匯編語言學習筆記

匯編語言的不同種類

  • as86匯編：能產生16位代碼的Intel 8086匯編

    mov ax, cs  //cs→ax，目標操作數在前

  • GNU as匯編：產生32位代碼，使用AT&T系統V語法

    movl var， %eax	// var→%eax，目標操作數在后

  • 內嵌匯編，gcc編譯x.c文件會產生中間結果匯編文件

匯編語言的組成

匯編語言由三部分組成：

  1. 匯編指令。通過編譯器把指令翻譯成機器指令，也就是機器碼
  2. 偽指令。告訴編譯器如何翻譯
  3. 符號體系。+-*/

RAM和ROM

內存最小單元：字節

RAM(Random Access Memory)(隨機存取存儲器)：允許讀和寫，斷電后指令和數據就丟失了，直接與cpu交換數據

ROM(Read-Only Memory(只讀存儲器)：只允許讀，斷電后指令和數據都存在

CPU中的三條總線

CPU通過地址總線，數據總線和控制總線實現對外部元器件的控制，三種總線的寬度標志了CPU不同方面的性能：

  1. 地址總線的寬度決定了CPU的尋址能力
  2. 數據總線的寬度決定了CPU與其他器件進行數據傳輸的能力（一次傳輸的數據量）
  3. 控制總線的寬度決定了CPU對系統中其他器件的控制能力

8086CPU給出讀取物理地址的方法

image-20210912110918802
  1. CPU中的相關部件提供兩個16位的地址，一個是段地址，一個是偏移地址
  2. 段地址和偏移地址通過內部總線送入一個成為地址加法器的部件
  3. 地址加法器將兩個16位的地址合成為一個20位的物理地址
  4. 地址加法器通過內部總線將20位物理地址送入輸入輸出控制電路
  5. 20位物理地址被地址總線傳送到存儲器

物理地址 = 段地址 * 16 + 偏移地址（段地址*16就相當于左移4位）

上述的本質含義是：CPU在訪問內存時，用一個基礎地址和一個相對于基礎地址的偏移地址相加，給出內存單元的物理地址。

image-20210912112155699

為什么非得是基礎地址+偏移地址的思想如上圖所示

段寄存器

由于CPU訪問內存時候需要相關部件提供內存單元的段地址和偏移地址，以便送入地址加法器合成物理地址，因此段寄存器主要提供段地址，8086CPU有4個段寄存器：**CS **

** 、DS、SS、ES**

CS：代碼段寄存器

IP：指令指針寄存器

加入CS中的內容為M，IP中的內容為N，則從內存M*16+N單元開始讀取一條指令并執行。即將CS：IP寄存器指向的內存單元當做指令，CS當做指令的段地址，IP當做偏移地址

總結一下寄存器和段寄存器的種類

寄存器：ax、bx、cx、dx、ah、al、bh、bl、ch、cl、dh、dl、sp、bp、si、di

段寄存器：ds、ss、cs、es

CPU中的棧

段寄存器SS和寄存器SP表示了棧頂的位置，棧頂的段地址存放在SS中，偏移地址存放在SP中。即SS：SP指向棧頂元素

push和pop指令執行時，CPU從SS和SP中得到棧頂的地址。

入棧的時候，棧頂從高地址向低地址方向增長。

8086處理器不會去管理棧頂超界的問題，需要我們自己小心是否會有越界行為。

總結：

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源程序和程序

一段源程序包含匯編指令和偽指令，匯編指令是由計算機執行、處理的指令或者數據，一般叫做程序

偽指令就是不由計算機執行，而是編譯器執行的代碼

源程序就是程序+偽指令

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程序執行過程的跟蹤

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1.obj是目標文件

目標文件要連接外界需要的庫形成可執行文件

可執行文件被操作系統提供的shell程序加載進入內存，然后獲得cpu執行

可執行文件中程序執行完畢后，cpu返還給shell0

[BX]和loop指令

[bx]和[0]有些類似，[0]表示內存單元，其偏移量是0，例如：

  1. mov ax, [0]

    表示將一個內存單元的內容送入ax中，這個內存單元的長度為2字節，存1個字，偏移地址為0，段地址在ds中

  2. mov al, [0]

    將一個內存單元的內容送入al中，這個內存單元的長度為1字節，存1個字節，偏移地址為0，段地址在ds中

  3. mov ax, [bx]

