x86 CS IP

[CS IP]

2.10  CS和IP（1）

CS和IP是8086CPU中兩個最關鍵的寄存器，它們指示了CPU當前要讀取指令的地址。CS為程式碼片段寄存器，IP為指令指標寄存器，從名稱上我們可以看出它們和指令的關係。

在8086PC機中，任意時刻，設CS中的內容為Ｍ，IP中的內容為Ｎ，8086CPU將從記憶體M 16+N單元開始，讀取一條指令並執行。

也可以這樣表述：8086機中，任意時刻，CPU將CS:IP指向的內容當作指令執行。

圖2.10展示了8086CPU讀取、執行指令的工作原理(圖中只包括了和所要說明的問題密切相關的組件，圖中數字都為十六進位)。

圖2.10  8086PC讀取和執行指令的相關組件

圖2.10說明如下。

(1) 8086CPU目前狀態：CS中的內容為2000H，IP中的內容為0000H；

(2) 記憶體20000H~20009H單元存放著可執行檔機器碼；

(3) 記憶體20000H~20009H單元中存放的機器碼對應的彙編指令如下。

地址：20000H~20002H，內容：B8 23 01，長度：3Byte，對應彙編指令：mov ax,0123H

地址：20003H~20005H，內容：BB 03 00，長度：3Byte，對應彙編指令：mov bx,0003H

地址：20006H~20007H，內容：89 D8，長度：2Byte，對應彙編指令：mov ax,bx

地址：20008H~20009H，內容：01 D8，長度：2Byte，對應彙編指令：add ax,bx

下面的一組圖(圖2.11~圖2.19)，以圖2.10描述的情況為初始狀態，展示了8086CPU讀取、執行一條指令的過程。注意每幅圖中發生的變化(下面對8086CPU的描述，是在邏輯結構、宏觀過程的層面上進行的，目的是使讀者對CPU工作原理有一個清晰、直觀的認識，為組合語言的學習打下基礎。其中隱蔽了CPU的物理結構以及具體的工作細節)。

圖2.11  初始狀態(CS:2000H，IP:0000H，CPU將從 記憶體2000H×16+0000H處讀取指令執行)

圖2.12  CS、IP中的內容送入地址加法器(地址加法 器完成：物理地址=段地址×16+位移地址)

圖2.13  地址加法器將物理地址送入輸入輸出控制電路

圖2.14  輸入輸出控制電路將物理地址20000H送上地址匯流排

圖2.15  從記憶體20000H單元開始存放的 機器指令B8 23 01通過資料匯流排被送入CPU

圖2.16  輸入輸出控制電路將機器指令B8 23 01送入指令緩衝器

圖2.17  IP中的值自動增加

(讀取一條指令後，IP中的值自動增加，以使CPU可以讀取下一條指令。因當前讀入的指令B82301

長度為3個位元組，所以IP中的值加3。此時，CS：IP指向記憶體單元2000:0003。)

2.10 CS和IP（2）

圖2.18  執行控制器執行指令B8 23 01(即mov ax,0123H)

圖2.19  指令B8 23 01被執行後AX中的內容為0123H

(此時，CPU將從記憶體單元2000:0003處讀取指令。)

下面的一組圖(圖2.20~圖2.26)，以圖2.19的情況為初始狀態，展示了8086CPU繼續讀取、執行3條指令的過程。注意IP的變化(下面的描述中，隱蔽了讀取每條指令的細節)。

圖2.20  CS:2000H，IP:0003H(CPU將從記憶體2000H×16+0003H處讀取指令BB 03 00)

圖2.21  CPU從記憶體20003H處讀取指令BB 03 00入指令緩衝器(IP中的值加3)

圖2.22  執行指令BB 03 00(即mov bx,0003H)

圖2.23  CPU從記憶體20006H處讀取指令89 D8入指令緩衝器(IP中的值加2)

 

