【新书推荐】6.3节指令指针寄存器

8086 CPU内部的指令指针寄存器IP是计算机自动运行程序的关键。指令指针寄存器IP自动指向下一条将要执行的指令。

本节内容：使用指令指针寄存器读取和执行指令的工作原理和段寄存器的引用。

■指令指针： 8086CPU中的指令指针寄存器IP是16位寄存器。指令指针寄存器IP指向将要执行的指令在代码段中的偏移。只有使用控制指令才可以改变CS:IP的值，如JMP指令、JCC指令、CALL指令、RET指令、IRET指令等。

■读取、执行指令的工作原理：代码段内汇编指令的逻辑地址采用CS:IP表示，通过地址加法器将CS*16+IP转换为20位物理地址，然后在该物理内存地址处读取指令机器码。

■段寄存器的引用：正常引用段寄存器时，使用段超越前缀，比如“DS:[SI]”中的DS表示数据段超越前缀，表示引用数据段DS中的SI偏移地址处存储的值。默认缺省段超越前缀存在两种情形。一是数据段寄存器DS缺省，偏移地址可以使用[BX]、[SI]、[DI]或其组合形式表示。二是堆栈段寄存器SS缺省，偏移地址只可以使用[BP]表示，[BP]等价于SS:[BP]。

6.3.1 指令指针

当我们的操作系统将计算机可执行程序加载到计算机的内存中之后，IP指令指针寄存器自动指向该程序的入口地址（第一条指令的位置）。然后，按照程序中指令执行的流程和先后顺序，自动执行。

■指令编码规则

程序员在编写计算机的源程序时，按照计算机语言的指定编写规则编写源代码。编写程序时，通常按照数据和代码分开的原则编写。数据写在数据段，指令写在代码段。汇编源程序中编写的地址是逻辑地址。代码段的逻辑地址表示为CS:IP，由16位段值和16位偏移组成。当操作系统把编译后的可执行程序加载到计算机的内存中后，CPU读取的指令地址为源程序中编写的逻辑地址，CPU还需要将逻辑地址转换为物理地址后，才可以正确地读写物理内存中的指令或数据。

读取指令时，需要将指令的逻辑地址转换为物理地址：

8086物理地址=段值*16 +偏移。

代码段的逻辑地址： CS:IP。

代码段的物理地址 = CS*16 + IP。

下一条指令的地址=当前指令地址+当前指令机器码的字节数。

动手实验10：测试指令地址

如图6-12所示，在Debug调试器中输入命令a，输入下面三条语句，接着输入u命令，注意观察CS:IP的变化。

图6-12 指令地址

mov ax,1的硬编码为B80100，地址为073f:0100；

mov bx,2的硬编码为B80200，地址为073f:0103；

mov cx,3的硬编码为B90300，地址为073f:0106；

上述3条指令的硬编码都是3个字节，下一条指令的地址等于当前指令地址+3。

■指令指针

8086 CPU中的指令指针寄存器IP是16位寄存器。指令指针寄存器IP指向将要执行的指令在代码段中的偏移。实际上，除非发生转移，否则将要执行的指令会被预取到指令预取队列，然后再将一条指令分解为多条微指令，并将微指令提交CPU执行。关于指令队列和指令执行的具体流程，我们将在第三部分32位汇编的第二十八章80386处理器体系结构一章中详细讲解。

CS和IP是8086 CPU两个最关键的寄存器。任意时刻CPU都将CS:IP指向的内容当作指令执行。

6.3.2 读取、执行指令的工作原理

■读取执行指令

如图6-13所示：

●8086 CPU当前状态：CS中的内容为2000H，IP中的内容为0000H；

●内存20000H~20009H单元存放着可执行的机器码；

●内存20000H~20009H单元存放的机器码对应的汇编指令如下：

地址：20000H~20002H，内容：B8 21 03，长度：3byte，对应汇编指令：mov ax,0321h。

地址：20003H~20005H，内容：BB 06 00，长度：3byte，对应汇编指令：mov bx,0006h。

地址：20006H~20007H，内容：89 D8，长度：2byte，对应汇编指令：mov ax,bx。

地址：20008H~20009H，内容：01 DB，长度：2byte，对应汇编指令：add ax,bx。

假设当前CPU提取的代码段逻辑地址为2000H:0H，由CPU内的地址加法器将此逻辑地址转换为物理地址20000H。地址总线加载物理地址20000H，该物理地址存储汇编指令“mov ax,0321H”对应的机器语言（也称为硬编码）“B8 21 03”，这条机器语言就是将要执行的指令。

