汇编语言程序设计

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以下是 第二部分：汇编语言程序设计 的全面教程，涵盖以下主题：8086 指令集（数据传送、算术、逻辑和控制流指令）、汇编语言程序设计（顺序、分支和循环结构）以及中断服务程序。本教程内容详尽、易于理解且注重实践，建立在微型计算机（例如 8086/8088 架构）的基础知识之上。它假定读者已具备 CPU 寄存器和内存寻址的基本知识。

第二部分：汇编语言程序设计

汇编语言是一种低级编程语言，它提供了对微处理器操作的直接控制。对于 Intel 8086/8088，汇编语言允许程序员编写与机器代码紧密映射的指令，从而对寄存器、内存和 I/O 设备等硬件资源进行细粒度控制。

1. 8086 指令集

8086 指令集是 CPU 能够理解的一系列命令，按其功能可分为：数据传送、算术、逻辑和 控制流。每条指令都作用于寄存器、内存或立即数，并使用 8086 的寻址方式（例如，寄存器寻址、直接寻址、间接寻址）。

a. 数据传送指令

这些指令在寄存器、内存和立即数之间移动数据。

MOV（传送）：
- 语法：MOV 目标, 源
- 功能：将数据从源复制到目标。
- 示例：MOV AX, BX（将 BX 复制到 AX）；MOV AX, [1234h]（将内存地址 DS:1234h 处的数据复制到 AX）。
- 说明：不影响标志位；源和目标的大小必须相同（8 位或 16 位）。
XCHG（交换）：
- 语法：XCHG 目标, 源
- 功能：交换源和目标的内容。
- 示例：XCHG AX, BX（交换 AX 和 BX）。
PUSH（压栈）：
- 语法：PUSH 源
- 功能：将 16 位数据压入堆栈，SP 减 2。
- 示例：PUSH AX（将 AX 保存到堆栈）。
POP（出栈）：
- 语法：POP 目标
- 功能：从堆栈弹出 16 位数据到目标，SP 加 2。
- 示例：POP BX（从堆栈恢复 BX）。
LEA（加载有效地址）：
- 语法：LEA 目标, 源
- 功能：将内存操作数的地址加载到寄存器中。
- 示例：LEA BX, [SI+4]（将 DS:SI+4 的地址加载到 BX）。
IN/OUT（输入/输出）：
- 语法：IN 目标, 端口；OUT 端口, 源
- 功能：与 I/O 端口传输数据。
- 示例：IN AL, 60h（读取键盘端口）；OUT 61h, AL（写入扬声器端口）。

b. 算术指令

这些指令执行数学运算，并根据结果更新标志位（例如 ZF、CF、SF、OF）。

ADD（加法）：
- 语法：ADD 目标, 源
- 功能：将源加到目标，结果存储在目标中。
- 示例：ADD AX, BX（AX = AX + BX）。
SUB（减法）：
- 语法：SUB 目标, 源
- 功能：从目标中减去源。
- 示例：SUB CX, 10（CX = CX - 10）。
INC（递增）：
- 语法：INC 目标
- 功能：将目标加 1。
- 示例：INC BX（BX = BX + 1）。
DEC（递减）：
- 语法：DEC 目标
- 功能：将目标减 1。
- 示例：DEC CX（CX = CX - 1）。
MUL（无符号乘法）：
- 语法：MUL 源
- 功能：将 AL（8 位）或 AX（16 位）与源相乘，结果存储在 AX 或 DX:AX 中。
- 示例：MUL BX（DX:AX = AX * BX）。
DIV（无符号除法）：
- 语法：DIV 源
- 功能：将 AX（8 位）或 DX:AX（16 位）除以源，商存储在 AL/AX 中，余数存储在 AH/DX 中。
- 示例：DIV BX（AX = DX:AX / BX，DX = 余数）。
ADC（带进位加法） 和 SBB（带借位减法）：
- 功能：使用进位标志处理多字算术运算。
- 示例：ADC AX, BX（AX = AX + BX + CF）。

c. 逻辑指令

这些指令执行位操作并处理二进制数据。

AND（按位与）：
- 语法：AND 目标, 源
- 功能：执行按位与操作，结果存储在目标中。
- 示例：AND AX, 0FFh（清除 AX 的高字节）。
OR（按位或）：
- 语法：OR 目标, 源
- 功能：执行按位或操作。
- 示例：OR BX, 1000h（设置 BX 的第 12 位）。
XOR（按位异或）：
- 语法：XOR 目标, 源
- 功能：执行按位异或操作。
- 示例：XOR AX, AX（将 AX 清零）。
NOT（按位取反）：
- 语法：NOT 目标
- 功能：反转目标中的所有位。
- 示例：NOT BX（BX = ~BX）。
SHL/SHR（逻辑左移/右移）：
- 语法：SHL 目标, 计数；SHR 目标, 计数
- 功能：将位左移/右移，用 0（SHR）或符号位（SAL/SAR）填充。
- 示例：SHL AX, 1（AX = AX * 2）。
ROL/ROR（循环左移/右移）：
- 功能：循环移动位，通过进位标志绕回。
- 示例：ROL BX, 1（将 BX 循环左移 1 位）。

