汇编语言：基于x86处理器考前笔记 | 第一章 基本概念、第二章

本系列文章是本人关于汇编语言：基于x86处理器期末复习笔记；仅供学习参考；（本人cqupt软工生，欢迎学弟学妹阅读学习）

1.1 欢迎来到汇编语言的世界

• 工具介绍:
  • 汇编器: 将汇编语言源程序转换为机器语言。
  • 链接器: 将汇编器生成的文件组合成可执行程序。
  • 调试器: 运行时单步执行程序，检查寄存器和内存状态。
• MASM 程序类型:
  • 32位保护模式: 适用于所有 32 位和 64 位 Windows 系统。
  • 64位模式: 适用于所有 64 位 Windows 系统。
  • 16位实地址模式: 适用于 32 位 Windows 和嵌入式系统 (64 位 Windows 不支持)。

1.1.1 读者可能会问的问题

• 背景知识: 结构化高级语言编程经验。
• 汇编器和链接器: 将源程序转换为机器语言和可执行程序。
• MASM 程序类型: 32位保护模式、64位模式和 16位实地址模式。
• 汇编语言与机器语言: 一对一关系，每条汇编指令对应一条机器指令。
• 汇编语言与 C++/Java: 一对多关系，高级语言语句会扩展为多条汇编指令。
• 汇编语言可移植性: 针对特定处理器系列，不可移植。
• 学习汇编语言的原因:
  • 嵌入式系统编程，内存占用少
  • 实时应用程序，精确定时和响应
  • 电脑游戏优化，减少代码大小和加快执行速度
  • 计算机软硬件理解，位控制
  • 设备驱动程序开发
• 汇编语言规则: 基于处理器和机器语言的物理局限性，规则较少，但调试复杂。

1.1.2 汇编语言的应用

• 高级语言: 适用于大型应用程序，可移植性好。
• 汇编语言: 适用于嵌入式系统、电脑游戏、硬件驱动程序等需要直接访问硬件的应用程序。
• C/C++: 平衡高级结构和底层细节，可移植性较差。

1.1.3 本节回顾

1. 汇编器和链接器是如何一起工作的？
   ○ 汇编器：将汇编语言源程序转换为机器语言目标代码。
   ○ 链接器：将多个目标代码文件组合成一个可执行程序，并解决程序中不同模块之间的符号引用。
   ○ 调试器：在程序运行时，单步执行程序并检查寄存器和内存状态，帮助程序员查找和修复错误。
2. 学习汇编语言如何能提高你对操作系统的理解？
   ○ 汇编语言允许你直接访问计算机硬件和操作系统提供的底层服务，例如中断处理程序和系统调用。
   ○ 通过学习汇编语言，你可以更好地理解操作系统如何管理内存、处理进程和线程，以及执行系统调用。
3. 比较高级语言和机器语言时，一对多关系是什么意思？
   ○ 在高级语言中，一条语句可以转换为多条机器语言指令，这称为一对多关系。
   ○ 例如，C++中的一条赋值语句可能会被转换为几条汇编指令，这些汇编指令再被转换为机器语言指令。
4. 解释编程语言中的可移植性概念。
   ○ 可移植性是指程序能够在不同的计算机系统上运行，而无需进行重大修改。
   ○ 高级语言通常具有良好的可移植性，因为它们使用标准化的语法和语义，而汇编语言的可移植性较差，因为它依赖于特定的处理器架构。
5. x86处理器的汇编语言与Vax或Motorola 68x00等机器的汇编语言是一样的吗？
   ○ 不一样。不同的处理器架构具有不同的指令集，因此它们的汇编语言也不同。
6. 举一个嵌入式系统应用程序的例子。
   ○ 汽车发动机控制系统：监控发动机状态并调整燃油喷射量和点火时间。
7. 什么是设备驱动程序？
   ○ 设备驱动程序是一种程序，它将通用操作系统指令转换为对硬件细节的具体引用，例如打印机的驱动程序。
8. 汇编语言和C/C++语言中的指针变量类型检查，哪一个更强(更严格)？
   ○ 汇编语言没有指针变量类型检查，而C/C++语言具有严格的指针变量类型检查。
9. 给出两种应用类型，与高级语言相比，它们更适合使用汇编语言。
   ○ 实时系统：需要精确定时和快速响应的系统，例如飞机控制系统。
   ○ 性能关键的应用程序：需要最大性能的系统，例如游戏引擎。
10. 编写程序来直接访问打印机端口时，为什么高级语言不是理想工具？
    ○ 高级语言通常不提供对硬件端口的直接访问，而汇编语言可以访问所有内存地址和硬件端口。
11. 为什么汇编语言不常用于编写大型应用程序？
    ○ 汇编语言编写和维护困难，代码难以阅读和理解，且可移植性差。
12. 挑战：参考本章前面给出的例子，将下述C++表达式转换为汇编语言：X=(Y*4)+3。
    mov eax, Y ; 将 Y 的值移动到 EAX 寄存器
    shl eax, 2 ; 将 EAX 寄存器的值左移 2 位，相当于乘以 4
    add eax, 3 ; 将 EAX 寄存器的值加 3
    mov X, eax ; 将 EAX 寄存器的值移动到 X

