《汇编语言》- 读书笔记 - 第2章-寄存器

CPU由运算器、控制器、寄存器等构成，内部总线连接这些器件，外部总线连接主板上其他器件。
对于汇编程序员来说，寄存器是最主要的部件，我们能做的就是通过改变寄存器中的内容来控制CPU。
不同CPU的寄存器个数和结构不同。8086CPU有14个寄存器，包括：
通用寄存器：AX、BX、CX、DX
段寄存器：CS、SS、DS、ES
偏移指针寄存器：SI、DI、SP、BP、IP
标志寄存器：PSW

2.0 8086CPU 寄存器

寄存器	EN全称	功能
通用寄存器
AX	Accumulator Register	累加器，用于算术运算和数据传输。可拆成高8位ah和低8位al分开使用。
BX	Base Register	基地址寄存器，用于存放内存地址。可拆成高8位bh和低8位bl分开使用。
CX	Count Register	计数器，用于循环计数或者数据传输。可拆成高8位ch和低8位cl分开使用。
DX	Data Register	数据寄存器，也可以用于 I/O 操作。可拆成高8位dh和低8位dl分开使用。
段寄存器
DS	Data Segment Register	数据段寄存器，存放程序的数据的基地址。
ES	Extra Segment Register	附加段寄存器，存放一些额外数据的基地址。
SS	Stack Segment Register	堆栈段寄存器，存放堆栈的基地址。
CS	Code Segment Register	代码段寄存器，存放当前执行指令的代码段的基地址。
偏移指针寄存器
IP	Instruction Pointer	指令指针，寄存器。
SP	Stack Pointer	栈指针，指向当前堆栈顶部。
BP	Base Pointer	基址指针，用于访问堆栈中的参数和局部变量
SI	Source Pointer	源变址指针，用于源操作数的偏移地址
DI	Destination Pointer	目的变址指针，用于目的操作数的偏移地址
标志寄存器
PSW	Program Status Word	程序状态寄存器，主要用于反映处理器的状态和ALU运算结果的某些特征及控制指令的执行。

段地址:偏移地址

段地址:偏移地址	说明
CS:IP	指向下一条指令的物理地址
SS:SP	指向当前堆栈顶部的物理地址
DS:BX	指向数据的物理地址
DS:SI	指向数据的物理地址。例：复制中的源
DS:DI	指向数据的物理地址。例：复制中的目标

2.1 通用寄存器

8086CPU 的所有寄存器都是 16 位的，可以存放两个字节。
AX、BX、CX、DX这4个寄存器通常用来存放一般性的数据，被称为通用寄存器。

• 数据在寄存器中的存储情况

• 四个通用寄存器都可以拆分为高低位，分开使用。

2.2 字在寄存器中的存储

8bit(位)组成一个Byte(字节)。2字节组成一个字 。
所以一个字包含高和低两个字节。共16位。

我们再看个例子：9527H这个字的数据可以当作整体来用，表示：
9527H = 10010101 00100111 =38183
也可以把高低位拆开分别使用，表示：
高位：95H = 10010101B = 149
低位：27H = 00100111B = 39

进制	寄存器值	高位	低位
16	9527H	95	27
2	1001010100100111B	10010101	00100111
10	38183	149	39

补充：10进制数直接与高低位对应很难理解。需要转为2或16进制分出高低位再转成10进制。

2.3 几条汇编指令

1. 写汇编指令或寄存器名时，不区分大小写。
2. 下面的两个"问题"主要是介绍了寄存器执行加法后溢出的问题。

表2.1汇编指令举例

汇编指令	控制CPU完成的操作	用高级语言的语法描述
mov ax,18	将18 送入寄存器AX	AX=18
mov ah,78	将78送入寄存器AH	AH-78
add ax,8	将寄存器AX中的数值加上8	AX=AX+8
mov ax,bx	将寄存器BX中的数据送入寄存器AX	AX-BX
add ax,bx	将AX和BX中的数值相加，结果存在AX中	AX=AX+BX

表2.2 程序段中指令的执行情况之一

(原 AX 中的值:0000H，原 BX 中的值:0000H)

程序段中的指令	指令执行后AX中的数据	指令执行后BX中的数据
mov ax,4E20H	4E20H	0000H
add ax,1406H	6226H	0000H
mov bx,2000H	6226H	2000H
add ax,bx	8226H	2000H
mov bx,ax	8226H	8226H
add ax,bx	？(参见问题2.1)	8226H

问题 2.1

• 指令执行后AX中的数据为多少?

