寄存器---汇编学习笔记

第二章 寄存器

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2.0 寄存器的绪论

一个典型的CPU由运算器、控制器、寄存器(CPU工作原理)等器件构成。内部总线实现 CPU 内部各个器件之间的联系，外部总线实现CPU和主板其他器件的联系。

在CPU中(下列重要内容)

• 运算器进行信息处理；
• 寄存器进行信息存储；
• 控制器控制各个器件进行工作；
• 内部总线连接各种器件，在它们之间进行数据的传送。

对于汇编程序员来说，CPU中的主要部件是寄存器。寄存器是CPU中与程序员可以用指令读写的部件。
不同的CPU，寄存器的个数、结构是不相同的。

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2.1 通用寄存器

8086CPU的所有寄存器都是16位的。
通用寄存器：AX、BX、CX、DX.
一个16位寄存器的逻辑结构：

8086CPU的上一代CPU中的寄存器都是8位的。
为了保证兼容，8086的16bit寄存器可分为两个独立8bit寄存器

• AX可分为AH和AL.
• BX可分为BH和BL.
• CX可分为CH和CL.
• DX可分为DH和DL.

如图，AX的高8bit是AH，低8bit是AL：

一个8bit寄存器所能存储的数据的最大值为255。

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2.2 字在寄存器中的存储

• 字节(byte)：一个字节有8个bit组成，可以存在8位寄存器中。
• 字(word)：一个字由两个字节组成，这两个字节分别称为高位字节和低位字节
  

一个字可以存在一个16位寄存器中，这个字的高位字节和低位字节自然就存在这个寄存器的高8位寄存器和低8位寄存器中。一个word数据20000的例子，如图：

其中，信息本身是二进制数据，而不是十进制数据，别搞混。
再强调一遍，信息本身就是二进制数据。

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2.3 初识汇编指令

汇编指令	控制CPU完成的操作	用高级语言的语法描述
mov a,b	将b的数据送入a中	a = b
add a,b	将a+b的数据送入a中	a = a+b

a代表寄存器，b代表数据或者寄存器。

问题2.1：指令执行后AX中的数据是多少？

mov ax,4E20H    ;AX=4E20H   
add ax,1406H    ;AX=6226H
mov bx,2000H    ;BX=2000H
add ax,bx       ;AX=8226H
mov bx,ax       ;BX=8226H
add ax,bx       ;AX=044CH

指令执行后AX中的数据为 004CH。
问题2.2：指令执行后AX中的数据是多少？

MOV AX,001AH    ;AX=001AH
MOV BX,0026H    ;BX=0026H
ADD AL,BL       ;AX=0040H
ADD AH,BL       ;AX=2640H
ADD BH,AL       ;BX=4026H
MOV AH,0        ;AX=0040H
MOV AL,85H      ;AX=00C5H
ADD AL,93H      ;AX=0158H

指令执行后AX中的数据为 0158H。

检测点 2.1
(1) 写出每条汇编指令执行后相关寄存器中的值。

MOV AX,62627    ;AX=F4A3H
MOV AH,31H      ;AX=31A3H
MOV AL,23H      ;AX=3123H
ADD AX,AX       ;AX=6246H
MOV BX,826CH    ;BX=826CH
MOV CX,AX       ;CX=6246H
MOV AX,BX       ;AX=826CH
ADD AX,BX       ;AX=04D8H
MOV AL,BH       ;AX=0482H
MOV AH,BL       ;AX=6C82H
ADD AH,AH       ;AX=D882H
ADD AL,6        ;AX=D806H
ADD AL,AL       ;AX=D80CH
MOV AX,CX       ;AX=6246H

(2) 只能使用目前学过的汇编指令，最多使用4条指令，编程计算2的4次方。

MOV AX,2        ;AX = 2
ADD AX,AX       ;AX = 4
ADD AX,AX       ;AX = 8
ADD AX,AX       ;AX = 16

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2.4 物理地址

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一个唯一的地址，称为物理地址。
CPU通过地址总线送入存储器的，必须是一个内存单元的物理地址。

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2.5 16位结构的CPU

8080、8085是8位机，8086是16位机。

16位结构的CPU具有的结构性质

• 运算器一次最多可以处理16位的数据；
• 寄存器的最大宽度位16位；
• 寄存器和运算器之间的通路为16位。

8086是16位结构的CPU，也就是说，能够一次性处理、传输、暂时存储的信息的最大长度是16位的。

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2.6 8086CPU给出物理地址的方法

8086CPU有20位地址总线，可以传送20位地址，达到1MB的寻址能力。8086CPU是16位结构，在内部一次性处理、传输、暂时存储的地址为16位。从表面上看CPU只能寻址64KB。
8086CPU采用一种内部用两个16位地址合成的方法来形成一个20位的物理地址。

