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【汇编语言02】第2章 寄存器——理论知识

2022-08-03 17:53:00 【Fighting_hawk】

目录

0 前言

  1. 上一章我们了解了汇编语言需要了解的基础知识，包括指令、内存地址、总线等概念。
  2. 本章课程主要是了解在CPU内部寄存器的工作原理。
  3. 注意：为方便复习，本章对内容顺序进行归纳调整，初学者建议按参考文献的课程顺序和视频顺序学习。

1 寄存器

1.1 CPU及寄存器概述

  1. 一个典型的CPU由运算器、控制器、寄存器等器件组成，这些器件靠内部总线相连。
    （1）运算器：进行信息处理；
    （2）寄存器：进行信息存储；
    （3）控制器：控制各种期间进行工作；
    （4）内部总线：连接各个期间，在它们之间进行数据的传送。
  2. 内部总线与外部总线的区别：
    （1）内部总线实现CPU内部各个器件之间的联系。
    （2）外部总线实现CPU和主板上其它器件的联系。
  3. 寄存器：不同的CPU有不同的结构，寄存器数量也各不相同，寄存器位数也各不相同。
  4. 本课程以8086CPU为代表进行介绍，该CPU有14个寄存器，它们的名称为：AX、BX、CX、DX、SI、DI、SP、BP、IP、CS、SS、DS、ES、PSW。

1.2 通用寄存器

  1. 通用寄存器：通常用来存放一般性数据的寄存器，在8086CPU中主要有AX、BX、CX、DX。
  2. 8086CPU中所有的寄存器都是16位的，可以存放2个字节。

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3. 由于8086上一代CPU中的寄存器都是8位的，为保证兼容性，这四个通用寄存器都可以分为两个独立的8位寄存器使用。
（1）AX可以分为AH和AL；
（2）BX可以分为BH和BL；
（3）CX可以分为CH和CL；
（4）DX可以分为DH和DL。
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1.3 字的存储

  1. 出于对兼容性的考虑，8086CPU可以一次性处理一下两种尺寸的数据（更高级别的CPU可以处理更长的数据）：
    （1）字节：记为byte，1个字节有8个bit组成，可以存在8位寄存器中。
    （2）字：记为word，1个字有2个字节组成，这2个字节分别称为这个字的高位字节和地位字节。
    （3）1字 = 2字节；
    （4）一个寄存器16位，刚好存1个字；
  2. 理解AX寄存器中字与字节的存储和解析：
寄存器寄存器中的数据所表示的值
AX010011100010000020000（4E20H）
AH0100111078（4EH）
AL0010000032（20H）

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2 物理地址及其形成过程

2.1 概述

  1. 物理地址：CPU访问内存单元时要给出内存单元的地址，所有的内存单元构成的存储空间是一个一维的线性空间。我们将这个唯一的地址称为物理地址。
  2. 作用：CPU通过地址总线送入存储器的，必须是一个内存单位的物理地址。在CPU向地址总线发出物理地址之前，必须要在CPU内部先形成这个物理地址。
  3. 物理地址的形成方式：不同的CPU形成物理地址的方式不一样，后续内容以8086CPU为例。

2.2 16位寄存器与20位地址总线

  1. 问题：对于8086CPU，内部寄存器是16位（只能表达16位的地址），而地址总线宽度是20位，想要形成20位的物理地址，就需要先在内部经过加工处理。
  2. 16位结构描述了一个CPU具有以下几个方面特征：
    （1）运算器一次最多可以处理16位的数据。
    （2）寄存器的最大宽度为16位。
    （3）寄存器和运算器之间的通路是16位的。
  3. 20位的地址总线，可传送20位地址，寻址能力为1M。
  4. 解决方法：在CPU内部，用两个16位地址（段地址+偏移地址）合成的方法来形成一个20位的物理地址。
  5. 解决过程：
    （1）CPU中的相关部件提供两个16位的地址，一个称为段地址，另一个称为偏移地址；
    （2）段地址和偏移地址通过内部总线送入一个称为地址加法器的部件；
    （3）地址加法器将两个16位地址合并成一个20位的物理地址：物理地址=段地址×16+偏移地址。
    （4）地址加法器通过内部总线将20位物理地址送入输入输出控制电路；
    （5）输入输出控制电路将20位物理地址送上地址总线；
    （6）20位物理地址被地址总线传送到存储器。

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2.3 “段”的理解

  1. “段地址”中包含着“段”的概念，其实内存并没有划分成一个个段，而是表示CPU给一块区域内存起的一个起始地址，是程序逻辑上的划分。
  2. 例子：我们可以认为地址10000H~100FFH的内存单元组成一个段，这个段的起始地址为10000H，段地址为1000H，大小为100H；我们也可以认为地址10000H~1007FH、10080H~100FFH的内存单位组成两个段，他们的起始地址分别为10000H和10080H，段地址为1000H和1008H，大小都为80H。
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  3. 段的大小：因为CPU寄存器为16位，限制偏移地址为16位，16位地址的寻址能力为64KB，所以一个段的最大长度为64KB。

3 段寄存器

  1. 用途：段寄存器就是提供段地址的。
  2. 8086CPU有4个段寄存器：CS、DS、SS、ES。当8086CPU要访问内存时，由这4个段寄存器提供内存单元的段地址。
  3. 本章先学习CS，其余的后续再学习。

