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  • [计算机基础] 汇编学习(2)

    一、指令

    1.指令的执行过程

    [计算机基础] 汇编学习(1)中,我们知道了CPU是通过CS:IP来确定哪些数据是指令的。

    那么,CPU执行指令的简单流程如下:

    1.CPU从CS:IP所指向的内存单元中读取指令,存放到指令缓存器中。
    2.IP寄存器的值 = IP旧值 + 被读取指令的长度。
    3.执行指令缓存器中的指令,回到步骤1。

    2.指令的长度

    我们使用 debug -u 查看指令的时候,可以看到指令的长度:

    可以看到,每个指令的长度都不一定相等,从1 byte~n byte不等,至于指令的长度,是由指令集规定的,CPU会按照指令集来读取指令,就不会读错长度了。

    3.jmp指令

    jmp是jump的简写,JMP指令用于修改CS和IP这两个寄存器,可以决定CPU从哪里读取指令。

    可以看到,我们使用JMP指令将CS寄存器的值修改为2000,将IP寄存器的值修改为0000。

    注意:在8086 计算机中,只能通过JMP去修改CS:IP的值,而不能通过MOV指令去直接修改。

    当然,以下指令是可以运行的:

    JMP AX  # 将AX寄存器中的值赋给IP寄存器

    4.CALL指令

    CALL指令也是一个跳转指令,他的实现类似于C语言中的执行一个函数,如下所示:

    start:      mov ax,stack
                mov ss,ax
                mov sp,128
    
                call cpy_Boot   # 跳转到cpy_Boot对应的位置,并保存下一条指令,即mov ax,1001的位置
    
                mov ax,1001
                mov ax,1002
    
    cpy_Boot:    mov bx,1001
                 mov bx,1002
                 ret                         # 获取下一条指令mov ax,1001的位置并跳转过去,类似于C语言的return

    在执行到call指令时,先将call指令的下一条指令(mov ax,1001)的内存地址保存起来(内存中),然后执行cpy_Boot这个位置的指令,执行到ret指令的时候,取回保存在内存中的下一条指令(mov ax,1001)的地址,然后跳转过去接着执行后面的指令。

    4.SUB指令

    减法,类似于加法。使用前面的值减去后面的值,然后保存在前面的寄存器中。

    SUB AX,BX   # 相当于AX=AX-BX

    二、debug调试工具

    前面我们已经使用过了debug工具的一些功能,这节我们系统的了解一下debug工具的用法。

    debug工具中,包含一下一些功能:

    -r        查看和改变寄存器中的内容(注意,这是debug工具的功能,不是汇编语言)
    -d        查看内存中的内容(当成普通数据,即16进制数据),例如 d 1000:0 查看1000:0开始的128个字节的内容, d 1000:0 F 查看0~F即16个字节内容(一行)。
    -u        查看内存中的内容,翻译成指令格式
    -a        可以以汇编指令的形式输入指令(默认修改当前CS:IP位置),也可以指定位置 a 2000:0 
    -t         执行当前CS:IP所指向的指令
    -e        改写内存中的内容,例如e 2000:0000即从2000:0000位置开始写入数据,除了实时输入,还可以在后面直接跟ascii码,例如e 2000:0 "0123456789",他会从2000:0开始将值填为0123456789对应的16进制。

    三、内存的访问

    在第二章中,我们提到了CALL指令,在调用CALL指令时,会将他的下一条指令的地址保存起来。那么保存在什么地方呢?答案是内存中。

    1.字型数据在内存中的排列顺序

    一个字型数据占用2byte空间,那么他们在内存中存放时的排列顺序是怎么样的?

    我们在2000:0的位置输入几个指令:

    可以看到 MOV AX,4E20 指令对应的机器码是 B8204E , MOV AX,1122 指令对应的机器码是 B82211 。

    可以看出,数据在内存中的顺序和我们指令中的顺序是反的,这是因为,对于16bit寄存器来说,4E被存储在AH(即高8位寄存器)中,20被存储在AL(即低8位寄存器)中。而在内存中,B8204E中的B8位于2000:0,20位于2000:1,4E位于2000:2。

    所以,我们可以得出一个结论:

    高地址内存  存放的是   字型数据的  高位字节
    低地址内存  存放的是   字型数据的  低位字节

    按以上内存中的数据,我们回答几个问题:

    1.地址2000:0中存放的字节数据是多少??   答案:B8H
    2.地址2000:0中存放的字型数据是多少??   答案:20B8H
    3.地址2000:2中存放的字节数据是多少??   答案:4EH
    4.地址2000:2中存放的字型数据是多少??   答案:B84EH
    5.地址2000:1中存放的字型数据是多少??    答案:4E20H

    2.DS寄存器(从内存中读取数据)

    前面我们了解了CS寄存器的作用(存储指令的段地址)。

    DS寄存器用于存储访问数据的段地址。

    首先,我们看一下当前1000:0地址的数据:

    我们要读取其中的数据,先将DS寄存器的值修改为1000:

    然后将1000:0开始的数据,一个一个赋值给AX寄存器:

