【汇编语言】访问寄存器和内存

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前言

本文章内容将展开对寄存器和内存的深入理解，通过debug更好的理解计算机的内部以及汇编语言。还会深入讲汇编语言的一些指令以及代码段，数据段，栈段的相关内容。

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一、寄存器及数据的存储

CPU的组成

运算器进行信息处理；
寄存器进行信息存储；
控制器协调各种器件进行工作；
内部总线实现CPU内各个器件之间的联系。

寄存器是CPU内部的信息存储单元
8086CPU 有14个寄存器：

通用寄存器：AX、BX、CX、DX
变址寄存器：SI、DI
指针寄存器：SP、BP
指令指针寄存器： IP
段寄存器：CS、SS、DS、ES
标志寄存器：PSW
共性：8086CPU所有的寄存器都是16位的，可以存放两个字节。

通用寄存器

以AX为例：
一个16位寄存器存储一个16位的数据

问题一：最大值？
答案：2^16-1

在AX中存储18D
18D
12H
10010B

在AX中存储20000D
4E20H
0100111000100000B

问题二：8086上一代CPU中的寄存器都是8位的，如何保证程序的兼容性？
答案：通用寄存器均可以分为两个独立的8位寄存器使用

AX可以分为AH和AL
BX可以分为BH和BL
CX可以分为CH和CL
DX可以分为DH和DL

“字”在寄存器中的存储

8086是16位CPU
8086的字长为16bit

一个字(word)可以存在一个16位寄存器中
这个字的高位字节存在这个寄存器的高8位寄存器
这个字的低位字节存在这个寄存器的低8位寄存器

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二、mov和add指令

汇编指令	控制CPU完成的操作	用高级语言描述
mov ax,78	将78送入AX	AX=78
mov ah,78	将78送入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，BX中的内容相加，结果储存在AX中	AX=AX+BX

注：汇编指令不区分大小写

例1：

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	044CH（溢出）	8226H

设原AX、BX中的值均为0000H

例2：

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	0058H（溢出）	4026H

设原AX、BX中的值均为0000H

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三、确定物理地址的方法

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。
每一个内存单元在这个空间中都有唯一的地址，这个唯一的地址称为物理地址。

8086有20位地址总线，可传送20位地址，寻址能力为1M。
8086是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。
在8086内部处理的、传输、暂存的地址也是16位，寻址能力也只有64KB！

问题：8086如何处理在寻址空间上的这个矛盾？！

解决方法：用两个16位地址(段地址、偏移地址)合成一个20位的物理地址。

地址加法器合成物理地址的方法：
物理地址=段地址×16+偏移地址

例：物理地址=段地址×16+偏移地址

段地址：1230
+偏移地址：00C8
物理地址：123C8

思考：物理地址为123C8，段地址是123CH可否？
答案是可以的此时的偏移地址为0008。
如果段地址是123B，此时偏移地址为0018。

“段地址×16+偏移地址=物理地址”的本质含义：

要解决的问题：用两个16位的地址（段地址、偏移地址），相加得到一个20位的物理地址。

本质含义：CPU在访问内存时，用一个基础地址（段 地址×16）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。

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四、内存分段表示法

8086CPU用“（段地址×16）+偏移地址=物理地址”的方式给出内存单元的物理地址。
内存并没有分段，段的划分来自于CPU！！！

同一段内存，多种分段方案

1）段地址*16必然是16的倍数，所以一个段的起始地址也一定是16的倍数；
2）偏移地址为16位，16位地址的寻址能力为64K，所以一个段的长度最大为64K；

用不同的段地址和偏移地址形成同一个物理地址

偏移地址16位，变化范围为0~FFFFH，用偏移地址最多寻址64KB。
例：给定段地址2000H，用偏移地址寻址的范围是：20000H~2FFFFH，共64K。

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

在8086PC机中存储单元地址的表示方法：

数据在21F60H单元中，段地址是2000H，说法：
1）数据存在内存2000:1F60单元中；
2）数据存在内存2000H段中的1F60单元中；

段地址很重要！—用专门的寄存器存放段地址。

4个段寄存器：
CS：代码段寄存器
DS：数据段寄存器
SS：栈段寄存器
ES：附加段寄存器

偏移地址可以用多种方法提供——8086丰富的取址方式。我们之后会讲到。

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五、Debug的使用

debug 是什么？

debug是DOS系统中著名的调试程序，也可以在windows系统实模式下。
使用debug程序，可以查看CPU 各种寄存器中的内容，内存的情况，并且在机器指令级跟踪程序的运行！