3.1 CS和IP寄存器

  1. CS和IP是8086CPU中最关键的寄存器，它们指示了CPU当前要读取指令的地址CS:IP。
    （1）CS为代码段寄存器；
    （2）IP为指令指针寄存器。
  2. CPU何时将二进制解读为数据何时解读为指令：CPU将CS:IP指向的内存单元中的内容看做指令。
  3. 工作原理
    （1）8086CPU当前状态：CS中的内容为2000H，IP中的内容为0000H；内存20000H~20009H单元存放着可以执行的机器码，对应汇编指令如下：
    （2）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；
    （3）IP=IP+所读取的指令长度，从而执行下一条指令；
    （4）执行命令，跳转到步骤（2），直至程序结束。
地址内容长度对应汇编指令
20000H~20002HB8 23 013Bmov ax,0123H
20003H~20005HB8 03 003Bmov bx,0003H
20006H~20007H89 D82Bmov ax,bx
20008H~20009H01 D82Badd ax,bx

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3.2 CS、IP寄存器修改

  1. 无法使用的 mov 指令（传送指令）：
    对于ax、bx、cx、dx等寄存器，可以使用mov 寄存器,寄存器/值的命令来修改寄存器中的值，但是mov指令不能用于设置CS、IP的值，因为8086CPU没有提供这样的功能，要改变CS、IP内容的指令被统称为转移指令：jmp指令。
  2. 同时修改CS、IP的内容：
    使用jmp 段地址:偏移地址命令，可以同时修改CS、IP内容，指令中给出的段地址修改CS，偏移地址修改IP。
jmp 2AE3:3
jmp 3:0B16
  1. 仅修改IP的内容：
    使用命令jmp 某一合法寄存器，用寄存器中的值修改IP。
jmp ax   （功能上类似于 mov IP,ax，但8086没有提供mov修改IP的功能）
jmp bx

3.3 代码段

  1. 编程时：可以根据需要，我们将一组内存单位视为一个段，将一组代码存在一组地址连续、起始地址为16倍数的内存单元中，这样，我们可以认为这一段内存是用来存放代码的，从而定义了一个代码段。
  2. 执行时：编程时人为安排的代码段，CPU并不会理解，CPU只会认被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，必须将CS:IP指向所定义的代码段中第一条指令的首地址。

4 本章汇编指令

4.1 mov指令

  1. 功能：传送指令，用于给某个寄存器或地址赋值。
  2. 格式：mov 寄存器/地址,寄存器/地址/值（待确认其自由组合的可能性）
  3. 例子：
指令含义备注
mov ax,18HAX=18H给16位寄存器AX赋值，所赋的值也是16位，内容为0018H
MOV AX,18HAX=18H汇编语言对大小写不敏感
mov ax,bxAX=BX给16位寄存器AX赋值，所赋的值也是16位，是BX对应的内容
mov ah,18HAH=18H给8位寄存器AH赋值，所赋值也是8位，内容为18H
mov al,18HAL=18H给8位寄存器AL赋值，所赋值也是8位，内容为18H

4.2 add指令

  1. 功能：用于给某个寄存器加上某个值。
  2. 格式：add 寄存器,寄存器/地址/值（待确认其自由组合的可能性）
  3. 例子：
指令含义备注
add ax,18HAX=AX+18H给16位寄存器AX加上18H，如果结果超出16位，超出部分如何存储暂时不考虑
AX只能保存未超出部分的内容，即16位的内容。
add al,18HAL=AL+18H同理只能保存8位内容，超出部分不会跑到AH中，如何存储暂不考虑。
add ax,bxAX=AX+BX把BX的内容加到AX中
add ax,axAX=AX+AX相当于翻倍

4.3 jmp指令

  1. 功能：用于改变CS、IP的值。
  2. 格式：jmp 段地址:偏移地址、jmp 某一合法寄存器
  3. 例子：
指令含义备注
jmp 1000:3CS为1000H，IP为0003H跳转到地址为10003H的位置
jmp axIP值修改为ax的内容是否能jmp 0003H暂未验证

5 小结

  1. 了解CPU中寄存器的概念。8086CPU中有14个寄存器，本章主要掌握4个通用寄存器ax、bx、cx、dx，和两个与指令指向相关的寄存器CS、IP。
  2. 掌握修改寄存器的指令：mov、add、jmp。掌握其命令格式、功能，理解其注意事项比如说计算结果超出寄存器所能存储的位数等。
  3. 理解物理地址作用和形成原理。

参考文献

  1. 《汇编语言(第3版) 》王爽著，主要参考书籍和学习路线。
    百度云：https://pan.baidu.com/s/1TE1Egc0ZmeJfLP5zvamo0Q
    提取码：3y72
  2. 《汇编语言百科》
  3. 《汇编语言基础06》小甲鱼零基础视频课程
  4. 《汇编语言基础07》小甲鱼零基础视频课程
  5. 《汇编语言基础08》小甲鱼零基础视频课程
  6. 《汇编语言基础09》小甲鱼零基础视频课程
  7. 《汇编语言基础10》小甲鱼零基础视频课程
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