微机原理与系统设计笔记3 | 8086cpu指令系统

标签：指令系统 DST MOV 微机 寻址 指令 寄存器 8086cpu BX

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• 打算整理汇编语言与接口微机这方面的学习记录。本部分介绍8086的指令系统（一些与程序设计密切相关的如子程序调用指令放在下一部分）。

• 参考资料

  • 西电《微机原理与系统设计》周佳社
  • 西交《微机原理与接口技术》
  • 课本《汇编语言与接口技术》王让定
  • 小甲鱼《汇编语言》

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1. 汇编语言指令

1.1 8086汇编语言程序中语句种类

1. 指令语句

   汇编后翻译为二进制代码，CPU可以执行的语句。

2. 伪指令语句

   CPU并不直接执行的语句，如上一篇笔记中提到的DD和DB。

3. 宏指令语句

   8086指令系统中没有的指令，是由用户使用宏指令定义伪指令来自定义的新指令。

1.2 汇编语言中语句的组成

（变量名、标号名：） 助记符 操作数 ;注释

• 变量名、标号名不一定有，两者都代表一个地址。
• ;后的是注释，不参加汇编过程，相当于C语言中的"//"
• 这部分不重要，老师只是在讲汇编的大体印象。

1.3 汇编语言中的常数及表达式

突然感觉还是这门课虽然评价很高，但还是一种知识清单式的讲解...

• 常数
  • 十进制常数、十六进制常数、字符常数、字符串常数、？（随机数）
• 表达式
  • 操作符—算术操作符、逻辑操作符、关系操作符、属性操作符、其他操作符
  • 这里有个汇编过程进行的计算和CPU执行的计算，挺好分辨的，前者就好是简单的计算式，后者需要CPU结构。

1.4 标号、变量与伪指令

标号在指令语句左侧，代表指令的地址，常用于指令跳转。

• 标号一旦定义，三个属性：

  • NEXT:
    	......
    	JZ NEXT
    

    这里的NEXT就是标号。

  • 标号有三个属性（或者说信息）：

    1. 段地址属性SEG

    2. 偏移地址属性OFFSET

       前两者加起来其实就是标号代表此处的地址（16位），但是实际上经常会分别单独获取两个属性，比如获取偏移属性

       MOV BX,OFFSET NEXT
       

    3. 类型TYPE

       有两种，NEAR近程（段内转移，值为-1）和FAR远程（段间转移，值为-2）

       虽说TYPE有值，但是是在汇编过程中根据程序跳转的种类赋予的，自己写代码获取type值就并没有意义。

• 变量定义伪指令

  DB 定义字节型变量，DW 定义字型变量，DD 双字型变量

  • 变量定义后，具有5个属性

    1. 段地址 SEG
    2. 段内偏移地址（经常使用，OFFSET）
    3. 类型（DB=1，DW=2，DD=4，字节数）TYPE
    4. 长度 LENGTH
    5. 大小 SIZE

  • 在MASM汇编器中有一个$ 16位的位置计数器，在汇编过程中指向存储的位置。应用举例：

    DATA1 DB 0CH,12H
    DATA2 DW $+2
    

    这里存储空间由低到高分别是0CH,12H和两字节的$+2，其值为0004H（高字节地址空间为00H，低字节为04H）

  • 一个注意事项——用变量定义来定义字符串时：

    • DB定义的字符串可以在存储器允许范围无限扩充

    • DD和DW定义字符串，单引号之间最多两个字符。

    • 字符数据定义举例：

      DATA1 DB 'this'
      ;在存储器中为 't' 'h' 'i' 's'
      DATA2 DW 'AB'
      ;在存储器中为 'B' 'A
      ;这是因为前者是字节型，没有高低8位之分
      

  • 用变量定义变量：

    DATAX DW DATA1
    ;也就是这个字单元存放DATA1的偏移地址
    

  • DUP操作符：重复操作符，允许嵌套

    ;常规
    DATA5 DB 4 DUP(?)
    ;嵌套：课本P87-1.4
    BUF1 DB 7 DUP(5 DUP(55H), 10 DUP(F0H))
    

