《汇编语言第4版（王爽）》阅读笔记

本书所讲内容，都基于8086 cpu架构

一、基础知识

汇编指令是机器指令便于记忆的书写格式

汇编语言有三类符号：

1. 汇编指令
2. 伪指令，没有对应的机器码，由编译器识别，在编译期生效（例如 segment、ends这种用来表示程序结构的指令就是伪指令）
3. 符号（各种由程序员自己定义的名字）

CPU和内存之间存在三类总线：地址线，数据线和控制线

字（word）和字节（byte）

一个字由两个字节组成，共16位，一个字分为高位字节和低位字节

二、寄存器

8086CPU有14个寄存器，这些寄存器是：AX、BX、CX、DX、SI、DI、SP、BP、IP、CS、SS、DS、ES、PSW，这些寄存器分为：

1. 4个通用寄存器：AX、BX、CX、DX
2. 4个段寄存器：CS、DS、SS、ES
3. 指针寄存器：IP、SP、BP、SI、DI
4. 标志寄存器：PSW（Program Status Word，程序状态字寄存器、标志寄存器）

在 8086 cpu 中，4个通用寄存器 AX、BX、CX、DX 的约定用途分别是：

• AX：累加器
• BX：基址寄存器，存放内存地址，用于间接访存，一般和 DS 段地址寄存器配合使用。
• CX：计数寄存器
• DX：数据寄存器

BP 也是基址寄存器，一般和 SS 段地址寄存器配合使用，多用于访问栈内数据。

通用寄存器

8086 cpu的通用寄存器有4个，每个寄存器16位

一个通用寄存器可以分为两个8位寄存器来使用，高位部分用H后缀表示，低位部分用L后缀表示。例如，AX可以分为AH和AL

几条基本汇编指令

MOV AX, 18 ; 将18存入AX寄存器
ADD AX, 2  ; 将2加到AX寄存器

MOV BX, AX ; 将AX寄存器的值复制到BX寄存器
MOV AL, BL ; 将BX寄存器的低位字节复制到AX寄存器的低位字节

段的概念

段地址 + 偏移地址 = 物理地址

为什么需要两级地址？这跟8086 cpu的处理能力有关，8086 CPU的地址线有20根，但寄存器只有16位，不得不采用两级地址拼接的方式来访问内存。

段寄存器

段寄存器用于存储内存的段地址，8086 CPU有4个段寄存器：CS、DS、SS、ES

CS和IP

CS（代码段寄存器）和IP（指令指针寄存器）合起来就是CPU当前执行的指令地址。

修改CS、IP的jmp指令

jmp 段地址:偏移地址

指令中给出的段地址修改CS寄存器的值，偏移地址修改IP寄存器的值

jmp 某一寄存器

仅修改IP寄存器的值

三、内存访问

数据的访问也遵循段地址+偏移地址的方式

DS寄存器存储数据的段地址

以下代码将内存地址10000H(1000:0)中的数据读取到寄存器al中

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

数据的段地址存放在ds寄存器中，往al中存放数据时只需要提供偏移地址[0]即可

[address]表示内存偏移地址

上面的例子只从内存中读取了一个字节，如果mov指令中给定的是16位寄存器，则会从内存中读取一个16位的字

sub指令用于减法，例如：

SUB AX, 1 ; 将AX寄存器的值减1
SUB BX, AX ; 用BX寄存器的值减去AX寄存器的值，结果存回BX

CPU的栈机制

栈会占用一段内存地址

入栈出栈指令

push ax ; 将ax的数据入栈
pop ax; 将栈顶数据读入ax中

栈顶地址存储在段寄存器SS和栈顶指针寄存器SP中，也是段地址+偏移地址的形式

栈底地址大，栈顶地址小，所以push会使SP变小，pop会使SP变大

如何将某一部分内存指定为栈内存呢？很简单，将SS和SP设置为栈底地址即可

四、一个汇编程序

伪指令

伪指令由编译器分析执行，而不是由CPU执行

代码段定义

codesg segment; 代码段的名字位codesg
...
cosesg ends

汇编结束

... 
end

assume指令能够将段寄存器和某一个代码段关联起来

程序

汇编代码中真正被CPU执行的部分

标号

由程序员自定义的名字

程序返回

mov ax, 4c00h
int 21h

五、[BX]和loop指令

[bx]也表示内存单元，它的地址存放在bx寄存器中

loop代表循环，写法如下

mov cx, 循环次数
s:
