贺利坚汇编课程笔记2 访问寄存器和内存

贺利坚汇编课程笔记2 访问寄存器和内存

0201 寄存器及数据存储

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，能保存的数据的最大值为$2^{16}-1(FFFFH)$

• 例：在AX中存储18D

  • 12H

  • 10010B

• 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？

  • 通用寄存器均可以分为两个独立的 8位寄存器使用
    • 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

“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

0202 mov 和 add指令

• 例1

  看到老师演示windows自带计算器的程序员模式，感觉还挺好玩的

  功能很强大

  居然还有这个 BYTE WORD DWORD QWORD(四字)
  

  [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

  注意溢出

  

• 例2

  看清楚 l 和 h ，注意溢出

  最后那个158， 1要丢弃

0203 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

    (段地址左移4位)

例：8086CPU访问地址为123C8H的内存单元

老师这里演示的动画非常棒！

• 段地址：1230，偏移地址：00c8
• 段地址：123C，偏移地址：0008
• 段地址：123B，偏移地址：0018
• …
• 这些都是可以的

“段地址×16+偏移地址=物理地址”的本质含义

哈哈哈，老师举的这个姚明的例子还挺好玩的

• 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

0204 内存的分段表示法

用分段的方式管理内存

同一段内存，多种分段方案

• 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

• 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

• 例

起始地址（基础地址）为10000H，段地址为1000H，大小为100H

[

段地址取前16位

起始地址（基础地址）为10000H和10080H，段地址为1000H和1008H，大小均为80H

用不同的段地址和偏移地址形成同一个物理地址

0203 里面已经举过例子

• 再举个例子 物理地址：21F60H

  段地址	偏移地址
  2000H	1F60H
  2100H	0F60H
  21F0H	0060H
  21F6H	0000H
  1F00H	2F60H

  • 在8086PC机中存储单元地址的表示方法

  下面两种说法等价

• 偏移地址16位，变化范围为0~FFFFH，用偏移地址最多寻址64KB

  • 例：给定段地址2000H，寻址范围是20000H~2FFFFH，共64KB

• 段地址非常重要

• 偏移地址可以用多种方法提供——8086丰富的取址方式

0205 Debug的使用

Debug是什么？

医学中的内窥镜

Debug能做什么

• 用R命令查看、改变CPU寄存器的内容
• 用D命令查看内存中的内容
• 用E命令改变内存中的内容
• 用U命令将内存中的机器指令翻译成汇编指令
• 用A命令以汇编指令的格式在内存中写入机器指令
• 用T命令执行机器指令
• … and so on

启动Debug

• 把debug所在的路径挂载到c上面，然后敲入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(r和寄存器中可以没有空格）：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

• D 段地址:偏移地址 列出内存中指定地址处的内容
  

• 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

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

用U命令将内存中的机器指令翻译成汇编指令

• 例

  • 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

神奇捏 可以看作指令 也可以看作数据

用A命令以汇编指令的格式在内存中写入机器指令

• 例

  • 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

    写入cs:ip处

    a 073F:0100
    

  • 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

用Q命令退出Debug

• q - 退出Debug

0206 CS、IP与代码段

两个关键的寄存器 CS IP

• 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

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

https://www.bilibili.com/video/BV1pi4y1P76P?p=13&spm_id_from=pageDriver&vd_source=0e8431ba6fd78bb2215c36307a75ac1a
视频 P13 5min处 的演示动画 好棒！

• 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，重复此过程

在Debug中实证演示上面的示例

上面那个图

• 先把CS改为2000， IP改为0

  r cs
  :2000
  r ip
  :0
  r
  

• 用A命令把代码写入 , U命令查看代码

  mov ax, 0123H
  mov bx, 0003H
  mov ax, bx
  add ax, bx
  

• t执行cs:ip处的代码

• 前面的问题， 当指令使用还是当数据使用？

  d命令显示的是“狭义”的数据

  u显示了“广义”的数据：数据和指令

  • 取决于程序员，如果是当指令使用， 那设置为CS:IP指向这一段， CPU就会把这一段当作指令使用

0207 jmp指令

修改CS、IP的指令

• 执行何处的指令，取决于CS:IP

• 可以通过改变CS、IP中的内容，来控制CPU要执行的目标指令 :

• 那么如何改变CS、IP的值？

  • 方法1：Debug 中的 R 命令可以改变寄存器的值——rcs, rip

    • Debug是调试手段，并非程序方式！

  • 方法2：用指令修改

  - 方法3
  • jmp指令

转移指令jmp

• 可以同时修改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

• 也可以仅修改ip的内容

  jmp某一合法寄存器

  jmp ax
  jmp bx
  

  (类似于mov IP,ax，但是注意mov IP,ax是不允许的！）

例

• 从20000H开始，执行的指令序列是

  mov ax,6622H
  jmp 1000:3
  mov ax,0000
  mov bx,ax
  jmp bx ;修改IP IP变为0
  mov ax,0123H
  ;转到第(3)步mov ax,0000执行  开始循环
  

