第三章 寄存器（内存访问）
引言
在第2章中，我们主要从CPU如何执行指令的角度讲解了8086CPU的逻辑结构、形成物理地址的方法、相关的寄存器以及一些指令。
这一章中，我们从访问内存的角度继续学习几个寄存器。
3.1 内存中字的存储
3.2 DS 和 [address]
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mov指令可完成三种传送功能：
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将数据直接送入寄存器；
例如：
mov ax, 2
将数据2送入寄存器ax
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将一个寄存器中的内容送入另一个寄存器中；
例如：
mov bx, ax
将寄存器ax内容送入寄存器bx
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将一个内存单元中的内容送入一个寄存器。
例如：
mov al, [0]
将偏移地址为0的内存单元的内容送入寄存器al
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例如：我们要读取10000H单元的内容可以用如下程序段进行：
mov bx, 1000H
mov ds, bx
mov al, [0]
上面三条指令将 10000H（1000:0）中的数据读到 al 中。
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从哪个内存单元到哪个寄存器中呢？
mov指令的格式：
mov 寄存器名, 内存单元地址
“[...]” 表示一个内存单元，“[...]” 中的 0 表示内存单元的偏移地址。
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那么内存单元的段地址（DS）是多少呢？
执行指令时，8086 CPU自动取 DS 中的数据为内存单元的段地址。
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如何用mov指令从10000H中读取数据？
- 10000H表示为1000:0（段地址：偏移地址）
- 将段地址1000H放入DS
- 用 mov al, [0] 完成传送（mov指令中的[]说明操作对象是一个内存单元，[]中的0说明这个内存单元的偏移地址是0，它的段地址默认放在DS中）
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把 1000H 直接送入 DS，可以吗？
mov ds, 1000H
不可以。
8086 CPU不支持将数据直接送入段寄存器的操作，ds是一个段寄存器。
我们一定要通过通用寄存器（ax、bx、cx、dx）才能完成把1000H送入DS。如：
mov bx, 1000H
mov ds, bx
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问题：写几条指令，将 al 中的数据送入内存单元 10000H？（思考后分析）
分析问题本质：怎么将数据从寄存器（al）送入内存单元？
结论：
mov bx, 1000H
mov ds, bx
mov [0], al
3.3 字的传送
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因为8086 CPU是16位结构，有16根数据线，所以，可以一次性传送16位的数据，也就是一次性传送一个字。
比如：
mov bx, 1000H
mov ds, bx
mov ax, [0]
mov [0], cx
注：前两条指令确定了段地址；第三条指令解读为“1000:0处的字型数据送入ax”，ax是16位寄存器，所以默认存过去的数据也是16位，如果是al或者ah，则默认存过去的数据是8位，因为al或者ah是8位寄存器；第四条指令解读为“cx中的16位数据送到1000:0处”。
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问题3.3：内存中的情况如下
内存地址 内容 10000H 23 10001H 11 10002H 22 10003H 66 内存情况示意 写出下面指令执行后寄存器ax、bx、cx中的值。
mov ax, 1000H
mov ds, ax
mov ax, [0]
mov bx, [2]
mov cx, [1]
add bx, [1]
add cx, [2]
答案：
注：本实验的重点是寄存器存储的数据宽度为16位，即2个字节，也就是单字。
ax = 1123
bx = 8833
cx = 8833
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问题3.4：内存中的情况如下
内存地址 内容 10000H 23 10001H 11 10002H 22 10003H 11 内存情况示意 写出下面指令执行后寄存器ax、bx、cx中的值。
mov ax, 1000H
mov ds, ax
mov ax, 11316
mov [0], ax
mov bx, [0]
sub bx, [2]
mov [2], bx
答案：
ax : 2c34H
bx : 1b12H
cx : 8833H
3.4 mov、add、sub指令
