x86 CS IP

[CS IP]

2.10  CS和IP（1）

CS和IP是8086CPU中两个最关键的寄存器，它们指示了CPU当前要读取指令的地址。CS为代码段寄存器，IP为指令指针寄存器，从名称上我们可以看出它们和指令的关系。

在8086PC机中，任意时刻，设CS中的内容为Ｍ，IP中的内容为Ｎ，8086CPU将从内存M 16+N单元开始，读取一条指令并执行。

也可以这样表述：8086机中，任意时刻，CPU将CS:IP指向的内容当作指令执行。

图2.10展示了8086CPU读取、执行指令的工作原理(图中只包括了和所要说明的问题密切相关的部件，图中数字都为十六进制)。

图2.10  8086PC读取和执行指令的相关部件

图2.10说明如下。

(1) 8086CPU当前状态：CS中的内容为2000H，IP中的内容为0000H；

(2) 内存20000H~20009H单元存放着可执行的机器码；

(3) 内存20000H~20009H单元中存放的机器码对应的汇编指令如下。

地址：20000H~20002H，内容：B8 23 01，长度：3Byte，对应汇编指令：mov ax,0123H

地址：20003H~20005H，内容：BB 03 00，长度：3Byte，对应汇编指令：mov bx,0003H

地址：20006H~20007H，内容：89 D8，长度：2Byte，对应汇编指令：mov ax,bx

地址：20008H~20009H，内容：01 D8，长度：2Byte，对应汇编指令：add ax,bx

下面的一组图(图2.11~图2.19)，以图2.10描述的情况为初始状态，展示了8086CPU读取、执行一条指令的过程。注意每幅图中发生的变化(下面对8086CPU的描述，是在逻辑结构、宏观过程的层面上进行的，目的是使读者对CPU工作原理有一个清晰、直观的认识，为汇编语言的学习打下基础。其中隐蔽了CPU的物理结构以及具体的工作细节)。

图2.11  初始状态(CS:2000H，IP:0000H，CPU将从 内存2000H×16+0000H处读取指令执行)

图2.12  CS、IP中的内容送入地址加法器(地址加法 器完成：物理地址=段地址×16+偏移地址)

图2.13  地址加法器将物理地址送入输入输出控制电路

图2.14  输入输出控制电路将物理地址20000H送上地址总线

图2.15  从内存20000H单元开始存放的 机器指令B8 23 01通过数据总线被送入CPU

图2.16  输入输出控制电路将机器指令B8 23 01送入指令缓冲器

图2.17  IP中的值自动增加

(读取一条指令后，IP中的值自动增加，以使CPU可以读取下一条指令。因当前读入的指令B82301

长度为3个字节，所以IP中的值加3。此时，CS：IP指向内存单元2000:0003。)

2.10 CS和IP（2）

图2.18  执行控制器执行指令B8 23 01(即mov ax,0123H)

图2.19  指令B8 23 01被执行后AX中的内容为0123H

(此时，CPU将从内存单元2000:0003处读取指令。)

下面的一组图(图2.20~图2.26)，以图2.19的情况为初始状态，展示了8086CPU继续读取、执行3条指令的过程。注意IP的变化(下面的描述中，隐蔽了读取每条指令的细节)。

图2.20  CS:2000H，IP:0003H(CPU将从内存2000H×16+0003H处读取指令BB 03 00)

图2.21  CPU从内存20003H处读取指令BB 03 00入指令缓冲器(IP中的值加3)

图2.22  执行指令BB 03 00(即mov bx,0003H)

图2.23  CPU从内存20006H处读取指令89 D8入指令缓冲器(IP中的值加2)

 

图2.24  执行指令89 D8(即mov ax,bx)后，AX中的内容为0003H

图2.25  CPU从内存20008H处读取指令01 D8入指令缓冲器(IP中的值加2)

图2.26  执行指令01 D8(即add ax,bx)后，AX中的内容为0006H

通过上面的过程展示，8086CPU的工作过程可以简要描述如下。

(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加电启动或复位后(即CPU刚开始工作时)CS和IP被设置为CS=FFFFH，IP=0000H，即在8086PC机刚启动时，CPU从内存FFFF0H单元中读取指令执行，FFFF0H单元中的指令是8086PC机开机后执行的第一条指令。

现在，我们更清楚了CS和IP的重要性，它们的内容提供了CPU要执行指令的地址。

我们在第1章中讲过，在内存中，指令和数据没有任何区别，都是二进制信息，CPU在工作的时候把有的信息看作指令，有的信息看作数据。现在，如果提出一个问题：CPU根据什么将内存中的信息看作指令？如何回答？我们可以说，CPU将CS:IP指向的内存单元中的内容看作指令，因为，在任何时候，CPU将CS、IP中的内容当作指令的段地址和偏移地址，用它们合成指令的物理地址，到内存中读取指令码，执行。如果说，内存中的一段信息曾被CPU执行过的话，那么，它所在的内存单元必然被CS:IP指向过。

