第 3 章 CPU、内存和端口⚓︎

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CPU
- 算术逻辑单元 (ALU)：算术、逻辑和移位运算
- 控制单元 (CU)：取指令、解释指令、执行指令
- 寄存器 (register)：可以理解为 CPU 下的全局变量，CPU 中只有它是可编程控制的
  
  注：这里只是简单提一下 CPU 的组成，具体原理可参见《计算机组成》笔记（目前还没学到 CPU 部分）
内存：存储指令和变量，是程序的运行空间
端口：CPU 与 I/O 设备之间的接口

内存⚓︎

物理地址与逻辑地址⚓︎

DOS 系统运行在 CPU 的实模式 (real mode) 下，可访问的地址范围为 \([00000h, 0FFFFFh]\)，即最多只能访问 1MB 内存空间。

用单个数值表示的地址称为物理地址(physical address)。由于 8086 芯片的每个寄存器只有 16 位宽度，寄存器无法直接存储物理地址，所以用存储在段地址寄存器和偏移地址寄存器的逻辑地址(logical address)（即段地址 : 偏移地址）来间接访问物理地址。

令物理地址为 \(\text{phy\_addr}\)，逻辑地址为 \(\text{seg\_addr:off\_addr}\)，物理地址与逻辑地址的转换关系式为：

\[ \text{phy\_addr} = \text{seg\_addr} \times 10h + \text{off\_addr} \]

一个物理地址可以表示成多个逻辑地址，例如：12398h = 1234:0058 = 1235:0048 = 1236:0038 = 1230:0098。

段(segment)：一块内存，满足：
- 长度为 \(10000h\) 字节，即 64KB
- 20 位首地址的低 4 位必须为 0，换句话说，段首地址的十六进制形式下的偏移地址的个位必须为 0
偏移地址(offset address)：段内某个变量或标号与行首之间的距离
- 偏移地址 = 物理地址 - 段首地址（注意不是段地址）
- 用offset 变量名或标号名表示变量或标号的偏移地址
- 可以用常数表示
段地址(segment address)：20 位段首地址的高 16 位
- 用seg 变量名或标号名或段名表示变量或标号的段地址
- 不能用常数表示，只能用段寄存器表示
- 段地址的 1 相当于偏移地址的 10h

如何在已知某个变量的偏移地址off_addr和段地址seg_addr访问该变量：

将seg_addr赋值给某个段寄存器（比如ds）
再用ds:[off_addr]访问该变量

例子

data segment
    s db "ABC"
    s db "Hello$world!", 0Dh, 0Ah, 0
data ends

code segment
assume cs:code, ds:data
main:
    mov ax, data
    mov ds, ax
    mov bx, 0
next: 
    mov dl, s[bx]
    cmp dl, 0
    je exit
    mov ah, 2
    int 21h
    add bx, 1
    jmp next
exit:
    mov ah 4Ch
    int 21h
code ends
end main

使用 Turbo Debugger 调试该程序：

观察发现：

data段的首字节为a[0]，数组s的偏移地址offset s=3（底部用白色高亮表示s的首字节）
code段的首字节为main标号对应指令的机器码的首字节，标号next的偏移地址offset next=8（用蓝色高亮表示next对应指令的位置，可以看到左侧cs:0008表示这条命令的逻辑地址）

直接寻址和间接寻址⚓︎

假设变量名或数组名为var

直接寻址
- 一般形式为：段寄存器:var[常数]或段寄存器:[var+常数]
间接寻址
- 一般形式为：var[寄存器1+寄存器2+常数]或[var+寄存器1+寄存器2+常数]，其中寄存器 1 和寄存器 2 至少存在 1 个，常数是整数，可正可负也可以是 0
  - 寄存器只能在bx、bp、si、di四种寄存器内选
  - 如果出现两个寄存器相加的情况，其中一个寄存器必须从bx、bp中选，另一个必须从si、di中选
- 80386 的一般形式为：段寄存器:[寄存器1+寄存器2*N+常数]，其中N是集合 \(\{1, 2, 4, 8\}\) 内的一个元素，寄存器 1 与寄存器 2 只能在eax、ebx、 ecx、 edx、 esp、 ebp、 esi、 edi八种寄存器内选

小端规则⚓︎

小端规则(little-endian)：当 CPU 写入或读取宽度大于 8 位的数据时，会按照“低位在先高位在后”的顺序存储或获取数据。换句话说，存储在寄存器内的数据的位顺序和我们看到的位顺序是相反的。