如图：

当8086CPU要读写内存时

• 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；
• 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；
• 地址加法器将两个16位合成为一个20位的物理地址；
• 地址加法器通过内部将20位物理地址送入输入输出控制电路；
• 输入输出控制电路将20位物理地址送上地址总线；
• 20位物理地址被地址总线传送到存储器。

地址加法器采用物理地址 = 段地址x16+偏移地址

地址加法器工作过程(图中数据皆用十六进制表示)：

由段地址x16引发的讨论
“段地址x16”有一个更为常用的说法是左移4位。
一个例子：

左移位数	二进制	十六进制	十进制
0	10B	2H	2
1	100B	4H	4
2	1000B	8H	8
3	10000B	10H	16
4	100000B	20H	32

观察上面移位数和各种进制数据的关系，我们可以发现：

• 一个数据的 二进制形式左移 1位，相当于该数据 乘以2；
• 一个数据的 二进制形式左移 N位，相当于该数据乘以2的N次方；
• 地址加法器如何完成段地址x16的运算？就是将以二进制形式存放的段地址左移4位。

不难得出，一个数据的十六进制形式左移1位，相当于乘以16。

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2.7 “段地址x16+偏移地址=物理地址”的本质含义

本质含义是：CPU在访问内存时，用一个基础地址(段地址x16)和偏移地址相加，给出内存单元的物理地址。(可以理解为从基础地址出发+偏移量 = 你要去的目的地)

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2.8 段的概念

实际上，内存并没有分段，段的划分来自于CPU。
我们可以在逻辑上将内存“分段”，如图

编程时，可以根据需要，将若干个地址连续的内存单元看做一个段(注意：段地址一定是16的倍数，一个段的长度最大为64KB)。

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内存单元地址小结

（1）观察下面的地址，你有什么发现？

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

结论：CPU可以用不同的段地址(SA)和偏移地址(EA)形成同一个物理地址。

（2）如果给定一个段地址，仅通过变化偏移地址来寻址最多可定位多少个内存单元？

结论：如果给定一个段地址，仅通过变化偏移地址来寻址最多可定位64KB个内存单元。

数据在 21F60H 内存单元中，CPU 表示 形式为 2000:1F60 单元中。

检测点 2.2
（1）给定段地址为0001H，仅通过变化偏移地址寻址，CPU的寻址范围为 0001:0000 到 0001:FFFF 。
（2）有一数据存放在内存 20000H 单元中，现给定段地址为SA，若想用偏移地址寻到此单元。则SA应满足的条件是：最小为 1001H ，最大为 2000H 。

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2.9 段寄存器(提供段地址)

8086CPU有4个段寄存器：CS、DS、SS、ES。

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2.10 CS和IP

CS为段寄存器，IP为指令指针寄存器。

一个例子(展示CPU执行指令原理，比较长)

从下面一系列的图展示过程。
下面，首先初始化

将CS、IP的内容送入地址加法器

地址加法器将物理地址送入输入输出控制电路

输入输出控制电路将物理地址送到地址总线

内存中存放的机器指令被送入CPU

输入输出控制电路将指令送入指令缓冲器

IP中的值自动增加，以使CPU可以读取下一条指令

执行控制器执行指令

指令被执行后，AX内容发生了变化

同上过程，读取下一条指令


再读取下一条！

又读取一条！

到此为止，4条指令执行历程结束！

通过上面的例子，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。

8086CPU加电启动或复位后，CS和IP被设置为CS=FFFFH，IP=0000H(重要，也就是说FFFF0H是8086PC机开机后执行的第一条指令)。

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2.11 修改CS、IP的指令

CPU从何处执行指令？
显然，由CS、IP中的内容决定的。
我们如何改变CS、IP的值呢？
8086CPU提供相应的指令。

我们在初步了解汇编指令的时候使用过 mov 指令，那我们能够使用mov指令来修改CS、IP的内容吗？
答案是不可以的，因为8086CPU的mov指令没有提供这样的功能。

我们将用最简单的可以修改CS、IP的指令： jmp 指令。
使用方式形如： jmp 段地址 : 偏移地址。这个指令的功能是修改CS和IP的值。
还有另一种修改方式： jmp 某一合法寄存器。这个指令的功能是修改IP的值。

问题 2.3

指令执行序列如下：

1. MOV AX,6622H
2. JMP 1000:3
3. MOV AX,0000
4. MOV BX,AX
5. JMP BX
6. MOV AX,0123H
7. 返回第三步

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2.12 代码段

对于8086PC机，在编程时，可以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，从而定义了代码段。

例如：

MOV AX,0000H    ;(B8 00 00)
ADD AX,0123H    ;(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这段内存时用来存放代码的，是一个代码段，它的段地址为123BH，长度为10个字节。
这段代码如何被执行呢？
显然，只要将CS = 123BH，IP = 0000H即可。

