这一章节中，就通过 debug 的方式来对寄存器中的内容进行操作，如果你想提前试试汇编指令，
可以翻到最后一小节，熟悉下汇编指令之后，再去分析每条指令执行之后各个寄存器的值。

一个典型的 CPU由运算器、控制器、寄存器等器件构成，这些器件靠内部总线相连。前面所说的总线，相对于 CPU 而言是外部总线。内部总线实现 CPU 内部各个器件之间的联系，外部总线实现 CPU 和 主板其他器件的联系。
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。寄存器是CPU中程序员可以用指令读写的部件。
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，寄存器个数、结构不同。 8086 CPU有 14 个寄存器，每个寄存器都有一个名称。这些寄存器是：AX、BX、CX、DX、SI、DI、SP、BP、IP、CS、SS、DS、ES、PSW。

3.1 通用寄存器

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 个寄存器通常用来存放一般性的数据，被称为通用寄存器。

以 AX 为例，寄存器的逻辑结构如图 3-1 所示：

图 3-1

一个 16 位寄存器可以存储一个 16 位的数据，数据在寄存器中存储情况如图 3-2 所示.

思考一下，一个 16 位寄存器所能存放的数据最大值为多少？

答： 2^16 - 1 = 65535 (0 ~ 65535 ，共65536个数字)

8086CPU的上一代CPU中寄存器都是 8 位，为了保证兼容，是原来基于上一代CPU编写的程序稍加修改就可以运行在8086之上，8086CPU 的AX、BX、CX、DX这 4 个寄存器都可分为两个独立使用的 8 位寄存器来用：

• AX 可分为 AH 和 AL；
• BX 可分为 BH 和 BL；
• CX 可分为 CD 和 CL；
• DX 可分为 DH 和 DL；

图 3-2

以 AX 为例， 8086CPU 的16位寄存器可分为两个8位寄存器情况如图 3-3 所示：

图 3-3

AX 的低 8 位（0~7位）构成了 AL 寄存器，高8位（8~15）构成了AH寄存器。AL和AH都可以独立使用8位寄存器。
图 3-4 展示了 16 位寄存器及它所分成的两个 8 为寄存器的数据存储情况。

图 3-4

思考一下，一个 8 位寄存器所能存储的数据的最大值为多少？

答： 2 ^ 8 - 1= 255 (0~255,共 256个不同数字）

3.2 字在寄存器中的存储

出于对兼容性的考虑， 8086CPU可以一次性处理两种尺寸的数据。

• 字节：记为 byte， 一个字节由 8 个 bit 组成，可以存储在 8 位寄存器中；

• 字：记为 word， 一个字由两个字节组成，这两个字节分别称为这个字的高位字节和低位字节， 如图 3-5 所示

  
  
  图 3-5

一个字可以存储在一个 16 位寄存器总，这个字的高位字节和低位字节自然就存储在这个寄存器高8位寄存器和低8位寄存器中。
如图 3-4 所示，一个字型数据 2000， 存储在 AX 寄存器中，在 AH 中存储了它的高 8 位，在 AL 中存储了它的低 8 位。 AH 和 AL 中的数据，既可以看成是一个字型数据的高 8 为和低 8 位，这个字型数据的大小是： 20000； 又可以看成是两个独立的字节型数据，它们的大小分别是 78 和 32。

3.3 关于数制的讨论

任何数据，到了计算机中都是以二进制形式存放的。为了描述不同的问题，又经常将它们用其他的进制来表示。比如图 3-4 中寄存器 AX 中的数据是 0100111000100000， 这就是 AX 中信息本身，可以用不同的逻辑意义来看待它。可以将它看做一个数值，大小是 20000。

当然， 二进制数 0100111000100000 本身也可以表示一个数值的大小，但是人类习惯于十进制，用十进制20000表示可以使我们直观地感受这个数值的大小。

十六进制数的一位相当于二进制数的四位， 如 0100111000100000 可表示成： 4(0100)、E(1110)、2(0010)、0(0000) 四个十六进制数。

