汇编（二）：寄存器（CPU工作原理）

寄存器（CPU工作原理）

CPU = 运算器 + 控制器 +【寄存器】，器件之间通过总线相连；

8086CPU 有14个寄存器，名称分别为：
AX，BX，CX，DX，SI，DI，SP，BP，IP，CS，SS，DS，ES，PSW

通用寄存器

1. 8086CPU 所有的寄存器都是16位的，可以存放2个字节；

2. AX、BX、CX、DX 通常用来存放一般性数据，被称为通用寄存器；

3. 8086上一代CPU中的寄存器都是8位的，为了保证兼容性
   这四个寄存器都是可以分为2个独立的8位寄存器使用；
   AX=AH+AL
   BX=BH+BL
   CX=CH+CL
   DX=DH+DL
   

4. AX的低8位（0-7）构成AL寄存器，高8位（8-15）构成了AH寄存器，AH和AL寄存器是可以独立使用的8位寄存器；

5. 字在寄存器中的存储，一个字等于两个字节，因此要占用AX整一个寄存器；
    

几条汇编指令

1. 汇编指令不区分大小写；

2. CPU 执行下表中的程序段的每条指令后，对寄存器中的数据进行的改变。几条汇编指令：

mov ax,18;    AX = 18
mov ah,78;    AH = 78
add ax,8;     AX = AX+8
mov ax,bx;    AX = BX
add ax,bx;    AX += BX

思考：这个问号的值是多少？

程序段中的最后一条指令 add ax,bx，在执行前 ax 和 bx 中的数据都为 8226H，相加后所得的值为∶ 1044CH，但是 ax 为 16 位寄存器，只能存放 4 位十六进制的数据，所以最高位的1不能在 ax 中保存， ax 中的数据为∶ 044CH。

这里的丢失，指的是进位制不能在 16 位寄存器中保存，但是 CPU 不是并真的不丢弃这个进位值；
 

→ 检测1 ←

1. 写出每条汇编指令执行相关寄存器的值；
   

2. 只能使用目前学过的汇编指令，最多使用4条指令，编程计算2的4次方。
    

物理地址

CPU 访问内存单元时要给出内存单元的地址。所有的内存单元构成的存储空间是一个一维的线性空间，我们将这个唯一的地址称为物理地址。
 

16位结构的CPU

概括的讲，16位结构描述了一个 CPU 具有以下几个方面特征：

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给出物理地址的方法

8086有20位地址总线，可传送20位地址，寻址能力为1M。

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64K。

问题：那么，8086CPU 如何用内部16位的数据转换成20位的地址呢？

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：

8086CPU读写内存时，发生了这么一些事：

CPU 中的相关部件提供两个16位的地址，一个称为段地址，另一个称为偏移地址；段地址和偏移地址通过内部总线送入一个称为地址加法器的部件；地址加法器将两个16位地址合并成一个20位的地址；

地址加法器合成物理地址的方法：物理地址 = 段地址×16 + 偏移地址；

由16位二进制变为20位，等价往左移动了四位，也就是乘上了一个2⁴，即16；
 

本质含义

基础地址 + 偏移地址 = 物理地址

比如说，学校、体育馆同在一条笔直的单行路上（学校位于路的起点0米处）。读者在学校，要去图书馆，问我那里的地址，我可以用几种方式描述这个地址？

1. 从学校走2826m到图书馆。这2826可以认为是图书馆的物理地址。
2. 从学校走2000m到体育馆，从体育馆再走826m到图书馆。
   • 第一个距离2000m是相对于起点的基础地址；
   • 第二个距离826m是将对于基础地址的偏移地址。
      

段地址×16 + 偏移地址 = 物理地址

比如我们只能通过纸条来通信，读者问我图书馆的地址，我只能将它写在纸上告诉读者。显然我必须有一张可以容纳 4 位数据的纸条才能写下2826这个数据：

不巧的是，没有能容纳4位数据的纸条，仅有两张可以容纳3位数据的纸条。这样我只能以这种方式告诉读者2826这个数据：

在第一张纸上写上 200(段地址)，在第二张纸上写上826(偏移地址)。假设我们事前对这种情况又有过相关的约定：你得到这两张纸后，做这样的运算：200(段地址)*10 + 826(偏移地址) = 2826(物理地址)。

8086CPU 就是这样一个只能提供两张3位数据纸条的 CPU。段地址×16可以看做是基础地址；
 

段的含义

错误认识：内存被划分成了一个一个的段，每一个段有一个段地址。

事实上，内存并没有分段，段的划分来自于 CPU，由于8086CPU用“（段地址×16）+偏移地址=物理地址”的方式给出内存单元的物理地址，使得我们可以用分段的方式来管理内存。

我们既可以把内存单元看成一个段，也可以看成两个段；

以后，在编程时可以根据需要，将若干地址连续的内存单元看作一个段，用段地址 ×16 定位段的起始地址（基础地址），用偏移地址定位段中的内存单元。

注意：
（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。

小结：

• CPU 访问内存单元时，必须向内存提供内存单元的物理地址。
• 8086CPU 在内部用段地址和偏移地址移位相加的方法形成最终的物理地址。
   

观察下面的地址，可以得出结论：CPU 可以用不同的段地址和偏移地址形成同一个物理地址。

如果给定一个段地址，仅通过变化偏移地址来进行寻址，最多可以定位多少内存单元？

答：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。比如：给定段地址1000H，用偏移地址寻址， CPU 的寻址范围为：10000H~1FFFFH。