    將一個內存單元的內容送入ax中，這個內存單元的長度為2字節，存1個字，偏移地址在bx中，段地址在ds中

也可以段前綴來表示：

  1. mov ax,ds:[bx]

表示將一個內存單元的內容送入ax，這個內存單元2個字節，存放1個字，偏移地址在bx中，段地址在ds中

可執行文件的組成

可執行文件由描述信息和程序組成，程序來自于源程序中的匯編指令和定義的數據。描述信息則主要是編譯，連接程序對源程序中相關偽指令進行處理所得到的信息。

數據、指令、棧放入不同的棧

CPU到底如何處理我們定義的段中的內容，是當做指令執行，當做數據訪問還是當做棧空間，完全是靠程序中具體的匯編指令，即：

  1. CS:IP -----指令
  2. SS:SP----- 棧
  3. DS-----數據

與運算和或運算

  • 與（and）

    這個操作可以將操作對象的相應位置設為0，因為全1才為1。

  • 或（or）

    該操作可以將操作對象的相應位設為1，因為有1就為1。

[bx+idata]:一種更靈活的指明內存的方式

之前前面說到過用[bx]來指明一個內存單元，我們還可以用一種更為靈活的方式指明內存單元。

[bx+idata]表明一個內存單元，它的偏移地址為bx+idata(bx中的數值加上idata)

比如mov ax, [bx + 200]指的是將一個內存單元的內容送入ax，這個內存單元長2字節，存放1個字，偏移地址為bx中的數值加上200，段地址在ds中

幾種不同的尋址方式

  1. **[idata]**用一個常量表示地址，可用于直接定位一個內存單元
  2. **[bx]**用一個變量來表示內存地址，可用于簡介定位一個內存單元
  3. **[bx+idata]**用一個變量和常量來表示地址，可在一個起始地址的基礎上用變量簡介定位一個內存單元
  4. **[bx+si]**用兩個變量表示地址
  5. **[bx+si+idata]**用兩個變量和一個常量表示地址

匯編語言中數據位置的表達

  1. 立即數（idata）

    直接包含在機器指令中的數據（執行前在CPU的指令緩沖器中）

  2. 寄存器

    指令要處理的數據在寄存器中，給出相應寄存器的名就行

  3. 段地址（SA）和偏移地址（EA）

    如果指令要處理的數據在內存中，在匯編指令中用[X]的格式給出SA、EA在某個段寄存器中

轉移指令的原理

可以修改IP或同時修改CS和IP的指令統稱為轉移指令。轉移指令就是可以控制CPU執行內存中某處代碼的指令。

8086CPU的轉移指令分為以下幾類：

  • 無條件轉移指令

    主要有jmp指令，可以同時修改CS和IP。主要給出兩種信息：

    1. 轉移的目的地址

    2. 轉移的距離（段間轉移、段內轉移、段內近轉移）

  • 條件轉移指令

    jcxz指令，所有的有條件轉移指令都是短轉移，對IP的修改范圍是：-128~127

  • 循環指令

    loop指令，短轉移，對IP的修改范圍是：-128~127循環指令

  • 過程

  • 中斷

CALL和RET指令

call和ret指令都是轉移指令，他們都修改IP，或同時修改CS和IP。

  • ret和retf

    ret指令用棧中的數據修改IP的內容，從而實現近轉移

    retf指令用棧中的數據修改CS和IP的內容，從而實現遠轉移

  • call

    CPU執行call指令時，有兩步操作：

    1. 將當前的IP或CS和IP壓入棧中
    2. 轉移

    call指令不能實現短轉移

flag寄存器

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  • ZF標志

    零標志位，如果執行相關指令后結果為0，zf=1，若不為0，zf=0

    對于運算指令如add、sub、mul、div等會影響標志寄存器

    對于傳送指令mov、push、pop等不會對寄存器有什么影響

  • PF標志

    奇偶標志位。如果執行指令后結果所有bit位中1的個數是偶數，pf=1，為奇數，pf=0

  • SF標志

    符號標志位。執行指令后結果如果為負數，sf=1，如果非負數，sf=0。

    SF標志就是CPU對有符號數運算的一種記錄，記錄數據的正負。

  • CF標志

    進位標志位。在進行無符號數運算的時候，它記錄了運算結果的最高有效位向更高位的進位值，或從更高位的借位值。

    當出現進位的時候，會將最高位保存起來，記錄在CF位中

  • OF標志

    溢出：在進行有符號數運算時，如果超過了機器所能表示的范圍成為溢出。

    溢出標志位。記錄有符號數運算的結果是否發生了溢出，如果溢出of=1，否則of=0

    cf和of的區別：cf是對無符號數運算有意義的標志位，of是對有符號數運算有意義的標志位

CPU的內中斷

任何一個通用的CPU都具備一種能力，可以在執行完當前正在執行的指令后，檢測到從CPU外部發送過來的或內部產生的一種特殊信息，并且可以立即對所接收到的信息進行處理。這種特殊的信息，稱為：中斷信息。