debug能做什么？

用R命令查看、改变CPU寄存器的内容
用D命令查看内存中的内容
用E命令改变内存中的内容
用U命令将内存中的机器指令翻译成汇编指令
用A命令以汇编指令的格式在内存中写入机器指令
用T命令执行机器指令

启动debug:在DOS提示符下输入命令：debug

“R”命令

用R命令查看、改变CPU寄存器的内容

R-查看寄存器的内容
R 寄存器名-改变指定寄存器的内容

“D”命令

用D命令查看内存中的内容

D-列出地址内存处的128个字节内容。
D 段地址：偏移地址-列出指定地址处的内容。
D 段地址：偏移地址 结尾偏移地址-列出内存中指定地址范围的内容。

“E”命令

用E命令改变内存中的内容

E 段地址：偏移地址 数据1 数据2……
E 段地址：偏移地址
-逐个询问方式
-空格-接收，继续
-回车-结束

“U”命令

用U命令将内存中的机器指令翻译成汇编指令

有汇编指令
mov ax, 0123H
mov bx, 0003H
mov ax, bx
add ax, bx
对应的机器码为
B8 23 01
BB 03 00
89 D8
01 D8

e 地址 数据 - 写入
d 地址 - 查看
u 地址 - 查看代码

“A”命令

用A命令以汇编指令的格式在内存中写入机器指令

有汇编指令
mov ax, 0123H
mov bx, 0003H
mov ax, bx
add ax, bx
对应的机器码为
B8 23 01
BB 03 00
89 D8
01 D8

a 地址 - 写入汇编指令
d 地址 - 查看数据
u 地址 - 查看代码

“T”命令

用T命令执行机器指令

t - 执行CS:IP处的指令
mov ax, 0123H
mov bx, 0003H
mov ax, bx
add ax, bx

“Q”命令

q - 退出Debug

到这里大家赶紧练习一下使用debug吧！

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六、CS、IP与代码段

两个关键寄存器：
CS：代码段寄存器
IP：指令指针寄存器
CS:IP -CPU将内存中CS：IP指向的内容当作指令执行。

8086工作过程简要描述：
1）从CS:IP指向内存单元读取指令，读取的指令进入指令缓存器；
2）IP=IP+所读指令的长度，从而指向下一条指令；
3）执行指令。跳转步骤
（1），重复这个过程。

指令读取和执行的实证演示-Debug

问：内存中有数据 B8 23 01 BB 03 00 89 D8 01 D8，究竟用作一般数据，还是用作指令？
答：CPU将CS:IP指向的内存单元中的内容看作指令！

用debug程序执行下面的代码:
mov ax, 0123H
mov bx, 0003H
mov ax, bx
add ax, bx

a 地址 - 写入汇编指令
u 地址 - 查看代码
t - 执行CS:IP处代码

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七、jmp指令

修改CS、IP 的指令

事实：执行何处的指令，取决于CS:IP
应用：可以通过改变CS、IP中的内容，来控制CPU要执行的目标指令
问题：如何改变CS、IP 的值？
方法1：Debug中的R命令可以改变寄存器的值—r cs,r ip
.Debug是调试手段，并非程序方式
方法2：用指令修改
mov cs,2000H(error)
mov ip,0000H(error)8086CPU不提供对CS和IP修改的指令
方法3：转移指令jmp

转移指令jmp

• 同时修改CS、IP的内容

jmp 段地址：偏移地址

jmp 2AE3:3
jmp 3:0B16
功能：用指令中给出的段地址修改CS，偏移地址修改IP

• 仅修改IP的内容
  jmp 某一合法寄存器

jmp ax (类似于mov ip ax)
jmp bx
功能：用寄存器中的值修改IP

问题分析

从20000H开始，执行的序列是：
（1）mov ax,6622
（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