2.11  修改CS、IP的指令

在CPU中，程序员能够用指令读写的部件只有寄存器，程序员可以通过改变寄存器中的内容实现对CPU的控制。CPU从何处执行指令是由CS、IP中的内容决定的，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。

我们如何改变CS、IP的值呢？显然，8086CPU必须提供相应的指令。我们如何修改AX中的值？可以用mov指令，如mov ax,123将ax中的值设为123，显然，我们也可以用同样的方法设置其他寄存器的值，如mov bx,123，mov cx,123，mov dx，123等。其实，8086CPU大部分寄存器的值，都可以用mov指令来改变，mov指令被称为传送指令。

但是，mov指令不能用于设置CS、IP的值，原因很简单，因为8086CPU没有提供这样的功能。8086CPU为CS、IP提供了另外的指令来改变它们的值。能够改变CS、IP的内容的指令被统称为转移指令(我们以后会深入研究)。我们现在介绍一个最简单的可以修改CS、IP的指令：jmp指令。

若想同时修改CS、IP的内容，可用形如"jmp段地址：偏移地址"的指令完成，如

jmp 2AE3:3，执行后：CS=2AE3H，IP=0003H，CPU将从2AE33H处读取指令。

jmp 3:0B16，执行后：CS=0003H，IP=0B16H，CPU将从00B46H处读取指令。

"jmp 段地址：偏移地址"指令的功能为：用指令中给出的段地址修改CS，偏移地址修改IP。

若想仅修改IP的内容，可用形如"jmp 某一合法寄存器"的指令完成，如

jmp ax，指令执行前：ax=1000H，CS=2000H，IP=0003H 指令执行后：ax=1000H，CS=2000H，IP=1000H jmp bx，指令执行前：bx=0B16H，CS=2000H，IP=0003H 指令执行后：bx=0B16H，CS=2000H，IP=0B16H

"jmp 某一合法寄存器"指令的功能为：用寄存器中的值修改IP。

jmp ax，在含义上好似：mov IP,ax。

注意，我们在适当的时候，会用已知的汇编指令的语法来描述新学的汇编指令的功能。采用一种"用汇编解释汇编"的方法来使读者更好地理解汇编指令的功能，这样做有助于读者进行知识的相互融会。要强调的是，我们是用"已知的汇编指令的语法"进行描述，并不是用"已知的汇编指令"来描述，比如，我们用mov IP,ax来描述jmp ax，并不是说真有mov IP,ax这样的指令，而是用mov指令的语法来说明jmp指令的功能。我们可以用同样的方法描述jmp 3:01B6的功能：jmp 3:01B6 在含义上好似mov CS,3  mov IP,01B6。

内存中存放的机器码和对应的汇编指令情况如图2.27所示，设CPU初始状态：CS=2000H，IP=0000H，请写出指令执行序列。思考后看分析。

图2.27  内存中存放的机器码和对应的汇编指令

分析：

CPU对图2.27中的指令的执行过程如下。

(1) 当前CS=2000H，IP=0000H，则CPU从内存2000H×16+0=20000H处读取指令，读入的指令是：B8 22 66(mov ax,6622H)，读入后IP=IP+3=0003H；

(2) 指令执行后，CS=2000H，IP=0003H，则CPU从内存2000H×16+0003H =20003H处读取指令，读入的指令是：EA 03 00 00 10(jmp 1000:0003)，读入后IP=IP+5=0008H；

(3) 指令执行后，CS=1000H，IP=0003H，则CPU从内存1000H×16+0003H =10003H处读取指令，读入的指令是：B8 00 00(mov ax,0000)，读入后IP=IP+3=0006H；

(4) 指令执行后，CS=1000H，IP=0006H，则CPU从内存1000H×16+0006H =10006H处读取指令，读入的指令是：8B D8(mov bx,ax)，读入后IP=IP+2=0008H；

(5) 指令执行后，CS=1000H，IP=0008H，则CPU从内存1000H×16+0008H =10008H处读取指令，读入的指令是：FF E3(jmp bx)，读入后IP=IP+2=000AH；

(6) 指令执行后，CS=1000H，IP=0000H，CPU从内存10000H处读取指令……

经分析后，可知指令执行序列为：

(1) mov ax,6622H

(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

2.12  代码段（1）

前面讲过，对于8086PC机，在编程时，可以根据需要，将一组内存单元定义为一个段。我们可以将长度为N(N≤64KB)的一组代码，存在一组地址连续、起始地址为16的倍数的内存单元中，我们可以认为，这段内存是用来存放代码的，从而定义了一个代码段。比如，将：

mov ax,0000   (B8 00 00) add ax,0123   (05 23 01) mov bx,ax     (8B D8) jmp bx         (FF E3)

