中，一般不这么说，要说：

  • 数据在2000：1F60单元中
  • 数据在2000段中的1F60H单元

检测: 检测点2.2

段寄存器

8086CPU在访问内存时需要段地址与偏移地址，送入地址加法器合成物理地址。这里就是由寄存器提供地址，段寄存器提供段地址。

8086CPU有4个段寄存器：

  • CS（Code Segment）
  • DS（Data Segment）
  • SS（Stack Segment）
  • ES（Extra Segment）

CS和IP

IP（instruction point）：指令指针寄存器

8086PC机中，CS中的内容为M，IP中的内容为N，8086将从M*16 + N的内存单元开始，读取一条指令并执行。

IP执行完当前指令后会自动移到下一条指令的位置。如果当前指令是3个字节那就加3，如果是两个字节就加2。

8086CPU工作过程：

  1. 从CS：IP指向的内存单元读取指令，读取的指令进入指令缓冲器
  2. IP = IP+所读取的指令的长度， 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

在8086CPU加电启动或复位，CS = FFFFH，IP = 0000H，FFFF0H是开机后的第一条指令。

CPU将CS、IP中的内容当作指令的段地址和偏移地址

修改CS、IP

程序员可以通过改变CS、IP中的内容来控制CPU执行目标指令。

jmp 段地址：偏移地址

用指令中给出的段地址修改CS，偏移地址修改IP

jmp 偏移地址

改变IP

CPU只认被CS：IP指向的内存单元中的内容为指令。

检测: 检测点2.3

实验1

第三章：寄存器（内存访问）

第二章从CPU如何执行指令的角度讲解了8086CPU的逻辑结构、形成物理地址的方法、相关寄存器以及一些指令。

这一章从访问内存角度学习寄存器。

内存中的存储

数据和程序在内存中，都是二进制文件，能访问的地址也就是一个字节，用16进制来表示。CPU中，用16位寄存器来存储一个字，高8位存放高字节，低8位放低字节。

上图的0，1，2，3……就是能访问到的地址，用16进制来表示一个字节，比如20H，4EH等等。

由于内存单元是字节单元，则一个字就要用两个连续的内存单元来存。图中0、1两个内存单元存放数据4E20H，0是低地址单元，1是高地址单元。

:字单元：存放一个字型数据（16位）的内存单元，由两个地址连续的内存单元组成，高地址内存单元中存放字型数据的高位字节，低地址内存单元存放字型数据的低位字节。

以起始地址为N的字单元简称N地址字单元。

DS和address

CPU要读写一个内存单元时，必须先给出这个内存单元的地址，在8086PC中，内存地址由段地址和偏移地址组成。

8086CPU中有一个DS寄存器用于存放段地址（注意DS寄存器也应该是16位的，不是20位的）

mov bx, 1000H
mov ds, bx
mov al, [0]
//将1000:0中的数据读到al中

为什么不能是

mov ds 1000H

因为8086CPU不支持将数据直接送入段寄存器（设计缺陷）

传送多少的数据是由最后的通用寄存器决定的，如果是ax、bx就传16位，最大也就只能传16位，而如果是al、ah，那就传送8位。

字的传送

8086CPU是16位结构，一次传送16位数据。

mov bx, 1000H
mov ds, bx
mov ax, [0]
mov [0], cx

16进制数一个数字代表四个二制数，4个数就是16个二进制数，也就是16位。

高位在高地址，低位在低地址

mov、add、sub指令

  1. mov 指令可以对寄存器，数据，内存单元之间的随意赋值
  2. add、sub指令不可以用于段寄存器（以s结尾的寄存器segment）

数据段

可以将一组长度为N<=64KB、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。

ds中存放数据段的段地址，再自己根据需要访问段中的单元。

栈

栈是一个存储空间，据有特殊的访问方式。先进后出，First in last out

由图形来看的话就也是一段空间，如下图，但是注意这段空间高地址在下面，低地址在上面。

检测: 检测点3.1

CPU提供的栈机制

ss:sp在任意时刻都指向栈顶元素，push入栈，pop出栈

在刚开始时，栈的长度是sp所决定的，ss为段地址，也就是低地址，在图上来说就是在上方，而sp始终指向栈顶，当栈为空时，栈顶应该在栈的最底部的下面。也就是最高地址的后面。按上图10000H~1000FH来说，ss=1000H，sp=10H。长度就是16byte。

栈顶越界问题

如果一直push肯定总有一天会满栈然后越界，如果一直pop，肯定总有一天会空栈然后也越界。要求编程人员自己注意。

push、pop指令

  • push
push 寄存器 将寄存器中的数据入栈
  1. sp = sp-2，先让sp指向当前栈顶前面的单元，也就是将要送入数据的单元
  2. 将寄存器中的内容送入ss:sp指向的内存单元，此时ss:sp就指向新栈顶
  • pop
pop 寄存器 将栈中的数据送入寄存器

  1. 将ss:sp指向的内存单元中的数据送入到寄存器中

  2. sp = sp+2，让sp指向当前栈顶下面的内存单元，以这个单元为新的栈顶

8086CPU是16位的CPU，所以一次操作16位二进制数据，也就是4位16进制数据。一个内存单元中的数据是一个字节，也就是8位数据，在push和pop时，一次改变两个内存单元。

栈段

栈段就是当作栈来使用的一段空间。显然sp<=64KB（ffff），所以栈段最大不超过64KB

比如 10010H~1001FH，这是一个16字节的内存单元。

检测: 检测点3.2

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