可以通过分析完成上面各个寄存器的变化，在通过debug进行进一步检验。

八、内存中字的存储

事实：对8086CPU，16位作为一个字

问题：16位的字存储在一个16位的寄存器中，如何存储？
答案：高8位放在高字节，低8位放在低字节。

问题：16位的字在内存中需要2个连续字节存储，怎么存放？
答案：低位字节存在低地址单元，高位字节存在高地址单元。

例：20000D（4E20H）存放0,1两个单元，18D（0012H）存放在2,3两个单元

字单元

字单元：由两个地址连续的内存单元组成，存放一个字型数据（16位）
原理：在一个字单元中，低地址单元存放低位字节，高地址单元存放高位字节

在起始地址为0的单元中，存放的是4E20H
在起始地址为2的单元中，存放的是0012H

问题：
（1）0地址单元中存放的字节型数据是（ 20H ）
（2）0地址字单元中存放的字型数据是（ 4E20H ）
（3）2地址单元中存放的字节型数据是（ 12H ）
（4）2地址字单元中存放的字型数据是（ 0012H ）

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九、用DS和[address]实现字的存送

要求：
CPU 要读取一个内存单元的时候，必须先给出这个内存单元的地址；
原理：
在8086 PC机中，内存地址由段地址和偏移地址组成（段地址：偏移地址）
解决方案：DS和[address]配合
DS寄存器存放要访问的数据的段地址
偏移地址用[…]形式直接给出

例1
mov bx,1000H
mov ds,bx
mov al, [0]
将10000H（1000:0）中的数据读到al中
例2
mov bx,1000H
mov ds,bx
mov [0],al
将al中的数据写到10000H（1000:0）中

字的传输

8086CPU 可以一次性传送一个字（16位的数据）

例：
mov bx, 1000H
mov ds, bx
mov ax, [0] ;1000:0处的字型数据送入ax
mov [0], cx ;cx中的16位数据送到1000:0处

案例：

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十、DS与数据段

对内存单元中数据的访问

对于8086PC机，可以根据需要将一组内存单元定义为一个段。
物理地址=段地址×16+偏移地址
将一组长度为N（N≤64K）、地址连续、起始地址为16的倍数的内存单元当作专门存储数
据的内存空间，从而定义了一个数据段。

例：用123B0H~123B9H的空间来存放数据
段地址：123BH 起始偏移地址：0000H 长度：10字节
段地址：1230H 起始偏移地址：00B0H 长度：10字节
将哪段内存当作数据段，段地址如何定，在编程时安排。
处理方法：(DS)：([address])
用DS存放数据段的段地址
用相关指令（mov、add、sub…）访问数据段中的具体单元，单元地址由[address]指出。

将123B0H~123BAH的内存单元定义为数据段
累加数据段中的前3个单元中的数据
mov ax, 123BH
mov ds, ax
mov al, 0
add al, [0]
add al, [1]
add al, [2]
累加数据段中的前3个字型数据
mov ax, 123BH
mov ds, ax
mov ax, 0
add ax, [0]
add ax, [2]
add ax, [4]

练习：给出00000H-0001F的数据，请写出下面代码的执行结果

完成：

用DS和[address]形式访问内存中数据段方法小结

（1）字在内存中存储时 ，要用两个地址连续的内存单元来存放，字的
低位字节存放在低地址单元中，高位字节存放再高地址单元中。
（2）用 mov 指令要访问内存单元，可以在mov指令中只给出单元的偏
移地址，此时，段地址默认在DS寄存器中。
（3）[address]表示一个偏移地址为address的内存单元。
（4）在内存和寄存器之间传送字型数据时，高地址单元和高8位寄存器、
低地址单元和低8位寄存器相对应。
（5）mov、add、sub是具有两个操作对象的指令，访问内存中的数据段
（对照：jmp是具有一个操作对象的指令，对应内存中的代码段）。
（6）可以根据自己的推测，在Debug中实验指令的新格式。