    循环执行的程序段
    loop s ; 循环到s标号处

loop需要和寄存器cx配合，每次执行loop指令，cx寄存器的值会减1，当cx为0时，loop指令不再跳转。（在 8086 cpu中，cx 寄存器的约定用途就是计数寄存器，因此 loop 指令会自动使用 cx 寄存器作为计数器）

s是一个标号，loop指令会跳转到s处

什么时候会用到类似[bx]这种用法呢？如果要在loop中使用内存访问，而内存地址不断在变化的时候

inc是增加1的指令

访存时可以显式给出段地址和偏移地址，例如ds:[0]，其中ds叫段前缀

六、包含多个段的程序

在代码段中使用数据

assume cs : code

code segment

dw 0123h, 0456h, 0789h, 0abch, 0defh, 0fedh, 0cbah, 0987h;在代码中定义字型数据

mov bx, 0
mov ax, 0

mov cx, 8
s:add ax, cs:[bx]    ;访问代码段中的数据
    add bx, 2
    loop s

mov ax, 4c00h
int 21h

code ends

end

dw 作用是定义字型数据，dw 即 define word，其实就是把数据硬编码到代码中，这样这些数据就会被编译器放到代码段中，可以用代码段寄存器CS加上数据在代码中的偏移量即可访问到数据。

end指令后面带一个标号可以用来指定程序的入口位置，下面的程序用end start将 start 指定为程序的入口地址，编译器会将start地址存储在可执行文件中，当程序加载到内存中准备执行时，将CS:IP设置为start的地址，程序就会从我们期望位置开始执行。

assume cs:code

code segment

dw 0123h, 0456h, 0789h, 0abch, 0defh, 0fedh, 0cbah, 0987h

start:  mov bx, 0
        mov ax, 0

        mov cx, 8
    s:  add ax, cs: [bx]
        add bx, 2
        loop s

mov ax, 4c00h
int 21h

code ends

end start

因此，我们可以这么安排程序的框架

assume cs:code

code segment

数据
...

start:

代码
...

code ends

end start

在代码段中使用栈

可以使用和上面类似的方法，定义一个栈空间出来

assume cs : codesg

codesg segment

dw 0123h, 0456h, 0789h, 0abch, 0defh, 0fedh, 0cbah, 0987h

dw 0,0,0,0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0
;用dw定义16个字型数据,作为栈

start: mov ax, cs
        mov ss, ax
        mov sp, 30h     ;将栈底地址设置为30h

        mov bx, 0
        mov cx, 8
    s:  push cs: [bx]
        add bx, 2
        loop s

        mov bx, 0
        mov cx, 8
    s0: pop cs: [bx]
        add bx, 2
        loop s0

        mov ax, 4c00h
        int 21h

        codesg ends

end start

将数据、代码、栈放在不同的段中

“程序的内存布局分为代码区，数据区，栈区和堆区”是一个经典面试问题，为什么程序的内存布局基本都遵循这个结构？这一节从汇编的角度解释了这个问题

cpu中有三类分别指向代码、栈和数据的寄存器，指令寄存器CS:IP、栈顶指针寄存器SS:SP，和数据段寄存器DS:[BX]，这么组织程序内存布局天然符合CPU的设计

为什么线程栈的地址是从大到小增长的？因为cpu的push和pop指令就是这么设计的，push指令会使栈顶指针寄存器SP减小，pop指令会使SP增大，所以初始栈顶（也就是栈底）必须指向高地址

