x86 - CPU架构/寄存器详解 （二） 实模式（8086模式）
系列文章
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本文内容：
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- 系列文章
- 一、处理器架构
- 二、内存机制
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- 分段机制
- 内存访问
- 通用寄存器
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- AX 寄存器
- BX 寄存器
- CX 寄存器
- DX 寄存器
- 指针寄存器 BP
- 变址寄存器 SI/DI
- 其他寄存器
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- CS 寄存器 和 IP 寄存器
- SS 寄存器和 SP 寄存器
- DS 寄存器和 ES 寄存器
- 标志寄存器（FLAG）
- 三、参考资料
8086 具有 16 位的段寄存器、指令指针寄存器和通用寄存器（CS、SS、DS、ES、IP、AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP），因此，我们称它为 16 位的处理器。尽管它可以访问 1MB 的内存，但是只能分段进行，而且由于只能使用 16 位的段内偏移量，故段的长度最大只能是 64KB。8086 只有一种工作模式，即实模式；当然，这个名称是后来才提出来的。
一、处理器架构
8086 CPU 中寄存器总共为 14 个，且均为 16 位 。即 AX，BX，CX，DX，SP，BP，SI，DI，IP，FLAG，CS，DS，SS，ES 共 14 个。而这 14 个寄存器按照一定方式又分为了通用寄存器，控制寄存器和段寄存器。
通用寄存器
| 缩写 | 含义 |
|---|---|
| AX，BX，CX，DX 称作为数据寄存器 |
AX (Accumulator)：累加寄存器，也称之为累加器； BX (Base)：基地址寄存器； CX (Count)：计数器寄存器； DX (Data)：数据寄存器； |
| SP 和 BP 又称作为指针寄存器 |
SP (Stack Pointer)：堆栈指针寄存器； BP (Base Pointer)：基指针寄存器； |
| SI 和 DI 又称作为变址寄存器 |
SI (Source Index)：源变址寄存器； DI (Destination Index)：目的变址寄存器； |
控制寄存器
IP (Instruction Pointer)：指令指针寄存器；
FLAG：标志寄存器；
段寄存器
CS (Code Segment)：代码段寄存器；
DS (Data Segment)：数据段寄存器；
SS (Stack Segment)：堆栈段寄存器；
ES (Extra Segment)：附加段寄存器；
二、内存机制
分段机制
想象一下，如果我们在程序中完全使用物理地址对数据、代码进行定位，那我们必须保证计算机会按照我们预想的那样，将程序完整的读取到我们指定的内存区域（实际上这是完全不可能的）。因此，为了能够让程序具有通用性，我们需要在编程时使用相对地址或者偏移地址，而不能使用真实的物理地址，因此引入了分段机制。当程序加载时，这些相对地址还要根据程序实际被加载的位置重新计算，从而保证数据能够从正确的位置被读取到。
其实段也就是在编程时，我们将若干个地址连续的内存单元看做是一个段，然后通过将一个段地址左移 4 位形成基地址（取决于8086独特的编制方式），再通过这个基地址来定位这个段的起始地址，然后，再通过偏移地址便可以精确定位到段中的内存单元了。
当采用分段策略之后，一个内存单元的地址实际上就可以用“段：偏移”或者 “段地址：偏移地址”来表示，这就是通常所说的逻辑地址。
为了在硬件一级提供对“段地址：偏移地址”内存访问模式的支持，处理器至少要提供两个段寄存器，分别是代码段（Code Segment，CS）寄存器和数据段（Data Segment，DS）寄存器。对 CS 内容的改变将导致处理器从新的代码段开始执行。同样，在开始访问内存中的数据之前，也必须首先设置好 DS 寄存器，使之指向数据段。 （SS （Stack Segment） 栈段也很重要）
除此之外，最重要的是，当处理器访问内存时，它把指令中指定的内存地址看成是段内的偏移地址，而不是物理地址。这样，一旦处理器遇到一条访问内存的指令，它将把 DS 中的数据段起始地址和指令中提供的段内偏移相加，来得到访问内存所需要的物理地址。
