第1章 预备知识

第1章 预备知识

1.1 机器语言与汇编语言

1.1.1 机器语言

机器指令：操作码 + 地址码

指令的全体为计算机的指令系统

指令集合为机器语言

机器语言程序

1.1.2 汇编语言

助记符表示机器指令的操作码；用变量代替操作数的存放地址；在指令前冠以标号， 用来代表该指令的存放地址等。

指令助记符、语句标号、数据变量、伪指令及它们的使用规则构成了整个汇编语言的内容。

1.2 Intel系列机

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1.2.1 Intel 80X86 微处理器简介

8086:16位CPU

80286:直接寻址16MB贮存，含有四个独立处理部件：执行部件、总线部件、指令部件和地址部件

提供两种工作方式：实地址方式和保护方式

1.2.2 Intel 80X86微处理结构

32位CPU分为六大部件：

  • 总线接口部件
  • 执行部件
  • 指令预取部件
  • 指令编译部件
  • 分段部件
  • 分页部件

1.总线接口部件

CPU与整个计算机系统之间的高速接口

接受总线请求，按有限权进行选择，最大限度利用本身资源位请求服务

2.执行部件

（1）数据寄存器组(EAX、EBX、ECX、EDX)

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EAX(Accumulator)：暂存

EBX(Base):

ECX(Count)：标志循环次数上届

EDX(Data):保存操作数

(2)指示器编制寄存器组(ESI、EDI、ESP、EBP)

存放操作数的偏移地址，用作指示器或变址寄存器。

  • ESP：堆栈指示器，栈顶指针
  • EBP：基址寄存器，存放存储单元的偏移地址
  • ESI和EDI:指示器、变址寄存器
  • ESI用作取源操作数的指示器，源变址寄存器
  • EDI用作送目的操作数的指示器，目的变址寄存器

3.指令预取部件和指令译码部件

  • 指令预取部件：把将要执行的指令从主存之中取出，送入指令排队机构中排队（此处为复杂的排队系统）
  • 指令译码部件：从预取指令队列中读出指令并译码，再送入译码指令队列排队供执行部件使用

独取指令时，用到很重要的寄存器——指令指示器

保存下一条将要被CPU执行的指令的偏移地址（EA）

16位代码段之中，指令指示器也为16位，称为IP，可以表示64k的偏移地址

32位代码段之中，EIP，表示4G的偏移地址

4.分段部件、分页部件

程序投入运行时，系统会为每个程序分配一片独立的虚拟内存空间

只有主存中的程序和数据才能够被访问，所以在执行某一程序或访问某一数据，必须要将其所在的虚拟空间映射到物理存储空间

32位CPU使用分段部件和分页部件实现这一映射

分段部件用于将各段二维的逻辑地址转换为一维的线性地址， 从而完成从虚拟空间到线性空间的转换， 实现系统与用户、用户与用户之间的隔离与共享。

分段部件有 ６ 个 １６ 位的段寄存器， 它们分别是：

ＣＳ———代码段寄存器；

ＳＳ———堆栈段寄存器；

ＤＳ———数据段寄存器；

ＥＳ、ＦＳ、ＧＳ———附加数据段寄存器。

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实方式下，段的大小最大只能为64KB，取数据或指令的物理地址直接通过段寄存器的内容和EＡ生成

保护方式下，段大小可达4GB，这时的段寄存器内容称为选择符，通过该选择符找到描述符表，取出描述符后才能确定所需访问的段和存储单元

  • 分段部件构造虚拟存储空间
  • 分页部件则主要用于物理存储器的管理

1.2.3 80X86的3种工作方式

1.实地址方式

32位寄存器、32位操作数、32位寻址方式

32位CPU和16位CPU只能寻址1MB物理存储空间，程序段段大小不超过64KB

段基址和偏移地址都是32位（16位段）

2.保护方式

32位地址先，寻址4GB的物理存储空间，虚拟存储空看可达64TB

段基址和段内偏移量都是32位，程序段的大小可达4GB，这样的段也称为“32位”。

3.保护方式下的虚拟8086方式（V86方式）

保护方式下运行的类似实方式的工作环境

对于80X86中的32位ＣＰＵ，在实方式下执行的是16位段的程序(寄存器和数据可以是 32/16位);在保护方式下可以对 32位段和 16位段的程序单独或混合操作；