    表示4个字节单元（重复4次），其中的值是随机的。

  • 长度：在变量定义语句中，定义的变量的个数。如果出现DUP这种，最外层DUP左侧的数字就是个数，比如上面的嵌套就是7。

  • 大小属性:所有变量所占的总的字节数。SIZE=TYPE*LENGTH

• 属性操作符和 PTR 操作符

  • 属性操作符就是上面提到了的 SIZE TYPE LENGTH SEG OFFSET这些，不多介绍了。

  • PTR用于类型转化，是属性临时修改操作符（仅在PTR作用的语句中发生类型转换）。例子：

    ;例子1
    MOV AX,DATA1;这不对，因为AX16位，DATA1是8位,所以应当转换为字变量：
    MOV AX, WORD PTR DATA1
    ;例子2
    MOV [BX],10H;这不对，因为不确定DS:BX对应的存储内容是什么形式的变量，有可能不匹配，汇编器不知道如何处理10H。
    MOV BYTE PTR [BX],10H
    

2. 8086指令分类

《微机原理与接口技术》P31，这部分属于查表。

• 数据传送类指令
• 算术运算类指令
• 逻辑运算类指令
• 移位类指令
• 标志位操作指令
• 转移指令
  • 有条件转移
  • 无条件转移
• 循环控制指令
• 子程序调用和返回指令
• 中断调用返回指令
• 字符串操作指令
• 输入输出指令
• 其他指令
• 宏指令

3. 数据与转移地址的寻址方式

这部分很熟悉了，这是指令集在设计之初决定的寻找操作数的方法。

3.1 数据寻址方式

• 立即数寻址

  • MOV AX,1234H
    MOV WORD PTR [0200H],56H
    ;类型要明确:一方明确，双方都明确
    

    立即数只能做源操作数，且只能传送给存储器和通用寄存器，不能直接给段寄存器。

• 寄存器寻址

  • MOV AX,DX
    

    源寄存器和目的寄存器的类型要一样。

  注意事项

  1. 立即数不能直接放到段寄存器DS,SS等。
  2. CS IP不能当目的操作数。
  3. 堆栈必须按字操作

• 存储器寻址

  要寻找的操作数在存储器中。

  存储单元的段内偏移地址，又有五种方式给出

  1. 直接：

     如MOV AL,[2000H]，注意这里不需要PTR。实际使用过程中经常使用MOV AL,DATA1也就是变量来直接寻址。

     • 存储单元之间不能互相直接操作数据。如果将data2处数据放到data1，需要AL这种通用寄存器来过渡。

     • 此外，寄存器->data1，需要考虑类型匹配：

       MOV DATA1,AX;错误
       MOV WORD PTR DATA1，AX;正确
       

  2. 寄存器间接寻址：

     只能用BX,SI,DI，如[BX]，具体语句：

     MOV BX, OFFSET DATA1
     MOV AL,[BX]
     

     同理，寄存器间接寻址也存在一个类型问题：

     MOV [BX],12H;×
     MOV BYTE PTR [BX],12H
     

  3. 寄存器相对寻址：

     BX BP SI DI + 8/16位偏移

     (有效地址的一部分在寄存器中），如[BX]+1这里的1是指偏移一个字节（一个存储单元）。等效为：[BX]+3和3[BX]

     这里BP默认是在SS段。用于不破坏栈顶指针的相对寻址栈中元素（也就是不出栈）。

     这里老师又融会贯通了：

     MOV DATA1[BX],AL
     ;等效为 OFFSET DATA1+(BX),此时段寄存器取决于DATA1定义在的段，如果data1在DS段，则应为
     ;DS:OFFSET DATA1+(BX)<--AL
     ;也即，如果偏移disp是一个变量，那么就取它的OFFSET
     

  4. 基址 变址寻址：

     基址寄存器：BX BP； 变址寄存器： SI DI。

     如：[BX][SI]

