汇编语言基础知识.doc

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1、11汇编语言基础知识汇编语言是直接在硬件之上工作的编程语言，首先要了解硬件系统的结构，才能有效地应用汇编语言对其编程，因此，本章对硬件系统结构的问题进行部分探讨，首先介绍了计算机的基本结构、Intel 公司微处理器的发展、计算机的语言以及汇编语言的特点，在此基础上重点介绍寄存器、内存组织等汇编语言所涉及到的基本知识。1.1 微型计算机概述微型计算机由中央处理器（Central Processing Unit，CPU） 、存储器、输入输出接口电路和总线构成。CPU 如同微型计算机的心脏，它的性能决定了整个微型计算机的各项关键指标。存储器包括随机存储器（Random Access Memory，R

2、AM）和只读存储器（Read Only Memory， ROM） 。输入输出接口电路用来连接外部设备和微型计算机。总线为 CPU 和其他部件之间提供数据、地址和控制信息的传输通道。如图 1.1 所示为微型计算机的基本结构。 外 部 设 备 存 储 器 输 入 输 出接 口 电 路 中 央 处 理 器 CPU 地 址 总 线数 据 总 线 控 制 总 线 图 1.1 微型计算机基本结构特别要提到的是微型计算机的总线结构，它使系统中各功能部件之间的相互关系变为各个部件面向总线的单一关系。一个部件只要符合总线结构标准，就可以连接到采用这种总线结构的系统中，使系统功能得到扩展。数据总线用来在 CPU

3、与内存或其他部件之间进行数据传送。它是双向的，数据总线的位宽决定了 CPU 和外界的数据传送速度，8 位数据总线一次可传送一个 8 位二进制数据（即一个字节） ，16 位数据总线一次可传送两个字节。在微型计算机中，数据的含义是广义的，数据总线上传送的不一定是真正的数据，而可能是指令代码、状态量或控制量。地址总线专门用来传送地址信息，它是单向的，地址总线的位数决定了 CPU 可以直接寻址的内存范围。如 CPU 的地址总线的宽度为 N，则 CPU 最多可以寻找 2N 个内存单元。22控制总线用来传输控制信号，其中包括 CPU 送往存储器和输入输出接口电路的控制信号，如读信号、写信号和中断响应信号等

4、；也包括其他部件送到 CPU 的信号，如时钟信号、中断请求信号和准备就绪信号等。1.2 Intel 公司微处理器简介自 20 世纪 70 年代开始出现微型计算机以来，CPU 经历了飞速的发展。1971 年，Intel 设计成功了第一片 4 位微处理器 Intel 4004；随之又设计生产了 8 位微处理器8008；1973 年推出了 8080；1974 年基于 8080 的个人计算机（Personal Computer，PC）问世，Microsoft 公司的创始人 Bill Gates 为 PC 开发了 BASIC 语言解释程序；1977 年 Intel 推出了 8085。自此之后，Intel

5、 又陆续推出了8086、80386、Pentium 等 80x86 系列微处理器。各种微处理器的主要区别在于处理速度、寄存器位数、数据总线宽度和地址总线宽度。下面简要介绍不同时期 Intel 公司制造的几种主要型号的微处理器，这些微处理器都曾经或正在广为流行。180x86 系列微处理器1）8088 微处理器具有多个 16 位的寄存器、8 位数据总线和 20 位地址总线，可以寻址 1MB 的内存。虽然这些寄存器一次可以处理 2 个字节，但数据总线一次只能传送 1 个字节。该处理器只能工作在实模式。2）8086 微处理器指令系统与 8088 完全相同，具有多个 16 位的寄存器、16 位数据总线和

6、 20 位地址总线，可以寻址 1MB 的内存，一次可以传送 2 个字节。该处理器只能工作在实模式。3）80286 微处理器比 8086 运行更快，具有多个 16 位的寄存器、16 位数据总线和 24 位地址总线，可以寻址 16MB 内存。它既可以工作在实模式，也可以工作在保护模式。4）80386 微处理器具有多个 32 位的寄存器、32 位数据总线和 32 位地址总线，可以寻址 4GB 内存。它提供了较高的时钟速度，增加了存储器管理和相应的硬件电路，减少了软件开销，提高了效率。它既可以工作在实模式，也可以工作在保护模式。5）80486 微处理器具有多个 32 位的寄存器、32 位数据总线和 3

