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我是一名初二学生#xff0c;热爱计算机#xff0c;码龄两年。最近开始学习汇编#xff0c;希望通过 Blog 的形式记录下自己的学习过程#xff0c;也和更多人分享。
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我是一名初二学生热爱计算机码龄两年。最近开始学习汇编希望通过 Blog 的形式记录下自己的学习过程也和更多人分享。
上篇系列文章链接【汇编】二、预备知识一只 Assember 的成长史
这篇文章主要讲解寄存器。
话不多说~我们开始吧 ⭐ 注本系列文章基于 8086 CPU16 位汇编参考书《汇编语言》。 本系列旨在为 32 位汇编的学习以及汇编的实际使用打下基础。 目录
三 0. 本文中用到的汇编指令及其功能
三 1. 寄存器是什么
三 2. 寄存器的分类
1. 通用寄存器
2. 控制寄存器
3. 段寄存器
三 3. 通用寄存器及数据在通用寄存器中的存储
三 4. 物理地址、物理地址计算方法及段的概念
1. 物理地址
2. 物理地址计算方法
3. 段的概念
三 5. CS/IP 寄存器及 CPU 读取执行指令的工作过程
1. cs 和 ip 寄存器
2. CPU 读取、执行指令的工作过程
3. 修改 cs 和 ip 寄存器 三 0. 本文中用到的汇编指令及其功能
汇编指令指令功能高级语言语法描述mov X, Y将 Y 中的数据送至 X 中X Yadd X, Y将 X,Y 相加并将结果存储在 X 中X Y 或 X XYjmp X:Y将 cs 的值设置为 X将 ip 的值设置为 Y后面会详细讲到cs X; ip Yjmp 某一合法寄存器名将 ip 的值设置为该合法寄存器中存储的值后面会详细讲到ip 该寄存器中存储的值
注mov 和 add 的使用有一些限制但涉及到更多知识容易打乱思路和学习主线所以会在遇到这些限制的时候再进行说明~ 三 1. 寄存器是什么
上一篇说过计算机有多种存储器寄存器也是其中一种。
我们都知道CPU 的运算速度远高于内存的读写速度所以如果每次需要数据都要从内存中读取会严重拖慢 CPU 的运行速度。正因如此CPU 内嵌入了读写速度更快的 cache高速缓存和寄存器用于存储最常用的数据比如 for 循环中的 i。cache 和寄存器也相当于 CPU 和内存之间的一座桥梁。
寄存器的体积最小、读写速度最快、价格最贵。 三 2. 寄存器的分类
不同的 CPU寄存器的个数和结构都是不相同的但总有那么几个寄存器出现在任何种类的 CPU 中。8086 CPU 共有 14 个寄存器寄存器名不区分大小写ax, bx, cx, dx, si, di, sp, dp, bp, ip, cs, ss, ds, es, psw。
不过这 14 个没必要一口气学完此处仅列出分类下文中会讲到几个后续文章中会讲到其它的~如果现在就想详细了解可以去爱了爱了这篇寄存器讲的有点意思
1. 通用寄存器
· 数据寄存器ax, bx, cx, dx
· 地址指针寄存器sp, bp
· 变址寄存器si, di
2. 控制寄存器
· 指令指针寄存器ip
· 标志寄存器psw
3. 段寄存器
结尾的 s 全称为 segment即 “段”
· 代码段csc code
· 数据段dsd data
· 栈段sss stack
· 附加段ese extra 三 3. 通用寄存器及数据在通用寄存器中的存储
8086 CPU 的所有寄存器都是 16 位的可以存放两个字节一个字。如下图 But8086 的上一代 CPU 中的寄存器都是 8 位的为了保证兼容8086 CPU 中的 ax, bx, cx, dx 寄存器都可以分为两个 8 位寄存器来使用但其他的不可以。
ax 分为 ah 和 alh highl low下同
bx 分为 bh 和 bl
cx 分为 ch 和 cl