→ 检测2 ←

1. 给定段地址为0001H，仅通过变化偏移地址寻址，CPU 的寻址范围为____到____。

2. 有一数据存放在内存20000H单元中，现给定段地址为SA，若想用偏移地址寻到此单元，则SA应满足的条件是：最小为____，最大为____。

当段地址给定到多少，CPU 无论怎么变化偏移地址都无法寻到20000H单元。

段寄存器

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

当 8086CPU 要访问内存时，由这4个段寄存器提供内存单元的段地址。
 

CS和IP

CS 和 IP 是 8086CPU 中最关键的寄存器，它们指示了 CPU 当前要读取指令的地址。CS 为代码段寄存器；IP 为指令指针寄存器。

8086PC工作过程的简要描述

（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。

在 8086CPU 加电启动或复位后（ 即 CPU 刚开始工作时）CS 和 IP 被设置为 CS=FFFFH，IP=0000H。即在 8086PC 机刚启动时，CPU 从内存 FFFF0H 单元中读取指令执行。FFFF0H 单元中的指令是 8086PC 机开机后执行的第一条指令。

在任何时候，CPU 将 CS、IP 中的内容当作指令的段地址和偏移地址，用它们合成指令的物理地址，到内存中读取指令码，执行。

如果说，内存中的一段信息曾被 CPU 执行过的话，那么，它所在的内存单元必然被 CS:IP 指向过。
 

修改CS、IP的指令

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。

CPU 从何处执行指令是由 CS、IP 中的内容决定的，程序员可以通过改变 CS、IP 中的内容来控制 CPU 执行目标指令。
 

如何修改 AX 中的值？

mov 指令，如：mov ax,123；

mov 指令可以改变 8086CPU 大部分寄存器的值，被称为传送指令。
 

如何同时修改CS、IP的内容？

jmp指令：用指令中给出的段地址修改 CS，偏移地址修改 IP。

jmp 段地址:偏移地址
jmp 2AE3:3
jmp 3:0B16

仅修改IP的内容：

jmp 某一合法寄存器
jmp ax   （类似于 mov IP,ax）
jmp bx

CPU运行的流程

内存中存放的机器码和对应汇编指令情况： （初始：CS=2000H，IP=0000H）

（1）mov ax,6622
（2）jmp 1000:3
（3）mov ax,0000
（4）mov bx,ax
（5）jmp bx （bx 是0，因此 ip 为0，所以就到转到了地址10000H处）
（6）mov ax,0123H
（7）转到第（3）步执行

不难发现这是个死循环蛤；
 

代码段

对于8086PC机，在编程时，可以根据需要，将一组内存单元定义为一个段。

可以将长度为 N（ N≤64KB ）的一组代码，存在一组地址连续、起始地址为16的倍数的内存单元中，这段内存是用来存放代码的，从而定义了一个代码段。

这段长度为 10 字节的字节的指令，存在从123B0H_{123B9H的一组内存单元中，我们就可以认为，123B0H}123B9H这段内存单元是用来存放代码的 ，是一个代码段 ，它的段地址为123BH，长度为10字节。

如何使得代码段中的指令被执行呢？

将一段内存当作代码段，仅仅是我们在编程时的一种安排，CPU 并不会由于这种安排，就自动地将我们定义得代码段中的指令当作指令来执行。CPU 只认被 CS:IP 指向的内存单元中的内容为指令。所以要将CS:IP指向所定义的代码段中的第一条指令的首地址。
 

小结

1、段地址在8086 CPU 的寄存器中存放。当8086 CPU 要访问内存时，由段寄存器提供内存单元的段地址。8086 CPU 有4个段寄存器，其中 CS 用来存放指令的段地址。

2、CS 存放指令的段地址，IP 存放指令的偏移地址。8086机中，任意时刻，CPU 将 CS:IP 指向的内容当作指令执行。

3、8086CPU 的工作过程：
（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 指向下一条指令；
（3）执行指令。（转到步骤（1），重复这个过程。）

4、8086CPU 提供转移指令修改 CS、IP 的内容。
 

→ 检测3 ←

下面的3条指令执行后，cpu几次修改IP？都是在什么时候？最后IP中的值是多少？

mov ax,bx
sub ax,ax
jmp ax

答案

检测1

mov ax,62627   AX=F4A3H

mov ah,31H     AX=31A3H

mov al,23H     AX=3123H

add ax,ax      AX=6246H

mov bx,826CH   BX=826CH

mov cx,ax      CX=6246H

mov ax,bx      AX=826CH

add ax,bx      AX=04D8H

mov al,bh      AX=0482H

mov ah,bl      AX=6C82H

add ah,ah      AX=D882H

add al,6       AX=D888H

add al,al      AX=D810H

mov ax,cx      AX=6246H

mov  ax,2         AX=2
add  ax,ax        AX=4
add  ax,ax        AX=8
add  ax,ax        AX=16

检测2

解题过程：

物理地址 = SA*16+EA

EA的变化范围为 0h~ffffh

物理地址范围为 (SA*16+0h)~(SA*16+ffffh)

现在 SA = 0001h,那么寻址范围为

(0001h*16+0h)~(0001h*16+ffffh)

= 0010h~1000fh

解题过程：

物理地址 = SA*16+EA

20000h = SA*16+EA

SA = (20000h-EA)/16 = 2000h-EA/16

EA取最大值时,SA = 2000h-ffffh/16 = 1001h,SA为最小值

EA取最小值时,SA = 2000h-0h/16 = 2000h,SA为最大值

当段地址给定为 1001H 以下和 2000H 以上，CPU无论怎么变化偏移地址都无法寻到20000H单元。
 

检测3

最后 IP 的值为0000H，因为最后 ax 中的值为0000H，所以 IP 中的值也为0000H；

sub 指令是相减的意思，sub ax,ax 就是 ax=0；