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十一、栈及栈操作的实现

栈结构

栈是一种只能在一端进行插入或删除操作的数据结构。
栈有两个基本的操作：入栈和出栈。
入栈：将一个新的元素放到栈顶；
出栈：从栈顶取出一个元素。
栈顶的元素总是最后入栈，需要出栈时，又最先被从栈中取出。
栈的操作规则：LIFO（Last In First Out，后进先出）

CPU提供的栈机制 现今的CPU中都有栈的设计。
8086CPU提供相关的指令，支持用栈的方式访问内存空间。
基于8086CPU的编程，可以将一段内存当作栈来使用。

PUSH(入栈)和 POP(出栈)指令
push ax：将ax中的数据送入栈中
pop ax：从栈顶取出数据送入ax
（以字为单位对栈进行操作）

问题：
1、CPU如何知道一段内存空间被当作栈使用？ 2、执行push和pop的时候，如何知道哪个单元是栈顶单元？

回答：8086CPU中，有两个与栈相关的寄存器：
栈段寄存器SS - 存放栈顶的段地址
栈顶指针寄存器SP - 存放栈顶的偏移地址
——任意时刻，SS:SP指向栈顶元素

栈的操作

mov ax, 1000H
mov ss, ax
mov sp, 0010H

mov ax, 001AH
mov bx, 001BH


push ax
push bx

pop ax
pop bx

push 指令和pop指令的执行过程

mov ax, 1000H
mov ss, ax
mov sp, 0010H
mov ax, 001AH
mov bx, 001BH
push ax
push bx
pop ax
pop bx

push ax
（1）SP=SP–2；
（2）将ax中的内容送入SS:SP指向的内存单元处，SS:SP此时指向新栈顶。
pop ax
（1）将SS:SP指向的内存单元处的数据送入ax中；
（2）SP = SP+2，SS:SP指向当前栈顶下面的单元，以当前栈顶下面的单元为新的栈顶。

栈顶超界问题

当栈满的时候再使用push指令入栈， 将发生栈顶超界问题。
当栈空的时候再使用pop指令出栈，将发生栈顶超界问题。
栈顶超界是危险的。

8086CPU不保证对栈的操作不会超界。
8086CPU 只知道栈顶在何处（由SS:SP指示），不知道程序安排的栈空间有多大。
我们在编程的时候要自己操心栈顶超界的问题 ，要根据可能用到的最大栈空间，来安排栈的大小，防止入栈的数据太多而导致的超界；防止出栈时栈空了仍然继续出栈而导致的超界。

栈的小结

• push、pop
  实质上就是一种内存传送指令，可以在寄存器和内存之间传送数据，与mov指令不同的是，push和pop指令访问的内存单元的地址不是在指令中给出的，而是由SS:SP指出的。
• 执行push和pop指令时，SP 中的内容自动改变。
• push指令的执行步骤：
  1）SP=SP-2；
  2）向SS:SP指向的字单元中送入数据。
• pop指令的执行步骤：
  1）从SS:SP指向的字单元中读取数据；
  2）SP=SP+2。

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十二、关于段的总结

各种段

基础：物理地址=段地址*16+偏移地址
做法：
-编程时，可以根据需要将一组内存单元定义为一个段。
-可以将起始地址为16的倍数，长度为N（N<=64K）的一组地址连续的内存单元，定义为一个段。
-将一段内存定义为一个段，用一个段地址指示段，用偏移地址访问段内的单元—由程序员安排。

三种段：

数据段：
将段地址放在DS中
用mov ,add ,sub ,等访问内存单元的指令时，CPU将我们定义的数据段中的内容当做数据段来访问
代码段：
将段地址放在CS中，将段中第一条指令的偏移地址放在IP中
CPU将执行我们定义的代码段中的指令
栈段：
将段地址放在SS中，将栈顶单元的偏移地置放在 SP 中
CPU在需要进行栈操作(push、pop)时，就
将我们定义的栈段当作栈空间来用

可以根据要求执行代码。
段地址可以是一样的

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总结

到这里这篇文章的内容就结束了，谢谢大家的观看，如果有好的建议可以留言喔，谢谢大家啦！