注意，由于短地址是由16位寄存器左移4位得来的，因此 8086 处理器的逻辑分段，起始地址都是 16 的倍数，这称为是按 16 字节对齐的。而段偏移也是由16位寄存器得到的，因此段的最大长度为64K。
内存访问
8086一共只有20位地址线（所以地址空间只有1MB），以及8个16位的通用寄存器，以及4个16位的段寄存器。所以为了能够通过这些16位的寄存器去构成20位的主存地址，必须采取一种特殊的方式。当某个指令想要访问某个内存地址时，它通常需要用下面的这种格式来表示：
(段基址：段偏移量)
第一个字段是段基址，它的值是由段寄存器提供的。段寄存器有4种，%cs，%ds，%ss，%es。具体这个指令采用哪个段寄存器是由这个指令的类型来决定的。比如要取指令就是采用 %cs 寄存器（jmp, call），要读取或写入数据就是 %ds 寄存器(mov)，如果要对堆栈操作就是 %ss 寄存器(push, pop)。总之，不管什么指令，都会有一个段寄存器提供一个16位的段基址。
第二字段是段内偏移量，代表你要访问的这个内存地址距离这个段基址的偏移。它的值就是由通用寄存器来提供的，所以也是16位。
那么问题来了，两个16位的值如何组合成一个20位的地址呢？8086 采用的方式是把段寄存器所提供的段基址先向左移4位。这样就变成了一个20位的值，然后再与段偏移量相加。所以算法如下：
物理地址 = 段基址<<4 + 段内偏移
所以假设 %cs中的值是 0xff00，%ax = 0x0110。则 (%cs:%ax) 这个地址对应的真实物理地址是
0xff00<<4 + 0x0110 = 0xff110。
上面就是实模式访问内存地址的原理。
通用寄存器
- 8086 处理器内部有 8 个 16 位的通用寄存器，分别被命名为 AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP。“通用”的意思是，它们之中的大部分都可以根据需要用于多种目的。
- 因为这 8 个寄存器都是 16 位的，所以通常用于进行 16位的操作。比如， 可以在这 8 个寄存器之间互相传送数据，它们之间也可以进行算术逻辑运算；也可以在它们和内存单元之间进行 16位的数据传送或者算术逻辑运算。
- 同时，这 8 个寄存器中的前 4 个，即 AX、BX、CX 和 DX，又各自可以拆分成两个 8位的寄存器来使用，总共可以提供 8 个 8 位的寄存器 AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH 和DL。这样一来，当需要在寄存器和寄存器之间，或者寄存器和内存单元之间进行 8 位的数据传送或者算术逻辑运算时，使用它们就很方便。
将一个 16 位的寄存器当成两个 8 位的寄存器来用时，对其中一个 8 位寄存器的操作不会影响到另一个 8 位寄存器。举个例子来说，当你操作寄存器 AL 时，不会影响到 AH 中的内容。
AX 寄存器
AX 的另外一个名字叫做累加寄存器或者简称为累加器，可以说是使用率最高的寄存器；除此之外，一些特殊指令都需要使用AX进行存储和运算：
- 8086 处理器提供了除法指令 div，它可以做两种类型的除法。
(1) 第一种类型是用 16 位的二进制数除以 8 位的二进制数。在这种情况下，被除数必须在寄存器 AX 中，必须事先传送到 AX 寄存器里。除数可以由 8 位的通用寄存器或者内存单元提供。指令执行后，商在寄存器 AL 中，余数在寄存器 AH 中；
(2) 第二种类型是用32 位的二进制数除以16 位的二进制数。在这种情况下，因为 16 位的处理器无法直接提供 32 位的被除数，故要求被除数的高 16 位在DX 中，低 16 位在 AX 中，用“DX:AX”来表示 32 位的被除数 - MUL 指令可以用 8 位的通用寄存器或者内存单元中的数和寄存器 AL 中的内容相乘，结果是 16 位，在 AX 寄存器中；也可以用 16 位的通用寄存器或者内存单元中的数和寄存器 AX 中的内容相乘，结果是 32 位，高 16 位和低 16 位分别在 DX 和 AX 中。
BX 寄存器
除了暂存一般性数据的功能外，BX 作为通用寄存器的一种，BX 主要还是用于其专属功能 – 寻址（寻址物理内存地址）上，BX 寄存器中存放的数据一般是用来作为偏移地址使用的。
在 8086 处理器上，如果要用寄存器来提供偏移地址（以 […] 的方式使用），只能使用 BX、SI、DI、BP，不能使用其他寄存器。 比如：
mov [bx],dl
指令的作用是把 DL 中的内容，传送到以 DS 的内容为段地址，以 BX 的内容为偏移地址的内存单元中去。注意，指令中的中括号是必需的，否则就是传送到 BX 中，而不是 BX 的内容所指示的内存单元了。
CX 寄存器