     同理，BX默认DS，BP默认SS。

  5. 基址变址且相对寻址：

     3、4两种的组合。

• 隐含寻址

  • 隐藏目的操作数或源操作数的寻址方式，指令集默认指定。

3.2 转移地址寻址方式

• 段内转移

  只有IP发生变化。有两种寻址方式：

  • 段内直接寻址

    直接给出转移到的地址，这里还有一些细致的情况划分（但也合乎情理），老师讲解了三字节指令跳转和两字节指令跳转（这跟寻址范围有关）。

    这里提了一下短寻址，段内短寻址，意思是jmp到的目标地址并不在jmp前，而在jmp后，但程序设计者能够保证目标地址在当前ip后的127字节之内，此时可以用jmp short DST来寻址该指令后面的目标地址。而此时由于设计者保证其距离不超过127字节，所以此时这个指令语句仍为2字节，否则为3字节：

    • -128~0之内：2字节段内寻址
    • \(-2^{15}\) ~ -128, +127 ~ \(2^{15}-1\)：3字节段内寻址
    • 0~127且有short短跳转标记：2字节段内寻址。

    

    CPU如何计算转移的目标地址：转移位置的IP = 当前IP + DISP

    DISP就在操作码后，区别是DISP放在一个字节里还是两个字节里。

    1. 8086指令系统中，所有的条件转移指令，只能在段内转移，且转移范围为当前IP为基准，范围为+128~-127；可以使用无条件转移指令搭桥，实现二级转移，达到更大范围的转移。
    2. 所有的条件转移指令，都是直接寻址。

  • 段内间接寻址

    使用寄存器或者存储单元来存放段内地址。

    MOV BX OFFSET L2;
    JMP BX;
    ...
    L2:...
    
    ;;;;或者
    TABLE DW L2
    JMP TABLE
    ;或者L2先放到BX里再放到TABLE里再jmp
    ;此例一开就跟前面接起来了，方式就多了去了
    MOV BX,OFFSET TABLE
    JMP WORD PTR [BX]
    

• 段间转移

  8086不涉及，不过我记得386就涉及了，但我们老师也说非重点，先不操心这个了。

4. 传送类指令

1. 除了标志传送指令SHAF和堆栈操作指令POPF外，其余传送指令不影响状态标志。
2. 语法规则：
   1. 立即数只能做源操作数
   2. 类型要一致
   3. 类型要明确
   4. DS SS ES 做目的操作数时，立即数不能做源操作数
   5. CS、IP不能做目的操作数
   6. 两存储器单元之间不能互相操作，指令语句中两变量也不能直接运算

4.1 通用传送指令

MOV DST,SRC

4.2 取有效地址指令

LEA REG16，MEM
;将源操作数的有效地址放到16位寄存器中，为了方便使用，REG16最好使用BX BP SI DI
MOV BX,OFFSET DATA1
;等价于下面
LEA BX,DATA1

;但要与下面这个语句区分开
MOV BX,DATA1;这个意思是将DATA1处内容放到BX
;此时data1处类型不明确，所以
MOV BX,WORD PTR DATA1

4.3 取地址指针指令

不是很常用。

LDS REG16,MEM
;将双字变量MEM内容高16位放入DS，低16位放入REG
LES REG16,MEM
;将双字变量MEM内容高16位放入ES，低16位放入REG

注意，这里的REG不能是段寄存器，放几个合法的实例：

TABLE DB 10H,20H
POINT1 DD 02001000H
POINT2 DD TABLE

LDS DI,POINT1
;DS<-0200H,DI<-1000H
LES SI,POINT2
;ES<-TABLE段地址,SI<-TABLE偏移地址
LDS BX,[SI]
LES DI,[BX-5]

4.4 标志传送

LAHF;(AH)<--PSW寄存器的低8位
SAHF;PSW寄存器的低8位-->(AH)