7、2 位地址总线。它比 80386 增加了数字协处理器和 8KB 的高速缓存，提高了处理速度。它既可以工作在实模式，也可以工作在保护模式。6）Pentium（奔腾）具有多个 32 位的寄存器、64 位数据总线和 36 位地址总线。因为它采用了超标量33体系结构，所以每个时钟周期允许同时执行两条指令，处理速度得到了进一步提高，性能比 80486 优越得多。它既可以工作在实模式，也可以工作在保护模式。以上介绍了 Intel80x86 系列的一些主要微处理器，表 1.1 给出了该系列部分微处理器的数据总线和地址总线宽度。实际上 80x86 系列的功能还在不断改进和增强，它们的速度将会更快，性能将会更优

8、越。但无论怎样变化，它们总会被设计成是完全向下兼容的，就像在 8086 上设计和运行的软件可以不加任何改变地在 Pentium 4 机上运行一样。对于汇编语言编程人员来讲，掌握 16 位计算机的编程十分重要，它是学习高档计算机及保护模式编程的基础，也是掌握实模式程序设计的唯一方法。2CPU 的主要性能指标1）机器字长机器字长和 CPU 内部寄存器、运算器、内部数据总线的位宽相一致。如 8086CPU，它的内部寄存器是 16 位的、运算器能完成两个 16 位二进制数的并行运算、数据总线的位宽为 16 位，则它的机器字长为 16 位，也称其为 16 位计算机。通常，机器字长越长，计算机的运算能力越

9、强，其运算精度也越高。2）速度CPU 的速度是指单位时间内能够执行指令的条数。速度的计算单位不一，若以单字长定点指令的平均执行时间计算，用每秒百万条指令（Million Istructions Per Second，MIPS）作为单位；若以单字长浮点指令的平均执行时间计算，则用每秒百万条浮点运算指令（Million Floating-point Operations Per Second，MFLOPS）表示。现在，采用计算机中各种指令的平均执行时间和相应的指令运行权重的加权平均法求出等效速度作为计算机运算速度。3）主频主频又称为主时钟频率，是指 CPU 在单位时间内产生的时钟脉冲数，以 MHz

10、/s（兆赫兹每秒）为单位。由于计算机中的一切操作都是在时钟控制下完成的，因此，对于机器结构相同或相近的计算机，CPU 的时钟频率越高，运算速度越快。表 1.1 Inte l80x86 系列微处理器总线宽度CPU 数据总线宽度 地址总线宽度 CPU 数据总线宽度地址总线宽度8086 16 20 Pentium 64 368088 8 20 Pentium 64 3680286 16 24 Pentium 64 3680386SX 16 24 Pentium 4 64 3680386DX 32 32 Itanium 64 4480486 32 32441.3 计算机语言及汇编语言特点1.3.1 计

11、算机语言概述计算机语言的发展经历了由机器语言、汇编语言到高级语言这样一个由低级到高级的发展过程。1机器语言机器语言是计算机唯一能直接识别和执行的计算机语言。由于计算机硬件本身只能识别二进制代码，在计算机发展的初期，人们使用二进制代码构成机器指令来编写程序，这种二进制编码的计算机语言就是机器语言。机器语言描述的程序称为目标程序，只有目标程序才能被 CPU 直接执行。指令用于指出计算机所进行的操作和操作对象的代码，一条指令通常由操作码和操作数两部分组成。其中，操作码指出计算机所进行的具体操作，如加法、减法等；操作数说明操作的对象。操作码比较简单，只需对每一种操作指定确定的二进制代码就可以了；操作数

12、比较复杂，首先它可以有一个、两个或三个，分别称为单操作数、双操作数或三操作数，其次，操作数可能存放在不同的地方，既可以存放在寄存器中，也可以存放在存储器中，甚至直接存放在指令中，通常要用寻址方式来说明。一台计算机全部指令的集合构成该计算机的指令系统。指令系统是计算机基本功能的体现，不同的机器指令对应的二进制代码序列各不相同。机器语言是面向机器的，不同机器之间的语言是不通用的，这也是机器语言是“低级”语言的含义所在。用二进制代码编写程序相当麻烦，写出的程序也难以阅读和调试。2汇编语言早期的程序员们很快就发现了使用机器语言带来的麻烦，它是如此难于辨别和记 忆，给整个产业的发展带来了障碍，于是产生了

