第一章 基础知识

汇编语言的三类指令

1. 汇编指令

汇编指令是直接被CPU执行的指令，它们在汇编时被转换为对应的机器码。主要包括：

• 数据传送指令：如MOV，用于在寄存器、内存和I/O端口之间传送数据。

  MOV AX, BX ; 将BX中的数据传送到AX

• 算术与逻辑指令：如ADD、SUB，用于进行数学计算和逻辑操作。

  ADD AX, BX ; 将BX中的数据加到AX中

• 控制转移指令：如JMP、CALL，用于改变程序执行流程。

  JMP LABEL ; 无条件跳转到LABEL标签

2. 伪指令

伪指令是指导汇编器工作的指令，它们在汇编过程中被处理，但不生成机器码。主要包括：

• 段定义指令：如SEGMENT、ENDS，用于定义和结束一个段。

  DATA SEGMENT

• 数据定义指令：如DB、DW，用于定义字节或字数据。

  DB 0x55 ; 定义一个字节数据0x55

• 常量定义指令：如EQU，用于定义常量。

  MAXLEN EQU 255 ; 定义常量MAXLEN为255

3. 符号指令

符号指令用于标识变量、常量、代码段等，在汇编过程中被替换为具体的地址或值。它们没有对应的机器码。

• 标签：用于标识代码中的位置。

  LABEL: ; 定义一个标签LABEL

• 宏定义：如MACRO，用于定义宏，简化代码编写。

  MYMACRO MACRO ; 宏定义内容 ENDM

CPU对存储器的读写

CPU对存储器的读写操作是计算机系统中最基本和最重要的功能之一。以下是详细说明CPU如何与存储器交互进行读写操作的过程，包括存储单元的介绍。

存储器结构与存储单元

存储器（Memory）由多个存储单元（Memory Cell）组成，每个存储单元都有唯一的地址（Address），用于存储数据（Data）。存储器可以分为两大类：

• 随机存取存储器（RAM）：可读可写，用于存储临时数据。RAM是易失性存储器，断电后数据会丢失。
• 只读存储器（ROM）：只能读取，用于存储固件和不可变数据。ROM是非易失性存储器，断电后数据仍然保存。

每个存储单元通常存储一个字节（8位）或一个字（16位）的数据，存储单元按照地址从零开始顺序编号。CPU通过地址访问这些存储单元中的数据。

总线系统

CPU通过总线（Bus）与存储器进行通信。总线系统包括：

地址总线

数据总线

数据总线是一组用于在CPU、内存和外设设备之间传输数据的信号线。数据总线的宽度决定了每次传输的数据量。例如，32位数据总线一次可以传输32位（4字节）的数据。

控制总线

控制总线是一组用于传输控制信号的信号线，这些信号用于协调和管理系统各部分之间的操作。控制信号包括读/写命令、时钟信号、中断请求等。

• 地址总线是一组用于传输存储单元地址的信号线。它的主要作用是指定内存或外设设备中的位置，以便CPU可以读写数据。地址总线的宽度决定了CPU可以访问的最大内存空间。例如，16位地址总线可以访问2^16 = 65,536个存储单元。

• 功能：传输内存地址。
• 影响：地址总线的宽度决定了CPU可以寻址的内存空间范围。例如，32位地址总线可以寻址4GB的内存空间。
• 方向：地址总线一般是单向的（寻址信息通常是从CPU发出）
• 功能：传输数据，包括指令和数据字。
• 影响：数据总线的宽度影响了系统的数据传输速率和性能。例如，64位数据总线相比于32位数据总线，可以一次传输更多的数据，从而提高系统性能。
• 方向：数据总线是双向的，因为数据既可以从CPU发送到内存或I/O设备，也可以从内存或I/O设备发送到CPU。
• 功能：传输控制信号以管理和协调系统操作。
• 影响：控制总线的效率和设计直接影响系统的整体性能和稳定性。它们确保数据和地址的传输按照正确的时序进行。
• 方向：控制总线是双向的，因为控制信号既可以从CPU发送到其他组件，也可以从其他组件发送到CPU。

