第1章、基础知识

1.1 机器语言

机器语言是机器指令的集合。机器指令是一台机器可以正确执行的命令。电子计算机的机器指令是一列二进制数字。计算机将之转变为一列高低电平，以使计算机的电子器件受到驱动，进行运算。
每一种微处理器（cpu），由于硬件设计和内部结构的不同，就需要用不同的电平脉冲来控制，使它工作。所以每一种微处理器都有自己的机器指令集，也就是机器语言。

每一种CPU也都有自己的汇编指令集。

1.2 汇编语言的产生

汇编语言的主体是汇编指令，即机器指令便于记忆的书写格式

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汇编编译器将程序员写出的汇编代码编译成机器语言，由计算机最终执行。

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1.3 汇编语言的组成

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1.4 存储器

CPU控制计算机的运作和运算，向CPU提供指令和数据使它工作，指令和数据存放在存储器中，即内存。程序放在磁盘中，磁盘中的程序和数据只有先读到内存中，才能被CPU使用。

CPU可以直接使用的信息在存储器中存放。

1.5 指令和数据

指令和数据是应用上的概念，在内存和磁盘上，指令和数据没有任何区别，都是二进制信息。

1.7 CPU对存储器的读写

CPU要从内存中读数据，首先要指定存储单元的地址，

还要指明对哪一个器件进行操作，

以及进行什么操作，是从中读数据，还是从中写数据。

因此，CPU要想进行数据的读写，必须和外部器件(芯片)进行以下3类信息的交互：

• 存储单元的地址(地址信息);
• 器件的选择，读或写的命令(控制信息);
• 读或写的数据(数据信息)。

连接CPU和其他芯片的导线的集合称为总线，CPU通过总线将三种信息传到其他芯片中。

对应传递三种信息，总线分为：

• 地址总线
• 控制总线
• 数据总线

CPU从3号单元中读取数据的过程如下：

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1.8 地址总线

CPU通过地址总线来指定存储器单元。

一个CPU有N根地址线，则这个CPU的地址总线的宽度为N。这样的CPU最多可以寻找2的N次方个内存单元（一个内存单元就是一字节）。

地址总线的宽度决定了CPU的寻址能力。

1.9 数据总线

CPU通过数据总线与内存或其他器件之间进行数据传递。

数据总线的宽度决定了CPU和外界的数据传递速度（一次数据传送量）。

1.10 控制总线

CPU通过控制总线对外部器件进行控制。

控制总线的宽度决定了CPU对外部器件的控制能力。

1.11 CPU对其他器件和外部设备的控制

每一台PC中，都有一个主板，总线就印刷在主板上，主板上有核心器件和一些主要器件（如CPU、存储器、外围芯片组、扩展插槽（RAM内存条和各类接口卡）），这些器件通过总线相连。

CPU只能直接控制主板上的这些器件，不能直接控制外部设备（如显示器、音响、打印机）。CPU只能通过总线直接控制主板上的扩展插槽，和插在扩展插槽上的接口卡，接口卡再控制外部设备，从而实现CPU对外部设备的间接控制。

1.12 各类存储器芯片

随机存储器（RAM）在程序的执行过程中可读可写，必须带电存储

只读存储器（ROM）在程序的执行过程中只读，关机数据不丢失

PC中的存储器从功能和连接上又分为以下几类：

• 随机存储器

  用于存放供CPU使用的绝大部分程序和数据，主随机存储器一般由两个位置上的RAM组成，装在主板上RAM和插在扩展插槽上的RAM（内存条）。

• 装有BIOS的ROM

  BIOS（Basic Input/Output System，基本输入输出系统）是各类接口卡（显卡网卡）厂商提供的软件系统，作用是：通过它对硬件设备（如显示屏）进行输入输出。所以使用只读存储器（ROM）来存储BIOS。在主板和某些接口卡上插有存储相应BIOS的ROM。

• 接口卡上的RAM

  某些接口卡需要对大批量输入、输出数据进行暂时存储，在其上装有RAM。最典型的是显示卡一上的RAM，一般称为显存。显示卡随时将显存中的数据向显示器上输出。换句话说，我们将需要显示的内容写入显存，就会出现在显示器上。

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接口卡上一般同时需要RAM和ROM

• ROM用来存储BIOS，来对硬件设备进行输入输出，同时为了防止CPU对BIOS进行修改，用ROM来存储。
• RAM用来暂时存储输入输出数据。

1.13 内存地址空间

CPU在操控主板上的存储器的时候，把它们都当作内存来对待，把它们总的看作一个由若干存储单元组成的逻辑存储器（即虚拟内存空间），这个逻辑存储器就是我们所说的内存地址空间。

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所有的物理存储器被看作一个由若干存储单元组成的逻辑存储器，这个逻辑存储器在物理上是不存在的，是一个虚拟的内存空间，相当于CPU给每个物理存储器在这个虚拟内存空间中划分了一个地址段，即一段地址空间，方便CPU对不同的物理存储器进行读写。CPU在这段地址空间中读写数据，实际上就是在相对应的物理存储器中读写数据。

内存地址空间的大小受CPU地址总线宽度的限制，80386CPU 的地址总线宽度为32，则内存地址空间最大为4GB。

在基于一个计算机硬件系统编程的时候，必须知道这个系统中的内存地址空间分配情况。因为当我们想在某类存储器中读写数据的时候，必须知道它的第一个单元的地址和最后一个单元的地址，才能保证读写操作是在预期的存储器中进行。比如，我们希望向显示器输出一段信息，那么必须将这段信息写到显存中，显卡才能将它输出到显示器上。要向显存中写入数据，必须知道显存在内存地址空间中的地址。

