【汇编语言04】第3章 寄存器（内存访问）——理论知识

0 前言

1. 【汇编语言02】第2章 寄存器
2. 【汇编语言03】实验1：查看CPU和内存，用机器指令和汇编指令编程
3. 在第2章的学习中，我们主要从CPU如何执行指令的角度讲解了8086CPU的逻辑结构、形成物理地址的方法、与寄存器相关的一些指令、debug工具的使用等。
4. 在第3章中，我们将从访问内存的角度继续学习几个寄存器。

1 数据段寄存器

1.1 内存中字的存储

1. 在CPU中，用16位的寄存器来存储一个字，高8位存放高位字节，低8位存放地位字节。
2. 在内存中存储时，每一个内存单元存储一个字节，连续两个单元存储一个字，与CPU类似地，高地址内存单元存放字型数据的高位字节，低地址内存单元中存储字型数据的低位字节。
3. 任何两个地址连续的内存单元，N号单元和 N+1号单元，可以将它们看成两个内存单元 ，也可以看成一个地址为N的字单元中的高位字节单元和低位字节单元。

1.2 字的传送

1. CPU寄存器和内存之间完成数据的传送：使用mov指令。
2. 因为8086CPU是16位结构的，有16根数据线，所以，一次可以传输16位数据，也就是一个字。那么只要在mov指令中给出16位寄存器，就可以进行16位数据的传送了。

1.3 DS和[address]

1. 数据段寄存器：DS，偏移地址：[address]。
2. 代码段寄存器：CS，偏移地址：IP。
3. 要实现：将内存地址为10002H的内容写入到寄存器AX中。需要以下步骤：
   （1）要先使用以下命令将数据段地址DS修改为1000H：
   mov ax,1000H
   mov ds,ax
   不能直接将1000H直接写入ds，如下，因为寄存器不支持这种指令。
   mov ds,1000H
   （2）将内容赋值给寄存器ax，此处表示在数据段地址的基础上偏移2个地址，即10002H。
   mov ax,[2]

1.4 数据段

1. 与代码段概念类似，我们可以将一组长度为N、地址连续、其实地址为16的倍数的内存单元当作专门存储数据的内存空间，从而定义了一个数据段。
2. 与代码段概念类似，将一段内存当作数据段，是我们在编程时的一种安排，可以在具体操作的时候，用ds存放数据段的段地址，再根据需要，用相关指令访问数据段中的具体单元。

2 栈段寄存器

2.1 栈的简介

1. 从访问方式理解栈：栈是一种具有特殊的访问方式的存储空间。
2. 特殊性：栈的特殊性在于，最后进入这个空间的数据，最先出去。
3. 栈段：我们可以将长度位N的一组地址连续、起始地址为16的倍数的内存单元当作栈空间来使用，从而定义了一个栈段。将一段内存当作栈段，仅仅是我们在编程时的一种安排。CPU并不会由于这种安排，就在执行push和pop等栈操作指令时自动地将我们定义的栈段当作栈空间来访问。

2.2 CPU的栈机制

1. 现在CPU都有栈的设计，提供相关指令来以栈的方式访问内存空间。这意味着基于CPU编程的时候，可以将一段内存当作栈来使用。
2. PUSH 入栈指令：比如 push ax 表示将寄存器ax中的数据送入栈中。
3. POP 出栈指令：比如 pop ax 表示将栈顶取出数据送入ax中。
4. 8086CPU的入栈出栈操作都是以字为单位进行的。下面是CPU栈方式方式的简要过程。
   

2.3 SS和SP

1. 为了给CPU描述栈顶的位置，需要相应的寄存器来表示，这里用到了段寄存器SS和寄存器SP。
2. 任意时刻，SS:SP指向栈顶元素，push指令和pop指令执行时，CPU从SS和SP中得到栈顶的地址。
3. push ax 指令执行原理，由两步完成：
   （1）SP = SP - 2，SS:SP指向当前栈顶前面的单元，以当前栈顶前面的单元为新的栈顶。
   （2）将ax中的内容送入SS:SP指向的内存单元处，SS:SP指向当前栈顶前面的单元。
   
4. pop ax 指令执行原理，由两步完成：
   （1）将SS:SP指向的内存单元处的数据送入ax中；
   （2）SP=SP+2，SS:SP指向当前栈顶下面的单元，以当前栈顶下面的单元为新的栈顶。
   

