基础知识

汇编的分类

如果按 CPU 架构分类，汇编语言主要分为 x86 系列和 ARM。

• x86 系列：
  • 16 位（8086/8088）：最经典的一集
  • 32 位（x86）：老式程序。在现在的 Windows 系统中，C 盘仍然能看到 Program Files (x86) 文件夹。这些使用 x86 指令集的程序使用 32 位寄存器，且最大只能使用 4GB 内存。
  • 64 位（x64）：现代计算机的主流，寄存器扩展到了 64 位。
• ARM：主要在移动端和嵌入式领域应用。PC 和手机不统一使用 x86 架构的原因，或者说 ARM 的优势，在于能效方面。它具有精简的汇编指令集，待机或处理日常任务时功耗极低，适配手机体积小，供电有限的特点。并且 ARM 的设计允许手机厂商将大部分硬件（如 CPU，GPU，基带等）封装在一颗芯片内，设计方面高度灵活（卖 ip 也是经久不衰了）

汇编的组成

汇编语言发展至今，主要由以下三种指令组成：

1. 汇编指令。它们直接控制 CPU 执行具体的操作，是机器码的助记符。如 MOV, ADD, SUB, JMP 等。
2. 伪指令。它们没有对应的机器码，是指导编译器工作的指令，不直接操控 CPU。如 db, end。
3. 其他符号。用于完善汇编的可读性和运算的简便性，同样不直接操控 CPU，由编译器识别。如 +-*/ 和 ,;() 等。

存储器和存储单元

存储器有很多，如集成在 CPU 内部的寄存器和三级高速缓存，以及内存（RAM）和外存（Disk）。存储器被划分为若干个存储单元，一个存储单元能存放 8bit 数据（1Byte）。计算机的存储单元上限不仅由存储器决定，还由 CPU 的地址总线宽度决定。对于 8086 架构，它的地址线宽度为 20，最大只能使用 $2^{20}$ 个存储单元，约为 1MB 内存。在 x86 和 x64 架构中，地址线宽度上升到了 32 和 64。

CPU 的交互

当 CPU 与外部芯片进行交互时，必需三条信息：

1. 存储单元（内存）或端口（外设）的地址，归类为地址信息
2. （I/O）读写等，归类为控制信息
3. 要发送或收取的内容，归类为数据信息

CPU 使用地址总线、控制总线和数据总线传输上述信息到外部芯片，或是从外部芯片收取信息。

地址总线

对于存储器芯片，我们现在知道了 CPU 是通过地址总线来定位存储单元的。在计算机中，一根导线通过高低电平区分状态。也就是说，n 根导线最多有 $2^n$ 种状态。同理，地址线宽度为 n 的 CPU 架构最多能访问 $2^n$ 个存储单元。

数据总线

数据线宽度越大，传输效率也就越高。对于拥有 16 宽度数据线的 8086CPU，它的传输效率相比于拥有 8 宽度数据线的 8088CPU 来说是翻倍的。一个字节有 8 位，现代 CPU 的数据线宽度已经达到了 64 位。而听起来违反直觉的是，USB 传输的位宽只有 1（串行传输）。虽然从数据上对比，USB 的传输效率似乎很慢，但事实上，串行传输的效率远大于并行传输，这得益于它极快的时钟频率。此外，显卡的 PCIE 槽同样是串行传输的。（好像说太多了？）

控制总线

控制总线的宽度决定了 CPU 能向外部发出多少指令。CPU 能发出的命令一般有以下几种：

1. 读/写控制
2. 时序控制
3. 状态与响应
4. 总线控制（秩序维护）

存储器芯片

存储器芯片从读写属性上可以分为两类：

• RAM（随机存储器），可读可写，断电擦除。
• ROM（只读存储器），只读不写，断电保存。

需要注意的是，硬盘（SSD/HDD）并不是 ROM，更不是 RAM。它独立于计算机外，属于外部存储设备。

RAM 多用于临时存放数据，不管是在 CPU，GPU 还是在外设的接口卡上。而 ROM 一般用于保存底层配置（BIOS），匹配其只读不写，断电保留的特性。在 CPU 的视角下，主内存、显存和存放 BIOS 的 ROM 等都是储存器，它们的存储单元都有独一无二的地址。正因如此，基于计算机硬件编程时，搞清楚地址分配空间是很重要的。

寄存器

通用寄存器

对于 8086 架构，其所有寄存器都是 16 位的。AX、BX、CX、DX 四个寄存器用于存放一般数据，被称为通用寄存器。类似的，x86 和 x64 架构中，寄存器数量分别提升到了 8 个（32bit）和 16 个（64bit）。它们都可以按位访问，如 RAX -> EAX -> AX -> AH/AL

mov 和 add

对于 mov ax,18 和 mov al,18，前者表示把 18 装进整个 ax 寄存器，后者表示把 18 装进 ax 的低 8 位。值得注意的是，如果试图执行 mov al,256，编译器会报错。如果强制执行，256（二进制 100000000）会被截断，只剩下后面的 8 个 0。mov ax,bx 表示将 bx 的数据复制到 ax 中。汇编代码的顺序好像有点反人类了吧，数据从右边流向左边。

add ax,8 表示将 ax 的数据加 8，add ax,bx 代表将 ax 与 bx 相加，存在 ax 中。当输入十六进制数时，要在末尾加 H。由于二进制与十六进制之间的特殊转化规则，写十六进制会更加直观一些。但是当十六进制数以字母开头时，不能直接写，要在数前加 0（如 mov ax,afh 是错的，要写 mov ax,0afh）