d. 控制流指令

这些指令改变程序的执行顺序，实现跳转、循环和子程序。

JMP（跳转）：
- 语法：JMP 标号
- 功能：无条件跳转到标号处。
- 示例：JMP start（跳转到标号 start）。
- 变体：
  - 短跳转（±127 字节）。
  - 近跳转（段内）。
  - 远跳转（不同段）。
条件跳转：
- 语法：Jcc 标号（例如 JZ、JNZ、JC、JNC）
- 功能：根据标志位状态跳转。
- 示例：
  - JZ loop_end（如果零标志置位则跳转）。
  - JC error（如果进位标志置位则跳转）。
  - 常见条件：JZ（为零）、JNZ（非零）、JS（符号）、JO（溢出）。
LOOP（循环）：
- 语法：LOOP 标号
- 功能：CX 减 1，如果 CX ≠ 0 则跳转到标号。
- 示例：LOOP process（重复直到 CX = 0）。
- 变体：
  - LOOPE/LOOPZ：如果 CX ≠ 0 且 ZF = 1 则循环。
  - LOOPNE/LOOPNZ：如果 CX ≠ 0 且 ZF = 0 则循环。
CALL（调用子程序）：
- 语法：CALL 标号
- 功能：将返回地址压入堆栈，跳转到子程序。
- 示例：CALL compute_sum（调用子程序）。
RET（返回）：
- 语法：RET
- 功能：从堆栈弹出返回地址，恢复执行。
- 示例：RET（从子程序返回）。
INT（中断）：
- 语法：INT 编号
- 功能：触发软件中断，调用中断服务程序（ISR）。
- 示例：INT 21h（DOS 系统调用）。
IRET（中断返回）：
- 功能：从中断服务程序返回，恢复标志位和返回地址。

2. 汇编语言程序设计

汇编语言程序以人类可读的指令编写，然后被汇编成机器代码。8086 使用 分段内存模型，代码段、数据段和堆栈段需显式定义。

a. 程序结构

典型的 8086 汇编程序包括：

伪指令：给汇编器的指令（例如 NASM、MASM）。
- SEGMENT：定义代码段、数据段或堆栈段。
- ORG：设置起始地址。
- DB/DW：定义字节/字数据。
指令：CPU 操作（例如 MOV、ADD）。
标号：标记跳转或数据的位置。
注释：解释代码（例如 ; 注释）。

程序结构示例（MASM 语法）：

.model small
.stack 100h
.data
    message db 'Hello, World!$'
.code
main proc
    mov ax, @data    ; 初始化 DS
    mov ds, ax
    mov dx, offset message ; 加载消息地址
    mov ah, 09h      ; DOS 打印字符串功能
    int 21h          ; 调用 DOS 中断
    mov ah, 4Ch      ; 退出程序
    int 21h
main endp
end main

b. 顺序结构

顺序代码按顺序执行指令，没有跳转或循环。

示例：两个数相加

mov ax, 5        ; AX = 5
mov bx, 10       ; BX = 10
add ax, bx       ; AX = AX + BX (15)
mov [result], ax ; 将结果存储到内存

指令一个接一个地执行。
常用于简单计算或数据初始化。

c. 分支结构

分支使用条件/无条件跳转，根据条件改变程序流程。

示例：比较和分支

mov ax, 10       ; AX = 10
cmp ax, 15       ; 比较 AX 和 15
je equal         ; 如果 AX == 15 则跳转
mov bx, 1        ; 否则，BX = 1
jmp done
equal:
    mov bx, 0    ; 如果相等，BX = 0
done:
    ; 继续程序

CMP：根据减法（AX - 15）设置标志位。
JE：如果 ZF = 1（相等）则跳转。
适用于 if-then-else 逻辑。

d. 循环结构

循环重复执行指令直到满足条件，通常使用 LOOP 或条件跳转。

示例：求 1 到 10 的和

mov cx, 10       ; 循环计数器 = 10
mov ax, 0        ; 和 = 0
sum_loop:
    add ax, cx   ; 将 CX 加到和
    loop sum_loop ; CX 减 1，如果 CX ≠ 0 则循环
    ; AX = 55 (1 + 2 + ... + 10)

LOOP 简化了基于计数器的迭代。
替代方案：使用 CMP 和 JNZ 实现自定义条件。

带条件循环的示例

mov ax, 0        ; 计数器
mov bx, 100      ; 限制
count_up:
    inc ax       ; AX++
    cmp ax, bx   ; 与 100 比较
    jle count_up ; 如果 AX <= 100 则跳转

适用于非基于计数器的循环。

e. 子程序

子程序通过 CALL 和 RET 模块化代码，实现代码复用。

示例：计算数字的平方

main:
    mov ax, 4    ; 输入
    call square  ; 调用子程序
    ; AX = 16
    jmp exit
square:
    push bx      ; 保存 BX
    mov bx, ax   ; 复制 AX
    mul bx       ; AX = AX * BX
    pop bx       ; 恢复 BX
    ret          ; 返回
exit:
    ; 结束程序