2.4 栈顶越界问题

1. 问题描述：CPU中用SS和SP指示栈顶的地址，但是SS和SP只是记录了栈顶的地址，仅依靠SS和SP可以保证在入栈和出栈是找到栈顶，但是，无法保证在入栈和出栈时栈顶位置不超出栈空间。
2. push指令越界问题：如下图描述了多次执行push指令后，栈空间已满，再次执行时SS:SP指向1000EH，栈顶超出了栈空间，ax中的数据送入到1000EH单元处，将栈空间外的数据覆盖。
   
3. pop指令越界问题：当多次执行pop指令后，栈空，SS:SP指向10020H；再次执行pop指令时，SS:SP指向10022H，栈顶超出了栈空间。此后如果再次执行push指令，10020H和10021H中的数据将被覆盖。
   
4. 越界问题的危害：当栈慢的时候再次执行push指令入栈、或栈空的时候再使用pop指令出栈，都将发生栈顶越界问题。越界问题时有可能将其他程序的代码或数据意外改写，将会引发一连串的错误。
5. 越界问题的解决：如果CPU中有记录栈顶上限和栈底的寄存器，这样就能通过填写这些寄存器来指定栈空间的范围，然后CPU在执行push指令时靠检测栈顶上限寄存器、在执行pop指令的时候开检测栈底寄存器保证不会越界。不过，8086CPU实际上并没有这些寄存器，只能在编程的时候根据需要预留大空间的栈。

3 汇编指令push与pop

3.1 编程要求

1. 将10000H~1000FH 这段空间当作栈，初始状态是空的；
2. 设置AX=001AH，BX=001BH；
3. 将AX、BX中的数据入栈；
4. 然后将AX、BX清零；
5. 从栈中恢复AX、BX原来的内容。

3.2 代码示例

mov ax,1000H
mov ss,ax		# 不能直接将值赋给ss
mov sp,0010H	# 设置栈偏移地址
mov ax,001AH
mov bx,001BH
push ax			# 将ax放入栈
push bx			# 将bx放入栈
sub ax,ax		# 清空ax
sub bx,bx		# 清空bx
pop bx			# 因为bx在上面，所以需要先pop bx
pop ax
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4 小结

1. 我们可以将一段内存定义为一个段，用一个段地址指示段，用偏移地址访问段内的单元。这完全是我们自己的安排。
   （1）我们可以用一个段存放数据，将它定义为“数据段”。对于数据段，将它的段地址放在 DS中，用mov、add、sub等访问内存单元的指令时，CPU就将我们定义的数据段中的内容当作数据段来访问。
   （2）我们可以用一个段存放代码，将它定义为“代码段”。对于代码段，将它的段地址放在 CS中，将段中第一条指令的偏移地址放在IP中，这样CPU就将执行我们定义的代码段中的指令。
   （3）我们可以用一个段当作栈，将它定义为“栈段”。对于栈段，将它的段地址放在SS中，将栈顶单元的偏移地置放在 SP 中，这样CPU在需要进行栈操作的时候，比如执行 push、pop 指令等，就将我们定义的栈段当作栈空间来用。
2. 8086CPU提供了栈操作机制，方案如下：
   （1）在SS，SP中存放栈顶的段地址和偏移地址；
   （2）提供入栈和出栈指令，他们根据SS:SP指示的地址，按照栈的方式访问内存单元。
3. push指令的执行步骤：
   （1）SP=SP-2；
   （2）向SS:SP指向的字单元中送入数据。
4. pop指令的执行步骤：
   （1）从SS:SP指向的字单元中读取数据；
   （2）SP=SP-2。

参考文献

1. 《一文读懂堆与栈的区别》
2. 《寄存器（内存访问）01》小甲鱼零基础视频课程
3. 《寄存器（内存访问）02》小甲鱼零基础视频课程
4. 《寄存器（内存访问）03》小甲鱼零基础视频课程
5. 《寄存器（内存访问）04》小甲鱼零基础视频课程
6. 《寄存器（内存访问）05》小甲鱼零基础视频课程
7. 《寄存器（内存访问）06》小甲鱼零基础视频课程
8. 《寄存器（内存访问）07》小甲鱼零基础视频课程