8226H + 8226H = 1044CH
但 AX 只有16位（对应4个16进制数）
所以溢出了，最高位的1丢失。
最后AX中剩下的就只有044CH

表2.3 程序段中指令的执行情况之二

程序段中的指令	指令执行后AX中的数据	指令执行后BX中的数据
mov ax,001AH	001AH	0000H
mov bx,0026H	001AH	0026H
add al,bl	0040H	0026H
add ah,bl	2640H	0026H
add bh,al	2640H	4026H
mov ah,0	0040H	4026H
add al,85H	00C5H	4026H
add al,93H	?(参见问题2.2)	4026H

问题 2.2

指令执行后AX中的数据为多少?

C5H + 93H = 158H
但 AL 只有8位（对应2个16进制数）
所以溢出了，最高位的1丢失。
最后AL中剩下的就只有58H
注意：add al,93H进行的是 8 位运算。单独使用AL时，它作为一个独立的8位寄存器，和AH无关。并不会把溢出的1放到 AH中去。

在进行数据传送或运算时，要注意指令的两个操作对象的位数应当是一致的，例如:

• 正确的写法

mov ax,bx
mov bx,cx
mov ax,18H
mov al,18H
add ax,bx
add ax,20000

• 错误的写法

mov ax,bl		 ; 在8位存器和16位存器之间传送数据
mov bh,ax		 ; 在16位寄存器和8位存器之间传送数据
mov al,20000	 ; 8位存器最大可存放值为255的数据
add al,100H		 ; 将一个高于8位的数据加到一个8位存器中

检测点 2.1

《汇编语言》- 读书笔记 - 检测点 2.1

2.4 物理地址

CPU 访问内存单元时，需要使用物理地址。
所有的内存单元构成一个线性空间，每个内存单元在其中有唯一的地址，这就是所谓的物理地址。
不同的 CPU 可以采用不同的方式来形成物理地址。对于 8086CPU，在发送物理地址到地址总线之前，它需要先在内部生成物理地址。

2.5 16位结构的CPU

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

8086CPU是16位结构，一次性能够处理、传输、暂存信息长度最大为16位。(内存单元的地址也是信息)

2.6 8086CPU给出物理地址的方法

8086CPU有20位地址总线，达到1MB寻址能力。
也就是说地址总线一次能收发20辆车。
但CPU一单只能打包16车货。
如果CPU来一单，就发车。那地址总线上就要跑4辆空车。
为了不浪费。
CPU决定一次发两单，每单都少装点货，拼到一起刚好20车，至于谁多谁少，程序员可以根据自己调配。
一单是段地址，一单是偏移地址。
在CPU中有一个地址加法器，它用来计算最终的物理地址：
物理地址 = 段地址x 16 + 偏移地址。

• 如图 2.6所示，当8086CPU 要读写内存时：

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 位地址合成为一个 20 位的物理地址；
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。

2.7 “段地址X16+偏移地址=物理地址”的本质含义

段地址x16+偏移地址=物理地址的本质含义是：CPU 在访问内存时，用一个基础地址(段地址X16)和一个相对于基础地址的偏移地址相加，得出内存单元的物理地址。
是 基础地址+偏移地址=物理地址这种寻址模式的一种实现方案。
例1：

这里如果应用 基础地址+偏移地址=物理地址的寻址模式。2000可视作基址，826可视作偏移地址。

例2：

2.8 段的概念

内存中没有段的概念。是8086CPU使用 基础地址+偏移地址=物理地址方式寻址，来分段管理内存。

1. 段地址是x16得来的。段起始地址一定是16的倍数。
2. 偏移地址有16位，范围0000h~FFFFh。所以一个段最大为64KB。
3. 可以根据需要，将地址连续、起始地址为16的倍数的一组内存单元定义为一个段。