图6-13 读取、执行指令的工作原理

6.3.3 段寄存器的引用

在代码段的指令代码中，如何引用段寄存器呢？如图6-14所示，8086 CPU内有4个16位的段寄存器CS、DS、SS、ES，分别用于存储代码段、数据段、堆栈段和附加段的段值。这些段是由程序员在编写16位汇编源程序时人为定义的逻辑段。逻辑段的段值在源程序中并不是指定的，而是使用符号表示，称为该逻辑段的段地址标号。

图6-14 段寄存器的引用

堆栈段段值存储在SS段寄存器中，堆栈段使用SP栈顶指针寄存器指向堆栈段的栈顶，BP寄存器作为堆栈段内的基址寄存器。

代码段段值存储在CS段寄存器中，代码段使用IP指令指针寄存器指向将要执行的指令。

数据段段值存储在DS段寄存器中，数据段使用BX、SI、DI、BP四个指针寄存器指向段内偏移，或者使用直接段内地址偏移。在使用内存数据拷贝（字符串指令）时，固定使用DS:[SI]指向源地址。

附加段段值存储在ES段寄存器中，附加段通常用于数据拷贝，在字符串指令中固定使用ES:[DI]指向目的地址。

举例

假设在一个源程序中引用了4个逻辑段，需要在源程序的开始位置做如下声明：

assume cs:code,ds:data,ss:stack,es:edata

意思是假设“地址标号code”表示代码段，“地址标号data”表示数据段，“地址标号stack”表示堆栈段，“地址标号edata”表示附加段。

16位汇编语言源程序中段的定义如下：

assume cs:code,ds:data,ss:stack,es:edata

stack segment ;堆栈段定义的起始位置

定义堆栈空间的大小

stack ends ;堆栈段到此结束

data segment ;数据段定义的起始位置

数据段内的数据定义

data ends ;数据段到此结束

edata segment ;附加段定义的起始位置

附加段内的数据定义

data ends ;附加段到此结束

code segment ;代码段定义的起始位置

start: ;代码段内的地址标号

汇编指令代码…

code ends ;代码段到此结束

end start ;指定代码段的入口地址位于地址标号start处

在源程序中，根据实际需要定义一个或多个逻辑段，至少应包含一个代码段。

下面分别介绍4个段寄存器的引用方法。

■代码段

在汇编语言的源程序中，代码段内存储的是汇编指令代码。代码段的地址标号通常用“code”表示，也可以自定义。当我们编写16位汇编语言源程序时，并不需要真正给段寄存器赋值，只需要声明段地址标号就可以了。当操作系统将编译后的二进制可执行程序（.exe后缀的程序）加载到计算机内存中时，会根据当前计算机系统的配置，自动分配一个段值给段寄存器，替换源代码中的段地址标号。这样的好处是，不需要使用固定的段值，可以将同一个可执行程序加载到不同的计算机系统上运行。

当CPU通过CS:IP读取代码段内的指令时，会自动引用代码段寄存器CS，加上指令指针寄存器IP所给的16位代码段内偏移，得到指令的物理地址。

■堆栈段

堆栈段是一个动态分配的内存空间。段寄存器SS存储堆栈段的段值。当涉及堆栈操作时，引用堆栈段SS段寄存器，加上SP栈顶指针寄存器给出的16位堆栈段内偏移，得到堆栈操作的物理地址。