13、汇编语言。汇编语言是一种采用指令助记符、符号地址、标号等符号书写程序的语言，它便于人们书写、阅读和检查。汇编语言指令与计算机指令基本上是一一对应的，汇编语言与计算机有着密不可分的关系，处理器不同，汇编语言就不同，因此它是一种低级语言，同时它也是唯一能够充分利用计算机硬件特性并直接控制硬件设备的语言。利用汇编语言进行程序设计体现了计算机硬件和软件的结合。用汇编语言编写的程序称为汇编源程序（或称汇编语言程序） ，计算机不能直接识别，必须将其翻译成由计算机指令组成的程序后，CPU 才能执行，这一过程称为“汇编”。用于将汇编源程序翻译成计算机语言的程序称为汇编程序，这种由源程序经过计算机翻译转换成的计

14、算机语言程序也称为目标程序。目标程序还不能直接交给 CPU 执行，它还需要通过连接程序装配成可执行程序才能被执行。连接程序具有将多个目标程序装配在一起的功能，它也可以将目标程序与预先编写好的一些放在子程序库中的子程55序连接在一起，构成较大的可执行程序。它们之间的关系如图 1.2 所示。图 1.2 汇编程序与目标程序、可执行程序之间的关系3高级语言高级语言是一种与具体的计算机硬件无关，独立于计算机类型的通用语言，比较接近人类自然语言的语法，用高级语言编程不必了解和熟悉计算机的指令系统，更容易掌握和使用。高级语言采用接近自然语言的词汇，其程序的通用性强，易学易用，这些语言面向求解问题的过程，不依

15、赖具体计算机。高级语言也要翻译成机器语言才能在计算机上执行。其翻译有两种方式，一种是把高级语言程序翻译成机器语言程序，然后经过连接程序连接成可执行文件，再在计算机上执行，这种翻译方式称为编译方式，大多数高级语言如 PASCAL 语言、C 语言等都是采用这种方式；另一种是直接把高级语言程序在计算机上运行，一边解释一边执行，这种翻译方式称为解释方式，如BASIC 语言就采用这种方式。高级语言源程序是在未考虑计算机结构特点情况下编写的，经过翻译后的目标程序往往不够精练，过于冗长，加大了目标程序的长度，占用较大存储空间，执行时间较长。1.3.2 汇编语言的特点汇编语言使用助记符和符号地址，所以它要比机

16、器语言易于掌握，与高级语言相比较，汇编语言有以下特点。1）汇编语言与计算机关系密切汇编语言中的指令是机器指令的符号表示，与机器指令是一一对应的，因此它与计算机有着密切的关系，不同类型的 CPU 有不同的汇编语言，也就有各种不同的汇编程序。汇编语言源程序与高级语言源程序相比，其通用性和可移植性要差得多。2）汇编语言程序效率高由于构成汇编语言主体的指令是用机器指令的符号表示的，每一条指令都对应一条机器指令，且汇编语言程序能直接利用计算机硬件系统的许多特性，如它允许程序员利用寄存器、标志位等编程。用汇编语言编写的源程序在编译后得到的目标程序效率高，主要体现在空间效率和时间效率上，即目标程序短、运行速

17、度快这两个方面，在采用相同算法的前提下，任何高级语言程序在这两个方面的效率与汇编语言相比都望66尘莫及。3）特殊的使用场合汇编语言可以实现高级语言难以胜任甚至不能完成的任务。汇编语言具有直接和简捷的特点，用它编制程序能精确地描述算法，充分发挥计算机硬件的功能。在过程控制、多媒体接口、设备通信、内存管理、硬件控制等方面的程序设计中，用汇编语言直接方便，执行速度快，效率高。汇编语言提供了一些模块间相互连接的方法，一个大的任务可以分解成若干模块，将其中执行频率高的模块用汇编语言编写，可以大大提高大型软件的性能。1.4 程序可见寄存器组80386（含 80386）以上型号的 CPU 能够处理 32 位

18、数据，其寄存器长度是 32 位的，但为了与早期的 8086 等 16 位机 CPU 保持良好的兼容性，80386 以上型号的 CPU 中程序可见寄存器组包括多个 8 位、16 位和 32 位寄存器，如图 1.3 所示。1通用寄存器808680286 CPU 各有 8 个 16 位通用寄存器 AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。对于 4 个 16 位数据寄存器 AX、BX、CX、DX，其每个又可以作为 2 个独立的 8 位寄存器使用，它们被分别命名为 AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL。80386 以上型号的 CPU各有 8 个 32 位通用寄存器，它们是相应 16 位寄

