汇编语言第一、二章含检测点和实验一

2021-09-08

第一章基础知识
第二章寄存器

第一章基础知识

1.1 机器语言

机器语言是很多机器指令的集合。机器指令 是一串二进制数字，它可以被转换成一系列高低电平，以此驱动计算机的各个电子器件。

每一种微处理器都有自己的机器指令集。

使用机器指令已经可以操作计算机了，但是它有一个无法解决的问题，或者说是我们人类自己的问题，那就是它太难记忆或者阅读了。如果让你理解这段代码，并尝试找出其中的 bug ，你会作何感想？

我已经看到自己皱起的眉头了

这个问题需要解决，所以我们看看汇编语言的产生

1.2 汇编语言的产生

可以将汇编语言简单地理解为机器语言的别名或外号。我们在中学小学的时候很喜欢给同学起外号，因为外号叫起来更顺口。

汇编语言也是因此而生，它通过更容易阅读和理解的字母代替机器语言，等到要上机执行的时候，再通过一个叫做 编译器 的东西将它翻译成对应的 机器语言 执行。

整个过程如下图所示

1.3 汇编语言的组成

汇编指令：机器指令的助记符，有对应的机器码
伪指令：给编译器用的，没有对应的机器码
其它的符号：+、-、*、/等，给编译器用的，没有对应的机器码

从各个部分的特点也能看出，汇编指令是汇编语言的核心

1.4 存储器

这里说的存储器指的是内存（memory）

1.5 指令和数据

指令和数据在存储介质中没有任何区别，它们都是一串一串的二进制信息。

它们的不同之处在 CPU 中得到体现。CPU把有的信息看作指令，有的信息看作数据。

1.6 存储单元

1.7 CPU对存储器的读写

首先我们应该考虑到，一台计算机中除了CPU和内存之外，还有其它的器件。所以如果想对内存进行读写，首先要给出一个信息指定我们要操作的器件（控制信息）。OK，给出控制信息后，我们只要指定想要操作的存储单元的地址（地址信息）和对应的数据（数据信息）就可以读写内存了。

那么这些信息又是怎么在各个器件之间进行传输的呢？

电信号。计算机内的信息都是通过电信号传输的，自然，传输介质就是导线了。但是我们一般不把它们叫做导线，而叫做总线。根据传输信号的类型不同，又把它们分为 控制总线、地址总线和数据总线。

1.8 地址总线

宽度为 $N$ 的地址总线能够寻址 $2^N$ 个地址单元

1.9 数据总线

负责在CPU和其它器件之间传输数据

数据总线的宽度决定了CPU和外界数据传送的速度

1.10 控制总线

控制总线的宽度决定了CPU对外部器件的控制能力

检测点 1.1

1个CPU的寻址能力为 8KB ，那么它的地址总线的宽度为 $log_22^{13}=13$ 位
1KB 的存储器有 $1024$ 个存储单元。存储单元的编号从 $0$ 到 $1023$
1KB 的存储器可以存储 $2^10=1024$ 个Byte，$2^3*2^{10}=8192$ 个 Bit
1GB、1MB、1KB 分别是 $2^{30}, 2^{20}, 2^{10}$ 个 byte
地址总线宽度为 16 根、20根、24根、32根的CPU的寻址能力分别为 64KB、1MB、16MB、4GB
数据总线宽度为 8根、16根、32根的CPU一次可以传送的数据为 1byte、2byte、4byte
从内存中读取1024byte 的数据，8086 CPU（数据总线宽度为16 根）至少要读 $\frac{1024}{2}=512$ 次，80386 CPU（数据总线宽度为32 根）至少要读 $\frac{1024}{4}=256$ 次
在存储器中，数据和程序以 二进制 形式存放

1.11 内存地址空间

1.12 主板

主板是计算机各种器件的家

1.13 接口卡

在计算机系统中，CPU不能直接控制外部设备（显示器、音箱、打印机等）。但是CPU可以通过总线向接口卡发送命令，接口卡根据CPU的命令控制外部设备的工作。

1.14 各类存储器芯片

BIOS (Basic Input/Output System)

1.15 内存地址空间

一个计算机系统中可以有多个不同的存储器，但是CPU把它们看作一个整体，即逻辑存储器。不同的存储器占据逻辑存储器的不同部分。如下图所示

这个假想的逻辑存储器也叫做 内存地址空间

第二章寄存器

这里说的寄存器是在CPU内部的寄存器，它用来保存CPU运算单元要用到的数据

2.1 通用寄存器

用来存放一般性数据的寄存器称作通用寄存器。比如8086CPU中的 AX 、BX 、CX 、DX 寄存器，而且它们都是16位通用寄存器

2.2 字（word）在寄存器中的存储

2.3 几条汇编指令

首先，汇编指令和寄存器名称不区分大小写

下图展示了 mov 和 add 两种指令

进行数据传送或者运算的时候要注意指令的两个操作对象的位数应该一致

检测点 2.1

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=D888H
add al,al			# AX=D810H
mov ax,cx			# AX=6246H