    对比一下1000:0开始的数据,由于我们使用的是 MOV AX,[0] ,也就是将ds:0这个位置的数据拷贝到AX中,由于AX为16bit寄存器,所以就拷贝了两个byte,而又根据之前介绍的内存存储顺序,所以拷贝过来放到AX中的数据为 7669H 。同理,拷贝ds:1的数据,实际上拷贝的是ds:1和ds:2两个byte,所以是 6576H 。

    注意:一个内存地址只存放8bit的数据,即一个byte。当我们以 MOV AX,[0] 这种方式拷贝数据的时候,实际上拷贝了0和1两个位置的数据,即16bit,2byte,因为AX是16bit寄存器。如果是 MOV AL,[0] ,由于AL是8bit寄存器,则只会拷贝0位置的数据。

    3.拷贝寄存器数据到内存

    在第2节中,我们通过ds寄存器中的数据作为内存段地址,然后配合偏移地址 [n] 实现了对内存数据的地位,然后通过MOV指令将数据从内存中拷贝到寄存器中。

    那么,我们将操作反过来,就可以实现将寄存器中的数据拷贝到内存中:

    MOV [0],AX
    MOV [2],AL

    假设,AX中数据为4E20H,那么拷贝后,ds:0的数据为20H,ds:1的数据为4EH,ds:2的数据为20H。

    四、栈

    栈是一段连续的内存单元,也就是一段连续的内存地址。

    栈的一个特性就是后进先出,有两个动作,一个叫入栈,一个叫出栈。

    1.栈的数据从哪里来

    栈的数据来自于寄存器或内存。使用 PUSH 指令将寄存器或内存的数据压到栈中,放在栈顶标记的上面(也就是最后一个数据的上面)。

    2.栈顶标记

    对于一个栈来说,始终有一个标记来表示最后一个数据在栈中的位置,在8086机器中,使用SS寄存器和SP寄存器组合出来的物理地址来作为栈顶标记。

    SS寄存器:存储栈顶标记的段地址
    SP寄存器:存储栈顶标记的偏移地址

    当我们进行入栈和出栈操作时,栈顶标记会随着改变:

    PUSH AX    # 栈顶标记的偏移地址SP = SP - 2
    POP BX    # 栈顶标记的偏移地址SP = SP + 2

    PUSH AX的意思是将AX寄存器中的数据(字型数据,16bit)压入栈,栈顶标记本来指向的是原来的最后一个数据,新压入一个数据后,栈顶标记进行了修改。

    POP BX的意思是将栈中最后一个数据弹出栈,拷贝到BX寄存器中,栈顶标记也要进行修改。

    3.栈在内存中的形态

    从第2节中,我们可以看出,PUSH的时候SP-2,POP的时候SP+2。

    也就是说栈底位于内存的高位,而栈顶位于内存的低位。

    4.创建和操作一个栈

    我们要在内存创建一个栈,需要关注两个事情:

    1)栈底在哪里
    2)栈空间有多大

    栈顶在哪里,很好解决,就是SS:SP指向的物理位置。

    而栈空间有多大,主要决定权在SP的值。

    例如,我们在2000:0位置创建一个栈:

    从上图中可以看到,在我们给SS赋值的时候,一个-t指令直接将SP赋值也完成了,我们可以理解为栈创建过程是一个自动化的原子操作,避免出错。

    通过设置SS和SP,我们就创建了一个栈,现在来回答之前的问题:

    1)栈底在哪里?  答案:栈底在SS:SP组成的物理位置,也就是20010H这个位置。
    2)栈的空间有多大?   答案:栈的空间从SS:0 ---->  SS:SP这个范围。也就是SP的大小,为10H,即16个byte。每次push是2个byte,也就是说这个栈最多push 8次。

    我们尝试往里面存储数据和取出数据:

     

    可以看到,我们压入的第一个8899H(这里也要注意高位和低位的问题,88位内存高位,99位内存低位)。

    这里还要注意8899数据的前面:

    在创建栈之前,2000:0开始的内存数据都是0,但创建栈之后,里面多出了一些数据,这些数据实际上是一些寄存器的数据,可以观察一下:

    至于,为什么栈中要保存这些寄存器的值,与栈实现的功能有关,我们在后面会了解到具体原因。

    继续执行指令:

    最后我们观察一下栈中的情况:

    可以看到,经过两次push和两次pop,栈的栈顶标记回到了SP=0010,说明栈中已经没有数据了。并且我们可以看到,栈中保存的寄存器的值发生了变化,出现了3个8899,分别代表AX、BX、CX三个寄存器中的值(AX是我们赋予的值,BX和CX是pop进去的值)。

    5.栈的越界

    假设我们的栈空间大小只有16byte,也就是只能支持push 8次(第4节中的例子)。

    当我们push第9次的时候就会发生栈顶越界。

    我们先执行8次push ax,将栈填满:

    可以看到,我们已经存入了8个8899H数据。然后查看一下SP寄存器的数据:

    可以看到SP的数据为0000H。

    我们执行第9次push ax:

    可以看到,执行第9次push ax后,SP继续减了2,变成了FFFEH,而SS不变。

    此时,我们查看一下2000:FFF0位置的内存:

