Assembly_1

汇编语言学习笔记-1

0x00 存储器的存储结构

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​ 1TB=1024GB，1GB=1024MB，1MB=1024KB，1KB=1024B，1B=1字节（8位）。

​ CPU想要对存储介质上的数据进行操作，就必须通过总线，总线分为地址总线、控制总线、数据总线。例如，CPU在内存中读数据，图示如下：

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​ 可以看到，CPU是通过地址总线来指定存储单元的。地址总线上能传送多少个不同的信息， CPU 就可以对多少个存储单元进行寻址。如果一个 CPU 有 N 根地址总线，即地址总线宽度为 N，那么就可以寻址2^N个内存单元。

​ 数据总线宽度关系到了 CPU 和外界的数据传送速度。下面展示了8位和16位数据总线在传输0x89D8时候的不同：

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​ 可以看到，8位需要传两次，16位传一次即可。

​ 小结：

  1. 每一种 CPU 都有自己的汇编指令集。
  2. 一个存储单元可以存储 8 个 bits，即 8 位二进制数。

0x01 内存地址空间

​ 什么是内存地址空间？一个 CPU 的地址线宽度为 10 ，那么可以寻址 1024 个内存单元，这 1024 个可寻到的内存单元就构成这个CPU 的内存地址空间。

​ 存储器包括随机存储器（RAM）与只读存储器（ROM）。随机存储器可读可写，但是关机后储存内容就会消失。只读存储器只能读取，关机后储存内容不会消失。例如，BIOS就储存在ROM中。这和磁盘什么的没啥关系哈，RAM与ROM都是主板上的。

​ 可以将各类存储器看作一个逻辑存储器。如下图所示：

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0x02 寄存器

​ CPU由运算器 、 控制器 、 寄存器组成，内部总线实现 CPU 内部各个器件之间的联系，外部总线实现 CPU 和主板上其它器件的联系。

​ 8086CPU 所有寄存器都是 16 位 ，可存放两个字节，AX、BX、CX、DX被称为通用寄存器。8086 上一代 CPU 中的寄存器都是 8 位的，为保证兼容性，AX可以分为AH与AL。BX、CX、DX也可以这样分。

​ 字节为8位，字为16位（2个字节）。

​ 以下是简单的汇编指令举例：（注：汇编指令不区分大小写）

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​ 再来看两个特殊情况：

image-20230212095304217

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​ 可以看到，上述两个图中的红色问号部分都有进位，不同的是第一个图是AX的进位，第二个图是AL的进位。第二张图中，此时CPU 把 al 和 ah 看作 8 位的寄存器上的独立的寄存器，产生的进位不会存储在 ah 中。第一张图也是类似，因此，第一张图中的问号填044CH，第二张图的问号填58H。

16位结构的CPU体现在哪里？

  1. 运算器一次最多可以处理 16 位的数据。
  2. 寄存器的最大宽度为 16 位。
  3. 寄存器和运算器之间的通路是 16 位的。

8086CPU是如何找物理地址的？

​ 存在这样一种矛盾，8086 有 20 位地址总线，可传送 20 位地址，寻址能力为 1MB 。而8086 内部为 16 位结构，它只能传送 16 位的地址，表现出的寻址能力却只有 64KB 。为解决这种矛盾，8086CPU 采用一种在内部用两个16 位地址合成的方法来形成一个 20 位的物理地址。具体公式为：

1
物理地址 = 段地址 × 16 + 偏移地址

​ 图像解释如下：

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分段

​ 内存并没有分段，段的划分来自于 CPU（就是因为上面的公式）。

  1. 段地址 × 16 必然是 16 的倍数，所以一个段的起始地址也一定是 16 的倍数。
  2. 偏移地址为 16 位， 16 位地址的寻址能力为 64K，所以一个段的长度最大为 64K 。

​ 再给出如下结论：

  • CPU 可以用不同的段地址和偏移地址形成同一个物理地址 。如下所示：

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  • 偏移地址 16 位，变化范围为 0-FFFFH ，仅用偏移地址来寻址最多可寻 64K 个内存单元。例如，给定段地址 1000H ，用偏移地址寻址 CPU 的寻址范围为： 10000H-1FFFFH 。

段寄存器

​ 段寄存器就是提供段地址的。8086CPU中有 4 个段寄存器：CS、DS、SS、ES。

​ CS（代码段寄存器 ）和 IP（指令指针寄存器 ）是8086CPU 中最关键的寄存器，它们指示了 CPU 当前要读取指令的指令地址。具体可以看《汇编语言第三版》P26-P31。最终，可以总结出8086CPU的工作流程：

