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系列 - 汇编语言

摘录自《汇编语言》(第四版) — 王爽

该篇章着重描述 CPU 是如何通过地址总线和数据总线与内存打交道的。

电子计算机能处理、传输的信息都是电信号，这些信号需要导线传送。因此计算机中有专门连接 CPU 和其他芯片的导线，通常成为总线。总线从物理上讲，就是一根导线的集合。

一根导线能传送的稳定状态只有两种：高电平或低电平。二进制表示则为 1 或 0。

  1. 地址总线

    一个 CPU 有 N根地址线，则可以说该 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。

    如，具有 10根地址线的 CPU可以传送 10位二进制数，即 2 的 10次方，最小数为 0，最大数为 1023。

  2. 数据总线

    数据总线的宽度决定了 CPU 和外界的数据的传送速度。8 根数据总线一次可传送 8位二进制数据(一个字节)。

    如，8088微处理器只有 8根数据线，向内存写入 98D9H 时需要进行两次数据传送。

  3. 控制总线

    CPU 对外部器件的控制是通过控制总线来进行的，这里控制总线是个总称(不同控制线的集合)。有多少根控制总线，意味着 CPU 提供了对外部器件的多少种控制。

    如，“读信号输出“的控制线负责由 CPU 向外传送读信号，CPU 像该控制线上输出低电平表示要读取数据；有一根”写信号输出“的控制线负责传送写信号。

开始进入正题了，一个典型的 CPU 由运算器、控制器、寄存器等器性构成，这些器件靠内部总线相连，在CPU中：

  • 运算器进行信息处理
  • 寄存器进行信息存储
  • 控制器控制各种器件进行工作
  • 内部总线连接各种器件，在它们之间进行数据的传送。

对于一个汇编程序员来说，CPU 中的主要部件是寄存器，程序员通过改变各种寄存器中的内容来实现对 CPU 的控制。不同的 CPU，寄存器的个数、结构是不相同的，下面以 8086CPU 为例进行逐一介绍。

8086CPU 的所有寄存器都是 16位的，可以存放两个字节。AX、BX、CX、DX 这4个通用寄存器通常用来存放一般性数据，被称为通用寄存器。为了兼容上一代CPU，这 4个寄存器可分为两个独立使用的 8位寄存器来用：

  • AX：分为 AH 和 AL
  • BX：分为 BH 和 BL
  • CX：分为 CH 和 CL
  • DX：分为 DH 和 DL

以 AX 为例，低 8位(0~7位)构成了 AL寄存器，高 8位(8~15位)构成了 AH寄存器。

那么接下来学习几条汇编指令，查看以下的表格：

汇编指令 控制CPU完成的操作 高级语言的语法描述
mov ax,18 将 18送入寄存器AX AX=18
mov ah,78 将 78送入寄存器AH AH=78
add ax,8 将寄存器AX 中的数值加上 8 AX=AX+8
mov ax,bx 将寄存器BX 中的数据送入寄存器AX AX=BX
add ax,bx 将 AX 和 BX 中数值相加，结果存入 AX AX=AX+BX

指令 mov 和 add 的基本用法掌握后，考虑以下的场景寄存器值的变化：

AH=12H AL=FFH
add AL,01H

上述指令执行后，寄存器 AH、AL 的值是多少？由于AL 只能容纳 2 位十六进制数，FFH + 01H = 100H 运算后会进位，但 AH=12H 完全不会变化。在汇编中，运算的进位逻辑严格受限于指令所指定的“操作对象宽度”。它们的进位只会影响标志寄存器，绝对不会影响其对应的高位或低位寄存器。

汇编语言、组成原理或操作系统 课程中，内存最小可寻址单位是字节（1 Byte = 8 bit）

所有的内存单元构成的存储空间是一个一维的线性空间，每一个内存单元在这个空间中都有唯一的地址，称为物理地址。

CPU 通过地址总线送入存储器的，必须是一个内存单元的物理地址。以 8086CPU 为例，该 CPU 有 20位地址总线，可以传送 20位地址，达到 1MB寻址能力。那么问题来了！8086CPU 是 16位结构，内存一次性处理、传输、暂时存储的地址为 16位，表现出的寻址能力只有 64KB，那么它是如何达成 1MB寻址能力的呢？

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如图所示，当 CPU 读写内存时通过内部总线，将 段地址 和 偏移地址 送入地址加法器，采用 段地址x16+偏移地址 的方法合成 20位物理地址（x16 在二进制中也称为左移 4位）。

首先需要清晰的认识到，内存并没有分段，段的划分来自于 CPU 内部地址加法器的计算逻辑 以及 段寄存器的设计局限。

由于 8086CPU 的物理计算方式为：段地址x16+偏移地址，意味着一个段的起始物理地址的最后一位(十六进制)必须是0，偏移地址用一个 16位寄存器表示，因此段的最大长度限制为 64KB。

如，10000H、1F030H，而 10001H 一定是非法的，因为没有地址左移后能得到末尾是 1的数。

这种方式被称为实模式寻址，随后的 x86 保护模式引入了 GDT(全局描述符表)查表机制 以增强安全性，而现代 64 位架构则进一步弱化了分段，转而通过**多级页表映射(分页机制)**来实现更高效的虚拟内存管理。