隐含寻址了，因为默认指定。

4.5 数据交换指令

XCHG DST,SRC

可以完成两个操作数之间的数据交换：

• 不能使用段寄存器
• 不能完成存储器单元之间交换

4.6 字节转换

XLAT;(AL)<- (DS: (BX)+(AL) )
;将有效地址为 (BX)+(AL)存储单元的内容放入AL，如果输入AL，输出AL就是转换后的结果，这就是按字节转换：
MOV AL,4
LEA BX,TABLE
XLAT
;完成的工作就是将AL的内容4改为TABLE中的偏移量为4处的内容，相当于查表了。

4.7 堆栈操作

PUSH SRC;
POP DST;
PUSHF;
POPF;
;必须按字操作

5. 算术运算类指令

• CPU执行运算类指令，就会影响状态寄存器
• 段寄存器不能参加运算。

5.1 加法指令

有三种。

ADD DST,SRC; DST<--DST+SRC
ADC DST,SRC; DST<--DST+SRC+CF
;ADD和ADC均影响6个标志位
INC DST;DST增1，放到DST
;根据结果设置除了CF以外的5个状态标志,一定注意

一个例子，不想打字了，是老师讲过的双字变量如何相加（当时在学校没有好好听）。

5.2 减法指令-跳转指令

有5条。

SUB DST,SRC; DST<--(DST)-(SRC)
SBB DST,SRC; DST<--(DST)-(SRC)-CF
;SUB和SBB均影响6个标志位
DEC DST; DST-1放回DST
;根据结果设置除了CF以外的5个状态标志
CMP DST,SRC ;DST-SRC，结果不放回，直接设置状态寄存器，常用于比较-条件-跳转

这个CMP单说没什么意思，它总是配合跳转指令形成if-else的汇编语块：

表里指令太多，基本上常用的也就JZ 。后面的JA/JNBE是无符号数的高低比较。JG/JNLE是有符号数的高低比较。

最后一条减法指令是求负指令

NEG DST;取负并设置6个状态寄存器

5.3 乘法指令

;无符号数乘法：
MUL SRC
;有符号数乘法：
IMUL SRC
;SRC不能是立即数

• 如果SRC字节型，DST在AL中，两者运算结果放在AX中（AH:AL）
• 如果SRC字型，DST在AX中,两者运算结果放在DX:AX中
• 无符号数乘法只影响CF OF，如果CF OF同为0，则高位为0（AH或DX）；相反同为1，高位有有效积。
• 有符号乘法如果CF OF同为0，则高位积无效（AH或DX），也即高位是低位的符号扩展：如果AL符号为负，则AH为8个1。同为1，高位有有效积。

5.4 除法指令

; 无符号除法
DIV SRC
; 有符号除法
IDIV SRC

• SRC不能是立即数
• 无符号字节除法：DST是AX，运算结果的高低位分别放到AL和AH中。
• 无符号字除法：DST高低位分别放在DX AX，运算结果的高低位分别放在DX AX。
• 有符号数除法：余数正负与被除数相同。商正常运算，结果放到的位置与上述相同。

5.5 符号扩展指令

在一些运算中，为了使类型一致而设计的指令，比如a*b+c，a乘以b之后就32位，c需要扩展。

CBW ;AL扩展到AX中，AH是AL符号位的扩展
CWD ;AX扩展到DX中，DX是AX符号位的扩展

5.6 BCD数调整指令

这部分我是不太熟悉的，老师不是很常提这个，BCD以及组合BCD、分离BCD，见笔记1的3.6节。

• 加法BCD数调整

  ;加法组合BCD码调整
  DAA
  ;加法分离BCD码调整
  AAA
  

  都是对 AL 进行调整。

  举例：56+73=129

  ; 组合
  MOV AL,56H ;01010110
  ADD AL,73H ;01110011
  ;现在结果：C9H 1100 1001
  DAA ;组合加法BCD码调整
  ; 1 0010 1001;也就是129
  

  分离BCD的例子：

  