由于一个内存单元可存放 8 位数据，CPU 中的寄存器又可存放 n 个 8 位数据。也就是说，计算机中的数据大多是由 1~N个 8 位数据构成。很多时候，需要直观地看出组成数据的各个字节数据的值，用十六进制来表示数据可以直观的看出这个数据由哪些 8 为数据构成的。

比如， 20000 写成 4E20 就可以了直观的看出这个数据由 4E 和 20 两个 8 为数据构成，如果AX中存放4E20，则 AH 存放的是 4E， AL存放的是 20。这种方式表示数据便于直观地分析问题，我们多用十六进制来表示一个数据。

在以后的课程中，为了区分不同的进制，在十六进制表示的数据后面加 H，二进制后面加 B，十进制不加。
例如：
十进制： 20000
十六进制：4E20
二进制： 0100111000100000B

3.4 几条汇编指令

这小节主要分析寄存器中的值，可以先看后面的实验，然后通过汇编指令去验证
通过汇编指令控制CPU进行工作中，如图 3-6 中几条指令

图 3-6

汇编指令不区分大小写。

接下来看些汇编指令，执行完后，各个寄存器中数据的变化：
如图 3-7

image.png

程序段最后一条指令 add ax,bx, 在执行前 ax 和 bx 中的数据都为 8226H。
相加之后所得值： 1044CH ,但是 ax 为 16 为寄存器，只能存放 4 位十六进制数据，所以高位 1 不能再 ax 中保存，ax 中的数据为： 044CH。

图 3-8

程序最后一条指令 add al,93H, 在执行前，al 中的数据为 C5H，相加后所得的值为 158H，但是 al 为 8 位寄存器，只能存放十六进制的数据，所以最高位的 1 丢失，ax 中的数据为： 0058H。
注意，这里的al是作为一个独立的 8 位寄存器来使用和 ah 没有关系，CPU 在执行这条指令时认为 ah 和 al 是两个不相关的寄存器。不要错误的认为， add al，93H 指令产生的进位会存储到 ah 中，add al,93H 是进行的 8 位运算。
如果执行 add ax,93H, 低 8 位的进位会存储在 ah 中， CPU 在执行这条执行时认为只有一个 16 位 寄存器 ax,进行的是 16 位运算。指令 add ax,93H 执行后，ax 中的值为： 0158H。此时，使用的寄存器是 16 位寄存器ax， add ax，93H 相当于将 ax 中的 16 位数据 00c5H 和 另一个 16 位数据 0093H 相加，结果是 16 位的 0158H。
注意：
在进行数据传送或者运算时，要注意指令的两个操作对象的位数应当一致

mov ax,bx
mov bx,cx
mov ax,18H
mov al, 18H
add ax,bx
add ax,20000

上面这些指令都是正确的，而

mov ax,bl
mov bh,al
mov al,20000
add al,100H

这些指令都是错误的，原因都是指令的两个操作对象位数不一致。

3.5 物理地址

我们知道，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，我们将这个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。在 CPU 向地址总线发出物理地址之前，必须要在内部先形成这个物理地址。不同的CPU可以有不同的形成物理地址的形式。这里讨论 8086CPU是如何在内部形成内存单元的物理地址。

3.6 16 位机结构的CPU

什么是 16 位结构的CPU呢？

• 运算器一次最多可处理 16 位的数据
• 寄存器的最大宽度为 16 位
• 寄存器和运算器之间的通路为 16 位
  8086 是 16 位结构的CPU，也就是说，在 8086 内部，能够一次性处理、传输、暂存的信息最大长度是 16 位。内存单元的地址在送上地址总线之前，必须在 CPU 中处理、传输和暂存，对于 16 位 CPU，能一次性处理、传递和暂存的 16 位的地址。

3.7 8086CPU 给出物理地址的方法

8086CPU 有 20 位地址总线，可以传送 20 位地址，达到 1 MB 寻址能力。
8086CPU 又是 16 位结构，在内部一次性处理、传输、暂存地址为 16 为。从 8086CPU 的内部结构来看，如果将地址从内部简单发出去，那么它只会形成 16 位地址，表现出的寻址能力是 64KB。
为了形成 20 位物理地址，达到 1 MB 的物理寻址能力，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。