用Debug实操一下

• 环境准备

• 执行指令

0301 内存中字的存储

字

• 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

  书中一般是最左边那个，

  注意描述方式 0012H的起始地址是2 4E20H的起始地址是0

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）

  • 框出来的方式都可以组成一个字单元

• 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001

• 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 ）

0302 用DS和[address]实现字的传送

要解决的问题

• 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

• 例1 将10000H(1000:0)中的数据读到al中

  mov bx,1000H
  mov ds,bx
  mov al,[0] ;[0]这种方式给出，段地址默认在DS
  

• 例2 将al中的数据写到10000H(1000:0)中

  mov bx,1000H
  mov ds,bx
  mov [0],al
  

cs:ip是执行，ds:[address] 是拿数据。

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
  

案例

debug实操

• 准备数据和指令

  写入之后

• 执行指令

0303 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

  • and so on …

    将哪段内存当作数据段，段地址如何定，在编程时安排

• 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等

例 将123B0H~123BAH的内存单元定义为数据段

• 例：累加数据段中的前3个单元中的数据

  mov ax, 123BH
  mov ds, ax
  mov al,0    ;al清零
  add al,[0]
  add al,[1]
  add al,[2]
  

• 例：累加数据段中的前3个字型数据

  mov ax, 123BH
  mov ds, ax
  mov ax, 0
  add ax,[0]
  add ax,[2]
  add ax,[4]
  

用mov指令操作数据

指令形式	示例
mov 寄存器，数据	mov ax, 8
mov 寄存器，寄存器	mov ax, bx
mov 寄存器，内存单元	mov ax, [0]
mov 内存单元，寄存器	mov [0], ax
mov 段寄存器，寄存器	mov ds, ax

• 学习方法：大胆假设，小心求证

  推测1~3 可以，推测4不行

加法add和减法sub指令

段寄存器不能参与add运算

两个内存单元也不能直接相加

用DS和[address]形式访问内存中数据段方法小结

mov ax,1000H
mov ds,ax
mov ax,11316
mov [0],ax
mov bx,[0]
sub bx,[2]
mov [2],bx

• 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，高位字节存放在高地址单元中

• 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

• [address]表示一个偏移地址为address的内存单元

• 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

• 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）

• 可以根据自己的推测，在Debug中实验指令的新格式

0304 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。

栈的操作

• 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：把10000H~1000FH内存当作栈来使用

• 视频里很棒的动画演示

  没有问题，栈（地址）增长方向和内存单元地址增长方向相反，且8086为小端存储，低位放到低地址

• However，CPU如何知道一段内存空间被当作栈使用的捏？

  moreover，执行push和pop的时候，如何知道哪个单元是栈顶单元？

  • 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指向栈顶指针

例

• push ax 时发生了啥

  • SP = SP - 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

  这里一开始有个疑惑，可能是来自于最早开始学栈的时候，拿一个框子举例子，先放进去一本书，再放进去一本书，书越堆越高，让我会有种误解，越往上去地址越高，

  但是栈地址增加的方向和内存单元地址增长方向是相反滴！ 记住这一点就ok啦

  push 就是栈地址增加，那么就是内存地址减少 ，所以SP是减

• pop ax时又发生了啥

  pop是栈地址减少，那么就是内存地址增加，所以SP是加

  • 将SS:SP指向的内存单元处的数据送入ax中
  • 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

debug验证

实现了AX和BX的数据交换

栈顶超界问题

• 问题来了，如何保证在入栈、出栈时，栈顶不超出栈空间？
  • 哦莫，得编程时自己小心

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：
    • SP=SP-2
    • 向SS:SP指向的字单元中送入数据
  • pop指令的执行步骤：
    • 从SS:SP指向的字单元中读取数据
    • SP=SP+2。

0305 关于”段“的总结

• 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。

  • 物理地址=段地址×16+偏移地址
  • 段的最大长度为64K

• 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来访问；
• 代码段
  • 将段地址放在 CS
  • 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址置放在 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

mov bx,1000H
mov ds,bx
mov bx,1001H
mov ss,ax
mov sp,10H
mov ax,[0]
mov bx,[2]
push ax
push bx
pop ax
pop bx
mov [0],ax
mov [2],bx

debug演示

• 用a写入指令，用u查看

综合示例：三个段地址可以一样

mov bx,1000H
mov ds,bx
mov bx,1001H
mov ss,ax
mov sp,10H
mov ax,[0]
mov bx,[2]
push ax
push bx
pop ax
pop bx
mov [0],ax
mov [2],bx

写入指令

执行指令