读操作

读取存储器的过程可以分为以下几个步骤：

1. 地址传输：

   • CPU将要读取的数据地址放入地址总线。地址总线的宽度决定了CPU能够访问的最大内存地址范围。

     MOV AX, [1234H] ; 读取内存地址1234H的数据到AX寄存器

2. 控制信号发送：

   • CPU通过控制总线发送读命令（Read Command）到存储器。控制信号通知存储器准备好数据。

     ; 控制总线发送读信号

3. 数据传输：

   • 存储器接收到读命令后，将指定地址的数据放入数据总线。数据总线的宽度决定了一次能够传输的数据量。

     ; 数据总线传输数据

4. 数据接收：

   • CPU从数据总线读取数据，并将其存入指定的寄存器或内存位置。

     ; CPU从数据总线接收数据并存入AX

写操作

写入存储器的过程可以分为以下几个步骤：

1. 地址传输：

   • CPU将要写入数据的地址放入地址总线。

     MOV [1234H], AX ; 将AX寄存器的数据写入内存地址1234H

2. 数据传输：

   • CPU将要写入的数据放入数据总线。

     ; 数据总线传输要写入的数据

3. 控制信号发送：

   • CPU通过控制总线发送写命令（Write Command）到存储器。控制信号通知存储器接收数据。

     ; 控制总线发送写信号

4. 数据存储：

   • 存储器接收到写命令后，将数据总线上的数据写入指定地址的存储单元。

     ; 存储器将数据写入指定地址

内存地址空间的分配

在计算机体系结构中，地址总线是单向的，即CPU向内存或I/O设备发送地址信息。CPU通过逻辑地址空间访问物理存储器，当CPU在某个地址空间中执行读写操作时，实际上是在相应的物理存储器单元中进行这些操作(对ROM写无效，ROM是只读)

8086PC内存地址空间的分配

• 主存储器地址空间 (RAM)

  • 地址范围：00000h 到 9FFFFh
  • 描述：这是系统的主内存区域，用于存放运行中的程序和数据。

• 显示地址空间

  • 地址范围：A0000h 到 BFFFFh
  • 描述：这是显示卡的显存地址空间。当向这个区域的内存单元中写数据时，实际上是向显示存储器中写入数据，这些数据会被显示卡输出到显示器上。
  • 详细说明：在这个区域内，A0000h 到 AFFFFh 通常用于EGA/VGA显卡的显存，B0000h 到 B7FFFh 用于单色显示器（MDA），B8000h 到 BFFFFh 用于彩色显示器（CGA）。

• 各类ROM地址空间

  • 地址范围：C0000h 到 FFFFFh
  • 描述：这部分内存用于存储只读存储器（ROM）中的数据，包括BIOS程序和扩展卡的固件等。
  • 详细说明：C0000h 到 C7FFFh 一般用于显示适配器的BIOS，E0000h 到 FFFFFh 则是系统BIOS区域。

CPU 与不同类型设备交互

“CPU 与所有设备（包括内存和外设）的交互，其主要区别在于访问的地址空间不同。CPU 通过不同的地址空间（内存地址空间、I/O 地址空间或内存映射 I/O 地址空间）与这些设备进行数据传输和控制操作。 

示例一：CPU 与 RAM 交互

1. 读操作：

   • 发送地址：CPU 将要读取的内存地址（例如 0x0000）放在地址总线上。
   • 控制信号：CPU 通过控制总线发送读命令。
   • 数据传输：RAM 控制器读取地址 0x0000 处的数据，并通过数据总线传送给 CPU。假设返回的数据是 0x1234。

   CPU -> 地址总线 -> 0x0000
   CPU -> 控制总线 -> 读命令
   RAM -> 数据总线 -> 0x1234
   

2. 写操作：

   • 发送地址和数据：CPU 将要写入的内存地址（例如 0x0000）和数据（例如 0x5678）放在地址总线和数据总线上。
   • 控制信号：CPU 通过控制总线发送写命令。
   • 数据写入：RAM 控制器将数据 0x5678 写入地址 0x0000。

   CPU -> 地址总线 -> 0x0000
   CPU -> 数据总线 -> 0x5678
   CPU -> 控制总线 -> 写命令
   RAM <- 数据总线 <- 0x5678
   

示例二：CPU 与显卡显存交互（内存映射 I/O）

1. 写操作：

   • 发送地址和数据：CPU 将要写入的显存地址（例如 0xA0000）和数据（例如图像数据）放在地址总线和数据总线上。
   • 控制信号：CPU 通过控制总线发送写命令。
   • 数据写入：显卡控制器将数据写入显存的指定地址 0xA0000。这些数据将被显示在屏幕上。

   CPU -> 地址总线 -> 0xA0000
   CPU -> 数据总线 -> 图像数据
   CPU -> 控制总线 -> 写命令
   显存 <- 数据总线 <- 图像数据
   

示例三：CPU 与键盘交互（I/O 端口映射）

1. 读操作：

   • 发送 I/O 端口地址：CPU 将要读取的 I/O 端口地址（例如 0x60）放在地址总线上。
   • 控制信号：CPU 通过控制总线发送读命令。
   • 数据传输：键盘控制器读取按键数据，并通过数据总线传送给 CPU。假设返回的按键数据是 0x1E（代表某个按键）。

   CPU -> 地址总线 -> 0x60
   CPU -> 控制总线 -> 读命令
   键盘控制器 -> 数据总线 -> 0x1E
   

第2章寄存器

0. 典型的CPU结构

典型的CPU由运算器、控制器、寄存器等器件构成，这些器件通过片内总线相连。

• 运算器：进行信息处理
• 控制器：控制各种器件进行工作
• 寄存器：进行信息存储

1. 8086 CPU的寄存器

8086 CPU有14个16位寄存器：

• 通用寄存器：AX、BX、CX、DX
• 索引寄存器：SI、DI
• 指针寄存器：SP、BP、IP
• 段寄存器：CS、SS、DS、ES
• 状态寄存器：PSW

