【汇编语言】01-基础知识

　　汇编语言是直接在硬件之上工作的编程语言。要先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，在正式学习汇编语言之前，先对其前置知识进行回顾，以期后续学习能有较好的基础。

1 机器语言

　　机器语言，就是机器指令的集合。机器指令，就是机器能够理解并执行的命令。机器指令就是一列二进制数，计算机能够将其转变为一列高低电平，从而驱动计算机的电子器件进行运算。

　　在现代计算机中，由中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）来执行机器指令，进行运算。CPU 是一种微处理器，每种微处理器，由于硬件设计和内部结构的不同，需要用不同的电平脉冲来控制。因此，每种微处理器都有自己的机器指令集，也就是机器语言。

　　早期的程序设计均使用机器语言，程序员将 0、1 数字编成的程序代码打在纸带或卡片上。但机器语言很难理解，书写和阅读都非常不便。

程序打孔卡

2. 汇编语言的诞生

　　机器语言难于理解和掌握，给整个产业的发展带来了障碍。为了解决这个问题，汇编语言诞生了。汇编语言的主体是汇编指令。汇编指令和机器指令的差别在于指令的表示方法——汇编指令是机器指令便于记忆的书写格式。

　　汇编语言便于程序员使用，但计算机只能读懂机器指令，并不能理解汇编指令。所以势必要有一个将汇编指令转换为机器指令的翻译工具，这就是我们说的编译器。程序员用汇编语言写出源程序，汇编编译器将其编译为机器码，然后再交由计算机执行。

使用汇编语言编写程序的工作过程

3. 汇编语言的组成

　　汇编语言的核心是汇编指令，它决定了汇编语言的特性。

　　汇编语言由三类指令组成：

• • 汇编指令：机器码的助记符，有对应的机器码。
  • 伪指令：由编译器执行，计算机并不执行。没有对应的机器码。
  • 其他符号：如 +、-、*、/ 等，由编译器识别，没有对应的机器码。

4. 存储器

　　前文提到，CPU 控制整个计算机的运作并进行运算。但想让 CPU 工作，就必须向其提供指令和数据。指令和数据存放在内存中。而另一种存储器磁盘则不同于内存，磁盘上的程序和数据必须先读取到内存中，然后才能被 CPU 使用。

　　想灵活地使用汇编语言编程，首先要了解 CPU 如何读写内存。

5. 指令和数据

　　指令和数据是应用上的概念。在内存和磁盘的角度来看，二者都是二进制信息，没有任何区别。只不过 CPU 在把某段二进制数看作指令，某段二进制数看作数据，从而赋予了它们不同的意义。

　　譬如，对于二进制序列 1000100111011000 而言，既可以解读为 89D8H 的数据，也可以将其解读为指令 mov ax,bx 。

6. 存储单元

　　存储器被划分为若干个存储单元，每个存储单元从 0 开始顺序编号。譬如一个存储器有 128 个存储单元，则编号为 0~127。

存储单元编号示意

　　计算机的最小信息单位是一个二进制位，单位是 bit（比特）。8 个 bit 组成一个字节，单位是 Byte。

　　计算机存储器的容量是以字节为最小单位计算的，有 128 个存储单元的存储器，其容量就是 128 个字节。

　　对于大容量的存储器，通常还用以下单位来计量容量（B 来代表 Byte）：

• • 1KB = 1024B
  • 1MB = 1024KB
  • 1GB = 1024MB
  • 1TB = 1024GB

7. CPU 对存储器的读写

　　上一节提到，存储器被划分为多个存储单元，并从 0 开始编号。这些编号可以看作存储单元在存储器中的地址，就像门牌号码。

　　CPU 要从内存中读取数据，首先要指定存储单元的地址，即首先要确定，读取哪个存储单元中的数据。此外，计算机中不止有存储器这一种器件，CPU 在读写数据时还要知名，它要对哪一个器件进行操作、进行读操作还是写操作。