例子

假如内存中有以下数据：

data segment
    a dw 1234h
    b dw 5678h
    c dd 12345678h
data ends

实际的内存空间为：

可以看到，白色高亮部分表示的是a , b , c的值，它们的值分别为 3412 , 7856 和 78563412

缺省段址和段覆盖⚓︎

缺省段址的规则：

直接寻址：令段址为ds
间接寻址：
- 偏移地址含寄存器bp：令段址为ss
- 偏移地址不含寄存器bp：令段址为ds

段覆盖：在操作数前添加一个段前缀（比如cs:、ds:等）来强制改变操作数的段址

注：这两个概念并不是什么特殊情况，寻址的时候一定会涉及两者中的一种。

内存空间划分和显卡地址映射⚓︎

16 位 CP U 只能访问 0000:000 0 到 F000:FFF F 之间的 1M 内存空间，其划分如下：

地址范围	用途	说明
[0000:0000, 9000:FFFF]	操作系统和用户程序	占38 4K 的内存
[A000:0000, A000:FFFF]	映射显卡内存	图形模式
[B000:0000, B000:FFFF]	映射显卡内存	-
[B800:0000, B800:FFFF]	映射显卡内存	文本模式
[C000:0000, F000:FFFF]	映射 ROM	占64 0K 的内存

其中显卡地址映射分为文本模式(text mode) 和图形模式(graphics mode)，具体来说：

文本模式下的显卡地址映射⚓︎

\(80 \times 25\)（每行 80 个字符，每列 25 个字符）文本模式的屏幕坐标系统如图所示：

每两个内存单元（2 字节）决定屏幕上的一个字符
- 前一个内存单元（1 字节）表示字符的ASC II 码值
- 后一个内存单元（1 字节）表示字符的颜色，每个位的意义如下所示：
```
7: 闪烁
6: 红
5: 蓝
4: 绿

3: 高亮
2: 红
1: 绿
0: 蓝
```
  - 高 4 位表示背景色
  - 低 4 位表示前景色
  - 屏幕坐标(x, y) 对应的显卡偏移地址text_mode_offset的计算公式为：
```
text_mode_offset = (y * 80 + x) * 2
```
虽然这是一个二维平面，但是在内存中所有的数据都是连续的（图中的79 x 2和80 x2 表示的是十进制的偏移地址，为了方便就这样写了）

例子

设ds=0B800h

mov byte ptr ds:[0], 'A'
mov byte ptr ds:[1], 74h
mov byte ptr ds:[2], 'B'
mov byte ptr ds:[3], 72h

结果是：

图形模式下的显卡地址映射⚓︎

\(320 \times 200\) 图形模式的屏幕坐标系统如图所示：

1 个内存单元（1 字节）决定屏幕上的一个点，其值代表该点的颜色（256 种）
屏幕坐标(x, y) 对应的显卡偏移地址graphics_mode_offset的计算公式为：
```
graphics_mode_offset = y * 320 + x
```

宽度修饰⚓︎

宽度修饰词用于限定变量（不能修饰常数）的宽度，有以下几种：

byte ptr：变量宽度为 8 位
word ptr：变量宽度为 16 位
dword ptr：变量宽度为 32 位

不必使用宽度修饰的情况：

指令中的变量有变量名时（比如mov s[1], 0）
指令中的另一个操作数有明确宽度时（比如mov ds:[bx], ax）

对应的，当某个指令中的变量无变量名，且无法根据另一个操作数推断变量宽度时，必须对该变量加上宽度修饰。

寄存器⚓︎

8086 一共有 14 个寄存器（均为 16 位宽度），分别为：ax、bx、cx、dx、sp、bp、si、di、cs、ds、es、ss、ip、fl
80386 除了段寄存器仍为 16 位，其余寄存器均扩展至 32 位，这 14 个寄存器分别为：eax、ebx、ecx、edx、esp、ebp、esi、edi、cs、ds、es、ss、eip、efl

按照寄存器的用途可分为：

通用寄存器
段地址寄存器
偏移地址寄存器
标志寄存器

通用寄存器⚓︎

作用：算术、逻辑、移位运算
寄存器：ax、bx、cx、dx（80386 中寄存器名称前多个e）
- 其中ax 的低 8 位和高 8 位可以分别用寄存器al和ah表示。下图展示了eax、ax、ah、al的关系：
- bx、cx、dx与ax同理。

段地址寄存器⚓︎

作用：表示段地址
寄存器：
- cs：代码段寄存器
  - 不能用mov指令赋值，只能用以下指令间接改变其值
    - jmp far ptr
    - jmp dword ptr
    - call far ptr
    - call dword ptr
    - retf
    - int
    - iret
- ds：数据段寄存器
- es：附加段寄存器
- ss：堆栈段寄存器
  - 后三者可以用mov指令赋值，但源操作数不能是常数，只能是寄存器或变量
    - 寄存器只能在ax、bx、cx、dx、sp、bp、si、di中选
    - 变量必须是word ptr宽度的