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已学mov指令的几种形式：
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mov 寄存器, 数据
mov ax, 6
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mov 寄存器, 寄存器
mov bx, ax
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mov 寄存器, 内存单元
mov ax, [0]
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mov 内存单元, 寄存器
mov [0], ax
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mov 段寄存器, 寄存器
mov ds, ax
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mov 寄存器, 段寄存器
mov ax, ds
注：这里的寄存器指通用寄存器。
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add 和 sub 指令同 mov 一样，都有两个操作对象。
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add 寄存器, 数据
比如：add ax, 8
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add 寄存器, 寄存器
比如：add bx, ax
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add 寄存器, 内存单元
比如：add ax, [0]
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add 内存单元, 寄存器
比如：add [0], ax
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sub 寄存器, 数据
比如：sub ax, 8
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sub 寄存器, 寄存器
比如：sub bx, ax
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sub 寄存器, 内存单元
比如：sub ax, [0]
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sub 内存单元, 寄存器
比如：sub [0], ax
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它们可以对段寄存器（DS）进行操作吗？
mov ds, ax (yes)
mov ax, ds (yes)
add ds, ax (no)
add ax, ds (no)
3.5 数据段
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前面讲过，对于8086PC机，我们可以根据需要将一组内存单元定义为一个段（可以是代码段、数据段等。用CS指向它，它就是代码段；用DS指向它，它就是数据段。）
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我们可以将一组长度为N（N<=64K）、地址连续、起始地址为16的倍数的内存单元，当作专门存储数据的内存空间，从而定义了一个数据段。
比如，我们用123B0H～123B9H这段空间来存放数据：
- 段地址：123BH
- 长度：10字节
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如何访问数据段中的数据呢？
将一段内存当作数据段，是我们在编程时的一种安排，我们可以在具体操作的时候，用 ds 存放数据段的段地址，再根据需要，用相关指令访问数据段中的具体单元。
例如，我们要将123B0H～123BAH的内存单元定义为数据段，我们现在要累加这个数据段中的前3个单元（单元指字节，字型指字）中的数据，代码如下：
mov ax, 123BH
mov ds, ax ；将123BH送入ds中，作为数据段的段地址。
mov al, 0 ；用al存放累加结果
add al, [0] ；将数据段第一个单元（偏移地址为0）中的数据加到al中
add al, [1] ；将数据段第二个单元（偏移地址为1）中的数据加到al中
add al, [2] ；将数据段第三个单元（偏移地址为2）中的数据加到al中
若要求写几条指令，累加数据段中的前3个字型数据。则代码如下：
mov ax, 123BH
mov ds, ax ；将123BH送入ds中，作为数据段的段地址。
mov ax, 0 ；用ax存放累加结果
add ax, [0] ；将数据段第一个单元（偏移地址为0）中的数据加到ax中
add ax, [2] ；将数据段第二个单元（偏移地址为2）中的数据加到ax中
add ax, [4] ；将数据段第三个单元（偏移地址为4）中的数据加到ax中
注意：一个字型数据占两个单元（也就是一个字占两个字节），所以偏移地址是0、2、4。
3.1节～3.5节 小结