8086CPU 的寻址

8086CPU 有 20 位地址总线，但只有 16 位结构。为了解决这种冲突，其使用两个 16 位地址来合成一个 20 位的地址。但是如果直接将二者简单相加的话，也只有 17 位。因此，8086CPU 将物理地址分为两部分，分别为段地址和偏移地址，之后通过**物理地址 = 段地址 16+偏移地址 的方法寻址。这里的 16，在二进制下是左移 4 位，十六进制下是左移 1 位，即在末尾补 0 即可。CS 寄存器存放段地址，IP 寄存器存放偏移地址，二者都不能被 mov 指令直接修改。

根据段地址的数学特性和实际情况，段地址和段长度需要满足：

• 段地址一定能被 16 整除
• 段长度不能超过 64KB（16 位 CPU 下， $2^{16}$ bit = 64KB）

8086CPU 的命令执行

从电脑开机，到敲下汇编代码，再到代码被 CPU 执行，大致经过了以下步骤：

1. 刚开机内存里什么也没有，8086CPU 在通电的一瞬间，硬件电路会将 CS: IP 强制设置为特定地址，其对应着一块 ROM，烧录着 BIOS。BIOS 运行后，它会去硬盘的引导扇区作引导（如 MBR/GPT 引导），从而启动操作系统。
2. 假如只有两条指令，分别是 mov ax,1 和 add ax,1，汇编编译器会把这些代码翻译成机器码，之后打包成可执行文件，存放在硬盘中。当运行这个程序时，操作系统在内存中开辟一块空间，把机器码复制到这片空间里，给出第一条指令的位置。最后，操作系统强行将 CS 和 IP 的值修改为第一条程序的起始地址。
3. CPU 从 CS: IP 指向的内存单元读取指令，读取的指令进入指令缓冲器。
4. 自动计算所读取指令的长度，IP 移位到下一条指令的位置，指向下一条指令。注意，IP 移动是先于指令执行的。这种设计避免了跳转指令（如 JZ）导致的地址错乱，也提升了 CPU 的运行效率。
5. 执行指令，转到步骤 3，重复这个过程。

修改 CS、IP 的指令

前面提到，mov 指令不能用来修改 CS 和 IP 寄存器。若想修改，可以使用 jmp 指令。如果想同时修改 CS 和 IP，可用形如 jmp 段地址:偏移地址 的指令完成。若只想修改 IP，可以先给某个通用寄存器（如 ax）赋值，再用 jmp ax 来跳转到指定的地址。但是计算地址太麻烦，这个时候可以使用转向标号的方法：

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mov ax,0     ; 初始化寄存器ax
jmp s        ; 执行jmp后，IP寄存器已经被修改到s指令的地址了
add ax,1     ; 这条指令不会被执行
s: add ax,2  ; 直接执行这条指令

为什么 jmp s 在前，而 s: add ax,2 在后？这种现象被称为 前向引用。汇编器在阅读这段代码时，会先选择性忽略 s 的具体内容。直到读到 s 代表的指令后，汇编器将地址偏移计算完毕，再在第二遍扫描中把 s 的偏移填进去，类似于 python 的 new_list = [2*x for x in list]，其中 2*x 也是对 x 的前向引用。

运行汇编程序

我用的是 VSCode 的扩展插件 MASM/TASM 和 x86 and x86_64 Assembly。

让 AI 写一段 hello world：

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; 告诉编译器将段寄存器和逻辑段关联起来
assume cs:code, ds:data

; 1. 定义数据段
data segment
    ; 定义字符串，'$' 是 DOS 09H 功能的结束符
    msg db 'Hello, World!', '$' 
data ends

; 2. 定义代码段
code segment
start:
    ; 初始化 DS 寄存器 (不能直接 MOV DS, data)
    mov ax, data
    mov ds, ax

    ; 调用 DOS 中断的 09H 功能：显示字符串
    ; 要求：DS:DX 指向字符串首地址
    mov dx, offset msg  ; 获取字符串在段内的偏移地址
    mov ah, 09h         ; 09h 功能号表示“显示字符串”
    int 21h             ; 引发 21h 号中断

    ; 调用 DOS 中断的 4CH 功能：退出程序
    mov ah, 4ch         ; 4ch 功能号表示“返回 DOS”
    int 21h
code ends

; 程序结束，并指定入口标号为 start
end start

运行出来是这样的：

（真是老东西了）