偏移地址寄存器⚓︎

作用：表示偏移地址
寄存器：
- ip
  - 与cs搭配使用，cs:ip指向当前将要执行的指令
  - 该寄存器的名称不能在任何指令中出现
- sp
  - 与ss搭配使用，ss:sp指向堆栈顶端
  - 不能置于[]内用于间接寻址
- bp、si、di以及bx（通用寄存器）
  - 能放在[]内用于间接寻址
  - 还可以参与算术、逻辑、移位运算

寄存器的初始化

DOS 把可执行程序加载到内存后，即将控制权交给可执行程序前，会对以下寄存器初始化：

cs：代码段的首地址
ip：首条指令的偏移地址
ss：堆栈段的段地址
sp：堆栈段的长度
ds：PSP 段地址
es：PSP 段地址

其中 PSP（程序段前缀，program segment prefix）是一个由D OS 分配给当前可执行程序，位于首段之前，长度为100h字节的内存块，它存储了与当前可执行程序的进程相关的一些信息，比如程序的命令行参数等

标志寄存器⚓︎

作用：存储标志位
寄存器：fl，它里面的位分为 3 类
- 状态标志：反映当前指令的执行情况，包括：cf、zf、sf、of、pf、af
- 控制标志：控制 CPU，包括：df、if、tf
- 保留位（下图用 X 表示）：除了第 1 位为 1，其余保留位恒为 0

各类标志如下：
- （第 0 位）进位标志(carry flag) cf：
  - 两数相加产生进位，cf = 1
  - 两数相减产生借位，cf = 1
  - 两数相乘的乘积宽度超过被乘数宽度，cf = 1
  - 移位指令最后移除的那 1 位保存在cf中
  - 相关指令：jc、jnc、clc、stc、cmc、adc等
- （第 6 位）零标志(zero flag) zf：
  - 运算结果为 0 时，zf = 1；运算结果不为 0 时，zf = 0
  - 相关指令：jz、jnz、je、jne
- （第 7 位）符号标志(sign flag) sf：
  - 表示运算结果的最高位，当运算结果为正时sf = 0，为负时sf = 1
  - 相关指令：js、jns
- （第 11 位）溢出标志(overflow flag) of：
  - 用于检测溢出情况，包括：
    - 两个正数相加变负数时，of = 1
    - 两个负数相加变正数时，of = 1
    - 两数相乘的乘积宽度超过被乘数宽度时，of = 1
    - 当仅移动 1 位且移位前的最高位HETImathSTART7HETImathE ND 移位后的最高位时，of = 1
  - 相关指令：jo、jno
- （第 2 位）奇偶校验标志(parity flag) pf：
  - 当运算结果低 8 位中1的个数为偶数时，pf = 1，否则pf = 0（偶校验）
  - 相关指令：jp、jnp、jpe、jpo
- （第 4 位）辅助进位标志(auxiliary flag) af：
  - 若执行加法时第 3 位向第 4 位产生进位时，af = 1
  - 若执行减法时第 3 位向第 4 位产生借位时，af = 1
  - 无相关指令，但它跟B CD 码调整指令有关
- （第 10 位）方向标志(direction flag) df：
  - 作用：控制字符串操作指令的运行方向
    - df = 0：字符串操作指令按正向（从低到高）运行
    - df = 1：字符串操作指令按反向（从高到低）运行
  - 相关指令：cld（使df = 0）、std（使df = 1）
- （第 9 位）中断标志(interrupt flag) if：
  - 作用：控制硬件中断
    - if = 0：禁止硬件中断
    - if = 1：允许硬件中断
  - 相关指令：cli（使if = 0）、sti（使if = 1）
- （第 8 位）陷阱标志(trap flag) tf：
  - 作用：设置C PU 的运行模式，与调试相关
    - tf = 0：常规模式，连续执行指令
    - tf = 1：单步模式，每执行一条指令后都会跟随执行int 01h中断指令，用于调试
  - 相关指令：pushf、popf
```
; 令tf = 1
push            ; 将fl压入堆栈中
pop  ax         ; 从堆栈中弹出`fl`的值并保存到ax中
or   ax, 100h   ; 把ax的第8位置1
push ax
popf            ; 从堆栈中弹出ax的值并保存到fl中，此时tf = 1

; 令tf = 0
pushf
pop  ax
and  ax, 0FEFFh  ; 把ax的第8位清零
push ax
popf             ; 从堆栈中弹出ax的值并保存到fl中，此时tf = 0
```

端口⚓︎

CPU 不能直接控制I /O 设备，它通过以下方式访问I /O 设备：
- 读：CP U从I /O 设备相关端口读取信号，获取I /O 设备的反馈信息
- 写：CP U向I /O 设备相关端口发送信号，将控制信号输出到I /O 设备
端口地址仅有 16 位偏移地址，无段地址，取值范围为 [0000h, 0FFFFh]
读写端口地址的指令是in和out

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