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汇编语言从入门到精通-2CPU资源和存储器

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

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

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:

    1、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;

    2、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。

图2.4 16位微机内存分段管理示意图

  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。

  上图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。

2、物理地址的形成方式

  由于规定段地址必须是16的倍数,所以,其值的一般形式为:XXXX0H,即:前16位二进制位是变化的,后四位是固定为0。鉴于段地址的这种特性,我们可以仅保存其前16位二进制来达到保存整个段地址,其后四位可通过“左移补0”来获得。

  在确定了某个存储单元所属的内存段后,我们也只知道其所处内存位置的范围,还不能确定其具体位置。要想确定内存单元的具体位置,还必须知道该单元离该段地址有多远。我们通常把存储单元的实际地址与其所在段的段地址之间的距离称为段内偏移,也可称为有效地址(EA—Effective Address)或偏移量(Offset)等。有了段地址和偏移量,就能唯一地确定某一内存单元在存储器内的具体位置。

  由此可见,存储单元的逻辑地址分为两部分:段地址和偏移量。由逻辑地址得到其物理地址(PA—Physical Address)的计算方法如下:

物理地址PA = 段地址 × 16 + 偏移量 = 段地址 × 10H + 偏移量

计算存储单元物理地址的公式可用“左移4位”和“加”运算来实现。图2.5是物理地址的计算示意图(偏移量应该是0到4)。

图2.5 16位CPU物理地址计算示意图

图2.6 物理地址和逻辑地址之间的关系

对物理地址来说,当段地址变化时,只要对其偏移量进行相应的调整就可对应同一个物理地址,所以,同一个物理地址可有多个逻辑地址。如图2.6所示。

在汇编语言程序中,存储单元通常不是用其物理地址标识的,而是用其逻辑地址标识的。逻辑地址的段地址由段寄存器给出,偏移量可由寄存器(SI、DI、BP和BX等)给出,也可用符号地址或具体的数值给出。至于在指令中如何指出存储单元的逻辑地址将在第3章“寻址方式”中给出详细说明。

3、段寄存器的引用

  段寄存器是因为对内存的分段管理而设置的。16位CPU有四个段寄存器,所以,其程序可同时访问四个不同含义的段。段寄存器及其偏移量的引用关系如图2.7所示。

图2.7 段和段寄存器的引用示意图

  段寄存器CS指向存放程序的内存段,IP是用来存放下条待执行的指令在该段的偏移量,把它们合在一起可在该内存段内取到下次要执行的指令。

  段寄存器DS指向数据段,ES指向附加段,在存取操作数时,二者之一和一个偏移量合并就可得到存储单元的物理地址。该偏移量可以是具体数值、符号地址和指针寄存器的值等之一,具体情况将由指令的寻址方式来决定。

  段寄存器SS指向用于堆栈的内存段,SP是用来指向该堆栈的栈顶,把它们合在一起可访问栈顶单元。另外,当偏移量用到了指针寄存器BP,则其缺省的段寄存器也是SS,并且用BP可访问整个堆栈,不仅仅是只访问栈顶。

  通常,缺省的数据段寄存器是DS,只有一个例外,即:在进行串操作时,其目的地址的段寄存器规定为ES。当然,在一般指令中,我们还可以用强置前缀的方法来改变操作数的段寄存器(见:第3.3节中的强置前缀的书写格式)。

  一般情况下,段寄存器及其指针寄存器的引用关系如下表所示。表2.2中的“可选用的段寄存器”即是可以用强置说明这些段寄存器的值来作为其操作数地址的段地址。

表2.2 段寄存器及其指针寄存器的引用关系

访问存储器方式

缺省的段寄存器

可选用的段寄存器

偏移量

取指令

CS

IP

堆栈操作

SS

SP

一般取操作数

DS

CS、ES、SS

有效地址

串操作

源操作数

DS

CS、ES、SS

SI

目标操作数

ES

DI

使用指针寄存器BP

SS

CS、DS、ES

有效地址

  由上表可以看出16位CPU在段寄存器的引用方面有如下规定:

  1、取指令所用的段寄存器和偏移量一定是用CS和IP;

  2、堆栈操作所用的段寄存器和偏移量一定是SS和SP;