　　综上，CPU 想进行数据读写，必须和外部器件（芯片）进行三类信息的交互：

• • 地址信息：存储单元的地址；
  • 控制信息：器件的选择、读或写的命令；
  • 数据信息：读或写的数据。

　　计算机中有专门连接 CPU 和其他芯片的导线，通常称为总线。根据传送信息的不同，总线分为三类：地址总线、数据总线、控制总线。

从地址为 3 的内存读取数据示意

　　CPU 从地址为 3 的内存中读取数据的过程如上图所示。

　　（1）CPU 通过地址总线将地址信息 3 发出；

　　（2）CPU 通过控制线发出内存读命令，选中存储器芯片，通知它要从中读取数据；

　　（3）存储器将 3 号单元中的数据 8 通过数据线送入 CPU。

　　写操作和读操作类似，也是先发地址信息，再发控制信息，最后传输数据。

　　通过以上描述，我们知道了 CPU 是如何进行数据读写的，但具体如何命令计算机进行数据读写？

　　要让计算机或微处理器工作，要向它输入能够驱动它工作的电平信息（机器码）。对我们而言，还要用汇编指令表示：

• • 机器码：10100001 00000011 00000000
  • 汇编指令：MOV AX,[3]
  • 功能：将地址为 3 的内存单元中的数据写入 AX 寄存器。

8. 地址总线

　　前文提到，CPU 通过地址总线来指定存储器单元，地址总线上能传递多少种不同信息，决定了 CPU 可以对多少个存储单元进行寻址。

　　如果 CPU 有 10 根地址总线，则其能表示 2¹⁰ 种不同状态。最小为 0，最大为 1023。

　　一个 CPU 有 N 根地址线，则说这个 CPU 的地址总线宽度为 N。这样的 CPU 最多可以寻找 2 的 N 次方个内存单元。

地址总线发送地址信息 11 示意

9. 数据总线

　　CPU 与内存或其他器件之间的数据传输时通过数据总线进行的。数据总线的宽度决定 CPU 和外界的数据传送速度（准确地说，数据总线的宽度决定一次能传输多少数据，确实会影响传输速度。但数据总线宽度不是唯一影响因素，主频也会影响数据传输速度）。

　　8088 CPU 数据总线宽度为 8，8086 CPU 的数据总线宽度为 16。我们分别看一下，它们向内存中写入数据 89D8H 时，如何通过数据总线传送数据。

8 位数据总线分两次传送 89D8H 示意

16 位数据总线一次传送 89D8H 示意

　　从以上两张示意图可知，8086 有 16 根数据总线，一次可以传送 16 位数据，所以 89D8H 一次就发完了。而 8088 只有 8 根数据线，一次只能传 8 位数据，所以 89D8H 需要分两次发送。

10. 控制总线

　　CPU 对外部器件的控制是通过控制总线来进行的。控制总线是个总称，它实际上是一些不同控制线的集合。有多少根控制总线，意味着 CPU 能对外部器件提供多少种控制。所以，控制总线的宽度决定了 CPU 对外部器件的控制能力。

　　前面所讲的内存读写命令是由几根控制线综合发出的。其中有一根被称作“读信号输出”的控制线负责由 CPU 向外传送读信号，CPU 向该控制线输出低电平，表示将要读取数据。另有一根被称作“写信号输出”的控制线负责传送写信号。

11. 内存地址空间概述

　　以一个地址总线宽度为 10 的 CPU 为例，它可以寻址 1024 个内存单元，这 1024 个可寻找到的内存单元就构成了它的内存地址空间。此处先大致了解即可，后续再详细分析。

12. 主板

　　每台 PC 都有一块主板，主板上有 CPU、存储器、外围芯片组、扩展插槽等核心器件和主要器件。这些器件通过总线（地址总线、数据总线、控制总线）相连。扩展插槽上通常插有 RAM 内存条和各种接口卡。

13. 接口卡

　　计算机系统中，所有能够用程序控制的设备，必然是受到 CPU 控制的（因为 CPU 负责运行程序）。CPU 无法直接控制外部设备，譬如显示器、打印机等。直接控制这些设备工作的是接口卡。接口卡插在扩展插槽上，从而通过总线和 CPU 相连。CPU 可以直接控制这些接口卡，从而间接控制外设。