16位结构CPU的特性

• 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

数据处理

• 字节 (byte)：8位，可以存在8位寄存器中
• 字 (word)：16位，由两个字节组成，可以存在一个16位寄存器中

存储模式

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. 通用寄存器

通常用于存放一般性的数据，有AX、BX、CX、DX，它们可分为两个可独立使用的8位寄存器：

• AX = AH（高8位） + AL（低8位）
• BX = BH（高8位） + BL（低8位）
• CX = CH（高8位） + CL（低8位）
• DX = DH（高8位） + DL（低8位）

一个8位寄存器所能存储的数据范围是0 ~ 255（0x00 ~ 0xFF）。

3. 物理地址生成

8086 CPU有20位地址总线，可以传送20位地址，达到1MB寻址能力。然而，内部一次性处理、传输、暂时存储的地址为16位。8086 CPU通过在内部用两个16位地址合成的方法来形成一个20位的物理地址：

• 物理地址 = 段地址 × 16 + 偏移地址

例如，8086 CPU要访问地址为123C8H的内存单元：
1230H左移一位（空出4位）加上00C8H合成123C8H。

4. 段寄存器

通过将内存划分为段，用段地址指示段，用偏移地址访问段内的单元，可以用分段的方式来管理内存。段寄存器有4个：CS、DS、SS、ES，提供内存单元的段地址。

段的定义

• 数据段：用来存放数据
• 代码段：用来存放代码
• 栈段：用来存放栈

段的起始地址

一个段的起始地址一定是16的倍数，偏移地址为16位，变化范围为0-FFFFH，所以一个段的长度最大为64KB。

5. 指令执行

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，然后执行指令。8086 CPU的工作过程简要描述如下：

1. 从CS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 + 读取指令的长度，从而指向下一条指令
3. 执行指令
4. 重复上述过程

JMP指令

能够改变CS、IP内容的指令被统称为转移指令，例如：

• 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
• jmp 某一合法寄存器：仅修改IP的内容，如jmp ax

实验：

DEBUG 指令 (实验)

A: 以汇编指令的格式在内存中写入一条机器指令

功能：允许用户以汇编语言的格式输入指令，DEBUG 程序会将这些汇编指令转化为机器码并存入内存。

语法：A 段地址:偏移地址

示例：

A 1000:0100
MOV AX, 4C00
INT 21

解释：在内存地址 1000:0100 处输入 MOV AX, 4C00 和 INT 21 两条指令。

D: 查看内存

功能：显示内存中的内容。

语法：D 段地址:起始偏移地址 [结束偏移地址]

示例：

D 1000:0100

解释：查看从内存地址 1000:0100 开始的内容。

E: 向内存中写入机器码

功能：向内存中写入数据,允许用户直接以机器码的形式向内存中写入数据。

语法：E 段地址:偏移地址 数据 [数据 [...]]

示例：

E 1000:0100 4C 00 21

解释：在内存地址 1000:0100 处写入数据 4C 00 21。

G: 程序直接运行到指定地址位置

功能：将程序运行到指定的内存地址。

语法：G 偏移地址

示例：

G 0100

解释：从偏移地址 0100 处开始运行程序。

R: 查看, 改变寄存器

功能：显示或修改寄存器的内容。

语法：R [寄存器]

示例：

R AX
AX 0000
:1234

解释：查看 AX 寄存器的值，并将其修改为 1234。

T: 执行一条机器指令

功能：单步执行一条机器指令。

语法：T

示例：

T

解释：执行当前内存位置的一条机器指令。

U: 查看内存指令翻译的汇编指令

功能：反汇编内存中的机器指令。

语法：U 段地址:偏移地址

示例：

U 1000:0100

解释：反汇编从内存地址 1000:0100 开始的指令。

P: 当遇到 int 21H 正常结束指令时使用P指令

功能：遇到 int 21H 结束指令或 loop 指令时执行到下一个非循环指令。

语法：P

示例：

P

解释：执行到 int 21H 或下一个非循环指令。

实验思考

（1）2000:0为什么不写为2000：0000

在DOS DEBUG工具中，段地址和偏移地址的表示法通常是简洁的，只需要指定实际有意义的部分。例如，2000:0和2000:0000确实表示的是同一个物理内存地址，但通常在写入时，只需要写出有意义的部分即可。

（2）2000H的H是？

在汇编语言和低级编程中，地址或数值后缀H表示该数值是以十六进制（hexadecimal）表示的。

H表示这是一个十六进制数。

（3）ROM无法修改

只读存储器（ROM），因此无法通过DEBUG工具直接修改它。这解释了为什么你的修改没有生效。ROM的内容在生产时已经固定，通常无法在运行时改变 

实验内容

步骤3生产日期 

步骤4