  1. 从 CS:IP 指向内存单元读取指令，读取的指令进入指令缓冲器；
  2. IP = IP + 所读取指令的长度 ，从而指向下一条指令；
  3. 执行指令。 转到步骤 1 重复这个过程。

​ 8086CPU刚刚开机时，CS=FFFFH，IP=0000H，所以CPU 从内存 FFFF0H 单元中读取指令执行，这是开机后执行的第一条指令 。内存中指令和数据没有任何区别，都是二进制信息，但是CPU将 CS:IP 指向的内存单元中的内容看作指令。

控制CS:IP跳转到目标地址

​ 在CPU中，程序员能够用指令 读写的部件只有寄存器，程序员可以通过改变寄存器中的内容实现对CPU的控制。

  • 同时控制CS与IP。

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  • 仅仅控制IP。可以看到直接jmp ax控制的其实是偏移地址。

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​ 注意：jmp ax等价于mov IP, ax。jmp 3:01B6等价于mov cs, 3; mov ip, 01B6。你懂得~

Q&A

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mov ax, 6622H
jmp 1000:3
mov ax, 0000
mov bx, ax
jmp bx
mov ax, 0123H
之后又转到mov ax, 0000 ...

代码段

​ CS:IP指向的内容就是代码段。就类似于上述的Q&A中的示例，就是代码段。代码段举例（123B0H-123B9H）：

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​ 可以认为上述代码是段地址是123BH，长度为10字节的代码段。

0x03 实验 1

​ 见《汇编语言第三版》P35。

补充：

  • Debug是DOS、Windows提供的调试工具，可以查看CPU寄存器中的内容。
  • Debug常用命令。
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R // 查看、改变寄存器中的内容
D // 查看内存
E // 改写内存
U // 将机器指令翻译成汇编指令
T // 执行一条机器指令（步进）
P // 与T不同的是，P不会跟踪进入子程序（步过）
G // 运行到断点
A // 以汇编指令的格式在内存中写入一条机器指令

​ 查看并修改寄存器中的内容：

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​ 查看内存0AD40H及其之后的内容：

image-20230212121328140

​ 改写内存10000H的内容：

​ 一块修改

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​ 逐位修改

image-20230212122216299

​ 写入字符串

image-20230212122435957

​ 写入机器码并展示

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​ 执行刚刚写入的机器码（需要预先修改CS与IP）

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​ 直接写入汇编指令

image-20230212162312637

0x04 寄存器（内存访问）

​ 小端序与大端序，如下图所示：

image-20230212163332475

​ 之前我们知道：物理地址 = 段地址 × 16 + 偏移地址。代码段的短地址保存在CS寄存器中，数据段的段地址保存在DS寄存器中。

​ 使用mov指令可以读取内存，其格式为mov 寄存器名 [address]，其中address为偏移地址，执行此命令时，8086CPU会自动取DS作为段地址。

​ 内存到寄存器。使用mov指令从10000H中读取1个字节放到AL中：

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mov bx, 1000H
mov ds, bx
mov al, [0]

​ 注：8086CPU不支持将数据直接送入段寄存器的操作，而物理地址10000H可以看作段地址:偏移地址=1000H:0H。

​ 寄存器到内存差不多，举一个例子：

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​ 对于8086CPU来说，累加123B0H的前三个单元的数据：

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// 累加字节数据
mov ax, 123BH
mov ds, ax
mov al, 0
add al, [0]
add al, [1]
add al, [2]

// 累加字数据
mov ax, 123BH
mov ds, ax
mov ax, 0
add ax, [0]
add ax, [2]
add ax, [4]

0x05 栈

​ 8086CPU的入/出栈操作都是以字（两个字节）为单位进行的。栈的增长方向是由高地址往低地址。栈操作举例：

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​ 类似于CS:IP，存放着指令的段地址与偏移地址，SS:SP存放着栈顶的段地址与偏移地址。SS：Stack Segment、SP：Stack Pointer。

​ push指令的执行过程，以push ax为例：

  1. SP=SP–2。

  2. 将ax中的内容送入SS:SP指向的内存单元处，SS:SP此时指向新栈顶。

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​ pop指令的执行过程，以pop ax为例：

  1. 将SS:SP指向的内存单元处的数据送入ax中。
  2. SP = SP+2，SS:SP指向当前栈顶下面的单元，以当前栈顶下面的单元为新的栈顶。

Q&A

Q1：将10000H-1000FH 这段空间当作栈，初始状态是空的，将 AX、BX、DS中的数据入栈。

A1：

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mov cx, 1000H
mov ss, cx
mov sp, 10H
push ax
push bx
push ds

