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DAY 5
2
Software Development

8086下16位元DOS組合語言學習筆記系列 第 5

[Day05] 物理地址和段暫存器

物理地址

前面提到可以將所有存儲器看成一個單一的邏輯空間,物理地址就是這邏輯空間上的真實地址,CPU 透過物理地址才能定位其上的單元空間。

如何計算物理地址

8086 CPU 的地址總線有 20 條,但 CPU 的暫存器卻只有 16 位,那 CPU 該如何產生 20 位的物理地址呢?

答案是一個不夠就用兩個,CPU 內部會使用兩個 16 位的地址來表示一個 20 位的地址空間,這兩個地址分別是 段地址偏移地址,CPU 內部會將這兩個地址送到 地址加法器 經過運算後得到一個 20 位的 物理地址,再由地址總線傳給外部設備。

物理地址計算方式:

物理地址 = 段地址 x 16 + 偏移地址

組合語言程式使用 H 表示 16 進制,假設段地址為 1000H 偏移地址為 500H,那計算後的物理地址等於多少呢?

物理地址
= 1000H x 16 + 500H
= 10000H + 500H
= 10500H

答案是 10500H,16進制的數值 x 16 等於將該數值左移一位。

物理地址由段地址和偏移地址計算得到,寫程式時可以利用段地址將程式分成不同的段管理,類似高階語言模組化的概念較好維護程式,不過因為偏移地址只有 16 位,所以每個段不能放太多東西,只有 64 KB 的大小。

來看一個例子:

 段地址  偏移地址  物理地址
-------|--------|---------
 3336  +  6510  =  39870
 32F2  +  6950  =  39870
 3116  +  8710  =  39870

這三個組合計算後得到的物理地址都是 39870,說明不同的段地址加偏移地址可以得到 相同的物理地址,寫程式時要小心段重疊的問題。

段暫存器

之前介紹了四個通用暫存器,接下來介紹四個段暫存器 CS、DS、SS、ES,上面提到物理地址必需由段地址加偏移地址產生,其中的段地址就是由這四個暫存器提供。

段暫存器用途:

  • CS: 代碼段暫存器
  • DS: 數據段暫存器
  • SS: 堆棧段暫存器
  • ES: 前三個暫存器不夠用時可以用第四個

段暫存器出現了,那是不是有偏移地址暫存器呢,沒錯 IP 指令指標暫存器 就是用於存放偏移地址,通常會搭配 CS 一起使用。

CPU 如何讀取和執行指令

看到下方的示意圖。

  1. 第一步,設置 CS 段地址和 IP 偏移地址。
  2. 第二步,經過地址加法器將計算出物理地址,經過地址總線傳給記憶體。
  3. 第三步,讀取指令並傳回 CPU。
  4. 第四步,執行指令將 0001H 寫入 AX 暫存器。
  5. 第五步,依照指令長度自動改變 IP 的偏移地址。
  6. 循環執行上面五個步驟。

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20181020/20106865vwIg4WuHNT.jpg

以上為指令執行的步驟,CPU 透過 CS 和 IP 指向要執行的指令,並在結束後更改偏移地址,指向下一條指令,不停的重複這五個步驟。

修改 CS 和 IP

回憶之前改變暫存器的值,可以利用 mov 指令,例如 mov ax, 0010H,那可以用 mov 改變 CS 和 IP 的值嗎?

答案是不可以的,8086 CPU 不能用 mov 指令修改 CS 和 IP,不過提供了另一個更方便的 jmp 轉移指令。

jmp 用法:

  • 同時修改 CS 和 IP 的值 jmp 段地址:偏移地址
jmp 1000:3   ; 等於物理地址 10003
  • 僅修改 IP 的值 jmp 某一個暫存器
mov ax, 1000
jmp ax         ; 等於修改 IP 為 1000

jmp 有點像 C 語言的 goto,在高階語言中大家應該都有默契不使用,但類似的寫法在組合語言卻是處處可見,難怪大家覺得組合語言難學。
/images/emoticon/emoticon16.gif

結語

今天介紹了物理地址和段暫存器,這兩個都是非常重要的概念,看完示意圖有沒有恍然大悟的感覺,哦~原來程式是這樣執行的~,這是以前學習高階語言時無法體會的,高階語言的最底層只接觸到記憶體也就是變數,再往下的 CPU 運作,就像隔了一層紗,朦朧一片,完全無法像組合語言可以看的這麼清楚。

明天要介紹 Debug 工具,今天就到這裡摟,感謝大家觀看。


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