19、存器的扩展，被分别命名为EAX、EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、ESI、EDI。在程序中每个 8 位、16 位、32 位寄存器都可以独立使用。77图 1.3 8086Pentium CPU 程序可见寄存器组SP、ESP 叫做堆栈指针寄存器，其中存放当前堆栈段栈顶的偏移量，它们总是与SS 堆栈段寄存器配合存取堆栈中的数据。在实模式方式下使用 SP，在 80386 以上的保护模式下使用 ESP。除 SP、ESP 堆栈指针不能随意修改、需要慎用外，其他通用寄存器都可以直接在指令中使用，用以存放操作数，这是它们的通用之处。在后边讨论指令系统时，可以看到某些通用寄存器在具体的指令中还有其他用途，

20、例如 EAX、AX、AL（通常分别被称为32 位、16 位、8 位累加器） ，它们在乘除法、十进制运算、输入输出指令中有专门用途。另外有些通用寄存器也可以存放地址用以间接寻址内存单元，例如在实模式中BX、BP、SI、DI 可以作为间接寻址的寄存器，用以寻址 64KB 以内的内存单元。在保护模式中 EAX、EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、ESI、EDI 可以作为间接寻址的寄存器，用以寻址 4GB 以内的内存单元，详细内容见 3.1 节和 6.3 节。2段寄存器在 IBM PC 机中存储器采用分段管理的方法，因此一个物理地址需要用段基地址和偏移量表示。一个程序可以由多个段组成，但对于 80

21、8680286 CPU，由于只有 4 个段寄存器，所以在某一时刻正在运行的程序只可以访问 4 个当前段，而对于 80386 及其以上的计算机，由于有 6 个段寄存器，则可以访问 6 个当前段。在实模式下段寄存器存放当前正在运行程序的段基地址的高 16 位，在保护模式下存放当前正在运行程序的88段选择子，段选择子用以选择描述符表中的一个描述符，描述符描述段的基地址、长度和访问权限等，显然在保护模式下段寄存器仍然是选择一个内存段，只是不像实模式那样直接存放段基址罢了。代码段寄存器 CS 指定当前代码段，代码段中存放当前正在运行的程序段。堆栈段寄存器 SS 指定当前堆栈段，堆栈段是在内存开辟的一块特

22、殊区域，其中的数据访问按照后进先出（Last in First out，LIFO）的原则进行，允许插入和删除的一端叫做栈顶。IBM PC 机中 SP（或 ESP）指向栈顶，SS 指向堆栈段基地址。数据段寄存器 DS 指定当前运行程序所使用的数据段。附加数据段寄存器 ES 指定当前运行程序所使用的附加数据段。段寄存器 FS 和 GS 只对 80386 以上 CPU 有效，它们没有对应的中文名称，用于指定当前运行程序的另外两个存放数据的存储段。虽然 DS、ES、FS、GS（甚至于CS、SS）所指定的段中都可以存放数据，但 DS 是主数据段寄存器，在默认情况下使用DS 所指向段的数据。若要引用其他段

23、中的数据，需要显式地说明。3控制寄存器控制寄存器包括指令指针寄存器和标志寄存器。在程序中不能直接引用控制寄存 器名。1）IP、EIPIP、EIP 叫做指令指针寄存器，它总是与 CS 段寄存器配合指出下一条要执行指令的地址，其中存放偏移量部分。在实模式方式下使用 IP，在 80386 以上的保护模式下使用 EIP。2）标志寄存器（FLAGS）标志寄存器也被称为状态寄存器，由运算结果特征标志和控制标志组成。808680286 CPU 为 16 位，80386 以上为 32 位。如图 1.4 所示，可以看出它们完全向下兼容。空白位为将来保留，暂未定义。图 1.4 标志寄存器（1）运算结果特征标志：用

24、于记录程序中运行结果的特征，8086Pentium CPU的标志寄存器均含有这 6 位标志。99CF（Carry Flag）：进位标志，记录运算结果的最高位向前产生的进位或借位。若有进位或借位则置 CF=1，否则清零。可用于检测无符号数二进制加减法运算时是否发生溢出（溢出时 CF=1） 。PF（Parity Flag）：奇偶标志，记录运算结果中含 1 的个数。若个数为偶数则置PF=1，否则清零。可用于检测数据传送过程中是否发生错误。AF（Auxiliary carry Flag）：辅助进位标志，记录运算结果最低 4 位（低半字节）向前产生的进位或借位。若有进位或借位则置 AF=1，否则清零。只