圖2.24  執行指令89 D8(即mov ax,bx)後，AX中的內容為0003H

圖2.25  CPU從記憶體20008H處讀取指令01 D8入指令緩衝器(IP中的值加2)

圖2.26  執行指令01 D8(即add ax,bx)後，AX中的內容為0006H

通過上面的過程展示，8086CPU的工作過程可以簡要描述如下。

(1) 從CS:IP指向的記憶體單元讀取指令，讀取的指令進入指令緩衝器；

(2) IP=IP+所讀取指令的長度，從而指向下一條指令；

(3) 執行指令。轉到步驟(1)，重複這個過程。

在8086CPU加電啟動或複位後(即CPU剛開始工作時)CS和IP被設定為CS=FFFFH，IP=0000H，即在8086PC機剛啟動時，CPU從記憶體FFFF0H單元中讀取指令執行，FFFF0H單元中的指令是8086PC機開機後執行的第一條指令。

現在，我們更清楚了CS和IP的重要性，它們的內容提供了CPU要執行指令的地址。

我們在第1章中講過，在記憶體中，指令和資料沒有任何區別，都是二進位資訊，CPU在工作的時候把有的資訊看作指令，有的資訊看作資料。現在，如果提出一個問題：CPU根據什麼將記憶體中的資訊看作指令？如何回答？我們可以說，CPU將CS:IP指向的記憶體單元中的內容看作指令，因為，在任何時候，CPU將CS、IP中的內容當作指令的段地址和位移地址，用它們合成指令的物理地址，到記憶體中讀取指令碼，執行。如果說，記憶體中的一段資訊曾被CPU執行過的話，那麼，它所在的記憶體單元必然被CS:IP指向過。

2.11  修改CS、IP的指令

在CPU中，程式員能夠用指令讀寫的組件只有寄存器，程式員可以通過改變寄存器中的內容實現對CPU的控制。CPU從何處執行指令是由CS、IP中的內容決定的，程式員可以通過改變CS、IP中的內容來控制CPU執行目標指令。

我們如何改變CS、IP的值呢？顯然，8086CPU必須提供相應的指令。我們如何修改AX中的值？可以用mov指令，如mov ax,123將ax中的值設為123，顯然，我們也可以用同樣的方法設定其他寄存器的值，如mov bx,123，mov cx,123，mov dx，123等。其實，8086CPU大部分寄存器的值，都可以用mov指令來改變，mov指令被稱為傳送指令。

但是，mov指令不能用於設定CS、IP的值，原因很簡單，因為8086CPU沒有提供這樣的功能。8086CPU為CS、IP提供了另外的指令來改變它們的值。能夠改變CS、IP的內容的指令被統稱為轉移指令(我們以後會深入研究)。我們現在介紹一個最簡單的可以修改CS、IP的指令：jmp指令。

若想同時修改CS、IP的內容，可用形如"jmp段地址：位移地址"的指令完成，如

jmp 2AE3:3，執行後：CS=2AE3H，IP=0003H，CPU將從2AE33H處讀取指令。

jmp 3:0B16，執行後：CS=0003H，IP=0B16H，CPU將從00B46H處讀取指令。

"jmp 段地址：位移地址"指令的功能為：用指令中給出的段地址修改CS，位移地址修改IP。

若想僅修改IP的內容，可用形如"jmp 某一合法寄存器"的指令完成，如

jmp ax，指令執行前：ax=1000H，CS=2000H，IP=0003H 指令執行後：ax=1000H，CS=2000H，IP=1000H jmp bx，指令執行前：bx=0B16H，CS=2000H，IP=0003H 指令執行後：bx=0B16H，CS=2000H，IP=0B16H