• 虚拟机: 模拟其他计算机功能的软件程序，用于简化程序开发。
• 虚拟机层次: 【记忆】
  • Level 1: 汇编语言
  • Level 2: 指令集架构 (ISA)
  • Level 3: 数字逻辑硬件
• JVM: Java 虚拟机，使 Java 程序能够在各种计算机上运行。

1.3 数据表示

• 数制系统: 二进制、八进制、十进制、十六进制。
• 二进制整数: 由 0 和 1 组成，可表示有符号和无符号整数。
• 无符号二进制整数: 每位表示 2 的幂，从 LSB 到 MSB。
• 二进制加法: 位对位加法，进位传递到更高位。
• 整数存储大小: 字节、字、双字、四字、八字。
• 十六进制整数: 每个十六进制数字表示 4 位二进制位。
• 有符号二进制整数: 使用补码表示，最高位为符号位。
• 字符存储: 使用字符集将字符映射为整数，如 ASCII、ANSI、Unicode。
• ASCII 字符串: 以空字节结束的字符序列。

1.4 布尔表达式

• 布尔代数: 定义一组操作，其值为真或假。
• 布尔运算符: 非 (NOT)、与 (AND)、或 (OR)。
• 布尔函数: 接收布尔输入，生成布尔输出。
• 真值表: 展示布尔函数所有可能的输入和输出。【之前考到了】
• 运算符优先级: NOT > AND > OR

本节回顾

问题 1： 描述布尔表达式 ¬X∨Y。

答案： ¬X∨Y 表示 X 为假或 Y 为真。当 X 为假时，无论 Y 的值如何，表达式都为真；当 X 为真时，只有 Y 为真时，表达式才为真。

问题 2： 描述布尔表达式 (X∧Y)。

答案： (X∧Y) 表示 X 和 Y 都为真。只有当 X 和 Y 都为真时，表达式才为真；否则，表达式为假。

问题 3： 布尔表达式 (T∧F)∨T 的值是什么？

答案： (T∧F)∨T = F∨T = T。因为 T 与任何值进行或运算都为真。

问题 4： 布尔表达式 ¬(F∨T) 的值是什么？

答案： ¬(F∨T) = ¬T = F。因为 T 的否定为假。

第二章

1. x86处理器架构

• 基本微机设计:
  • 中央处理单元 (CPU) 作为核心，负责执行指令和数据处理。
    • 寄存器作为高速存储位置，用于存储数据和指令。
    • 时钟用于同步CPU内部操作和系统其他组件。
    • 控制单元协调指令执行步骤。
    • 算术逻辑单元 (ALU) 执行算术和逻辑运算。
  • 总线用于数据传输，包括数据总线、I/O总线、控制总线和地址总线。
• 指令执行周期: 指令执行经历取指、译码和执行三个步骤。
• 读取内存: CPU通过地址总线访问内存，将指令和数据传输到寄存器进行处理。
• Cache存储器: 为了提高内存访问速度，CPU内部集成了Cache存储器，用于存储近期使用过的指令和数据。命中与未命中
• 加载并执行程序: 操作系统将程序文件加载到内存，并设置CPU指向程序的入口地址，从而开始执行程序。

本节回顾

1. 中央处理单元(CPU)包含寄存器和哪些其他基本部件？
   CPU 包含以下基本部件：

• • 寄存器： 用于存储数据和指令的高速存储位置。
  • 算术逻辑单元(ALU): 执行算术运算（如加法和减法）和逻辑运算（如 AND、OR 和 NOT）。
  • 控制单元(CU): 协调指令执行的步骤序列。
  • 时钟： 同步 CPU 内部操作和系统其他组件。

2. 中央处理单元通过哪三种总线与计算机系统的其他部分相连？
   CPU 通过以下三种总线与计算机系统的其他部分相连：

• • 数据总线： 在 CPU 和内存之间传输指令和数据。
  • I/O 总线： 在 CPU 和系统输入/输出设备之间传输数据。
  • 地址总线： 用于保持指令和数据的地址。

3. 为什么访问存储器比访问寄存器要花费更多的机器周期？
   访问存储器比访问寄存器要花费更多的机器周期，因为：

• • 从内存读取一个值需要经过多个步骤，包括设置地址、发送读取信号、等待响应等。
  • CPU 和内存之间存在速度差异，需要等待内存准备数据。
  • 与 CPU 寄存器相比，内存的访问速度较慢。

4. 指令执行周期包含哪三个基本步骤？
   指令执行周期包含以下三个基本步骤：

• • 取指(Fetch): 从内存读取指令到指令队列，并更新指令指针。
  • 译码(Decode): 对指令的二进制位模式进行译码，确定指令的操作和操作数。
  • 执行(Execute): 使用操作数执行指令，并更新状态标志位。