内存单元地址小结

1. CPU可以用不同的段地址和偏移地址组成同一个物理地址，也就是说同一个物理地址可以有很多种组合方式获得。
2. 数据在21F60H内存单元中。对于8086PC机一般表达为：
   2.1. 数据存在内存2000:1F60单元中;
   2.2. 数据存在内存的2000H段中的1F60H单元中。

检测点 2.2

《汇编语言》- 读书笔记 - 检测点 2.2

2.9 段寄存器

8086CPU 有4 个段存器:CS、DS、SS、ES。用来存放内存单元的段地址。
见：8086CPU 寄存器

2.10 CS和IP

CS：代码段寄存器。存放当前执行指令的代码段的基地址。
IP：指令指针寄存器。保存着将要执行的指令在段中的偏移量。
CS:IP：指向接下来要执行的指令的物理地址。

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，P=0000H，
即在 8086PC 机刚启动时，CPU 从内存 FFFFOH 单元中读取指令执行，
FFFFOH单元中的指令是8086PC机开机后执行的第一条指令。

8086机中，任意时刻，CPU将 CS:IP 指向的内容当作指令执行。.
执行过的一段信息对应的内存单元必然被 CS:IP 指向过。

图 2.10 展示了 8086CPU 读取、执行指的工作原理(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	内容	长度	对应汇编指令
20000H~20002H	B8 23 01	3Byte	mov ax,0123H
20003H~20005H	BB 03 00	3Byte	mov bx, 0003H
20006H~20007H	89 D8	2Byte	mov ax,bx
20008H~20009H	01 D8	2Byte	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)。

总结 8086CPU的工作过程可以简要描述如下：

• 首先：
  CS 和 IP 送入地址加法器，得到CS:IP。
  例：CS = 2000h， IP = 0000h

CS:IP =     CS * 16 + IP
CS:IP =  2000h * 16 + 0000h  ;16进制数 *16 等于左移1位。（进位了嘛）
CS:IP = 20000h      + 0000h
CS:IP = 20000h

• 然后
  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+本条指令的长度，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：

4. 到 20003H~20005H 获取 mov bx, 0003H 执行， IP=IP+3
5. 到 20006H~20007H 获取 mov ax,bx 执行， IP=IP+2
6. 到 20008H~20009H 获取 add ax,bx 执行， IP=IP+2

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，通过改变寄存器中的内容实现对 CPU 的控制。程序员改变CS、IP 就实现了控制 CPU执行目标指令。

mov 不能修改 CS、IP 它有专用的指令如：jmp

指令	说明
jmp 2AE3:3	用给定的地址修改CS，IP 执行后:CS=2AE3H，IP=0003H。
jmp ax	用寄存器ax中的值修改IP 执行前：ax=1000H，CS=2000H，IP=0003H 执行后：ax=1000H，CS=2000H，IP=1000H

CPU将从修改后的地址读取指令。

问题 2.3

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。

分析：

执行步骤	内存地址 CS:IP	机器码	汇编指令	IP指向下一条	指令执行后 寄存器变化
1	2000:0000	B8 22 66	mov ax, 6622h	IP=IP+3	AX = 6622h
2	2000:0003	EA 03 00 00 10	jmp 1000:3	IP=IP+5	CS = 1000h IP = 0003h
3	1000:0003	B8 00 00	mov ax, 0000	IP=IP+3	AX = 0000h
4	1000:0006	8B D8	mov bx, ax	IP=IP+2	BX = 0000h
5	1000:0008	FF E3	jmp bx	IP=IP+2	IP = 0000h
6	1000:0000	B8 23 01	mov ax, 0123h	IP=IP+3	AX = 0123h
7	1000:0003		转到第3步，循环了

2.12 代码段

在2.8 段的概念中我们知道了什么是段。
那么这段内存中如果存放的是指令，我们认为代是个代码段。
但它本质还只是内存中的一堆01，当CS:IP指向它，CPU就会把它当指令来执行。
例：

mov ax, 0000	(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。
假如（使用 jmp）将CS:IP设置为123B:0000 （指向了代码段中的第一条指令的首地址）。CPU就会执行它了。

2.9~2.12 小结

1. 段地址在8086CPU的段寄存器中存放。当8086PU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

《汇编语言》- 读书笔记 - 检测点 2.3