  分离BCD 的调整比 组合BCD 麻烦。

  此外，解释一下AAA(ASCII Adjust for Addition)，为什么会有ASCII呢？原因就是上面图中的第二步：ASCII的'4'和'8'相较于04H和08H的区别在于高四位的末两位为1，相加之后高4位为0110，而第二步仍然清0，然后第三步就与上图一致。

• 减法BCD数调整

  ;减法 组合BCD调整：
  DAS ;有借位则-6
  ;减法 分离BCD调整：
  AAS
  

  例子：

  

• 乘法分离BCD码调整

  AAM ;对MUL的运算结果进行调整
  ;只影响ZF SF
  

  例子在课本3.18，不贴了，理解就行。

• 除法分离BCD码调整

  AAD ;除法分离BCD码，先调整后运算DIV
  ; AH*10 + AL --> AX
  

6. 逻辑运算指令

• CPU执行运算类指令，就会影响状态寄存器
• 段寄存器不能参加运算。

1. 逻辑与指令

   AND DST,SRC
   

   CF=0,OF=0,其余状态位正常设置

2. 逻辑或指令

   OR DST,SRC
   

   CF=0,OF=0,其余状态位正常设置

3. 异或运算

   XOR DST,SRC;
   

   CF=0,OF=0,其余状态位正常设置

4. 逻辑测试指令

   TEST DST,SRC
   

   两者与但结果不放回两个寄存器，仅设置状态寄存器。

5. 非运算指令

   NOT DST
   

   不影响六个状态标志

7. 移位类指令

无符号数移动就是逻辑移位，有符号数是算术移位。正常设置除AF外的5个标志。

1. 逻辑移位

   • 逻辑右移

     SHR DST,CNT
     ;cnt=1时可以写出来，如果>1则放到CL中
     

   • 逻辑左移

     SHL DST,CNT
     ;cnt=1时可以写出来，如果>1则放到CL中
     

2. 算术移位

   • 算术右移

     最高位不变，最高位移动到次高位其余位向右移动，最低位移到CF

     SAR DST,CNT
     

   • 算术左移

     最高位变了，全部位左移，最高位交给CF。

     SAL DST,CNT
     

3. 循环移位

   只影响OF，其他位不定义

   • 不带CF的

     • 左移：

       ROL DST,CNT
       

     • 右移：

       ROR DST,CNT
       

   • 带CF的循环

     • 左移

       RCL DST,CNT
       

     • 右移

       RCL DST,CNT
       

• 这个老师每个指令都要举例，刚想说循环移位有啥用，例子就给了我震撼。
• 41讲的指令系统实在太多了，吐了。

7. 标志位操作指令

重要的是CLI和STI，这个经常用，老师这里跳过了，微机里也不会使用这个的。

8. 转移指令

段内转移指令在5.2部分讲了，这里就只看段间的转移指令。

;===直接寻址:===
JMP FAR PTR ABC
...
ABC:...
;汇编成操作码(1字节)+OFFSET ABC(2字节)+SEG ABC(2字节)

;===间接寻址:===
;定义DS段
TABLE DD ABC;OFFSET ABC:SEG ABC---->地址指针
;定义代码段1
//JMP TABLE
LEA BX,TABLE
JMP DWORD PTR [BX];需要双字,包含OFFSET和SEG
;定义代码段2
ABC:...

10. 循环控制指令

• LOOP 标号

  • CX-1再放回CX，不影响标志寄存器
  • 如果CX≠0，继续跳到标号处执行，否则向下运行

  p43看完转p65，看到p67之后再转p44。

• LOOPZ(LOOPE) 标号

  • CX-1再放回CX，不影响标志寄存器

  • 若CX!=0并且ZF==1，转移到标号处

    适合在指定区域中查找不同的字符，如果找到不同的，会退出循环。

• LOOPNZ(LOOPNE) 标号

  与上一个相反，CX!=0并且ZF=0时跳转到标号，适合找指定的字符，找到则退出循环。

• JCXZ 标号

  若 CX == 0，转移，测试cx开始时是否为0.

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