"jmp 某一合法寄存器"指令的功能為：用寄存器中的值修改IP。

jmp ax，在含義上好似：mov IP,ax。

注意，我們在適當的時候，會用已知的彙編指令的文法來描述新學的彙編指令的功能。採用一種"用彙編解釋彙編"的方法來使讀者更好地理解彙編指令的功能，這樣做有助於讀者進行知識的相互融會。要強調的是，我們是用"已知的彙編指令的文法"進行描述，並不是用"已知的彙編指令"來描述，比如，我們用mov IP,ax來描述jmp ax，並不是說真有mov IP,ax這樣的指令，而是用mov指令的文法來說明jmp指令的功能。我們可以用同樣的方法描述jmp 3:01B6的功能：jmp 3:01B6 在含義上好似mov CS,3  mov IP,01B6。

記憶體中存放的機器碼和對應的彙編指令情況2.27所示，設CPU初始狀態：CS=2000H，IP=0000H，請寫出指令執行序列。思考後看分析。

圖2.27  記憶體中存放的機器碼和對應的彙編指令

分析：

CPU對圖2.27中的指令的執行過程如下。

(1) 當前CS=2000H，IP=0000H，則CPU從記憶體2000H×16+0=20000H處讀取指令，讀入的指令是：B8 22 66(mov ax,6622H)，讀入後IP=IP+3=0003H；

(2) 指令執行後，CS=2000H，IP=0003H，則CPU從記憶體2000H×16+0003H =20003H處讀取指令，讀入的指令是：EA 03 00 00 10(jmp 1000:0003)，讀入後IP=IP+5=0008H；

(3) 指令執行後，CS=1000H，IP=0003H，則CPU從記憶體1000H×16+0003H =10003H處讀取指令，讀入的指令是：B8 00 00(mov ax,0000)，讀入後IP=IP+3=0006H；

(4) 指令執行後，CS=1000H，IP=0006H，則CPU從記憶體1000H×16+0006H =10006H處讀取指令，讀入的指令是：8B D8(mov bx,ax)，讀入後IP=IP+2=0008H；

(5) 指令執行後，CS=1000H，IP=0008H，則CPU從記憶體1000H×16+0008H =10008H處讀取指令，讀入的指令是：FF E3(jmp bx)，讀入後IP=IP+2=000AH；

(6) 指令執行後，CS=1000H，IP=0000H，CPU從記憶體10000H處讀取指令……

經分析後，可知指令執行序列為：

(1) mov ax,6622H

(2) jmp 1000:3

(3) mov ax,0000

(4) mov bx,ax

(5) jmp bx

(6) mov ax,0123H

(7) 轉到第3步執行

2.12  程式碼片段（1）

前面講過，對於8086PC機，在編程時，可以根據需要，將一組記憶體單元定義為一個段。我們可以將長度為N(N≤64KB)的一組代碼，存在一組地址連續、起始地址為16的倍數的記憶體單元中，我們可以認為，這段記憶體是用來存放代碼的，從而定義了一個程式碼片段。比如，將：

mov ax,0000   (B8 00 00) add ax,0123   (05 23 01) mov bx,ax     (8B D8) jmp bx         (FF E3)

這段長度為10個位元組的指令，存放在123B0H~123B9H的一組記憶體單元中，我們就可以認為，123B0H~123B9H這段記憶體是用來存放代碼的，是一個程式碼片段，它的段地址為123BH，長度為10個位元組。

如何使得程式碼片段中的指令被執行呢？將一段記憶體當作程式碼片段，僅僅是我們在編程時的一種安排，CPU並不會由於這種安排，就自動地將我們定義的程式碼片段中的指令當作指令來執行。CPU只認被CS:IP指向的記憶體單元中的內容為指令。所以，要讓CPU執行我們放在程式碼片段中的指令，必須要將CS:IP指向所定義的程式碼片段中的第一條指令的首地址。對於上面的例子，我們將一段代碼存放在123B0H~123B9H記憶體單元中，將其定義為程式碼片段，如果要讓這段代碼得到執行，可設CS=123BH、IP=0000H。

