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汇编程序与代码块装载
为了使用汇编语言,必须熟悉CPU和寄存器,还需要掌握CPU的寻址方式。
为了利用NASM进行PC机的汇编语言编程,需要熟悉x86的指令集和NASM汇编程序的若干附加指令。
在x86 CPU的实模式下,在使用汇编语言编写的低级代码中,所有的I/O操作(如显示字符和字符串、读入键盘按键、读写磁盘数据等)都是通过调用系统的BIOS(Basic Input Output System,基本输入输出系统)来完成的。
计算机在启动时,因为系统自动装入的引导模块太小(只有一个扇区,512个字节),一般只能包含装载操作系统启动程序的代码,而启动程序本身的代码,则必须放在磁盘的其他地方。至于操作系统的大量代码,一般用C语言和汇编语言混合编写,保存为磁盘文件后,再由启动程序装载入内存。
DOS和Windows的COM可执行文件简单小巧,可用于引导代码的运行测试。
为了调试我们编写的汇编语言程序,可以使用传统小巧的实模式调试工具debug。
这次实验,我们先介绍CPU及其寄存器和寻址方法;再给出常用的x86指令和NASM汇编程序的常用附加指令;接着列出几个常用的BIOS中断及其调用方法;然后编写一个读入按键并回显字符到屏幕的小汇编程序MY-OS,并将其作为简单的启动程序例,把其代码放到第二个物理扇区,再编写装载此代码块的汇编程序放到引导扇区;接着介绍COM可执行文件的生成和使用,最后简介实模式调试工具debug的基本使用方法。
1 CPU和指令
CPU(Central Processing Unit,中央处理器/单元/部件)为一种(用超大规模集成电路制造的)微处理器芯片,是计算机的核心硬件,其他的硬件都是直接或间接的由CPU操控的。操作系统与计算机硬件的接口就是CPU的指令集。每一种CPU都有自己的指令集,本节主要介绍x86 CPU及其常用指令。
1.1 x86和x64 CPU
PC机和Mac机所使用的x86和x64系列CPU,由Intel/AMD公司制造,都属于CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机)微处理器,指令数目多且复杂、各种指令的字长也不相等、寻址方式多且麻烦。而RISC(Reduced Instruction Set Computer,精简指令集)微处理器的指令数目少、寻址方式简单、更容易实现、指令并行执进程度更好、编译器的效率更高,常见的RISC微处理器有ARM(嵌入式设备[如智能手机和平板电脑]通用)、PowerPC(IBM/Apple)、SPARC(Sun)、PA-RISC(HP)、MIPS(龙芯)等。
Intel公司的x86和x64系列CPU的基础是16位的8086、32位的80386和64位的奔腾(Pentium),所有Intel的x86和x64 CPU都是向下兼容的,如酷睿(Core)兼容奔腾、奔腾兼容80486、80486兼容80386、80386兼容80286、80286又兼容8086。
Intel公司在HP的帮助下于2001年6月开发出了全新的64位CPU 安腾(Itanium),采用了与x86不兼容的IA-64架构,使用了比RISC更先进的一种VLIW(Very Long Instruction Word,超长指令字)技术——EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing,显式并行指令运算),允许处理器在一个周期内执行多条指令。虽然安腾(尤其是安腾2)性能优越,但是由于价格昂贵,应用软件缺乏(因为与x86不兼容),现在已经到了消亡的边缘。而AMD公司2003年4月推出的与x86兼容的AMD64(x86-64)架构的64位CPU却大获成功,Intel公司也只好于2004年6月开始推出(山寨的)类似架构Intel 64(IA-32e/EM64T)的64位CPU——奔腾和酷睿系列。现在一般把AMD64和Intel 64统称为x64,都与16位和32位的x86系列CPU兼容。
1.2 CPU的构成
8086 CPU的简化模块框图典型的CPU由(处理信息的)运算器、(控制各部件工作的)控制器、(存储数据的)寄存器等部件构成,这些部件由(连接各部件,并在它们之间传送数据和信息的)内部总线相连。
8086 CPU的简化模块框图
ALU:算术
ALU:算术
与逻辑部件
CU:控制部件
FLAGS:标志寄存器
EU:执行部件
BIU:总线接口部件
AH | AL
BH | BL
CH | CL
DH | DL
SP
BP
SI
DI
程序控制
CS
DS
SS
ES
通用寄存器
总线
控制部件
总线
IP:指令指针寄存器
指令队列
1
2
…
n
段寄存器
8086
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