汇编语言从入门到精通-CPU资源和存储器

Posted 2021-01-10 little-kwy

CPU资源和存储器

 

　　在汇编语言中，需要访问的硬件资源主要有：CPU内部资源、存储器和I/O端口。本章将着重讲解CPU内部寄存器的命名、功能及其常见的用途，还要介绍存储器的分段管理模式、存储单元地址的表示法以及其物理地址的形成方式。

 

 2.1 寄存器组

　　寄存器是CPU内部重要的数据存储资源，是汇编程序员能直接使用的硬件资源之一。由于寄存器的存取速度比内存快，所以，在用汇编语言编写程序时，要尽可能充分利用寄存器的存储功能。

　　寄存器一般用来保存程序的中间结果，为随后的指令快速提供操作数，从而避免把中间结果存入内存，再读取内存的操作。在高级语言(如：C/C++语言)中，也有定义变量为寄存器类型的，这就是提高寄存器利用率的一种可行的方法。

　　另外，由于寄存器的个数和容量都有限，不可能把所有中间结果都存储在寄存器中，所以，要对寄存器进行适当的调度。根据指令的要求，如何安排适当的寄存器，避免操作数过多的传送操作是一项细致而又周密的工作。有关“寄存器的分配策略”在后续课程《编译原理》中会有详细的介绍。

　　由于16位/32位CPU是微机CPU的两个重要代表，所以，在此只介绍它们内部寄存器的名称及其主要功能。

 

2.1.1 寄存器组

1、 16位寄存器组

16位CPU所含有的寄存器有(见图2.1中16位寄存器部分)：

4个数据寄存器( AX、BX、CX、DX )；

2个变址和指针寄存器( SI、DI )；

2个指针寄存器( SP、BP )；

1个指令指针寄存器( IP )；

1个标志寄存器( Flags )；

4个段寄存器(ES、CS、SS、DS )；

2、 32位寄存器组

32位CPU除了包含了先前CPU的所有寄存器，并把通用寄存器、指令指针和标志寄存器从16位扩充成32位之外，还增加了2个16位的段寄存器：FS和GS。

32位CPU所含有的寄存器有(见图2.1中的寄存器)：

4个数据寄存器( EAX、EBX、ECX、EDX )；

2个变址和指针寄存器( ESI、EDI )；

2个指针寄存器( ESP、EBP )；

1个指令指针寄存器( EIP )；

1个标志寄存器( EFlags )；

6个段寄存器( ES、CS、SS、DS、FS、GS )；

 

 图2.1 CPU寄存器组的示意图 

 

2.1.2、通用寄存器的作用

　　通用寄存器可用于传送和暂存数据，也可参与算术逻辑运算，并保存运算结果。除此之外，它们还各自具有一些特殊功能。汇编语言程序员必须熟悉每个寄存器的一般用途和特殊用途，只有这样，才能在程序中做到正确、合理地使用它们。

表2.1 通用寄存器的主要用途

寄存器的分类		寄存器	主　要　用　途
通 用 寄 存 器	数据 　 寄存器	AX	乘、除运算，字（16位）的输入输出，中间结果的缓存（AX=AH+AL）
		AL	字节（8位）的乘、除运算，字节的输入输出，十进制算术运算
		AH	字节（8位）的乘、除运算，存放中断的功能号
		BX	存储器指针
		CX	串操作、循环控制的计数器
		CL	移位操作的计数器
		DX	字（16位）的乘、除运算，间接的输入输出
	变址 寄存器	SI	存储器指针、串指令中的源操作数指针
		DI	存储器指针、串指令中的目的操作数指针
	变址 寄存器	BP	存储器指针、存取堆栈的指针
		SP	堆栈的栈顶指针
指令指针		IP/EIP
标志位寄存器		Flag/EFlag
32位 CPU的 段寄存器	16位CPU的 段寄存器	ES	附加段寄存器
		CS	代码段寄存器
		SS	堆栈段寄存器
		DS	数据段寄存器
	新增加的 段寄存器	FS	附加段寄存器
		GS	附加段寄存器