虚 拟 8086方式可并行执行多个 8086的16位段程序，但由于它与实方式的特权级不同，因此，它还不能代替实方式。

1.3 主存储器和物地址的形成

1.3.1主存储器

存储器是用来存放程序和数据的装置

主存设在主机内部，用来存放当前运行的程序和所需的数据，一边随时像CPU高速提供信息

主存由许多存储位构成，这些储存位每8位组合成一个字节，

每相邻的2个字节又可以组成一个字，

相邻的2个字有可以组成一个双字。

区分不同字节存储单元：

物理地址(PA):

​ 每一单元被指定一个编号，用以区分不同字节存储单元。

​ 80X86机的主存是按8位字节编址的，即以字节为最小寻址单位。

字由相邻两个字节组成，规定字地址由2个字节中较小的确定

双字地址由4个字节的最低地址确定

存放在主存中的程序和数据一般均按物理地址存取

字数据低8位存放在低地址字节中，高8位存放在相邻的高地址字节中；双字数据存放是低16位存放在低地址字中，高16位存放在相邻的高地址字中。

1.3.2 堆栈

先进后出原则，进栈为“压入”，出栈为“弹出”。

堆栈由一片存储单元和一个指示器组成，固定端叫做栈底

  • 栈指针：用来指示栈元素进栈和出栈时偏移地址的变化
  • 栈顶：指针所指示的最后存入数据的单元

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1.进栈指令PUSH

语句格式：PUSH OPS

功能：将立即数或寄存器、段寄存、存储器中的一个字/双字数据压入堆栈中

1
2
3
4
PUSH 04F8H
执行前:(SP)=1000H
执行：(SP)-2 ->SP
			04F8H->[SP]

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2.出栈指令POP

语句格式：POP OPD

功能：将栈顶元素弹出送至某一寄存器、段寄存器或存储器中。

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1
2
3
4
5
POP BX
执行前:POP BX
执行:([SP])->BX
			(SP)+1->SP
执行后:(BX)=04F8H;(SP)=1000H

除了PUSH和POP指令外，如果其他指令要访问堆栈，也可以通过基址寄存器BP进行

注意:

  1. 当堆栈段为16位段时，系统自动使用SP作栈指针；32位，使用ESP
  2. 进栈或出栈操作时，栈指针(SP/ESP)移动的字节数取决于操作数的类型。字操作，(SP/ESP)均是±2，双字操作，(SP/ESP)均为±4

3.将8个寄存器内容顺序入栈指令

该指令分为8个16位寄存器入栈和对8个32位寄存器入栈

(1)将8个16位寄存器入栈

语句格式：PUSHA

功能：将8个16位寄存器按AX、CX、DX、BX、SP、BP、SI、DI顺序入栈保存

1.3.3 物理地址的形成

80X86机，最低档CPU为8086，20根地址线，寻址能力为$2^{20}B$，主内存容量为1MB，物理地址编号从0~0FFFFFH。

此时CPU与存储器交换信息必须要20位的物理地址，但是8086内部为16位结构，寄存器也是16位的。

16位寄存器进行地址运算，表示16位地址，操作数范围最大为64KB。

主存分段使用方案：

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将1MB的存储器按64KB分段，设置4个段寄存器CS、DS、SS、ES，保存当前可使用段的段首址。

段首址从刚好被16整除的地址开始，低四位均为0，忽略这些0，刚好16位可以存入段寄存器之中，然后操作时，内容左移4位，补上4个0，再加上某待访问存储单元的偏移地址，获得20位物理地址。