- 字在内存中存储时，要用两个地址连续的内存单元来存放，字的低位字节存放在低地址单元中，高位字节存放在高地址单元中。
- 用mov指令要访问内存单元，可以在mov指令中只给出单元的偏移地址，此时，段地址默认在DS寄存器中。
- [address] 表示一个偏移地址为 address 的内存单元。
- 在内存和寄存器之间传送字型数据时，高地址单元对应高8位寄存器，低地址单元对应低8位寄存器。
- mov、add、sub是具有两个操作对象的指令。jmp是具有一个操作对象的指令。
- 可以根据自己的推测，在Debug中实验指令的新格式。
3.6 栈
后进先出
3.7 CPU提供的栈机制
现今的CPU中都有栈的设计。8086CPU提供相关的指令来以栈的方式访问内存空间。这意味着，我们在基于8086CPU编程的时候，可以将一段内存当作栈来使用。
8086CPU提供入栈和出栈指令：（最基本的）
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push （入栈）
例如：
push ax
将寄存器 ax 中的数据送入栈中；
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pop （出栈）
例如：
pop ax
从栈顶取出数据送入 ax。
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因为8086结构内部寄存器都是以16位（一个字）单位进行操作和运算（一个内存单元仍然是8位，即一个字节）。所以，8086CPU的入栈和出栈操作都是以字为单位进行的。当然，我们现在的windows CPU和酷睿CPU都是以32/64位进行运算的，但是，只要掌握了16位的原理，其它举一反三。
注意：字型数据用两个内存单元存放，高地址单元存放高8位，低地址单元存放低8位。
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两个疑问
- CPU如何知道一段内存空间被当作栈使用？
- 执行push和pop的时候，如何知道哪个单元是栈顶单元？
对两个疑问的分析
CPU如何知道当前要执行的指令所在的位置？
答：寄存器CS和IP中存放着当前指令的段地址和偏移地址。8086CPU中，有两个寄存器：
- 段寄存器SS 存放栈顶的段地址
- 寄存器SP 存放栈顶的偏移地址
任意时刻，SS:SP 指向栈顶元素。
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push 指令的执行过程
push ax
- SP = SP - 2
- 将ax中的内容送入SS:SP指向的内存单元处，SS:SP此时指向新栈顶。
push 指令的执行过程 问题 3.6
如果我们将10000H～1000FH这段空间当作栈，初始状态栈是空的，此时，SS = 1000H，SP = ？
分析：当SP = 0010H
总结：
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我们将10000H～1000FH这段空间当作栈段，SS = 1000H，栈空间大小为16字节，栈最底部的字单元地址为1000:000E。
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任意时刻，SS:SP指向栈顶。当栈中只有一个元素的时候，SS = 1000H，SP = 000EH。
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栈为空，就相当于栈中唯一的元素出栈，出栈后，SP = SP + 2，SP原来为 000EH，加 2 后 SP = 0010H。
换个角度看：
任意时刻，SS:SP指向栈顶元素，当栈为空的时候，栈中没有元素，也就不存在栈顶元素。所以，SS:SP只能指向栈的最底部单元下面的单元，该单元的偏移地址为栈最底部的字单元（16位）的偏移地址 + 2，栈最底部字单元的地址为 1000:000E，所以栈空时，SP = 0010H。
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pop 指令的执行过程
pop ax
- 将 SS:SP 指向的内存单元处的数据送入 ax 中；
- SP = SP + 2，SS:SP 指向当前栈顶下面的单元，以当前栈顶下面的单元为新的栈顶。
图示：
注意：出栈后，SS:SP 指向新的栈顶1000EH。pop 操作前的栈顶元素，1000CH处的2266H依然存在，但是，它已不在栈中。当再次执行push等入栈指令后，SS:SP 移至 1000CH ，并在里面写入新的数据，2266H将被覆盖。
3.8 栈顶超界的问题
SS 和 SP 只记录了栈顶的地址，依靠 SS 和 SP 可以保证在入栈和出栈时找到栈顶。可是，如何能够保证在入栈、出栈时，栈顶不会超出栈空间？
当栈满的时候再使用push指令入栈，栈空的时候再使用pop指令出栈，都将发生栈顶越界问题。
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栈顶越界是危险的：
因为我们既然将一段空间安排为栈，那么在栈空间之外的空间里很可能存放了具有其它用途的数据、代码等，这些数据、代码可能是我们自己的程序中的，也可能是别的程序中的。（毕竟一个计算机系统并不是只有我们自己的程序在运行）
但是由于我们在入栈出栈时的不小心，而将这些数据、代码意外地改写，将会引发一连串的错误。（如果是刻意为之，将会引发黑客攻击）