dx 分为 dh 和 dl
通过其英文我们不难猜出ah 中存储的是 ax 中的高 8 位数据而 al 中存储的是 ax 中的低 8 位数据。下图是一个例子“20H” 中的 H 表示该数据是十六进制。 上图其实也表明了数据在 16 位寄存器中的存储。如果数据是一个字节它将被存储在寄存器的某个 8 位中高或低不确定。如果数据是一个字它的高位字节存储在寄存器的高 8 位中低位字节存储在寄存器的低 8 位中。
如果在 ax 中存放的数据超过了 16 位如 mov ax, FFFFFF0H会导致高位丢失。
如果单独使用 al 或 ah存放的数据超过 8 位时会导致高位丢失不要误认为单独使用 al 时如果超过 8 位会将进位存储在 ah 中。
注意不要混淆寄存器和内存单元一个字可以使用一个寄存器存储但会占用两个内存单元一个内存单元 8 位。
在进行数据传送或运算时两个操作对象的位数应当是一致的比如不能这样写mov ax,bl前者是 16 位寄存器后者是 8 位寄存器。 三 4. 物理地址、物理地址计算方法及段的概念
1. 物理地址
上篇文章中说过各个存储器的物理存储空间被合在一起看成一个逻辑存储空间也就是内存地址空间这个空间由很多内存单元构成。
而 CPU 想要寻址就必须保证内存单元的地址的唯一性。内存单元在内存地址空间中唯一的地址就是它的物理地址相当于身份证号。
这就涉及到了一个问题——CPU 怎么给出物理地址
2. 物理地址计算方法
首先需要面对一个非常囧的情况8086 CPU 有 20 根地址总线但只有 16 根数据总线......
通过上篇文章的计算公式不难得出它的寻址能力是 1MB或者说最大可以有 1MB 内存。但是它一次只能发送 64KB 的数据相当于 16 位的地址表现出的寻址能力只有 64KB...
怎么办如果只能发送 16 位的地址那么内存大小只会有 64KB且还白白浪费了 4 根地址总线。
但大佬就是大佬一个 16 位不够可以用两个啊虽然我很好奇为什么当时不加上 4 根数据总线那不就万事大吉了
so解决办法出炉了——用两个 16 位地址合成一个 20 位地址。一个称为段地址一个称为偏移地址后面会讲到。 如上图概括一下 8086 CPU 读写内存的过程
CPU 把段地址和偏移地址告诉地址加法器地址加法器按照公式用这两个 16 位地址生成一个 20 位物理地址再通过地址总线送到存储器。
这个公式就是物理地址 段地址 * 16 偏移地址 * 16 相当于左移 4 位
补充一些数学知识
· 一个 X 进制的数据左移 1 位相当于乘以 X。
· 一个二进制数左移 4 位相当于在原数的末尾加 4 个 0。
· 一个十六进制数左移 4 位相当于在原数的末尾加 1 个 0。
补充的第二条也解释了为什么两个 16 位地址经过公式计算后可以生成一个 20 位地址。因为原来的段地址是 16 位段地址 * 16 后末尾多了 4 个 0变成了 20 位再加上 16 位的偏移地址还是 20 位。
下图是一个例子其中段地址和偏移地址都用十六进制表示其实它们在被送上地址总线的时候都是二进制但是十六进制相对易读也比较短。 这个公式的本质含义是CPU 在访问内存时用一个基础地址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。其中“基础地址” 就是段地址 * 16。
根据这个公式同一个物理地址可以用不同的段地址和偏移地址来表示比如
段地址偏移地址物理地址000100000001 * 16 0000 000100000 00010000000100000 * 16 0010 000000010 00010
其实 32 位 CPU 也延续了用段地址和偏移地址来表示一个内存单元的传统只不过操作系统从实模式变成了保护模式添加了 GDT、段描述符、段选择子等等一系列复杂的东西后续文章会讲到哒~
3. 段的概念
你可能已经注意到了“段地址” 这个名称似乎在暗示内存地址空间是被分段的...