CX 中的 C 被翻译为 Counter 也就是计数器的功能，当在汇编指令中使用循环 LOOP 指令时，可以通过 CX 来指定需要循环的次数;
loop 指令的功能是重复执行一段相同的代码，处理器在执行它的时候会顺序做两件事：
- 将寄存器 CX 的内容减一；
- 如果 CX 的内容不为零，转移到指定的位置处执行，否则顺序执行后面的指令。
DX 寄存器
DX 寄存器和 AX一样，都需要用在特殊指令 DIV，MUL中：
即当在使用 DIV 指令进行除法运算时，如果除数为 16 位时，被除数将会是 32 位，而被除数的高 16 位就是存放在 DX 中，而且执行完 DIV 指令后，本次除法运算所产生的余数将会保存在 DX 中；
同时，在执行 MUL 指令时，如果两个相乘的数都是 16 位的话，那么相乘后产生的结果显然需要 32 位来保存，而这 32 位的结果的高 16 位就是存放在 DX 寄存器中 。
指针寄存器 BP
这里只介绍BP，SP会和SS一起介绍（堆栈）；
BP (Base Pointer)也就是基指针寄存器，它和其他的几个用来进行寻址操作所使用的寄存器（还有 BX，SI，DI）没有太大的区别。
当以 […] 的方式访问内存单元而且在 […] 中使用了寄存器 BP 的话，如果在指令中没有明确或者说是显示的给出段地址时，段地址则使用默认的 SS 寄存器中的值（BX，SI，DI 会默认使用 DS 段寄存器），
比如 DS:[BP] 则在这里明确给出了段地址位于 DS 中，这里代表的内存单元即是段地址为 DS ，偏移量为 BP 寄存器中的值的内存单元，而如果单单是使用 [BP] 的话，则代表的内存单元是段地址为 SS，偏移量为 BP 寄存器中的值的内存单元；
并且 BP 寄存器主要适用于给出堆栈中数据区的偏移，从而可以方便的实现直接存取堆栈中的数据。
变址寄存器 SI/DI
变址寄存器和上面介绍的指针寄存器（也就是 BP 和 SP），它们的功能其实都是用于存放某个存储单元地址的偏移，或者是用于某组存储单元开始地址的偏移，即作为存储器指针使用。
SI (Source Index) 是源变址寄存器，DI (Destination Index) 即是目的变址寄存器，8086 CPU 中的 SI 寄存器和 DI 寄存器其实和 BX 寄存器的功能是差不多的，只是有一些特殊指令必须要用到它们。
8086 提供了 movsb 和 movsw 指令：
- 这两个指令通常用于把数据从内存中的一个地方批量地传送（复制）到另一个地方，处理器把它们看成是数据串。movsb 的传送是以字节为单位的，而 movsw 的传送是以字为单位的。
- movsb 和 movsw 指令执行时，原始数据串的段地址由 DS 指定，偏移地址由 SI 指定，简写为 DS:SI；要传送到的目的地址由 ES:DI 指定；传送的字节数（movsb）或者字数（movsw）由 CX 指定。
- 标志寄存器 FLAGS 第 10 位是方向标志 DF（Direction Flag），通过将这一位清零或者置 1，就能控制 movsb 和 movsw 的传送方向（正向传送是指传送操作的方向是从内存区域的低地址端到高地址端；反向传送则正好相反）
- 不管是正向传送还是反向传送，也不管每次传送的是字节还是字，每传送一次，CX 的内容自动减一。
- 注意：单纯的 movsw 只能执行一次，如果希望处理器自动地反复执行，需要加上指令前缀 rep（repeat），意思是 CX 不为零则重复。rep movsw 的操作码是0xF3 0xA5，它将重复执行 movsw 直到 CX 的内容为零。
其他寄存器
CS 寄存器 和 IP 寄存器
CS:IP 两个寄存器指示了 CPU 当前将要读取的指令的地址，其中 CS 为代码段寄存器，而 IP 为指令指针寄存器 。
IP 是指令指针（Instruction Pointer）寄存器，它只和 CS 一起使用，而且只有处理器才能直接改变它的内容。当一段代码开始执行时，CS 指向代码段的起始地址，IP 则指向段内偏移。
这样，由 CS 和 IP 共同形成逻辑地址，并由总线接口部件变换成物理地址来取得指令。然后，处理器会自动根据当前指令的长度来改变 IP 的值，使它指向下一条指令。
SS 寄存器和 SP 寄存器
和代码段、数据段和附加段一样，堆栈也被定义成一个内存段，叫堆栈段（Stack Segment），由段寄存器 SS 指向。SS 指向栈顶，SP 存储栈顶的偏移地址，在任何时刻，SS:SP 都是指向栈顶元素 。
针对堆栈的操作有两种，分别是将数据推进堆栈（push）和从堆栈中弹出数据（pop）。简单地说，就是压栈和出栈。压栈和出栈只能在一端进行，所以需要用堆栈指针寄存器 SP（Stack Pointer）来指示下一个数据应当压入堆栈内的什么位置，或者数据从哪里出栈。栈的内存结构是从上到下扩展的：