  3、串操作的目标操作数所用的段寄存器和偏移量一定是ES和DI;

  4、其它情况,段寄存器除了其默认引用的寄存器外,还可以强行改变为其它段寄存器。

   对于上述规定,随着后续内容的叙述,将会对它们有更进一步理解。

4、存储单元的内容

  上面,我们讲述了16位微机的内存管理及其相关知识,知道了内存单元物理地址的计算方法,这使我们能很容易地指定所要访问的存储单元。但存储单元里的内容是如何存放的呢?下面就能描述数值在内存的存放形式。

  存储单元中所存放的二进制信息通常称为该存储单元的内容或值,并且规定:

  1、一个字节的内容是该字节单元内存放的二进制信息;

  2、一个字的内容是该字地址所指向的单元及其后继一个单元的内容拼接而成;

  3、一个双字的内容是该字地址所指向的单元及其后继三个单元的内容拼接而成。

  在拼接“字内容”时,我们按“高高低低”的原则来处理,即:高存储单元(地址大的存储单元)的值是“字内容”的高8位,低存储单元(地址小的存储单元)的值是“字内容”的低8位。在拼接“双字内容”时也是如此。

  下图2.8是一段内存单元存放数据的例子。

图2.8 内存单元存放内容示意图

  从图中可看出下列存储结果:

  1、字节12340H、12341H的内容分别为:12H和34H等;

  2、字12340H、12341H的内容分别为:3412H和5634H等;

  3、双字12340H、12341H的内容分别为:78563412H和90785634H等。

2.2.2 32位微机的内存管理模式

  32位微机的内存存管理仍然采用“分段”的管理模式,存储器的逻辑地址同样由段地址和偏移量两部分组成。32位微机的内存管理与16位微机的有相同之处,也有不同之处,因为它提供了两种不同工作方式:实方式和保护方式。

1、物理地址的计算方式

  实方式:段地址仍然是16的倍数,每个段的最大容量仍为64K。段寄存器的值是段的起始地址,存储单元的物理地址仍为段寄存器的值乘16,再加上段内偏移量。在此方式下,32位微机的内存管理与16位微机是相一致的。

  保护方式:段地址可以长达32位,其值可以不是16的倍数,每个段的最大容量可达4G。段寄存器的值是表示段地址的“选择器”(Selector),用该“选择器”可从内存中得到一个32位的段地址,存储单元的物理地址就是该段地址加上段内偏移量,这与16位微机的物理地址计算完全不同。

2、段寄存器的引用

  32位CPU内有6个段寄存器,程序在某一时刻可访问6个不同的段。其段寄存器的值在不同的方式下具有不同的含义:

  (1)、在实方式下,段寄存器的值就是段地址;

  (2)、在保护方式下,段寄存器的值不是段地址,是段地址的“选择器”。它间接指出一个32位的段地址。  

  下面分别说明各段寄存器的用法和作用。

    代码段寄存器:32位微机在取指令时,系统自动引用CS和EIP来取出下条指令。在实方式下,由于段的最大容量不超过64K,所以,EIP的高16位全为0,其效果相当于16位CPU中的IP。

    堆栈段寄存器:32位微机在访问堆栈段时,总是引用堆栈段寄存器SS。但在不同的方式下其堆栈指针有所不同:

      1)、在实方式下,32位微机把ESP的低16位SP作为指向堆栈的指针,所以,我们可以认为栈顶单元是由SS和SP来指定的。这就与16位微机访问栈顶单元的方法相一致;

      2)、在保护方式下,堆栈指针可用32位的ESP和16位的SP。

    数据段寄存器:DS是主要的数据段寄存器。通常情况下,它是除访问堆栈以外数据时的默认段寄存器。在某些串操作中,其目的操作数的段寄存器被指定为ES是另一个例外。

      另外,段寄存器CS、SS、ES、FS和GS也都可以作为访问数据时的段寄存器,但它们必须用段超越前缀的方式在指令中直接写出。用这种方式会增加指令的长度,指令的执行时间也有所延长。

      一般来说,程序频繁访问的数据段用DS来指向,不太经常访问的数据段可用ES、FS和GS等来指向。

3、存储单元的内容

32位微机存储单元内容的存储格式与16位微机的完全一致,也都采用“高高低低”的原则来存放数据。

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