nonono内存地址空间是一个逻辑空间并没有分段段的划分来自于 CPU上面那个表格也可以解释这一点如果内存被分段的话就会有两个内存单元对应同一个物理地址了。
分段的方式可以让开发者更好地管理内存比如我们可以把一部分内存划为代码段专门用于存放代码另一部分内存划分为数据段专门用于存放数据等等。在后续的文章中会陆续出现的~
比如我们可以用不同的方式划分 10000H~100FFH 这段内存不过一个段的起始地址一定是 16 的倍数相当于段地址 * 16 0。 如果你想在一个学校中找到 “初二 5 班 29 号同学”你可以先找到初二5班再在这个较小的范围中寻找 29 号同学这可以减小你的工作量。
同理分段可以让你不必记住这个内存单元的物理地址而只需要先设置好段地址后续文章会讲到再通过偏移地址在这个段中定位需要的内存单元就可以了~
不过偏移地址的长度是 16 位所以一个段的长度最大为 64KB。 三 5. CS/IP 寄存器及 CPU 读取执行指令的工作过程
1. cs 和 ip 寄存器
cs 和 ip 是 CPU 中两个最关键的寄存器它们指示了 CPU 当前要读取的指令的地址。其中 cs 为代码段寄存器存储段地址ip 为指令指针寄存器存储偏移地址。
若设 cs 中内容为 Xip 中内容为 Y对于 8086 CPU它将从内存 X * 16 Y 单元开始读取一条指令并执行。换言之它将 cs:ip 指向的内存单元中的内容当作指令执行。
2. CPU 读取、执行指令的工作过程
我们已经知道 CPU 会将 cs:ip 指向的内容当作指令执行那么一条指令究竟是怎么执行的呢CPU 在这个过程中是如何工作的
我们通过一个例子来看这个问题。
如下图cs 的值为 2000Hip 的值为 0000H内存 20000H~20009H 单元存放着可执行的机器码旁边给出了每几条对应的汇编指令。地址加法器负责计算物理地址输入输出控制电路负责输入/输出数据指令缓冲器负责缓冲暂存指令指令执行器或称为执行控制器负责执行指令。 第一步如下图cs, ip 中的内容送入地址加法器地址加法器通过 “物理地址 段地址 * 16 偏移地址” 计算出内存单元的物理地址。 第二步如下图地址加法器将物理地址送入输入输出控制电路。 第三步如下图输入输出控制电路将物理地址 20000H 送上地址总线经地址总线送入内存。 第四步如下图从内存 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。
你可能会好奇诶 CPU 怎么知道它要三个内存单元的数据它怎么知道 20000H 到 20003H 就是完整的一条汇编指令
这是因为 CPU 有指令解释器它知道 mov 后面跟着几个字节~ 第五步如下图输入输出控制电路将机器指令B8 23 01送入指令缓冲器。 第六步如下图读取一条指令后ip 寄存器中的值将自动增加以便 CPU 可以读取下一条指令。因为当前读入的指令长度为 3 个字节所以 ip 中的值自动加 3。此时 cs:ip 指向内存单元 2000:0003。 第七步如下图指令执行器执行指令 B8 23 01。 此时ax 寄存器中的内容为 123H。 总结一下 CPU 读取和执行指令的过程吧~
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转向下一条指令
3. 执行指令转到步骤 1重复这个过程。
3. 修改 cs 和 ip 寄存器
本文最开始提到mov 和 add 指令的使用是有限制的其中的一些限制在这里表现了出来。
如何改变一个寄存器的值我猜你第一个想到的是使用 mov 指令把一个值送入寄存器。
buuuuuut...cs 和 ip 偏偏就很有个性它俩不接受通过 mov 修改它们的值...其实 “有个性” 的寄存器不止它俩后续文章中会提到~
能够改变 cs 和 ip 的值的指令被称为转移指令其中最简单的一个是 jmp 指令。
若想同时修改 cs 和 ip 的值可用形如 “jmp 段地址:偏移地址” 来实现。jmp 用指令中给出的段地址修改 cs用指令中给出的偏移地址修改 ip。如jmp 218h:520h执行后 cs 218Hip 520HCPU 将从 026A0H218H * 16 520H处读取指令。
若仅想修改 ip 的值可用形如 “jmp 某一台合法寄存器” 来实现。jmp 用指令中给出的合法寄存器中的值修改 ip。如mov ax, 1320h; jmp ax注意汇编代码后面没有分号此处使用分号仅仅为了便于区分两条指令~执行后 ip 1320H。
如果你希望定义一个代码段可以使用 cs:ip 指向代码段中第一条指令所在的内存地址空间的起始位置。
还有一些别的转移指令后续文章中会讲到~ 以上就是本文的全部内容啦~感谢你看到这里~
作者只是一名初学者有任何错误或解释不当之处欢迎指出呀~一起加油
那我们下一篇再见咯~ 2023-03-04 By Geeker · LStar ❤️