    可以看到,我们的数据被成功的存储到内存中(栈以外的空间)。

    这种将数据存储到栈之外的操作叫做栈越界,这是非常危险的操作,因为栈之外的内存空间可能保存的是非常重要的系统数据或指令,一旦破坏,可能引起一连串的错误,甚至导致系统崩溃。但对于8086CPU来说,没有提供这种越界的检验和警告功能,全部需要靠我们人工来控制。

    PUSH操作可以引起栈顶的越界,同样的,POP操作也可以引起栈底的越界。栈底越界后的数据属于其他程序或系统的数据,如果被弹出,也会导致错误。

    6.栈的最大空间

    从前面的例子其实已经可以看出,栈的大小是等于SP的最大值的,也就是范围为0~FFFF。

    FFFFH = 65536字节 = 32768字

    所以,在8086机器中,一个栈最大能够容纳65536个字节(64KB)的数据,32768个字型数据,也就是支持32768次push。

    那么,我们要创建一个最大空间的栈,SP应该赋值多少:

    也就是说SP赋值为0000H时,栈的空间是最大的。这里千万注意,别以为SP=FFFFH的时候空间最大,因为FFFF实际上是没有存数据的。

    7.栈操作实例

    该实例的目标是搞清楚CALL指令执行时,将下一条指令的地址保存到了什么地方???

    我们写一段汇编代码:

    assume cs:code,ds:data,ss:stack
    
    data segment
        db    128 dup (0)
    data ends
    
    stack segment stack
        db    128 dup (0)
    stack ends
    
    
    
    code segment
    
        start:    mov ax,stack
            mov ss,ax
            mov sp,128
            
            call cpy_Boot
    
            mov ax,1001H
            mov ax,1002H
            mov ax,1003H
            mov ax,1004H
    
    
            mov ax,4C00H
            int 21H
    
    cpy_Boot:        mov bx,1001H
            mov bx,1002H
            mov bx,1003H
            mov bx,1004H
            ret
    
    
    
    code ends
    
    
    
    end start

    代码中,我们只关心标黄部分代码,其余暂时不用关心。

    使用MASM.EXE和LINK.EXE将t1.asm编译连接成t1.exe后,我们使用debug.exe工具来调试:

    可以看到,t1.exe中的汇编指令如上图所示。我们边调试边解释:

    1)第一句代码中的0772H,代表一个段地址,将其赋值给AX。然后在第二句中赋值给了SS,作为栈的段地址。

    2)第三句 MOV SP,0080 表示将栈的偏移地址(栈底)赋值为0080H。

    3)第四句,运行CALL指令的时候,我们要观察SP的变化:

    可以看到SP减了2,说明栈中有数据存入,我们看一下存入的数据是什么:

    我们看到, 000BH 正是CALL指令后面一个指令的偏移地址,对应指令为 MOV AX,1001 。

    除了将这个数据存放到了栈中,我们还可以发现CS:IP中的IP也发生了变化:

    也就是说CALL指令进行的跳转,我们查看一下跳转到的CS:IP中的指令是什么:

    可以看到,跳转地址中的指令就是我们 CALL cpy_Boot 这段指令(代码中我们的别名叫cpy_Boot,但经过编译后,直接为偏移地址,即 CALL 001C )。

    4)继续运行,后面运行的是 MOV BX,1001 , MOV BX,1002 , MOV BX,1003 , MOV BX,1004 。

    5)运行RET指令的时候,会从栈中将保存的 000B 取出,我们观察一下栈SP的变化:

    可以看到,执行完RET指令后,栈中数据被弹出,栈顶标记恢复到 0080H ,并且可以看到,下一条指令的地址为 000BH ,正好回到了CALL指令的下一条指令,即 MOV AX,1001 。

    6)后面的执行过程,略。。。

    总结:从以上实例过程,我们可以看到,栈可以用于临时存储数据使用。当我们执行一个CALL指令时,会为下一条指令保存一个记录(放在栈中),当CALL中的所有指令都执行完后,使用RET指令取回保存在栈中的记录,然后继续完成后续指令的执行。

    思考(可能不正确):从汇编中栈的使用实例可以想到,为什么高级语言中的递归调用,层数过多时,会出现栈溢出的问题。当函数层层嵌套时,每嵌套一次,就会在栈中保留一个指令地址。从前面我们知道了栈是有最大空间的(8086CPU为32768个字),也就是说当我们的函数嵌套超过这个数时,栈就不够用了,当栈越界时,可能就会影响到系统或其他应用的内存数据,从而导致程序崩溃。

    8.栈的其他用途

    栈还可以作为复制内存数据的一种手段,例如要复制从10000H开始的一段数据到20000H,还要以逆序存放。

    1)先设置ss为1000H,设置sp为0,也就是将10000H作为栈顶
    
    2)将ds设置为2000H
    
    3)然后使用POP ds:[E]、POP ds:[C]、POP ds:[A]、POP ds:[8]、POP ds:[6]、POP ds:[4]、POP ds:[2]、POP ds:[0]

    这样就可以将10000H开始的8个字型数据逆序的拷贝到20000H开头的内存位置。

    ===

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