我们当然希望CPU可以帮我们解决这个问题。
比如说在CPU中有记录栈顶上限和下限的寄存器，我们可以通过填写这些寄存器来指定栈空间的范围，然后，CPU在执行push指令的时候靠检测栈顶上限寄存器；在执行pop指令的时候靠检测栈顶下限寄存器保证不会越界。
实际情况：8086CPU中并没有这样的寄存器。
8086CPU不保证对栈的操作不会越界。这就是说，8086CPU只知道栈顶在何处（由SS:SP指示），而不知道读者安排的栈空间有多大。这点就好像，CPU只知道当前要执行的指令在何处（由CS:IP指示）而不知道要执行的指令有多少。也就是说，8086CPU的工作机理，只考虑当前的情况：
- 当前栈顶在何处；
- 当前要执行的指令是哪一条。
结论：
我们在编程的时候要自己操心栈顶越界问题，要根据可能用到的最大栈空间来安排栈的大小，防止入栈的数据太多而导致的越界。执行出栈操作的时候也要注意，以防止栈空的时候继续出栈而导致的越界。
3.9 push、pop指令
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push和pop指令是可以在寄存器和内存之间传送数据的。
栈空间当然也是内存空间的一部分，它只是一段可以以一种特殊的方式进行访问的内存空间。
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push和pop指令的格式（1）
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push 寄存器
将一个寄存器中的数据入栈
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pop 寄存器
出栈，用一个寄存器接收出栈的数据
例如：
push ax
pop bx
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push和pop指令的格式（2）
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push 段寄存器
将一个段寄存器中的数据入栈
-
pop 段寄存器
出栈，用一个段寄存器接收出栈的数据
例如：
push ds
pop es
注：段寄存器都是以s结尾，如ds、es等；通用寄存器都是以x结尾，如ax、bx等。
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push和pop指令的格式（3）
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push 内存单元
将一个内存单元处的字入栈（栈操作都是以字为单位的。因为寄存器是16位的）
-
pop 内存单元
出栈，用一个内存单元接收出栈的数据
例如：
push [0]
解读：把内容存到 ds:0 这个内存单元中。入栈
pop [2]
解读：把 ds:2 这个内存单元中的内容取出。出栈
注：指令执行时，CPU要知道内存单元的地址，可以在push、pop指令中给出内存单元的偏移地址，段地址在指令执行时，CPU从ds中取得。
对于数据段，将它的段地址存放在DS段寄存器中，用mov、add、sub等访问内存单元的指令时，CPU就将我们定义的数据段中的内容当作数据段来访问；对于代码段，将它的段地址存放在CS段寄存器中，将段中第一条指令的偏移地址放在IP中，这样CPU就将执行我们定义的代码段中的指令；对于栈段，将它的段地址存放在SS段寄存器中，将栈顶单元的偏移地址存放在SP寄存器中，这样CPU在需要进行栈操作的时候，比如执行push、pop指令等，就将我们定义的栈段当作栈空间来用。
可见，不管我们如何安排，CPU将内存中某段内存当作代码，是因为 CS:IP 指向了那里；CPU将某段内存当作栈，是因为 SS:SP 指向了那里。
问题 3.7
编程：
将10000H～1000FH这段空间当作栈，初始状态是空的，将AX、BX、DS中的数据入栈。
分析：我们之前讲过，数据是不能直接和段地址发生关系的。
解答：
mov ax, 1000H
mov ss, ax
mov sp, 0010H
push ax
push bx
push ds
注：
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mov ss, ax
设置栈的段地址，SS = 1000H，不能直接向段寄存器SS送入数据，所以用ax中转。
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mov sp, 0010H
设置栈顶的偏移地址，因为栈为空，所以SP = 0010H。如果对栈为空时，SP的设置还有疑问，复习问题 3.6。
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mov ax, 1000H
mov ss, ax
mov sp, 0010H
这三条指令设置栈顶地址。编程中要自己注意栈的大小。
问题 3.8
编程：
- 将10000H～1000FH这段空间当作栈，初始状态栈是空的；
- 设置AX = 001AH，BX = 001BH；
- 将AX、BX中的数据入栈；
- 然后将AX、BX清零；
- 从栈中恢复AX、BX原来的内容。
思考后看教材 P65 的分析
问题 3.9
教材 P65
问题 3.10
教材 P66
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