以下是一个例子，将数据、代码和栈放在不同的段中，并用各段的起始地址为DS、SS:SP寄存器赋初值，CS:IP由编译器根据程序入口点start的位置设置地址

assume cs: code, ds: data, ss: stack

data segment

dw 0123h, 0456h, 0789h, 0abch, 0defh, 0fedh, 0cbah, 0987h

data ends   ;数据段结束

stack segment

dw 0,0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0

stack ends  ;栈段结束

code segment

start:  mov ax, stack
        mov ss, ax  
        mov sp, 20h ;设置栈顶ss:sp指向stack:20

        mov ax, data
        mov ds, ax  ;ds 指向data段

        mov bx, 0   ;ds:bx指向data段中的第一个单元

        mov cx, 8
    s:  push [bx]
        add bx, 2
        loop s

        mov bx, 0   ;以上将data段中的0~15单元中的8个字型数据依次入栈

        mov cx, 8
    s0: pop [bx]
        add bx, 2
        loop s0     ;以上依次出栈8个字型数据到data段的0~15单元中

        mov ax, 4c00h
        int 21h

code ends   ;代码段结束

end start

七、更灵活的定位内存地址的方法

and 和 or 指令

and 和 or指令分别是按位与和按位或操作

db，定义字节型数据

例如，db 'unIX'，等同于db 75H,6EH,49H,58H

[bx+200]

bx存储内存地址，[bx+200]表示访问bx中的地址再偏移200后得到的内存地址

有几个等价的写法，200[bx]，[bx].200

SI 和 DI 寄存器

si 和 di的作用和bx类似，但si 和 di 不能拆成两个8位寄存器来使用

有了si和di，可以使用以下这种更灵活的方式访问内存

mov ax, [bx+200+si]

mov ax, [200+bx+si]

mov ax, 200 [bx] [si]

mov ax, [bx] .200 [si]

mov ax, [bx] [si].200

八、数据处理的两个基本问题

(1)处理的数据在什么地方? (2)要处理的数据有多长?

bx,si,di,bp

8086 cpu中，只有这四个寄存器可以用来访存，即使用[xxx]这种形式的写法

汇编中数据位置的表达

1. 立即数：直接在汇编指令中给出的字面值数据。（这也叫立即寻址）
2. 寄存器（这也叫寄存器寻址）
3. 段地址和偏移地址：[bx]，ds:[bx]（这是访问内存中的数据）

寻址方式

访问内存中的数据，分为以下几种：

1. 直接寻址：[200]，地址以字面值的方式提供
2. 寄存器间接寻址：[bx]
3. 寄存器相对寻址：[bx+200]，bx加上一个字面值
4. 基址变址寻址：[bx+si]
5. 相对基址变址寻址：[bx+si+200]

指令要处理的数据有多长

汇编处理的基本单位是字节（byte）或字（word）

通过寄存器名字可以区分字节或字，ax代表字，al和ah代表字节

例如mov ax ds:[0]是字访存操作，而mov al ds:[0]是一个字节访存操作

可以使用word ptr或byte ptr明确指定访存单位是字还是字节

例如,下面的指令中,用word ptr指明了指令访问的内存单元是一个字单元。

mov word ptr ds: [0],1
inc word ptr [bx]
inc word ptr ds: [0]
add word ptr [bx],2

下面的指令中,用byte ptr指明了指令访问的内存单元是一个字节单元。

mov byte ptr ds: [0],1
inc byte ptr [bx]
inc byte ptr ds: [0]
add byte ptr [bx],2