Q2：将10000H-1000FH 这段空间当作栈，初始状态是空的；设置AX=001AH，BX=001BH；将AX、BX中的数据入栈；然后将AX、BX清零；从栈中恢复AX、BX原来的内容。

A2：

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mov cx, 1000H
mov ss, cx
mov sp, 10H
mov ax, 1AH
mov bx, 1BH
push ax
push bx
xor ax, ax
xor ba, bx
pop bx
pop ax

Q3：将10000H-1000FH 这段空间当作栈，初始状态是空的；设置AX=002AH，BX=002BH；利用栈 ，交换 AX 和 BX 中的数据。

A3：

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mov cx, 1000H
mov ss, cx
mov sp, 10H
mov ax, 2AH
mov bx, 2BH
push ax
push bx
pop ax
pop bx

Q4：我们如果要在10000H处写入字型数据2266H，可以用以下的代码完成：

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mov ax, 1000H
mov ds, ax
mov ax, 2266H
mov [0], ax

​ 补全下列代码，完成同样功能。（不能使用mov [内存单元],寄存器）

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________
mov ax, 2266H
push ax
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mov ax, 1000H
mov ss, ax
mov sp, 2H ;sp先减2，然后再写入
mov ax, 2266H
push ax

​ push、pop 实质上就是一种内存传送指令，可以在寄存器和内存之间传送数据，与mov指令不同的是，push和pop指令访问的内存单元的地址不是在指令中给出的，而是由SS:SP指出的。同时，push和pop指令还要改变 SP 中的内容。

0x06 实验2

​ Debug的使用技巧：

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​ 注：Debug的T命令（运行一条汇编语句）在执行修改寄存器SS的指令时，下一条指令也紧接着被执行。

0x07 第一个程序

流程：

  1. 编写汇编源程序。
  2. 对源程序进行编译连接。使用汇编语言编译程序对第一步的源程序进行编译，产生目标文件。再用连接程序对目标文件进行连接，生成可执行文件。
  3. 运行可执行文件。

示例程序分析

​ 给出如下程序：

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assume cs:codesg
codesg segment
	mov ax, 0123H
	mov bx, 0456H
	add ax, bx
	add ax, ax
	mov ax, 4c00H
	int 21H
codesg ends
end

​ 汇编语言程序中包括汇编指令与伪指令。伪指令不被CPU执行，是由编译器来执行，编译器根据伪指令来进行相关的编译工作。

​ 上述程序的伪指令有：

  • 段名 segment ... 段名 ends。代表一个段，这个段用来存放代码。
  • end。汇编程序的结束标记，不要与ends搞混。
  • assume将有特定用途的段和相关的段寄存器关联起来，例如assume cs:codesg就是将codesg段与cs段寄存器关联起来，以说明codesg内存放的是代码。

​ 计算2^3的示例程序：

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assume cs:abc
abc segment
	mov ax, 2
	add ax, ax
	add ax, ax
	mov ax, 4c00H
	int 21H
abc ends
end

​ 在汇编后加入mov ax, 4c00H; int 21H就可以实现程序返回。在DOS中edit并保存为1.asm。接下来使用masm.exe对文件进行编译，生成1.obj。之后使用1.obj进行连接，使用link.exe生成1.exe。

​ 连接的作用：

  • 源程序很大时，将其分为多个源程序来编译，将源程序编译成目标文件后，再用连接程序将其连接到一起，生成一个exe。

  • 将库文件与目标文件连接起来。

image-20230218212118944

​ 下图展示了DOS系统在.EXE文件中的程序加载过程：

image-20230218215152495

  • 程序加载后，ds存放程序内存区的段地址，内存区偏移地址为0，程序所在内存区的地址为ds:0。
  • 内存区的前256字节存放PSP（DOS用来和程序来进行通信），从256字节处向后的空间存放的是程序。

​ 调试显示：

image-20230218224403916

​ DS=0B14可以看到PSP的段地址SA=0B14，PSP的偏移地址为0，因此PSP的物理地址为SA*16+0，程序的物理地址为SA*16+0+256=SA+10H:0=0B24H，这也是CS指向的地址。

​ 再用u查看一下汇编代码，如下：

image-20230218224720512

​ 再p单步执行，执行到INT 21，结束。

0x07 [BX]和内存单元的描述

[BX]是什么？

​ [0]表示一个内存单元时，0表示单元的偏移地址，段地址默认在DS中，而取出数据的长度由具体指令中的接收值的寄存器指出。[BX]也是同理，BX代表单元的偏移地址，其他与[0]类似。