中斷表明CPU不再接著向下執行，而是轉去處理這個特殊的信息。

中斷可以來自內部和外部，本書主要討論內中斷

內中斷有以下幾種情況產生：

  1. 除法錯誤
  2. 單步執行
  3. 執行into指令
  4. 執行int指令

中斷是不同的信息，因此必須先識別不同信息來源。所以中斷信息中必須包含識別來源的編碼，叫做中斷類型碼。這個中斷類型碼是一個字節型數據，可以表示256種中斷信息的來源。

  • 中斷過程
    1. 從中斷信息中獲取中斷類型碼
    2. 標志寄存器的值入棧（因為在中斷過程中要改變標志寄存器的值，因此先將其保存在棧中）
    3. 設置標志寄存器的第8位TF和第9位IF的值為0
    4. CS的內容入棧
    5. IP的內容入棧
    6. 從內存地址為中斷類型碼*4和中斷類型碼 *4+2的兩個字單元中讀取中斷處理程序的入口地址設置IP和CS

端口的讀寫

CPU可以直接讀寫一下3個地方的數據：

  1. CPU內部的寄存器
  2. 內存單元
  3. 端口

端口所在的芯片和CPU通過總線相連，所以端口地址和內存地址一樣，通過地址總線來傳送。CPU總共可以定位64KB個不同的端口，因此端口的范圍是0~65535

端口的讀寫指令只有兩條：in和out

外中斷

CPU除了能夠執行指令進行運算以外，還應該能夠對外部設備進行控制，接收它們的輸入，向它們進行輸出。要及時處理外設的輸入，要解決一下兩個問題：

  1. 外設的輸入隨時可能發生，CPU如何得知
  2. CPU從何處得到外設的輸入？

答：外設接口芯片中有若干寄存器，CPU將這些寄存器當做端口來訪問。外設的輸入不直接送入內存和CPU中，而是送入相關的接口芯片的端口中；同理，CPU向外設的輸出也不是直接送入外設，而是先送入端口，再由相關芯片送到外設。因此，**CPU通過端口和外部設備進行聯系。**由于外設的輸入隨時可能到達，因此CPU提供中斷機制來滿足這種要求。這種中斷信息來自CPU外部，相關芯片向CPU發出相應的中斷信息，CPU執行完當前的指令后，可以檢測到發送過來的中斷信息，引發中斷過程進而處理外設輸入。

外中斷一共有兩類：

  1. 可屏蔽中斷。該中斷CPU可以不響應。是否響應要看標志寄存器中IF位的設置，當CPU檢測到可屏蔽中斷信息時，IF=1，則CPU在執行完當前指令后響應中斷，如果IF=0，則不響應可屏蔽中斷。（鍵盤輸入就屬于可屏蔽中斷）
  2. 不可屏蔽中斷。指CPU必須響應的外中斷，CPU執行完當前指令后，立即響應引發中斷過程。
    先送入端口，再由相關芯片送到外設。因此，**CPU通過端口和外部設備進行聯系。**由于外設的輸入隨時可能到達，因此CPU提供中斷機制來滿足這種要求。這種中斷信息來自CPU外部，相關芯片向CPU發出相應的中斷信息，CPU執行完當前的指令后，可以檢測到發送過來的中斷信息，引發中斷過程進而處理外設輸入。

外中斷一共有兩類：

  1. 可屏蔽中斷。該中斷CPU可以不響應。是否響應要看標志寄存器中IF位的設置，當CPU檢測到可屏蔽中斷信息時，IF=1，則CPU在執行完當前指令后響應中斷，如果IF=0，則不響應可屏蔽中斷。（鍵盤輸入就屬于可屏蔽中斷）
  2. 不可屏蔽中斷。指CPU必須響應的外中斷，CPU執行完當前指令后，立即響應引發中斷過程。

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