PUSH/POP：保存/恢复寄存器以避免副作用。
堆栈自动管理返回地址。

3. 中断服务程序（ISR）

中断允许 CPU 响应外部或内部事件（例如键盘输入、定时器滴答），暂停当前程序并执行 ISR。

中断机制

中断向量表（IVT）：
- 位于内存 0000:0000h–0000:03FFh。
- 存储 256 种中断类型（0–255）的 ISR 地址。
- 每个条目：段地址:偏移地址（4 字节）。
类型：
- 硬件中断：由设备触发（例如 IRQ）。
- 软件中断：由 INT 指令触发（例如 INT 21h 用于 DOS）。
- 异常：CPU 错误（例如除零）。
过程：
1. 发生中断。
2. CPU 将标志位、CS 和 IP 保存到堆栈。
3. 通过 IVT 跳转到 ISR。
4. ISR 执行，以 IRET 结束以恢复状态。

编写 ISR

ISR 必须：

保存寄存器（PUSH/POP）。
快速处理中断。
以 IRET 结束。

示例：自定义定时器 ISR

.data
old_vec dw 2 dup(0) ; 存储旧的中断向量
.code
install_isr:
    cli             ; 禁用中断
    mov ax, 0
    mov es, ax      ; ES = 0（IVT 段）
    mov bx, 1Ch*4   ; 定时器中断 (1Ch)
    mov ax, es:[bx] ; 保存旧向量
    mov old_vec, ax
    mov ax, es:[bx+2]
    mov old_vec+2, ax
    mov ax, offset my_isr ; 设置新向量
    mov es:[bx], ax
    mov ax, cs
    mov es:[bx+2], ax
    sti             ; 启用中断
    ret
my_isr:
    push ax
    inc word ptr [counter] ; 递增计数器
    pop ax
    iret            ; 从中断返回

挂钩定时器中断（1Ch，约 18.2 Hz）。
递增计数器变量。
保存寄存器并使用 IRET。

示例：DOS 中断（INT 21h）

mov ah, 09h      ; 打印字符串功能
mov dx, offset msg ; 以 '$' 结尾的字符串地址
int 21h          ; 调用 DOS

INT 21h 提供操作系统服务（例如 I/O、文件处理）。
AH 指定功能代码。

实践注意事项

保存状态：ISR 必须保存所有寄存器，以免破坏主程序。
优先级：硬件中断可能抢占其他中断（由 PIC 管理）。
调试：使用 DEBUG.COM 等工具或现代模拟器（例如 DOSBox、Bochs）。

示例程序：阶乘计算

此程序使用循环和子程序计算一个数的阶乘（例如 5! = 120）。

.model small
.stack 100h
.data
    num dw 5        ; 输入数字
    result dw ?     ; 存储结果
.code
main proc
    mov ax, @data
    mov ds, ax      ; 初始化 DS
    mov ax, num     ; 加载数字
    call factorial  ; 计算阶乘
    mov result, ax  ; 存储结果
    mov ah, 4Ch     ; 退出
    int 21h
main endp
factorial proc
    push bx
    mov bx, ax      ; BX = n
    mov ax, 1       ; AX = 结果
fact_loop:
    cmp bx, 1
    jle done        ; 如果 BX <= 1，退出
    mul bx          ; AX = AX * BX
    dec bx          ; BX--
    jmp fact_loop
done:
    pop bx
    ret
factorial endp
end main

逻辑：
- 输入：num = 5。
- 循环：AX = AX * BX，BX– 直到 BX = 1。
- 结果：AX = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120。
特点：
- 使用子程序实现模块化。
- 使用堆栈保存寄存器。
- 包含顺序和循环结构。

最佳实践

注释代码：汇编语言晦涩难懂，需解释每一步。
最小化寄存器使用：避免不必要的覆盖。
增量测试：使用调试器跟踪执行。
处理边界情况：检查溢出、零或负输入。
优化：减少指令数（例如，使用 XOR AX, AX 代替 MOV AX, 0）。

总结

8086 指令集：
- 数据传送：MOV、PUSH、POP 用于移动数据。
- 算术：ADD、SUB、MUL 用于计算。
- 逻辑：AND、OR、XOR 用于位操作。
- 控制流：JMP、LOOP、CALL 用于程序流程控制。
程序设计结构：
- 顺序：线性执行简单任务。
- 分支：条件跳转用于决策。
- 循环：LOOP 或 Jcc 用于重复。
- 子程序：CALL/RET 用于模块化代码。
中断：
- ISR 通过 IVT 处理事件。
- 保存状态，以 IRET 结束。
- 用于硬件（例如定时器）和软件（例如 DOS）中断。

练习题

编写一个程序，反转内存中的字符串。
实现一个子程序，检查一个数是否为质数。
为键盘中断（INT 09h）创建一个 ISR，用于统计按键次数。
解释 JMP 和 CALL 的区别。
优化这段代码：MOV AX, 0; MOV BX, AX; ADD BX, 5。

本教程涵盖了 8086 汇编程序设计的基础知识，通过示例和解释帮助您构建实践技能。如果您想探索特定指令、高级技术（例如字符串操作）或模拟工具，请告诉我！

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