div指令

div是除法指令

现代编译器很少使用除法指令，因其性能比较差

被除数的长度是除数的两倍，结果分为商和余数

伪指令dd

dd用来定义双字（dword）

dup

用于批量定义数据，用法如下：

db 3 dup (0,1,2)，定义了9个字节，也就是(0,1,2)重复三次 db 3 dup ('abc', 'ABC')，定义了18个字节

九、转移指令

能够修改CS和IP的指令称为转移指令

8086 CPU的转移指令分为以下几类。

1. 无条件转移指令(如:jmp)
2. 条件转移指令
3. 循环指令(如:loop)
4. 过程
5. 中断

offset操作符

offset操作符由编译器处理，作用是识别标号的偏移地址

例如

assume cs : codesg

codesg segment

start:mov ax, offset start ;相当于mov ax,0

    s:mov ax, offset s ;相当于mov ax,3

codesg ends

end start

注意，这里是获取地址，不是去根据地址访存

各种jmp指令

jmp短转移和就近转移

jmp short 标号 和 jmp near ptr 标号

这两个指令都是跳转到标号所在指令

jmp short实际上是IP+8位位移，对IP的修改范围为-128~127

jmp near ptr实际上是IP+16位位移

在实际的机器码中，这两个指令中并没有目的地址，只是给IP增加一个偏移量

带转移目的地址的jmp指令

jmp far ptr 标号是段间转移指令，也叫远转移，会使用标号所在的地址修改CS:IP寄存器，生成的机器码中会包含目标地址

转移地址在寄存器中的jmp指令

jmp 寄存器，前面讲的jmp命令就是这种

转移地址在内存中的jmp指令

jmp word ptr 内存地址，段内转移

jmp dword ptr 内存地址，段间转移

jcxz，有条件转移指令

jcxz 标号

jcxz实际上是一个短转移指令

当cx为0时跳转到标号，否则什么都不做

loop指令

loop指令本质上也是个短转移指令

十、call 和 ret 指令

这两个指令都是转移指令，会修改cs和ip

ret 和 retf

ret 和 retf 一个是近转移，一个是远转移

他们会利用栈中的数据作为转移地址，并对栈做出栈操作

ret只会pop一个数据，作为ip的值

retf会pop两个数据，作为cs:ip的值

call

call指令会将当前的ip 或 cs和ip 压栈

根据位移进行转移的call指令

call 标号，将当前的ip压栈后，跳转到标号处执行

带目的地址的call指令

call far ptr 标号，将当前的cs和ip压栈，然后转移到标号处

转移地址在寄存器中的call指令

call 寄存器

转移地址在内存中的call指令

call word ptr 内存地址, 段内转移

call dword ptr 内存地址，段间转移

call 和 ret 配合使用实现函数调用

assume cs : code
code segment
main:

    ...

    call sub1           ;调用子程序 sub1

    mov ax, 4c00h
    int 21h

sub1:                   ;子程序 sub1 开始

    ...
    call sub2           ;调用子程序 sub2
    ...
    ret
sub2:                   ;子程序 sub1 开始
    ...
    ret
codes ends
end main

乘法指令mul

两个相乘的数长度必须一致，要么都是8位，要么都是16位

如果是8位，一个数默认放在al中，另一个数在其他寄存器或内存中，结果存放在ax中

如果是16位，一个数默认放在ax中，另一个数在其他寄存器或内存中，结果高位默认放在dx中，低位放在ax中

语法：

mul reg
mul 内存单元

参数和结果传递问题

参数比较少的情况下，可以用寄存器传递参数，否则，可以用栈传递参数

寄存器冲突问题

被调用函数和调用函数可能会使用相同的寄存器，如何解决这种冲突？

在调用函数之前，把当前用到的寄存器保存到栈中

所以，一个子函数调用的标准框架应该是以下形式

子程序开始:  子程序用到的寄存器入栈
            子程序逻辑
            子程序用到的寄存器出栈
            返回

十一、标志寄存器

flag寄存器是按位存储的

各标志的作用

• ZF（零标志位，Zero Flag）：
• 当运算结果为0时，ZF=1；否则ZF=0

• 例如：执行 sub ax, ax 后，ZF=1

• PF（奇偶标志位，Parity Flag）：

• 当运算结果的低8位中1的个数为偶数时，PF=1；否则PF=0

• 例如：结果为00000011B（两个1，偶数），PF=1

• SF（符号标志位，Sign Flag）：

• 当运算结果为负数时，SF=1；否则SF=0
• SF等于运算结果的最高位

• 例如：结果为10000001B，最高位为1，SF=1

• CF（进位标志位，Carry Flag）：

• 无符号运算时，当产生进位或借位时，CF=1；否则CF=0

• 例如：两个8位数相加产生第9位进位时，CF=1

• OF（溢出标志位，Overflow Flag）：

• 有符号运算时，当结果超出有效范围时，OF=1；否则OF=0
• 例如：127+1=128，对于8位有符号数溢出，OF=1

和flag相关指令

• adc：进位加法指令
• sbb：借位减法指令
• cmp：比较指令

和flag相关的条件转移指令

指令	含义	检测的相关标志位
je	等于则转移	zf=1
jne	不等于则转移	zf=0
jb	低于则转移	cf=1
jnb	不低于则转移	cf=0
ja	高于则转移	cf=0 且 zf=0
jna	不高于则转移	cf=1 或 zf=1