在 8086CPU 中有 4个段寄存器：CS、DS、SS、ES，指令指针寄存器为 IP。

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在任意时刻，CPU 将 CS:IP 指向的内容当作指令执行。8086CPU 的工作过程可以简要描述如下：

  1. 初始状态，CS:2000H，IP:0000H，CPU将从内存 2000H×16+0000H处读取指令执行
  2. CS、IP中的内容送入地址加法器（地址加法器完成：物理地址=段地址×16+偏移地址）
  3. 地址加法器将物理地址送入输入输出控制电路，再将物理地址 20000H送上地址总线
  4. 从内存 20000H单元开始存放的机器指令 B82301通过数据总线被送入CPU
  5. 输入输出控制电路将机器指令 B82301送入指令缓冲器
  6. 读取一条指令后，IP中的值自动增加，以使CPU可以读取下一条指令。（因当前读入的指令 B82301长度为 3个字节，所以 IP中的值加 3。此时，CS:IP指向内存单元2000:0003）
  7. 执行控制器执行指令B82301（即mov ax,0123H）
  8. 指令 B82301被执行后 AX中的内容为 0123H。（此时，CPU将从内存单元2000:0003处读取指令）
  9. 执行指令。转到步骤(1)，重复这个过程

在内存中，指令和数据没有任何区别，都是二进制信息，CPU 根据什么将内存中的信息看作指令？如果 CPU 通过 CS:IP 去读取它，它就是指令。

在通用寄存器章节里，我们可以通过 mov 指令设置寄存器的值，但不能用于设置 CS、IP 的值。能够修改 CS、IP 内容的指令被统称为转移指令：jmp，jmp 2AE3:3，执行后，CS=2AE3H，IP=0003H，CPU 将从 2AE33H读取指令。

如果仅修改 IP的内容，可用 jmp 某一合法寄存器 的指令完成，如：

jmp ax
执行前：ax=1000H, CS=2000H, IP=0003H
执行后：ax=1000H, CS=2000H, IP=1000H

在含义上好似 mov IP,ax（请注意并不能这样做，仅仅做出解释好理解）。

在段寄存器小节结束时，我们学习到 CPU 将通过 CS寄存器读取的内存信息当作是指令执行。那么相应的，通常以 DS寄存器存放要访问的数据的段地址。

假设需要读取 10000H单元的内容：

mov bx,1000H
mov ds,bx
mov al,[0]

指令将 10000H(1000:0)中的数据读到 AL 中。这里需要注意两点：

  1. 指令 mov ds,1000H 是非法的，需要一个寄存器中转

    1000H 被称为立即数，它是静态的。为了避免控制线增加，电路设计上该通路不被支持

  2. 新的语法 mov al,[0]，其中 [] 表示一个内存单元，而 0 表示内存单元的偏移地址。然而只有偏移地址是不能定位到具体的内存单元的，因此 8086CPU 自动取 ds 中的数据为内存单元的段地址。

    随着现代寻址的进化，寄存器宽度（32/64位）已经足以覆盖全部内存空间，偏移地址 = 完整的虚拟地址

案例中，寄存器和内存间进行字节型的数据传送，而 8086CPU是 16位结构，是可以一次性传送 16位数据的。操作非常简单，使用 16位寄存器就能进行 16位数据传送了，如：mov ax,[0]，mov [0],cx。

栈的概念不必赘述，现今 CPU 中都有栈的设计，指令为 push 入栈和 pop 出栈。在进行编程时，将一段内存当作栈使用，那么 push ax 则表示将寄存器 AX中的数据送入栈中。

若我们将 10000H~1000FH 这段内存当作栈使用，这里会引出两个问题：

  1. 这段栈空间的地址范围如何被 CPU 所知晓？
  2. 当需要从栈顶取出、放入元素时，CPU 如何知道栈顶单元地址？

下面介绍 8086CPU 中两个新的寄存器，段寄存器SS 和寄存器SP，栈顶段地址存放在SS中，偏移地址存放在SP中。任意时刻，SS:SP指向栈顶元素。那么：

① 在程序启动时，SS=10000H、SP=01H 都会被校准为预设值，那么栈空间的范围能被确定下来。

② 当放入元素时，SP = SP - 机器字长；同理弹出元素时，SP = SP + 机器字长，栈顶元素永远能被确定。

在 8086CPU 以及后续 16/32/64位架构中，为了保持栈的整齐和处理速度，Intel 规定：栈操作必须是以机器字长为单位。因此，push al 是非法指令哦 ~

机器字长：16位=2、32位=4、64位=8

使用 push 和 pop 还能在内存单元之间传送数据，如：

mov ax,1000H
mov ds,ax ;内存单元地址放在ds中
push [0]  ;将1000:0处的字压入栈中
pop [2]   ;出栈数据送入1000:2处

从某种程度上说，这种操作能够节省寄存器，不需要占用任何通用寄存器；同时绕过 mov 指令不支持直接把一个内存单元的内容传给另一个内存单元的限制(必须一个中转站，寄存器或栈)。但他并不是没有缺点，例如性能的下降。

更新于 2026-03-04
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