更详细的内容请点击：汇编语言从入门到精通-通用寄存器功能的说明。

 

2.1.3、专用寄存器的作用

　　16位CPU内部有一个16位的标志寄存器，它包含9个标志位。这些标志位主要用来反映处理器的状态和运算结果的某些特征。各标志位在标志寄存器内的分布如图2.2所示。

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0         OF DF IF TF SF ZF 　 AF 　 PF 　 CF

31

…

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

…

…

VM

RF

NT

IOPL

OF

DF

IF

TF

SF

ZF

AF

PF

CF

图2.2 16位/32位标志寄存器的示意图

　　上面9个标志位可分为二组：运算结果标志位(有背景色的标志位)和状态控制标志位。前者受算术运算和逻辑运算结果的影响，后者受一些控制指令执行的影响。（还不太明白）

　　更详细的内容请点击：汇编语言从入门到精通-标志位的说明。

　　有些指令的执行会改变标志位(如：算术运算指令等)，不同的指令会影响不同的标志位，有些指令的执行不改变任何标志位(如：MOV指令等)，有些指令的执行会受标志位的影响(如：条件转移指令等)，也有指令的执行不受其影响。

　　程序员要想熟练运用这些标志位，就必须掌握每个标志位的含义、每条指令的执行条件和执行结果对标志位的作用。

　　注意：虽然知道每个标志位在标志寄存器内的具体位置是有好处的，但通常情况下，没有这个必要。在使用第5.2.9节中的“条件转移指令”时，系统会自动引用相应标志位的值来决定是否需要“转移”的，所以，不必过分强调标志位在标志寄存器内的具体位置。

 

2.2 存储器的管理模式

　　Intel公司的80X86系列的CPU基本上采用内存分段的管理模式。它把内存和程序分成若干个段，每个段的起点用一个段寄存器来记忆，所以，学习微机汇编语言，必须要清楚地理解存储器的分段含义、存储单元的逻辑地址和其物理地址之间的转换关系。

 

2.2.1 16位微机的内存管理模式

1、存储器的分段

　　我们知道：计算机的内存单元是以“字节”为最小单位进行线性编址的。为了标识每个存储单元，就给每个存储单元规定一个编号，此编号就是该存储单元的物理地址。

　　存储单元的物理地址是一个无符号的二进制数。但为了书写的简化，物理地址通常用十六进制来表示。

　　16位CPU内部有20根地址线，其编码区间为：00000H~0FFFFFH，所以，它可直接访问的物理空间为1M(2²⁰)字节。而16位CPU内部存放存储单元偏移量的寄存器（如：IP、SP、BP、SI、DI和BX等）都是16位，它们的编码范围仅为：00000H~0FFFFH。这样，如果用16位寄存器来访问内存的话，则只能访问内存的最低端的64K，其它的内存将无法访问。为了能用16位寄存器来有效地访问1M的存储空间，16位CPU采用了内存分段的管理模式，并引用段寄存器的概念。

16位微机把内存空间划分成若干个逻辑段，每个逻辑段的要求如下：		图2.4 16位微机内存分段管理示意图
	逻辑段的起始地址(通常简称为：段地址)必须是16的倍数，即最低4位二进制必须全为0；
	逻辑段的最大容量为64K，这由16位寄存器的寻址空间所决定。
按上述规定，1M内存最多可分成64K个段，即65536个段(段之间相互重叠)，至少可分成16个相互不重叠的段。 右图2.4是内存各逻辑段之间的分布情况示意图，其中有相连的段(如：C和D段)、不相连的段(如：A和B段)以及相互重叠的段(如：B和C段)。

　　这种存储器分段的内存管理方法不仅实现了用两个16位寄存器来访问1M的内存空间，而且对程序的重定位、浮动地址的编码和提高内存的利用率等方面都具有重要的实用价值。