图 3-9

如图 3-9， 当 8086CPU 要写内存时：

1） CPU 中相关部件提供两个 16 位的地址，一个称为段地址，另一个称为偏移地址；
2）段地址和偏移地址通过内部总线进入一个称为地址加法器的部件；
3）地址加法器将两个 16 地址合成一个 20 为的物理地址；
4）地址加法器通过内部总线将 20 位物理地址送入输入输出控制电路
5）输入输出控制电路将 20 位物理地址送上地址总线
6）20 位物理地址被地址总线传送到存储器

地址加法器采用物理地址=段地址x16 + 偏移地址的方法用段地址和偏移地址合成物理地址。
例如， 8086CPU 要访问地址为 123C8H的内存单元，此时，地址加法器的工作过程如下：

3.8 “段地址 x16 + 偏移地址 = 物理地址” 本质含义

本质含义：CPU 在访问内存时，用一个基础地址（段地址x16) 和一个相对于基础地址的偏移地址相加，给出内存单元的物理地址。也就是说 8086CPU 的这种寻址功能是 “基础地址+偏移地址=物理地址”寻址模式的一种具体实现方案。 8086CPU中，段地址x16可看做是基础地址。

3.9 段的概念

3.10 段寄存器

3.11 CS 和IP

3.12 修改 CS 、 IP 的指令

3.13 代码段

实验1 查看 CPU 和 内存，用机器指令和汇编指令编程

1. 预备知识： Debug 的使用

• 什么是 Debug？
  Debug 是 DOS、Windows 都提供的程序调试工具（8086）。使用它可以查看 CPU 个中寄存器中的内容、内存情况和在机器码级跟踪程序运行。

• 常用Debug功能

  • R 命令查看和改变CPU寄存器的内容；
  • D 命令查看内存中的内容；
  • E 命令改写内存中的内容；
  • U 命令将内存中的机器指令翻译成汇编指令；
  • T 命令执行一条机器指令；
  • A 命令以汇编指令的格式在内存中写入一条机器指令

Debug 命令比较多，总共 20 多个，这 6 个是和汇编密切相关的。

2. Debug 模式开启

这里使用的是 DOSBox 0.74

image.png

全屏：option + enter， 退出全屏 option + enter

3. 用 R 命令查看、改变 CPU 寄存器内容

我们先查看下 AX 、 BX 、 CX 、 DX 、CS 、IP 这 6 个寄存器内容，其他的暂时忽略。

image.png

注意 CS 和 IP 的值， CS=073F， IP = 0100，也就是说，内存 073F:0100处的指令为 CPU 当前要读取、执行的指令。在所有寄存器的下方， Debug 还列出了 CS：IP 所指向的内存单元出所存放的机器码，并将它翻译为汇编指令。
可以看到，CS：IP所指向的内存单元为 073F:0100,此处存放的机器码为 198B1E52 对应的汇编指令为 SBB [BP + DI +521E], CX 。暂时先看这些，其他指令自行忽略。

除了查看寄存器的内容之外，还可以修改寄存器的内容：

image.png

若要修改一个寄存器中的值，比如 AX 中的值，可用 R 命令后加寄存器的名来进行，输入 r ax 后回车，将出现 “：”作为输入提示，在后面输入要写入的数据后，enter 完成，即完成了对 AX 中内容的修改。若想要再次查看AX中的内容，可再用 R 命令查看。如图所示：

image.png

在 上图中，一旦进入DEBUG，用 R 命令查看，CS:IP 指向 073F:0100，此处存放的机器码为 07，对应的汇编指令 POP ES；
接着，用 R 命令将 IP 修改为 200， 则 CS:IP 指向 073F:0200，此处存放的机器码为 C27529 对应的汇编指令：RET 2975；
接着，用 R 命令修改CS为 ff00， 则 CS:IP 指向 ff00:0200, 此处存放的机器码为 000 对应的汇编指令 ADD [BX+SI], AL;

4. 用 D 命令查看内存中的内容

D 命令可以查看内存中的内容。如果我们想知道内存 10000H 处的内容，可以用 'd 段地址:偏移地址' 格式来查看

image.png

要查看内存 10000H 处的内容 ，首先将这个地址表示为段地址：偏移地址的格式，可以是 1000：0，然后用 ’d 1000:0 ' 列出 1000:0 处的内容。
使用 D 命令， Debug 将输出 3 部分内容：