DF标志位和串传送指令

DF是方向标志位，在串处理指令中,控制每次操作后si、di的增减。

pushf 和 popf

pushf是把标志寄存器压栈，popf是把标志值出栈并保存到标志寄存器中

十二、内中断

• 中断源：触发中断的事件
• 中断类型码：一个整数，用于区分中断类型
• 中断向量表：保存每个中断类型码对应的中断处理函数入口地址

十三、int指令

int指令的用途是引发一个中断

十四、端口

外设芯片上可供CPU直接读取的寄存器，称为端口

端口的读写指令是in和out

shl和shr是逻辑左移和逻辑右移指令

十五、外中断

外设引发的中断分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断

十六、直接定址表

标号不光能表示地址，还能表示内存单位大小，例如

assume cs : code
code segment
a db 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
b dw 0

a和b是两个标号，它们隐含了此处的内存单元大小，a处的内存单元是字节，b是字，访问标号时，汇编器通常会按标号所关联的数据单位大小来处理。

带冒号的标号只能在段内使用，不带冒号的标号能在其他段使用

直接定址表其实就是用标号来给数据贴标签，让我们能够方便地访问这些数据。

附：现代 CPU 和 8086 CPU 的异同

现代 CPU 的段寄存器

• x86/x86-64 架构：现代 CPU 仍然有段寄存器，典型是
  CS、DS、SS、ES、FS、GS。
• 不过在 64 位模式下，传统分段机制基本被弱化或禁用：
• CS/DS/ES/SS 大多只保留少量控制作用
• FS 和 GS 仍常用，通常用于：
  • 线程局部存储（TLS）
  • 每线程/每 CPU 数据
  • 操作系统内核快速访问数据结构

其他现代架构： - ARM、RISC-V、MIPS 这类架构通常没有 x86 那种段寄存器。 - 它们主要依赖： - 分页 - 虚拟内存 - 权限级别 来做内存管理与隔离。

分页和分段机制

分段和分页的核心区别：

• 分段
  • 按逻辑语义划分内存（例如代码段、数据段、栈段），段的划分内容通常由软件定义，段机制本身由硬件支持（例如 CPU 的段寄存器）。
  • 大小不固定，容易产生外部碎片。
• 分页
  • 页的划分与逻辑语义无关，分页机制由操作系统和硬件共同实现。
  • 按固定大小划分内存（例如 4KB 一页），不关心内容语义，容易产生内部碎片，不会产生外部碎片。

页和段寻址基本上都是通过基地址+偏移地址的方式实现的。

分段是一种更早期、更原始、更贴近程序逻辑的内存管理方式，而分页则是现代操作系统中更常用、更灵活、更高效的内存管理方式。

现代操作系统的分页机制

现代操作系统通常不再主要依赖 8086 式的分段机制，而是主要依赖分页机制来管理内存。分页机制的核心思想是：把虚拟地址空间和物理内存都划分成固定大小的块，然后建立二者之间的映射关系。

每个进程通常都会有一个自己的页表，而TLB只有一个，所以不同进程切换时需要刷新TLB，或者使用地址空间标识符（ASID）或进程上下文标识符（PCID）来区分不同进程的TLB条目。

1. 虚拟地址空间

每个进程看到的都不是实际物理内存，而是一个属于自己的虚拟地址空间。
对应用程序来说，自己仿佛独占了一大片连续内存；但实际上，这些地址往往被映射到零散分布的物理内存页框中。