　　简而言之，CPU 通过总线向接口卡发送命令，接口卡根据命令控制外设工作。

14. 各类存储器芯片

　　一台 PC 机中，装有多个存储器芯片。

　　从物理连接上看，这些存储器芯片是独立的器件。

　　从读写属性上看，存储器芯片分为两类：随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

• • 随机存储器：可读可写，但必须带电存储。关机后存储内容丢失。
  • 只读存储器：只能读取不能写入，关机后存储内容不丢失。

　　从功能和连接上看，存储器分为以下几类：

• • 随机存储器
    • 存放供 CPU 使用的绝大部分程序和数据；
    • 主随机存储器一般由装在主板上的 RAM 和插在扩展插槽上的 RAM 组成。
  • 装有 BIOS（Basic Input/Output System，基本输入输出系统）的 ROM
    • BIOS 是由主板和各类接口卡（如显卡、网卡）厂商提供的软件系统，可以通过它利用该硬件设备进行最基本的输入输出。
    • 在主板和某些接口卡上，插有存储相应 BIOS 的 ROM。譬如主板上的 ROM 存储着主板的 BIOS（系统 BIOS），显卡上的 ROM 存储着显卡的 BIOS 等。
  • 接口卡上的 ROM
    
    • 某些接口卡需要对大批量的输入输出数据暂时存储，所以在其上装有 RAM。最典型的就是显示卡上的 RAM，通常称为显存。显示卡随时将显存中的数据向显示器上输出。我们将需要显示的内容写入显存，就会出现在显示器上。

PC 机中各类存储器的逻辑连接

15. 内存地址空间

　　尽管上述存储器在物理上是独立的，但有以下两个共同点：

• • 都和 CPU 总线相连；
  • CPU 对它们读写时，都通过控制总线发出内存读写命令。

　　也就是说，CPU 在操控它们的时候，把它们都看作内存。CPU 将这些存储器总得看作一个由若干存储单元组成的逻辑存储器，这个逻辑存储器就是我们所说的内存地址空间。在汇编这门课中，我们面对的就是内存地址空间。

逻辑存储器示意

　　在上图中，各类物理存储器合在一起，被看作一个由若干存储单元组成的逻辑存储器，每个物理存储器在这个逻辑存储器中占有一个地址段，即一段地址空间。CPU 在这段地址空间中读写数据，实际上就是在对应的物理存储器中读写数据。

　　假设逻辑存储器中，内存地址空间的地址段分配如下：

　　地址 0~7FFFH 的 32KB 空间为主随机存储器的地址空间；

　　地址 8000H~9FFFH 的 8KB 空间为显存地址空间；

　　地址 A000H~FFFFH 的 24KB 空间为各个 ROM 的地址空间。

　　如果 CPU 向地址为 1000H 的内存单元中写入数据，实际就写入主随机存储器中。向地址为 8000H 的内存单元中写入数据，实际就是写入显存中，然后被显卡输出到显示器。向地址为 C000H 的内存单元写入数据，不会有结果，C000H 单元中的内容也不会改变，因为这是 ROM 存储器。

　　内存地址空间的大小受 CPU 地址总线宽度的限制。8086 CPU 的地址总线宽度为 20，可以传送 2²⁰ 个不同的地址信息，我们说其内存地址空间大小为 1MB。同理，80386 CPU 的地址总线宽度为 32，则其内存地址空间最大为 4GB。

　　在基于计算机硬件系统编程时，必须知道这个系统中的内存地址空间分配情况，这样才能保证读写操作是在预期的存储器中进行。不同的计算机系统中，内存地址空间的分配情况是不同的。

8086 计算机系统内存地址空间分配示意

　　从地址 0~9FFFF 的内存单元中读取数据，实际就是读取主随机存储器中的数据。向地址 A0000~BFFFF 的内存单元中写数据，就是写入缓存，这些数据会被显卡输出到显示器上显示。向地址 C0000~FFFFF 的内存单元中写入数据是无效的，因为这部分是只读存储器。