​ 举例题目如下：

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​ 答案：

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| BE |  21000H
| 00 |  21001H
| BE |  21002H
| 00 |  21003H
| BE |  21004H
| BE |  21005H
| BE |  21006H
| 00 |  21007H

一些补充

  • 我们用()来表示一个寄存器中的内容，举例mov ax [2]代表(ax)=((ds)*16+2)，add ax, bx代表(ax)=(ax)+(bx)，push ax代表(sp)=(sp)-2;((ss)*16+(sp))=(ax)。
  • 用idata表示常量。（不能向DS写常量，例如mov DS, 1）

Loop指令

1. `(cx)=(cx)-1`
1. 判断cx中的值是否为0，如果不为0则跳转到标号处执行，否则继续下个下执行。（**cx为循环次数**）

​ 程序示例：

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; 任务1
assume cs:task1
task1 segment
	mov ax, 2
	add ax, ax
	mov ax, 4c00H ; 程序返回
	int 21H
task1 ends
end
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; 任务2
assume cs:task2
task1 segment
	mov ax, 2
	add ax, ax
	add ax, ax
	mov ax, 4c00H
	int 21H
task2 ends
end
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; 任务3（loop的使用）
assume cs:task3
task3 segment
	mov ax, 2
	mov cx, 11
loop1:
	add ax, ax
	loop loop1
	mov ax, 4c00H
	int 21H
task1 ends
end

Q&A

  • 加法计算123*256，并将结果保存在A X中。
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assume cs:addFunc
addFunc segment
	mov ax, 0
	mov cx, 236
loop1:
	add ax, 123
	loop loop1
	mov ax, 4c00H
	int 21H
addFunc ends
end
  • 计算ffff:0006单元中的数乘3，结果保存在DX中。
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assume cs:func
func segment
	mov dx, 0
	mov ax, 0ffffH ; 汇编程序中数据不能以字母开头，因此前面要加0
	mov ds, ax
	mov ax, 0
	mov al, [6]
	mov cx, 3
loop1:
	add dx, ax
	loop loop1
	mov ax, 4c00H
	int 21H
func ends
end

Debug与Masm的不同处理

​ Debug中直接用a写入汇编命令：

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mov ax, 2000
mov ds, ax
mov al, [0]
mov bl, [1]
mov cl, [2]
mov dl, [3]

​ 然后在debug中用u命令查看（debug的解释）：

image-20230219113718032

​ 和正常一样，但是如果用edit来写汇编程序的话（编译器的解释），代码如下：

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assume cs:code 
code segment
	mov ax,2000h
	mov ds,ax
	mov al,[0]
	mov bl,[1]
	mov cl,[2]
	mov dl,[3]
	mov ax,4c00h
	int 21h
code ends
end

​ 结果如下图所示（怎么与程序写的不一样???）：

image-20230219113657168

​ 那我们如何避免呢？那就需要这么写：

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assume cs:code 
code segment
	mov ax, 2000h
	mov ds, ax
	mov al, ds:[0] ;前面加入段寄存器
code ends
end

​ 或者这么写：

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assume cs:code 
code segment
	mov ax, 2000h
	mov ds, ax
	mov bx, 0
	mov al, [bx]
code ends
end

Q：计算ffff:0-ffff:b单元中的数据的和，结果存储在dx中

A：

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assume cs:func
func segment
	mov ax, 0ffffH
	mov ds, ax
	mov bx, 0 ; 指针
	mov dx, 0 ; 存储结果
	mov cx, 0bH ; 循环次数
	mov ax, 0 ;中间寄存器
loop1:
	mov al, [bx]
	add dx, ax
	inc bx
	loop loop1
	mov ax, 4c00H
	int 21H
func ends
end

安全空间

  • DOS方式下，0:200-0:2FF空间中没有系统或其他程序的程序，可以放心使用，其他的不确定，有可能存放重要代码。
  • 将内存ffff:0-ffff:b单元中的数据拷贝到0:200-0:20b单元中：
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assume cs:code
code segment
	mov cx, 0bH
	mov bx, 0
loop1:
	mov ax, 0ffffH
	mov ds, ax
	mov dl, [bx]
	mov ax, 20H
	mov ds, ax	
	mov [bx], dl
	inc bx
	loop loop1
	mov ax, 4c00H
	int 21H
code ends
end

​ 改进如下：

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assume cs:code
code segment
	mov ax, 0ffffH
	mov ds, ax
	mov ax, 20H
	mov es, ax
	mov bx, 0
	mov cx, 12
loop1:
	mov dl, ds:[bx]
	mov es:[bx], dl
	inc bx
	loop loop1
	mov ax, 4c00H
	int 21H
code ends
end

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2023-02-11

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