存储单元的地址由两部分组成：段首地址：偏移地址，被称为二维的逻辑地址

1. 实方式物理地址的形成

实方式情况下，32位CPU只能寻址1MB的物理存储空间，采用分段使用的方式，每段大小不超过64KB，段首地址和段内偏移地址都用16位表示。

在每一给定时刻，CPU可以在不修改段寄存器内容的情况下访问6个段：

  • 代码段
  • 堆栈段
  • 数据段
  • 3个附加数据段

这些当前能被CPU访问段的首地址由分段部件中的6个专用段寄存器给出

  • CS：给出当前代码段首地址（取指令指针为IP）
  • SS：给出当前堆栈段首地址（取栈指针为SP）
  • DS：给出当前数据段首地址
  • ES、FS、GS：给出当前附加数据段首地址
  • 代码段是程序代码的存储区，指令指示器IP总是保存着下一条将要取出指令相对于CS的偏移地址在代码段中取指令时，指令物理地址：

​ $PA = (CS)_{左移4位}+(IP)$

  • 堆栈段时程序的临时数据存储区，存放暂时无用的数据。用户自定义堆栈段，作子程序调用、系统功能调用、中断处理等操作。系统以SP为指针，做堆栈操作时，栈顶物理地址：

    ​ $PA = (SS)_{左移4位}+(SP)$

  • 数据段和附加数据段是程序使用时的数据存储区。附加数据段和数据段重合，设置成一个段，数据的物理地址：

    ​ $PA = (DS或ES、FS、GS)_{左移4位}+16位偏移地址$

说明：

  • 程序大小可以自定，但是必须要小于或等于64KB，每个段在主存的具体位置由操作系统分配

  • 分段不唯一，某一片具体存储单元，可以属于一个段，也可以属于多个段

  • 汇编源程序之中，用户必须将数据段首址置入DS、ES、FS、GS，而CS、SS由系统自动录入

2.保护方式下物理地址的形成

保护方式，使用32根地址线，可以寻址4GB物理存储空间，程序大小也可达到4GB，段基址和段内偏移地址都为32位。

多任务机制：对虚拟存储空间的任务进入主存进行合理调度和分配，实施执行环境的隔离和保护。

(1) 特权级

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(2) 描述符

除了段基址以外，其余信息被整合到一起，用4个字来描述，被称为描述符

按不同的描述对象，可分为：

  • 存储段描述符
  • 系统段描述符
  • 控制描述符
描述符通用结构

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  • 32位段基址（不分页，该基地址为段在主存的起始物理地址）

  • 20位段界限（段长度）

  • 第三个字的高字节描述了段的性质及当前使用情况

    • P：存在为，P=1，描述符对应段存在，P=0，不存在

    • DPL：描述符对应段的特权级

    • S：段类型，S=1，存储段描述符（程序代码段、数据段），S=0，存储系统描述符

    • TYPE：段的具体属性，共有三位。对存储段来说， 第 11位E描述了该段是否为可执行段。 Ｅ ＝０ 说明该段为不可执行段， 即为数据段或堆栈段；Ｅ ＝１ 说明该段为可执行段， 即为代码段。

      在两种不同类型的段中， 另两位（第 １０ ～９ 位）所描述的内容是不同的

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    • A：已访问位

  • 第四个字7~4描述信息

    • G：粒度位 Ｇ ＝０ 时说明段长度的计量单位为字节(B)；Ｇ ＝１ 时说明段长度的计量单位为页， １ 页为 ４KB。
    • D：D=0，16位操作数和16位有效地址，堆栈使用SP作指针，界限值0FFFFH；D=1，32位操作数和32位有效地址， 堆栈使用ESP指针，界限值0FFFFFFFFH。剩余两位为保留位和系统专用位。
(3)描述符表
  • 局部描述符表
  • 全局描述符表
  • 中断描述符表
(4)段选择符和描述符寄存器