- 当使用 PUSH 指令向栈中压入 1 个字节单元时，SP = SP - 1；即栈顶元素会发生变化；
- 当使用 POP 指令从栈中弹出 1个字节单元时， SP = SP + 1；即栈顶元素会发生变化；
DS 寄存器和 ES 寄存器
顾名思义，DS是数据段（Data Segment）寄存器，ES是附加段（Extra Segment）寄存器。
通常在使用一些数据操作指令时，默认将DS作为段基址，比如：
MOV [BX],AL
当我们定义好段地址后，每一次 CPU 执行到 [BX] 时，便会默认的从 DS 中取值，并且将取得的值作为段地址，因此，当 [BX] 为 0001H 时，CPU 会从 DS 中取得一个 1000H ，由这两个一合成即可以得到正确的物理地址 1000H：0001H 。
注意：8086 CPU 不支持直接将一个数据送入段寄存器中，一般是先将数据送入通用寄存器，再由通用寄存器送入段寄存器。
标志寄存器（FLAG）
标志寄存器设计为16位，实际使用9位：
其中6位用以存放算术逻辑单元运算后的结果特征，称为状态标志；
另外3位通过人为设置，用以控制8086的三种特定操作，称为控制标志。
6个状态标志位定义如下：
| 位置 | 英文 | 中文 | 作用 |
|---|---|---|---|
| D0 | CF（Carry FLag） | 进位标志 | 用于反映运算是否产生进位或借位。如果运算结果的最高位产生一个进位或借位，则CF置1，否则置0。运算结果的最高位包括字操作的第15位和字节操作的第7位。移位指令也会将操作数的最高位或最低位移入CF。 |
| D2 | PF（Parity FLag） | 奇偶标志 | 用于反映运算结果低8位中“1”的个数。“1”的个数为偶数，则PF置1，否则置0。 |
| D4 | AF（Auxiliary Carry FLag） | 辅助进位标志 | 算数操作结果的第三位（从0开始计数）如果产生了进位或者借位则将其置为1，否则置为0，常在BCD(binary-codedecimal)算术运算中被使用。 |
| D6 | ZF（Zero FLag） | 零标志 | 用于判断结果是否为0。运算结果0，ZF置1，否则置0。 |
| D7 | SF（Sign FLag） | 符号标志 | 用于反映运算结果的符号，运算结果为负，SF置1，否则置0。因为有符号数采用补码的形式表示，所以SF与运算结果的最高位相同。 |
| D11 | OF（OverFlow FLag） | 溢出标志 | 反映有符号数加减运算是否溢出。如果运算结果超过了8位或者16位有符号数的表示范围，则OF置1，否则置0。 |
3个控制标志位定义如下：
| 位置 | 英文 | 中文 | 作用 |
|---|---|---|---|
| D8 | TF（Trap FLag） | 跟踪/陷阱/单步标志 | 当TF被设置为1时，CPU进入单步模式，所谓单步模式就是CPU在每执行一步指令后都产生一个单步中断。主要用于程序的调试。8086/8088中没有专门用来置位和清零TF的命令，需要用其他办法。 |
| D9 | IF（Interrupt-Enable FLag） | 中断标志 | 决定CPU是否响应外部可屏蔽中断请求。IF为1时，CPU允许响应外部的可屏蔽中断请求。 |
| D11 | DF（Direction FLag） | 方向标志 | 决定串操作指令执行时有关指针寄存器调整方向。当DF为1时，串操作指令按递减方式改变有关存储器指针值，每次操作后使SI、DI递减。 |
三、参考资料
《x86汇编语言 从实模式到保护模式》
https://blog.csdn.net/weixin_40913261/article/details/90762210
https://blog.csdn.net/weixin_42109012/article/details/100148721
https://blog.csdn.net/sky1679/article/details/89785382
https://blog.csdn.net/song_lee/article/details/105297902
https://www.cnblogs.com/wanghetao/archive/2011/10/28/2228130.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/272135463
https://www.cnblogs.com/nullecho/p/10266467.html
https://www.cnblogs.com/kukudi/p/11416993.html