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会变语言实现的一些程序

了解的内容：简单了解微处理器的发展史，了解各类微处理器的内部结构，知道指令在其内部执行的基本过程。

掌握的内容：32位微机内存管理模式——实方式和保护方式——的含义。这两种管理模式的区别以及它们在兼容性方面所起的作用。

熟练掌握的内容：8位、16位和32位寄存器组中各寄存器的名称、主要用途和它们之间的关系。内存单元的逻辑划分方法，逻辑地址和物理地址之间的相互转换方法。

建议学习时间：10小时。
第2章 CPU资源和存储器
计算机的硬件资源是用汇编语言编程所必须要了解的重要内容，因为汇编语言允许、也需要程序员直接使用这些硬件资源，只有这样才能编写出高效的目标代码。

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和DX)
 2个变址和指针寄存器(SI和DI) 2个指针寄存器(SP和BP) 
4个段寄存器(ES、CS、SS和DS)
 1个指令指针寄存器(IP) 1个标志寄存器(Flags) 

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和EDX)
 2个变址和指针寄存器(ESI和EDI) 2个指针寄存器(ESP和EBP) 
6个段寄存器(ES、CS、SS、DS、FS和GS)
 1个指令指针寄存器(EIP) 1个标志寄存器(EFlags) 
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，字的输入输出，中间结果的缓存
 
AL 字节的乘、除运算，字节的输入输出，十进制算术运算
 
AH 字节的乘、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：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 
 

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。前者受算术运算和逻辑运算结果的影响，后者受一些控制指令执行的影响。

更详细的内容请点击：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：
 

图2.4 16位微机内存分段管理示意图
 

 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； 

 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。 
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。

右图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