• 中间部分是从指定地址开始的 128（8行 16 列） 个内存单元的内容用十六进制的格式输出，每行的输出从 16 的整数倍的地址开始，最多输出 16 个单元的内容。从图中，可以知道内存 1000:0 单元中的内容是 92H，1000:1 单元中的内容是 B2H，内存 1000:0~1000:F中的内容都在第一行；内存 1000:10 中的内容是 00H， 内存 1000:11 中的内容是 40H，内存 1000:10~1000:1F 中的内容都在第二行。注意，每行的中间有一个 “-”，它将每行的输出分为两部分，在“-”前后各8个单元，这样便于查找。比如寻找 1000:6B 单元中的内容，我们知道第 7 行，然后从中间的“-”向后树 3 个单元内容 0AH。（这一部分内容，每一句都要对着上面的图进行查看）
• 左边是每行的起始地址。
• 右边是每个内存单元中数据对应的可现实的ASCII码字符。比如，第一行 1000:11, 1000:1C, 1000:7D 中存放的数据是 40H、38H、21H，它们对应的ASCII字符分别是 @, 8, !。而 1000:0 内存单元，92H没有对应的可可显示 ASCII 字符，Debug就用 “.”来代替。
  注意，我们看到的内存中的内容，在不同的计算机中是不一样的，也可能每次用Debug看到的内容都不同，因为我们用Debug看到的都是原来就在内存中个的内容，这些内容受随时都可能变化的系统环境的影响。当然，我们也可以改变内存、寄存器中的内容。

我们使用 d 1000:9 查看 1000:9 处的内容，Debug将怎样输出呢？如图所示：

查看 1000:9 处的内容

Debug 从 1000:9 开始显示，一直到 1000:88 ，一共显示 128 个字节。第一行 1000:0~1000:8 单元中的内容不显示。

在一进入 Debug 后，用 D 命令直接查看，将列出 Debug 预设的地址处的内容 如图所示

列出 Debug 预设的地址处内容

在使用了 “d 段地址：偏移地址”之后，接着使用 D 命令，可列出后续内容，如图：

列出后续内容

也可以指定 D 命令查看范围，此时采用 “d 段地址: 起始偏移地址 结尾偏移地址”格式。比如要查看 1000:0 ~ 1000:9 中的内容，可以用 “d 1000: 0 9" 实现

查看 1000:0 ~ 1000:9 单元中的内容

如果我们想查看内存单元 10000H 中的内容，可以用如下的方式中任意一种：

用 3 种不同的段地址和偏移地址查看同一个物理地址内容

• 用 Debug 的 E 命令改写内存中的内容
  可以使用 E 命令来改写内存中内容，比如，要将内存 1000:0~1000:9 单元中的内容分别写成 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，可以用 "e 起始地址 数据 数据 数据 ... ..." 格式来进行

  
  
  用 E 命令修改从 1000:0 开始的 10 个单元的内容

也可以采用提问的方式来一个一个地改写内存中的内容

用 E 命令修改从1000:10 开始的三个单元的内容

上面的操作步骤为：

1. 输入 e 1000:10， enter
2. 屏幕显示其实地址 1000:10 和第一个单元（1000:0010 单元）的原始内容，然后光标停在 "." 后面提示要输入的数据，此时可以有两个选择：输入数据，然后空格继续输入下一个单元；其二不输入数据，直接空格，则不修改当前内存单元内容
3. 所有内存单元修改完毕之后，enter 结束 E 命令操作。

可以用 E 命令向内存单元中写入字符，比如，用 E 命令从内存 1000:0 开始写入数值 1、 字符‘a’、数值 2、字符'b'、数值 3 、字符 'c',可采用如下方法进行：

用 E 命令向内存中写入字符

从图中可以看出， Debug 对 E 命令执行的结构是, 向 1000:0, 1000:2, 1000:4 单元中写入数值 1、2、3，向 1000:1 、 1000:3 、1000:5 单元中写入字符 'a', 'b','c' 的ASCII 码值： 61H、62H、63H。
也可以用E命令向内存中写入字符串，比如用E命令从内存 1000:0 开会写入： 数值 1， 字符串'a+b'， 数值 2、 字符串 'C++'、字符 3 、字符串 'IBM'.

