X86汇编2.寄存器

Posted 2021-03-07

最近学习了X86汇编，其实无论是古老的8086还是现在i3/5/7/9,Xeon3/5，在最基本原理上，都是相通的，只是CPU位数，寻址空间，寄存器个数，指令集的扩充等方面有所不同，对于学习，8086永不过时。

1.CPU组成
一个典型CPU由：运算器、控制器、寄存器（CPU工作原理）等部件构成，这些器件依靠内部总线连接。
运算器进行信息处理
寄存器进行信息存储，每个CPU有不同数量的寄存器
控制器控制各种器件进行工作
内部总线连接各种器件，在他们之间进行数据的传送

对于一个汇编程序员来说，寄存器是CPU中可以用指令读写的部件，程序员通过改变寄存器中的内容来实现对CPU的控制。

常用的寄存器（reg）有：ax,bx,cx,dx,ah,al,bh,bl,ch,cl,dh,dl,sp,bp,si,di
段寄存器（sreg）有：ds,ss,cs,es

2.通用寄存器
以8086为例，8086CPU的寄存器都是16位的，有4个通用寄存器：AX、BX、CX、DX，但是为了兼容更老的CPU，每个16位通用寄存器可以分为2个8位的独立通用寄存器，如：AX可分成：AH、AL独立使用，其他也一样。

汇编指令（不区分大小写）：
mov ax, 18 ;将18存入ax寄存器
mov ah, 78 ;将78存入ah寄存器，也就是ax的高8位
add ax, 8 ;将ax寄存器的值加8，并将结果写入ax寄存器
mov ax, bx ;将bx寄存器的值，存入ax寄存器
add ax, bx ;将ax寄存器值加上bx寄存器的值，并将结果写入ax寄存器

3.8086CPU寻址方式
8086CPU是16位机，字长为16，运算一次最多可以处理16位数据，寄存器最大宽度为16位，寄存器和运算器之间通路为16位，但是，8086却有20位地址总线，其寻址空间为1MB。
那么8086CPU怎么实现20位地址总线寻址呢？
8086采用在内部用2个16位地址合成的方式来形成一个20位的物理地址。
（1）CPU中相关部件提供2个16位地址，一个称为段地址，另一个称为偏移地址
（2）段地址和偏移地址通过内部总线送入一个称为地址加法器的部件
（3）地址加法器将2个16位地址合成一个20位的物理地址，算法：物理地址 = 段地址16 + 偏移地址，说明：段地址16也称为基础地址
（4）地址加法器通过内部总线将20位物理地址送入输入输出控制电路
（5）输入输出控制电路将20位物理地址送上地址总线
（6）20位物理地址被地址总线传入到外部存储器芯片上
如：8086处理器要访问123C8H的内存单元，此时地址加法器是这样工作的：
（1）相关部件将地址拆分成：1230 （地址段）和 00C8（偏移段 ）
（2）1230 和 00C8 送入地址加法器
（3）地址段16成为：12300
（4）物理地址 = 12300 + 00C8
（5）地址加法器输出：123C8
段地址16 + 偏移地址的本质含义：CPU在访问物理内存时，用一个基础地址（段地址*16）和一个相对于基础地址的偏移地址相加，给出内存单元的物理地址。

基于基础地址（段地址*16） + 偏移地址 = 物理地址的思想，我们可以用分段的方式管理内存，记住：内存本来不分段，是CPU给他分的段。我们可以认为：地址10000H ~ 100FFH的内存单元组成一个段，该段的基地址（起始地址）为10000H，段地址为1000H，大小为100H。段怎么划分都可以，可以根据需要将地址连续，起始地址为16倍数的一组内存单元定义为一个段。
8086一个段最大为64KB（2的16次方，因为只有16位）。