25、有在执行十进制运算指令时才关心此位。ZF（Zero Flag）：零标志，记录运算结果是否为零，若结果为零则置 1，否则清零。SF（Sign Flag）：符号标志，记录运算结果的符号，若结果为负则置 1，否则清零。OF（Overflow Flag）：溢出标志，记录运算结果是否超出了操作数所能表示的范围。若超出则置 1，否则清零。可用于检测带符号数运算时是否发生溢出。（2）控制标志：控制标志控制处理器的操作，要通过专门的指令才能使控制标志发生变化。 以下控制标志对 8086Pentium CPU 均有效。IF（Interrupt Flag）：中断允许标志，当 IF=1 时允许 CPU 响应外部可屏

26、蔽中断请求（INTR） ；当 IF=0 时禁止响应 INTR。IF 的控制只对 INTR 起作用。DF（Direction Flag）：方向标志，专门服务于字符串操作指令。当 DF=1 时，表示串操作指令中操作数地址为自动减量，这样使得对字符串的处理是从高地址向低地址方向进行；当 DF=0 时，表示串操作指令中操作数地址为自动增量。TF（Trap Flag）：陷阱标志，用于程序调试。当 TF=1 时，CPU 处于单步方式；TF=0 时，CPU 处于连续方式。状态标志位的符号表示见表 1.2。表 1.2 状态标志位的符号表示标志位 标志为 1 标志为 0CF 进位（有/否） CY NCPF 奇偶

27、（偶/奇） PE POAF 半进位 AC NAZF 全零（是/否） ZR NZSF 符号（负/正） NG PLIF 中断（允许/禁止） EI DIDF 方向（增量/减量） DN UPOF 溢出（是/否） OV NV 以下控制标志只对 80286 以上 CPU 有效。OF1010IOPL（I/O Privilege Level）：特权标志，占 D13 和 D12 两位。当在保护模式下工作时，IOPL 指定要求执行 I/O 指令的特权级。若当前任务的特权级比 IOPL 高（级数越小特权级越高，OO 级是最高级） ，则执行 I/O 指令；否则会检查该任务的 I/O 许可位图，若位图中的值为 1 则发

28、生一个保护异常，导致执行程序被挂起。NT（Nested Task）：嵌套任务标志，用于保护模式操作，在执行中断返回指令IRET 时要测试 NT 值。当 NT=1 时，表示当前执行的任务嵌套于另一任务之中，执行完该任务后要返回到另一任务，IRET 指令的执行是通过任务切换实现的。当 NT=0 时，用堆栈中保存的值恢复标志寄存器、代码段寄存器和指令指针寄存器的内容，以执行常规的 IRET 中断返回操作。 以下控制标志只对 80386 以上 CPU 有效。RF（Resume Flag）：重启动标志，该标志控制是否接受调试故障，它与调试寄存器一起使用。当 RF=0 时接受，RF=1 时忽略。VM（Vi

29、rtual 8086 Model）：虚拟方式标志，当 CPU 处于保护模式时，若 VM=1 则切换到虚拟方式，以允许执行多个 DOS 程序，否则 CPU 工作在实模式或保护模式。 以下控制标志只对 80486 SX 以上 CPU 有效。AC（Alignment Check）：地址对齐检查标志，若 AC=1 时进行地址对齐检查，当出现地址不对齐时会引起地址对齐异常，只有在特权级 3 运行的应用程序才检查引起地址对齐故障。若 AC=0 时不进行地址对齐检查。只有 80486 SX 微处理器使用该位，主要用来同它配套的协处理器 80487 SX 同步工作。所谓地址不对齐是指以下情形：1 个字从奇地址

30、开始，或 1 个双字不是从 4 的倍数的地址开始。 以下控制标志只对 Pentium 以上 CPU 有效。ID（Identification）：标识标志，若 ID=1，则表示 Pentium 支持 CPUID 指令，CPUID 指令给系统提供 Pentium 微处理器有关版本号及制造商等信息。VIP（Virtual Interrupt Pending）：虚拟中断挂起标志，与 VIF 配合，用于多任务环境下，给操作系统提供虚拟中断挂起信息。VIF（Virtual Interrupt Flag）：虚拟中断标志，是虚拟方式下中断标志位的映像。1.5 存 储 器1.5.1 基本概念计算机中存储信息的基本单位是 1 个二进制位，简称位（bit） ，可用小写字母 b 表示，一位可存储一位二进制数。IBM PC 机中常用的数据类型如下。字节（byte）：IBM PC 机中存取信息的基本单位，可用大写字母 B 表示。1 个字节