5. 指令执行周期中，如果用到存储器操作数，则还需要哪两个步骤？
   如果用到存储器操作数，指令执行周期还需要以下两个步骤：

• • 读取操作数： 从内存读取操作数到寄存器。
  • 存放结果： 将指令执行结果写回内存。

2. 32位x86处理器

• 操作模式: x86处理器支持保护模式、实地址模式、系统管理模式、虚拟8086模式。
• 基本执行环境:
  • 地址空间: 32位保护模式下，程序最大可以寻址4GB的线性地址空间。
  • 基本程序执行寄存器: 包括8个通用寄存器、6个段寄存器、EFLAGS（状态标志）寄存器和EIP（指令指针）寄存器。
    • 通用寄存器的特殊用法：【记忆】
      • EAX (累加器):
      • 默认的乘除法操作数寄存器。
      • 程序返回值寄存器。
        ECX (计数器):
      • 默认的循环计数器寄存器。
      • 字符串操作指令的计数寄存器。
        EDX (数据):
      • 默认的除法操作数寄存器。
      • 输入输出操作中的数据寄存器。
        EBX (基址):
      • 常用于存储基址，例如数组或结构的基地址。
      • 在堆栈操作中，有时用于临时存储值。
        ESP (堆栈指针):
      • 指向堆栈顶部，用于堆栈操作。
      • 通常不用于一般的算术运算和数据传输。
        EBP (基址指针):
      • 常用于存储函数的基址指针，用于访问函数参数和局部变量。
      • 也称为帧指针，用于跟踪堆栈帧。
        ESI (源索引):
      • 字符串操作指令中的源索引寄存器，指向源字符串的当前字符。
      • 也称为源变址寄存器。
        EDI (目的索引):
      • 字符串操作指令中的目的索引寄存器，指向目的字符串的当前字符。
      • 也称为目的变址寄存器。
  • MMX寄存器: 用于SIMD指令，对数据进行并行操作。
  • XMM寄存器: 用于SIMD流扩展指令集。
  • 浮点单元: 执行浮点算术运算。
• x86内存管理: x86处理器根据操作模式管理内存，包括实地址模式和保护模式。

1. x86 处理器的 3 个基本操作模式是什么？

• • 保护模式 (Protected Mode): 处理器的原生状态，支持所有指令和特性，并提供内存保护机制。
  • 实地址模式 (Real-Address Mode): 模拟早期 Intel 处理器的编程环境，可以直接访问系统内存和硬件设备。
  • 系统管理模式 (System Management Mode): 向操作系统提供实现电源管理和系统安全等功能的机制。

2. 给出 8 个 32 位通用寄存器的名称。

• • EAX
  • EBX
  • ECX
  • EDX
  • ESI
  • EDI
  • EBP
  • ESP

3. 给出 6 个段寄存器的名称。

• • CS (代码段)
  • SS (堆栈段)
  • DS (数据段)
  • ES (附加数据段)
  • FS
  • GS

4. ECX 寄存器的特殊用途是什么？

• • 默认的循环计数器寄存器。
  • 字符串操作指令的计数寄存器。

3. 64位x86-64处理器

• 64位操作模式: x86-64架构引入了IA-32e模式，包括兼容模式和64位模式。
• 基本64位执行环境:
  • 通用寄存器: 64位模式下，有16个64位通用寄存器，可以使用REX前缀扩展操作数大小。
  • 状态标志寄存器: 64位模式下，EFLAGS寄存器被RFLAGS寄存器取代，但只使用低32位。
  • 指令指针寄存器: 64位模式下，EIP寄存器被RIP寄存器取代。
  • 特殊寄存器: 64位模式下，MMX和XMM寄存器数量增加，用于多媒体处理。
    4. 典型x86计算机组件
• 主板: 集成了CPU、芯片组、内存、I/O接口和扩展插槽等组件。
• 芯片组: 一组处理器芯片，负责连接CPU和其他系统设备，并提供各种功能。
• 内存: 包括ROM、EPROM、DRAM、SRAM、VRAM和CMOS RAM等类型，用于存储程序和数据。
• I/O端口: 用于连接外部设备，例如并行端口、串行端口和USB端口。
• 通用设备接口: 例如PCI和PCI Express总线，用于连接各种设备。
  5. 输入输出系统
• I/O访问层次: 应用程序通过调用库函数、操作系统函数、BIOS函数或直接访问硬件端口来实现I/O操作。
• 设备驱动程序: 允许操作系统与硬件设备直接通信。
• 多层次编程: 汇编语言程序可以选择不同的I/O访问层次，以实现不同的控制级别和可移植性。
  总结:
  本章介绍了x86汇编语言背后的硬件基础，包括CPU架构、内存管理、I/O系统等。理解这些概念对于编写高效的汇编代码至关重要。