这段长度为10个字节的指令，存放在123B0H~123B9H的一组内存单元中，我们就可以认为，123B0H~123B9H这段内存是用来存放代码的，是一个代码段，它的段地址为123BH，长度为10个字节。

如何使得代码段中的指令被执行呢？将一段内存当作代码段，仅仅是我们在编程时的一种安排，CPU并不会由于这种安排，就自动地将我们定义的代码段中的指令当作指令来执行。CPU只认被CS:IP指向的内存单元中的内容为指令。所以，要让CPU执行我们放在代码段中的指令，必须要将CS:IP指向所定义的代码段中的第一条指令的首地址。对于上面的例子，我们将一段代码存放在123B0H~123B9H内存单元中，将其定义为代码段，如果要让这段代码得到执行，可设CS=123BH、IP=0000H。

2.9～2.12  小结

(1) 段地址在8086CPU的段寄存器中存放。当8086CPU要访问内存时，由段寄存器提供内存单元的段地址。8086CPU有4个段寄存器，其中CS用来存放指令的段地址。

(2) CS存放指令的段地址，IP存放指令的偏移地址。

8086机中，任意时刻，CPU将CS:IP指向的内容当作指令执行。

(3) 8086CPU的工作过程：

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指向下一条指令；

③ 执行指令。(转到步骤①，重复这个过程。)

(4) 8086CPU提供转移指令修改CS、IP的内容。

检测点2.3

下面的3条指令执行后，CPU几次修改IP？都是在什么时候？最后IP中的值是多少？

mov ax,bx sub ax,ax jmp ax

实验1  查看CPU和内存，用机器指令和汇编指令编程

1. 预备知识：Debug的使用

我们以后所有的实验中，都将用到Debug程序，首先学习一下它的主要用法。

(1) 什么是Debug?

Debug是DOS、Windows都提供的实模式(8086方式)程序的调试工具。使用它，可以查看CPU各种寄存器中的内容、内存的情况和在机器码级跟踪程序的运行。

(2) 我们用到的Debug功能。

用Debug的R命令查看、改变CPU寄存器的内容；
用Debug的D命令查看内存中的内容；
用Debug的E命令改写内存中的内容；
用Debug的U命令将内存中的机器指令翻译成汇编指令；
用Debug的T命令执行一条机器指令；
用Debug的A命令以汇编指令的格式在内存中写入一条机器指令。

Debug的命令比较多，共有20多个，但这6个命令是和汇编学习密切相关的。在以后的实验中，我们还会用到一个P命令。

(3) 进入Debug。

Debug是在DOS方式下使用的程序。我们在进入Debug前，应先进入到DOS方式。用以下方式可以进入DOS。

① 重新启动计算机，进入DOS方式，此时进入的是实模式的DOS。

② 在Windows中进入DOS方式，此时进入的是虚拟8086模式的DOS。

下面说明在Windows 2000中进入Debug的一种方法，在Windows 98中进入的方法与此类似。

选择【开始】菜单中的【运行】命令，如图2.28所示，打开【运行】对话框，如图2.29所示，在文本框中输入"command"后，单击【确定】按钮。

图2.28  选择【运行】命令

图2.29  在文本框中输入"command"

进入DOS方式后，如果显示为窗口方式，可以按下Alt+Enter键将窗口变为全屏方式。然后运行Debug程序，如图2.30所示，这个程序在Windows 98中通常在c:/windows98/command下，在Windows 2000中通常在c:/winnt/system下。由于系统指定了搜索路径，所以在任何一个路径中都可以运行。

图2.30  运行Debug程序

(4) 用R命令查看、改变CPU寄存器的内容。

我们已经知道了AX、BX、CX、DX、CS、IP这6个寄存器，现在看一下它们之中的内容，如图2.31所示。其他寄存器如SP、BP、SI、DI、DS、ES、SS、标志寄存器等我们先不予理会。

图2.31  使用R命令查看CPU中各个寄存器中的内容

注意CS和IP的值，CS=0CA2，IP=0100，也就是说，内存0CA2:0100处的指令为CPU当前要读取、执行的指令。在所有寄存器的下方，Debug还列出了CS:IP所指向的内存单元处所存放的机器码，并将它翻译为汇编指令。可以看到，CS:IP所指向的内存单元为0CA2:0100，此处存放的机器码为02 75 48，对应的汇编指令为ADD DH,[DI+48](这条指令的含义我们还不知道，先不必深究)。

Debug输出的右下角还有一个信息："DS:0048=0"，我们以后会进行说明，这里同样不必深究。