注意

1．编写16位汇编程序时，我们可以自定义堆栈段（小于64KB），也可以使用DOS系统默认分配的64KB堆栈空间。

2．SP栈顶指针寄存器永远指向堆栈段的栈顶。

3．堆栈内的数据存储按照后进先出的原则进行。

4．8086计算机的堆栈空间每次固定分配2个字节空间，即按照16位对齐，不足16位，前面补0。

5．入栈操作时SP寄存器减2，出栈操作时，SP寄存器加2。例如：

push ax ;将ax寄存器的值压入堆栈栈顶，SP-2

pop ax ;将堆栈栈顶2个字节的值pop 到ax寄存器中，SP+2

6．BP寄存器是栈内基址指针寄存器，用于堆栈内的寻址。如果是BP寄存器计算偏移时，缺省引用段寄存器，默认为SS段。例如，汇编语句mov ax,[bp+2]是mov ax,ss:[bp+2]的简写形式。

我们将在第七章8086寻址方式和第八章8086指令系统详细讲解堆栈内的寻址和堆栈操作指令。

■附加段

ES段寄存器存储附加段的段值。通常附加段用于数据拷贝。在16位汇编语言中，使用字符串指令时，ES:[DI]指向目的地址，目的数据字符串只可以使用ES段寄存器。我们将在第十七章字符串处理的章节中学习字符串指令。

注意

字符串指令LODS、STOS、MOVS、SCANS、CMPS用于字符串的装载、存储、拷贝、扫描和比对。在16位汇编语言中，字符串是以ASCII码字符的形式存储在计算机内存中。对内存中字符串的操作，就是对ASCII数值的操作。因而字符串指令本质上就是内存数据拷贝。所以，我们说ES段寄存器“用于数据拷贝”和“用于字符串指令”的说法是一回事。

■数据段

数据段的段值存储于DS段寄存器，用于存储程序所需的数据定义。16位汇编语言程序中，通常我们定义为data segment数据段。数据段作为全局段存在的，整个程序中的任一指令都可以直接引用。

源程序中的引用方法为DS:[SI]，缺省DS段寄存器时，默认为DS段。如果一个程序不超过64KB，只需要在程序开始时分别给DS，SS赋值就可以了，程序的其他地方不需要再考虑这些段寄存器，如果程序超过64KB，就需要在两个或者多个段寄存器中存取数据，需要改变段寄存器的值。

段超越前缀：直接明确指定引用的段寄存器，可缺省。如DS:[SI]中，我们将“DS:”称为数据段超越前缀。

数据段和附加段的段内地址偏移可以使用SI、DI、BP、BX寄存器间接方式给出，或者直接给出段内偏移地址的数值，称为直接寻址方式。我们将在第七章8086寻址方式中详细讲解。

■段寄存器的引用规则

表6-8给出了16位汇编语言中段引用的规则。可以分为三种情形：

●正常使用段超越前缀

代码段必须使用CS段寄存器存储段值，源程序中使用CS:IP表示代码段内逻辑地址。

堆栈段必须使用SS段寄存器存储段值，源程序中使用SS:[BP] 或SS:[BP+立即数]表示堆栈段内逻辑地址。8086CPU指令集不支持SS:[SP]这样的指令。SP栈顶指针寄存器永远指向堆栈的栈顶。

附加段必须使用ES段寄存器存储段值，在字符串指令中，只能使用ES:[DI]表示附加段内的目的地址。

数据段使用DS段寄存器存储段值。在字符串指令中，只能使用DS:[SI]表示数据段内的目的地址。

●缺省段超越前缀只有两种情形

1．数据段寄存器DS缺省，偏移地址可以使用[BX]、[SI]、[DI]或其组合形式表示。

2．是堆栈段寄存器SS缺省，偏移地址只可以使用[BP]表示，[BP]等价于SS:[BP]。

●段值相同

DS数据段和SS堆栈段可以与CS、ES的段值相同，即都属于同一个段。

访问存储器涉及的方式	正常使用的段寄存器	可选用的段寄存器	偏移
取指令	CS	无	IP
堆栈操作	SS	无	SP
一般数据存取（下来情况除外）	DS	CS、ES、SS	有效地址
源数据串	DS	CS、ES、SS	SI
目的数据串	ES	无	DI
BP作为指针寄存器使用	SS	CS、DS、ES	有效地址