用E命令向内存中写入字符串

• 用 E 命令向内存中写入机器码，用 U 命令查看内存中机器码的含义，用 T 命令执行内存中的机器码。
  如何向内存中写入机器码呢？
  我们知道，机器码也是数据，当然可以用 E 命令将机器码写入内存。比如我们要从内存 1000:0 单元开始写入这样一段机器码：

b80100 mov ax, 0001
b90200 mov cx, 0002
01c8     add  ax, cx

E 命令将机器码写入内存 & U 命令将内存单元内容翻译成汇编指令显示

U 命令的显示输出分为 3 部分
1） 每一条机器指令的地址；
2）机器指令
3）机器指令所对应的汇编指令

我们可以看到：
1000: 0 地址单元存放的是写入的机器码 b8 01 00 所组成的机器指令，对应的汇编指令是 mov ax，0001;
1000: 3 地址单元存放的是写入的机器码 b9 02 00 所组成的机器指令，对应的汇编指令是 mov cx，0002;
1000: 6 地址单元存放的是写入的机器码 01 c8 所组成的机器指令，对应的汇编执行是 add ax, cx;
由此，我们可以再一次看到内存中的数据和代码没有任何区别，关键在于如何解释。

如何执行我们写入的机器指令呢？使用 Debug 的 T 命令可以执行一条或者多条指令，简单第使用 T 命令可以执行 CS:IP 指向的指令，如图：

T 命令执行 CS:IP 指向的指令

首先，通过E命令向内存单元 1000:0 开始写入了 6 个字节的机器码，然后通过 R 命令查看 CPU 寄存器中的状态，可以看到CS=073F IP=0100，指向内存：073f:0100；如要 T 命令控制 CPU 执行我们写到 1000:0 的指令，必须先让 CS:IP 指向 1000:0 ,所以我们通过 R 命令 修改 CS 和 IP 中的内容，使 CS:IP 指向 1000:0。
完成上面的步骤之后，就可以了用 T 命令来执行我们写入的指令了（此时， CS:IP 指向我们的指令所在的单元）。执行 T 命令之后，CPU 执行 CS:IP 指向的指令，则 1000:0 处的指令 b8 01 00(mov ax,0001)得到执行，执行指令后，Debug 显示寄存器的状态
注意， 指令执行后，AX 中的内容被改写为 1， IP 改变为 IP+3（因为 mov ax，0001 的指令长度是 3 个字节）， CS:IP 指向下一条指令。
我们可以继续使用T命令，指向下面的指令

用 T 命令继续执行

如上图所示，用 T 命令继续执行后面的指令，注意每条指令执行后，CPU 相关寄存器的变化。

• Debug 的 A 命令以汇编指令的形式在内存中写入机器指令
  前面我们使用 E 命令写入机器指令，这样很不方便，最好能直接以汇编指令的形式写入指令。为此 Debug 提供了 A 命令。 A 命令使用方法如下：

  
  
  用 A 命令向从 1000:0 开始的内存单元中写入指令

先用 A 命令，以汇编语言向从 1000:0 开始的内存单元写入几条指令，然后用 D 命令查看 A 命令执行之后的结果。可以看到，在使用 A 命令写入指令时，我们输入的是汇编执行，debug 将这些汇编指令翻译成对应的机器指令，将它们的机器执行写入内存。
使用 A 命令写入汇编指令时，在给出的起始地址后直接按 enter 表示操作结束

简单地用 A 命令，从一个预设的地址开始输入指令：

从一个预设的地址开始输入指令

执行预设地址中的指令：

image.png

本次实验中用到的命令：
1. 查看和修改CPU中寄存器的内容： R 命令；
2. 查看内存中的内容： D 命令
3. 修改内存中的内容： E命令（可以写入数据、指令，在内存中它们没有区别）
4. 将内存中的内容解释为机器指令和对应的汇编指令： U 命令
5. 执行 CS:IP 指向的内存单元除的指令： T 命令
6. 以汇编指令的形式向内存中写入指令： A 命令