使用且最多使用4条目前学过的指令计算 $2^4$
1
2
3
4
mov ax,2
add ax,ax
add ax,ax
add ax,ax

2.4 物理地址

内存单元的唯一地址

2.5 16位结构的CPU

16位结构包含这几个特性：

运算器一次最多处理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

8086 是 16位结构的CPU

2.6 8086CPU 给出物理地址的方法

8086CPU 的地址总线宽度为 20 位，有1MB的寻址能力。

但是8086CPU 内部是16位结构，如果直接从内部发出地址就只有16位，寻址能力只有 64KB

所以8086CPU 采用了一种在内部用两个16位地址合成的方法来形成一个20位的物理地址

如上图所示，当8086CPU读写内存时

CPU提供两个16位地址，一个段地址，一个偏移地址
段地址和偏移地址通过内部总线送入 地址加法器
地址加法器将两个 16 位地址合成为一个 20 位物理地址
地址加法器将物理地址送入输入输出控制电路
物理地址被送入地址总线，通过总线到达存储器

物理地址是怎么合成的呢？

物理地址= 段地址 $\times$ 16 + 偏移地址

2.7 物理地址= 段地址 $\times$ 16 + 偏移地址的本质含义

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得到内存单元的物理地址

2.8 段的概念

段的概念仅仅存在于CPU中，而实际的物理存储器并没有分段

检测点 2.2

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 00010H 到 1000FH
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

2.9 段寄存器

8086CPU中专门使用四个 段寄存器 给出段地址

这里只看一个，CS

2.10 CS 和 IP

8086CPU中两个非常重要的寄存器

在任意时刻，设CS中的内容为M，IP中的内容为N，则8086CPU将从内存 $M \times 16+N$ 单元开始，读取一条指令并执行

在8086CPU 加电启动或者复位后，CS 和 IP 被设置为CS=FFFFH，IP=0000H。所以在 8086CPU 机器刚刚启动时，CPU从内存FFFF0H 单元中读取指令执行

2.11 修改 CS、IP的指令

既然CS和IP寄存器指定了CPU接下来要执行的指令，那么我们就可以修改这两个寄存器的值来执行我们想要执行的指令

使用 8086CPU 时不能通过 mov 指令修改CS和IP寄存器的值，但是它提供了一系列转移指令来完成这项工作

最简单的转移指令是 jmp

如果同时改变CS和IP的值则 jmp 段地址：偏移地址，执行完毕后，CS=指定段地址，IP=指定偏移地址

如果只改变IP的值则 jmp 某一寄存器 ，执行完毕后，IP的值=指定寄存器内存储的值

2.12 代码段

用来存放代码的一段内存

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？

1
2
3

mov ax,bx		# 第一次修改
sub ax,ax		# 第二次修改
jmp ax			# 第三、第四次修改，最后IP中的值是 ax 寄存器中的值 0000H

实验一查看CPU和内存，用机器指令和汇编指令编程

Debug 功能

R 查看、改变CPU寄存器的内容
D 查看内存中的内容

d 段地址：偏移地址 查看内存中指定地址处的内容

d 段地址：偏移地址结尾偏移地址 查看内存中指定范围内的内容

E 改写内存中的内容

e 起始地址数据数据数据 …… 修改内存中从起始地址开始的 n 个单元的内容

U 将内存中的机器指令 翻译成 汇编指令

u 段地址：偏移地址 将指定地址开始的机器指令翻译成汇编指令并显示出来

T 执行一条机器指令

执行的是 CS:IP 地址处的指令

A 以汇编指令的格式在内存中写入一条机器指令

实验任务

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中相关寄存器内容的变化
1
2
3
4
5
6
7
8
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10
11
12
13
14
mov ax,4E20H
add ax,1416H
mov bx,2000H
add ax,bx
mov bx,ax
add ax,bx
mov ax,001AH
mov bx,0026H
add al,b1
add ah,b1
add bh,al
mov ah,0
add al,b1
add al,9CH
使用 A 命令输入：

使用 T 命令执行：

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 $2^8$
1
2
3
mov ax,1
add ax,ax
jmp 2000:0003
写入：

执行：
查看内存中的内容

PC机主板的 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并试图改变它

首先寻找目标：

试图把修改日期

结果证明，这块内存是不能被改变的
向内存从 B8100H 开始的单元中填写数据
1
-e B810:0000 01 01 02 02 03 03 04 04
先填写不同的数据，观察产生的现象；再改变填写的地址，观察现象