保护方式下，段寄存器不保存段的开始地址，从描述符表中选择相应段的描述符的方式。

段选择符

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(5)保护方式下物理地址的形成
  1. 根据段寄存器中的描述符索引值、TI及RPL值，从描述符表中选出描述符，然后判断是否有溢出，进行特权级、使用合法性及各种相关属性检查，合格之后送入对应描述符高速缓冲寄存器。
  2. 需要对该段存储空间访问时，从描述符高速缓冲寄存器中取出段基址，与存放于EIP/ESP或某一指示器中的偏移地址相加，形成32位线性地址。
  3. 不分页，则得到物理地址；分页的话，经过分页部件映射，将线性地址转换为物理地址。

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1.4数据在计算机内的表示形式

  • 二进制
    • 字节
    • 字
    • 双字
    • 三字
    • 四字
    • 十字
  • 八进制
  • 十六进制
  • BCD码

1.4.1 数值数据在计算机内的表示形式

  • 定点表示法
  • 浮点表示法

有符号数一律采用二进制补码

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计算机在进行算术逻辑运算时， 总是把参与运算的、用补码表示的操作数作为无符号数处理， 这时， 数的表示范围则与前面讨论的完全不同。

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1.4.2 BCD码

利用4位二进制表示十进制数

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BCD码：

  • 未压缩的BCD码

    • 每个字节只放一个十进制位数

  • 压缩的BCD码

    • 一个字节存放两个十进制位数

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1.4.3 字符数据在机内的表示形式

$ASCII$码标准

1.5 标志寄存器

标志寄存器：保存在一条指令执行之后， ＣＰＵ 所处状态的信息及运算结果的特征。

16位CPU中的标志寄存器是16位的，称为FLAGS，32位CPU中的标志寄存器是32位的，称EFLAGS

32位向下兼容

1.5.1 标志位

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常用标志位：

  • 条件标志位
  • 控制标志位
  • 32位寄存器扩充的系统标志位

1.条件标志位

由CPU根据执行完一条指令后所得运算结果的特征自动设置的，主要用作控制条件转移指令是否转移的条件。

  • 符号标志SF（第7位）
  • 零标志符ZF（第6位）
  • 溢出标志OF（第11位）
  • 进位标志CF（第0位）
  • 辅助进位标志AF（第4位）
  • 奇偶标志位PF（第2位）

2.控制标志位

  • 方向标志DF
  • 中断允许标志IF
  • 跟踪标志TF

3.32 位标志寄存器扩充的系统标志位

  • IO 特权标志 IOPL
    • 占两位，指定了要求执行I/O指令的特权级
  • 嵌套任务标志 NT
    • 控制中断返回指令的执行
  • 恢复标志RF
    • 与寄存器一起使用，确定是否接受调试故障
  • 虚拟8086方式标志VM
    • VM置1，CPU在虚拟8086方式下工作，置0，保护方式下工作

1.5.2标志寄存器操作指令

1.标志寄存器传送指令

(1)LAHF

功能：将标志寄存器低8位存入AH中，即$(EFALGS){7~0} \rightarrow AH$

(2)SAHF

功能：将AH中的内容送入标志寄存器的低8位之中，高位保持不变。

2.32位标志寄存器进栈指令PUSHFD

功能：将标志寄存器的内容压入堆栈之中

​ $(EFLAGS)\rightarrow \downarrow(ESP/SP) $

3.32位标志寄存器出栈指令POPFD

功能：$\uparrow(ESP/SP)\rightarrow EFLAGS$

说明：该指令不影响标志位RF、VM、IOPL、VIF、VIP和未定义位。

汇编语言
第1章 预备知识
http://example.com/2022/09/03/第1章-预备知识/
Author
WYX
Posted on
September 3, 2022
Licensed under