寻址方式总结：
直接寻址：[idata], EA=idata,SA=(ds)
寄存器间接寻址：[bx], EA=(bx),SA=(ds)
寄存器相对寻址：[bx+idata], EA=(bx)+idata,SA=(ds)
基址变址寻址：[bx+si], EA=(bx)+(si),SA=(ds)
相对基址变址寻址：[bx+si+idata], EA=(bx)+(si)+idata,SA=(ds)

4.段寄存器、IP
段地址在段寄存器中存放，8086有4个段寄存器：CS、DS、SS、ES，当8086CPU要访问内存时，由这四个段寄存器提供内存单元的段地址。
CS为代码段寄存器
IP为指令指针寄存器
如果CS中内容为M，IP中内容为N，8086CPU将从内存M*16+N单元开始读取一条指令并执行。也可以表述为：CPU将CS:IP执向的内容当做指令执行。
8086CPU工作过程概要如下：
（1）从CS:IP执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+所读取指令长度，从而执向下一条指令
（3）执行指令。然后转到步骤（1）
在启动和复位后，即CPU刚开始工作的时候，CS和IP被设置为：CS=FFFFH，IP为：0000H，即：在CPU刚启动时候，CPU从内存FFFF0H单元中读取指令，FFFF0H单元中的指令是8080PC机开机后执行的第一条指令。

程序员可以通过修改CS、IP来控制CPU执行指令，这个现在应该很容易理解了。
（1）同时改变CS和IP，能够改变CS、IP的指令成为跳转指令，即：JMP指令，如：jmp 2AE3:3 ，执行后：CS=2AE3H，IP=0003H，CPU将从2AE3:3读取指令并执行。
（2）只改变IP，如果只想修改IP，可以：jmp 某一合法寄存器，前提是该寄存器必须存入合法的IP值。

5.代码段
我们可以认为内存是存放代码的，而内存又可以被CPU分段，那么我们可以定一个代码段。如何使代码段中的代码被执行呢？由于CPU只会执行CS:IP的代码，不会自动指向我们的代码段去执行，所以我们要通过修改CS、IP的值，让CPU指向我们的代码段去执行。

6.段前缀
在访问内存地址时候，显示给出段地址所在的段寄存器：
mov ax, ds:[bx]
mov ax, cs:[bx]
mov ax, ss:[bx]
mov ax, es:[bx]
mov ax, cs:[0]
mov ax, ss:[0]
这些出现在访问内存单元指令中，用于显示指明内存单元的段地址的“ds”，“cs”，“es”，“ss”，在汇编语言中称为段前缀。

7.其他寄存器
bp寄存器
只要在[...]中使用寄存器bp，而指令中没有显性给出段地址，段地址默认在ss寄存器中。
eg. mov ax, bx

8.特殊寄存器
CPU内部的寄存器中，有一种特殊的寄存器（对于不同的处理机，个数和结构都可能不同）具有如下3种作用。
（1）用来存储相关指令的某些执行结果
（2）用来为CPU执行相关指令提供行为数据
（3）用来控制CPU的相关工作方式
这种寄存器在8086中被称为标志寄存器，flag寄存器和其他寄存器不一样，其他寄存器是存放数据的，flag寄存器是按位来使用的。

下图为8086的flag寄存器示意图：

bit位	意义
0（CF）	进位标志
1	未使用
2（PF）	奇偶标志位，它记录相关指令执行后，结果是否为偶数，如果结果为偶数，zf=1，如果结果奇数，zf=0
3	未使用
4（AF）
5 未使用
6（ZF）	零标志位，它记录相关指令执行后，结果是否为0；如果结果为0，zf=1，如果结果不为0，zf=0
7（SF）	正负标志位，它记录相关指令执行后，结果是否为负，如果结果为负，zf=1，如果结果非负，zf=0
8（TF）
9（IF）
10（DF）	方向标志位，在串指令中，控制si和di的增减。df=0：每次操作后，si、di递增，df=1：每次操作后，si、di递减
11（OF）	溢出标志位
12	未使用
13	未使用
14	未使用
15	未使用