这样做有几个好处：

• 程序不需要关心物理内存实际放在哪里
• 不同进程之间彼此隔离
• 操作系统可以更灵活地分配和回收内存

2. 页和页框

分页机制把内存划分为固定大小的块：

• 虚拟地址空间中的块叫页（page）
• 物理内存中的块叫页框（page frame）

页大小通常是固定的，例如：

• 4KB
• 2MB（大页）
• 1GB（更大的页）

分页和分段的一个重要区别是：

• 分段：大小可变，按逻辑语义划分
• 分页：大小固定，按统一粒度划分

3. 页表

操作系统需要记录“虚拟页”到“物理页框”的对应关系，这种映射表就叫页表。

CPU 访问内存时，给出的是虚拟地址（虚拟页号+页内偏移地址）。硬件中的 MMU（内存管理单元）会根据页表完成地址转换。大致过程是：

1. 从虚拟地址中拆出：
2. 虚拟页号
3. 页内偏移
4. 用虚拟页号查页表，找到对应的物理页框
5. 将物理页框基址和页内偏移组合，得到物理地址

4. 多级页表

现代系统的虚拟地址空间很大，如果用单级页表，页表本身会非常庞大。
因此现代操作系统一般使用多级页表。

例如一个虚拟地址可能被拆成：

• 一级页目录索引
• 二级页表索引
• 三级页表索引
• 四级页表索引
• 页内偏移

这样可以做到：

• 只为实际用到的地址空间分配下级页表
• 节省大量内存

5. TLB（快表）

如果每次访存都要查页表，开销会比较大。
因此 CPU 通常会提供一个高速缓存，叫 TLB（Translation Lookaside Buffer，快表），用来缓存最近使用过的页表项。

访问流程通常是：

1. 先查 TLB
2. 命中则直接得到物理页框
3. 未命中再去查页表
4. 查到后再把结果放入 TLB

所以分页机制虽然灵活，但地址转换本身有成本，TLB 就是为了降低这部分成本。

6. 缺页异常与按需分页

并不是所有页都必须一开始就装入内存。现代操作系统普遍采用按需分页：

• 某个虚拟页如果当前还没有装入物理内存
• 程序第一次访问它时，会触发缺页异常（page fault）
• 操作系统捕获异常后，把对应页面从磁盘装入内存
• 然后更新页表，再恢复程序执行

这就是虚拟内存能够“看起来比物理内存更大”的关键原因。

如果物理内存不够，操作系统还可以把暂时不用的页面换出到磁盘，这就是换页或 swap。

7. 权限控制与进程隔离

页表中通常不只记录映射关系，还会记录访问权限，例如：

• 可读
• 可写
• 可执行
• 用户态是否可访问
• 页面是否存在

这样操作系统就可以做到：

• 代码页可执行但不可写
• 某些数据页可读写但不可执行
• 一个进程不能直接访问另一个进程的页面

所以现代系统中的内存保护，很大程度上就是依赖分页 + 页权限位来实现的。

8. 共享内存与写时复制

分页机制还支持很多高级能力。

共享内存：
不同进程的虚拟地址可以映射到同一组物理页框，从而实现进程间共享数据。

写时复制（Copy-on-Write, COW）：
父子进程创建后，最开始可以共享同一批物理页面；只有当某一方尝试写入时，操作系统才真正复制一份新的页面。

这种机制可以显著提高性能并减少内存占用。

9. 分页机制的优点

分页机制之所以成为现代操作系统的主流，主要因为它适合实现：

• 虚拟内存
• 进程隔离
• 页面共享
• 按需调页
• 内存保护
• 灵活的物理内存分配

相比可变大小的分段机制，分页更适合由操作系统和硬件协同管理大规模内存。

10. 分页机制的代价

分页机制也不是没有成本，主要包括：

• 需要维护页表
• 地址转换有额外开销
• TLB 未命中会影响性能
• 页面换入换出涉及磁盘 I/O，代价较高
• 固定大小页面会带来一定内部碎片

关于程序的内存布局

在现代系统里，程序内存通常是这样组织的：

• 代码区
• 只读数据区
• 已初始化数据区
• 未初始化数据区（BSS）
• 堆
• 栈

这个结构是软件层面人为定义的，唯独栈是cpu指令集层面支持的，因为 CPU 通常提供了专门的栈指针寄存器以及 push/pop/call/ret 等指令支持栈操作。