第2章、寄存器

CPU由运算器、控制器、寄存器构成。

总线相对于CPU又分为外部总线和内部总线，内部总线连接CPU内部的各个器件，外部总线连接CPU和主板上的其他器件。

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

不同的CPU，寄存器的个数、结构是不相同的。8086CPU 有14个寄存器: AX、BX、CX、DX、SI、 DI、SP、BP、IP、CS、SS、DS、ES、PSW，都是16位的。

2.1 通用寄存器

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。

为了保证兼容，AX、BX、CX、DX都可以分为两个独立的8位寄存器使用：

8086CPU可以一次性处理以下两种尺寸的数据。

• 字节：记为byte，一个字节由8个bit组成，可以存在8位寄存器中。
• 字：记为word，一个字由两个字节组成，可以存在一个16位寄存器中(16位CPU)

8086采用小端模式：高地址存放高位字节，低地址存放低位字节。

2.3 汇编指令

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注意，此时al是作为一个独立的8位寄存器来使用的，和ah没有关系，CPU在执行这条指令时认为ah 和al是两个不相关的寄存器。不要错误地认为，诸如add al,93H的指令产生的进位会存储在ah中，add al,93H进行的是8位运算。

在进行数据传送或运算时，指令的两个操作对象的位数必须一致！

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2.4 8086CPU给出物理地址的方法

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，称为物理地址。

8086CPU是16位结构的CPU，即：

• 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。

内存单元的地址在送上地址总线之前，必须在CPU中处理、传输、暂时存放

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，但是却有20位地址总线，可以传送20位地址，达到1MB寻址能力。

从8086CPU的内部结构来看，如果将地址从内部简单地发出，那么它只能送出16位的地址，表现出的寻址能力只有64KB。

8086CPU采用一种在内部用两个16位地址合成的方法来形成一个20位的物理地址。

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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. 地址加法器将两个16位地址合成为一个20位的物理地址；

地址加法器采用物理地址 = 段地址×16 + 偏移地址的方法用段地址和偏移地址合成物理地址。

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2.8 段的概念

内存并没有分段，段的划分来自于CPU（类似于内存地址空间，段也是一个虚拟的概念）。

我们可以将若干地址连续、起始地址为16的倍数的一组内存单元定义为一个段。用段地址x16定位段的起始地址(基础地址)，用偏移地址定位段中的内存单元。

有两点需要注意:段地址x16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;偏移地址为16位，16位地址的寻址能力为64KB，所以一个段的长度最大为64KB。

2.9 段寄存器

段寄存器：8086CPU有4个段寄存器：CS、DS、SS、ES，提供内存单元的段地址。

1、CS和IP

CS为代码段寄存器，IP为指令指针寄存器

CPU将CS、IP中的内容当作指令的段地址和偏移地址,用它们合成指令的物理地址

在任意时刻，CPU将CS:IP指向的内容当作指令执行

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8086CPU的工作过程简要描述

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。

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，IP=0000H，即在8086PC机刚启动时，FFFF0H单元中的指令是8086PC机开机后执行的第一条指令。

CPU只认CS：IP指向的内存单元中的内容为指令，一段代码存放在123B0H~123B9H 内存单元中，将其定义为代码段，如果要让这段代码得到执行，可设CS=123BH、 IP=0000H。

2、修改CS、IP的指令

8086CPU大部分寄存器的值，都可以用mov指令修改，mov指令被称为传送指令。

但是，mov指令不能设置CS、IP的值。

8086CPU使用jmp指令修改CS、IP的值，能修改CS、IP的值的指令被称为转移指令。

• jmp 段地址:偏移地址：用指令中给出的段地址修改CS，偏移地址修改IP。如：jmp 2AE3:3

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• jmp 某一合法寄存器：仅修改IP的内容。如：jmp ax。在含义上好似：mov IP，ax

8086CPU不支持将数据直接送入段寄存器的操作。

实验 1 查看CPU和内存，用机器指令和汇编指令编程

Debug的使用

• 用R命令查看、改变CPU寄存器的内容;

  • 查看寄存器的内容：

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    在所有寄存器的下方，还列出了CS:IP所指向的内存单元的地址，机器码，并将它翻译成汇编指令

  • 改变寄存器的内容：

    在r命令后加寄存器名来改变寄存器的内容

    image.png

• 用D命令查看内存中的内容：

  用“d 段地址:偏移地址”的格式来查看指定内存中的内容，debug将列出从指定内存单元开始的128个内存单元的内容

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  最右侧是每个内存单元中的数据对应的ASCII码字符。

  • 一进入Debug后，用D命令直接查看，将列出Debug预设的地址处的内容。

  • 在使用“d段地址:偏移地址”之后，接着使用D命令，可列出后续的内容。

  • 可以指定D命令的查看范围，此时采用“d 段地址:起始偏移地址 结尾偏移地址”的格式。比如要看1000:0~1000:9中的内容，可以用“d 1000:09”实现。

  • 如果我们只想查看某一个内存单元的内容

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• 用E命令改写内存中的内容：

  • 可用“e 起始地址 数据 数据 数据…”的格式进行
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  • 也可以用提问的方式一个一个的改写

• 用U命令将内存中的机器指令翻译成汇编指令;

• 用T命令执行一条机器指令；

  t命令只会执行CS：IP指向的指令，所以在执行前需要用r命令改写CS：IP中的内容，使其指向我们想要执行的指令。

• 用A命令以汇编指令的格式在内存中写入一条机器指令

  使用a命令，从预设的地址开始输入指令（可以自己给定地址）

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  输入一条指令后，按下回车，IP会自动指向下一个内存单元。

  什么都不输入直接按回车表示结束。