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2.9~2.12 小结

1. 段地址在8086CPU的段寄存器中存放；
2. 8086CPU有4个段地址；
3. CS存放指令的段地址，IP存放指令的偏移地址(CPU将 CS:IP 指向的内容当做指令执行)；
4. 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)
5. 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   ;AX=BX
SUB AX,AX   ;AX=0
JMP AX      ;IP=0

答案：一次修改 IP，在 JMP AX 的时候，最后 IP 为0000H。

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实验1 查看CPU和内存，用机器指令和汇编指令编程

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1.预备知识：Debug的使用

（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。在以后还有用到一个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. 重启计算机，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。

在这里，我用的是 实验楼 的环境。这样降低了学习成本。

（4）用 R命令 查看、改变CPU寄存器的内容。
如下，成功显示了寄存器的内容

如下，成功修改了AX寄存器的内容

我们注意到 DS:0000 = 0 以后的章节会介绍。还看到了最下面一行出现的 TEST …的汇编指令。
可以用 R命令 修改CS和IP的内容。

（5）用Debug的 D命令 查看内存中的内容。
用Debug的D命令，可以查看内存中的内容，D命令的格式比较多。
可以用：D 段地址 : 偏移地址，如下。

使用D命令，Debug将输出3部分内容，如下。

• 中间是从指定地址开始的128个内存单元的内容，用十六进制的格式输出。每行的输出从16的整数倍的地址开始，最多输出16个单元的内容。
• 左边是每行的起始地址。
• 右边是每个内存单元中的数据对应的可显示的 ASCII 码字符。

（6）用 Debug 的 E命令 改写内存中的内容。

E 10        ;修改当前数据段10H号单元内容
E ES:100    ;修改附加段100H号单元内容
D ES:100    ;查看一下100H单元的内容是否修改了

（7）用E命令向内存中写入机器码，用U命令查看内存中机器码的含义，用T命令执行内容从中的机器码。
E命令其他用法

编写一个如下代码的汇编程序

MOV AX,0001     ;B80100
MOV CX,0002     ;B90200
ADD AX,CX       ;01C8

编写代码如下：

修改CS、IP寄存器

使用T命令执行汇编指令

观察以上所有图片寄存器的变化(眼睛都花了)。

（8）用Debug的 A命令 以汇编指令形式在内存中写入机器指令。
如图。

从最后一行可以看出，内存1000H段的内容已经被修改成功。

最后，在一张命令表格吧。

命令	说明
R命令	查看、修改CPU
D命令	查看内存中的内容
E命令	修改内存中的内容
U命令	将内存中的内容解释为机器指令和对应的汇编指令
T命令	执行CS:IP指向的内存单元处的指令
A命令	以汇编指令的形式向内存中写入指令

2. 实验任务

（1）使用 Debug，将下面的程序段写入内存，逐条执行，观察每条指令执行后，CPU中相关寄存器中内容的变化。

汇编指令        机器码     
MOV AX,4E20H    ;B8 20 4E
ADD AX,1416H    ;05 16 14
MOV BX,2000H    ;BB 00 20
ADD AX,BX       ;01 D8
MOV BX,AX       ;89 C3
ADD AX,BX       ;01 D8
MOV AX,001AH    ;B8 1A 00
MOV BX,0026H    ;BB 26 00
ADD AL,BL       ;00 D8
ADD AH,BL       ;00 DC
ADD BH,AL       ;00 C7
MOV AH,0        ;B4 00      
ADD AL,BL       ;00 D8
ADD AL,9CH      ;04 9C

Debug下用A命令输入汇编指令：

再用D命令查看是否输入汇编指令到内存：

在使用R命令查看和修改CS、IP的值，修改成代码段的开始位置：

最后，T命令执行，自行实验观察步骤。
整个过程只要观察AX和BX就好，最后AX=0002，BX=4026。

（2）将下面3条指令写入从 2000:0 开始的内存单元中，利用这3条指令计算2的8次方。

mov ax,1
add ax,ax
jmp 2000:0003

分析，我们知道 mov ax,1 占了3个内存单元。所以我们代码段的开始位置为2000H。

如下(要算2的8次方，add ax,ax，这个跟算法的快速幂一样，我们只要add ax,ax四次就行，因为ax初始化为1)：

（3）查看内存中的内容。
PC机主板上的ROM中写有一个生产日期，在内存 FFF00H~FFFFFH 的某几个单元中，请找到这个生产日期，在内 FFF00H~FFFFFH 的某几个单元中，请找出这个生产日期并试图改变它。

显然，用D FFF0 : 0000 L 100就可以得出答案，如下。

（4）向内存从B8100H开始的单元中填写数据，如：

-e B8100:0000 01 01 02 02 03 03 04 04

发现：数据没有被改变，为什么呢？
原因：我们阅读第一章的时候，我们知道我们将所有内存当做一个逻辑连续的内存。而B810H地址段是ROM(只读)的内存段。

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真的太多了，码了一天。