2.9～2.12  小結

(1) 段地址在8086CPU的段寄存器中存放。當8086CPU要訪問記憶體時，由段寄存器提供記憶體單元的段地址。8086CPU有4個段寄存器，其中CS用來存放指令的段地址。

(2) CS存放指令的段地址，IP存放指令的位移地址。

8086機中，任意時刻，CPU將CS:IP指向的內容當作指令執行。

(3) 8086CPU的工作過程：

① 從CS：IP指向的記憶體單元讀取指令，讀取的指令進入指令緩衝器；

② IP指向下一條指令；

③ 執行指令。(轉到步驟①，重複這個過程。)

(4) 8086CPU提供轉移指令修改CS、IP的內容。

檢測點2.3

下面的3條指令執行後，CPU幾次修改IP？都是在什麼時候？最後IP中的值是多少？

mov ax,bx sub ax,ax jmp ax

實驗1  查看CPU和記憶體，用機器指令和彙編指令編程

1. 預備知識：Debug的使用

我們以後所有的實驗中，都將用到Debug程式，首先學習一下它的主要用法。

(1) 什麼是Debug?

Debug是DOS、Windows都提供的實模式(8086方式)程式的調試工具。使用它，可以查看CPU各種寄存器中的內容、記憶體的情況和在機器碼級跟蹤程式的運行。

(2) 我們用到的Debug功能。

用Debug的R命令查看、改變CPU寄存器的內容；
用Debug的D命令查看記憶體中的內容；
用Debug的E命令改寫記憶體中的內容；
用Debug的U命令將記憶體中的機器指令翻譯成彙編指令；
用Debug的T命令執行一條機器指令；
用Debug的A命令以彙編指令的格式在記憶體中寫入一條機器指令。

Debug的命令比較多，共有20多個，但這6個命令是和彙編學習密切相關的。在以後的實驗中，我們還會用到一個P命令。

(3) 進入Debug。

Debug是在DOS方式下使用的程式。我們在進入Debug前，應先進入到DOS方式。用以下方式可以進入DOS。

① 重新啟動電腦，進入DOS方式，此時進入的是實模式的DOS。

② 在Windows中進入DOS方式，此時進入的是虛擬8086模式的DOS。

下面說明在Windows 2000中進入Debug的一種方法，在Windows 98中進入的方法與此類似。

選擇【開始】菜單中的【運行】命令，2.28所示，開啟【運行】對話方塊，2.29所示，在文字框中輸入"command"後，單擊【確定】按鈕。

圖2.28  選擇【運行】命令

圖2.29  在文字框中輸入"command"

進入DOS方式後，如果顯示為視窗方式，可以按下Alt+Enter鍵將視窗變為全屏方式。然後運行Debug程式，2.30所示，這個程式在Windows 98中通常在c:/windows98/command下，在Windows 2000中通常在c:/winnt/system下。由於系統指定了搜尋路徑，所以在任何一個路徑中都可以運行。

圖2.30  運行Debug程式

(4) 用R命令查看、改變CPU寄存器的內容。

我們已經知道了AX、BX、CX、DX、CS、IP這6個寄存器，現在看一下它們之中的內容，2.31所示。其他寄存器如SP、BP、SI、DI、DS、ES、SS、標誌寄存器等我們先不予理會。

圖2.31  使用R命令查看CPU中各個寄存器中的內容

注意CS和IP的值，CS=0CA2，IP=0100，也就是說，記憶體0CA2:0100處的指令為CPU當前要讀取、執行的指令。在所有寄存器的下方，Debug還列出了CS:IP所指向的記憶體單元處所存放的機器碼，並將它翻譯為彙編指令。可以看到，CS:IP所指向的記憶體單元為0CA2:0100，此處存放的機器碼為02 75 48，對應的彙編指令為ADD DH,[DI+48](這條指令的含義我們還不知道，先不必深究)。

Debug輸出的右下角還有一個資訊："DS:0048=0"，我們以後會進行說明，這裡同樣不必深究。