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第一章 基础知识

汇编课程不全面深入研究硬件系统，PC 机及 CPU 物理、编程结构的全面研究在《微机原理与接口》，计算机一般结构等研究在《组成原理》，汇编课程重点是利用硬件编程结构和指令集控制系统工作。

1-1 机器语言

机器语言

机器指令集合，机器指令是计算机能执行的命令，以二进制数字呈现，计算机将其转为高低电平驱动电子器件运算 。

早期计算机指执行机器指令运算的机器，现在常用 PC 机里，由 CPU（中央处理单元，微处理器）等组成计算机系统，CPU 承担关键运算控制功能 。

不同微处理器因硬件和内部结构不同，需不同电平脉冲控制，所以各有专属机器指令集（即机器语言） 。

以 8086CPU 完成运算 s = 768 + 12288 - 1280 为例：

101110000000000000000011
000001010000000000110000
001011010000000000000101

1-2 汇编语言的产生

汇编指令是机器指令的“便于记忆版”，本质是对机器指令做了符号化封装。比如机器指令1000100111011000（操作：BX寄存器内容送AX寄存器 ），对应汇编指令mov ax,bx ，用贴近人类语言的助记符，降低阅读和记忆成本。

寄存器

寄存器是CPU里存数据的器件，像AX、BX是不同寄存器的代号，为理解汇编指令操作对象做铺垫。

汇编程序的执行流程：汇编指令写的源程序，计算机无法直接执行（计算机只认机器指令 ），需要汇编编译器把汇编指令翻译成机器指令（机器码 ），计算机最终执行翻译后的机器码，明确了汇编语言编程的“编写 - 编译 - 执行”链路。

1-3 汇编语言的组成

• 汇编指令：最核心的部分，是机器码的“简化代号”（助记符）。比如mov ax,bx ，背后对应特定二进制机器码，CPU能直接执行，是汇编语言和硬件交互的直接桥梁 。
• 伪指令：“辅助性指令”，没有对应的机器码，作用是给编译器看的。像定义数据、分配内存的指令（比如DB定义字节数据 ），编译器根据伪指令做编译时的处理（如分配存储空间 ），但CPU不会执行伪指令本身 。
• 其他符号：像+、-、*、/这些运算符号，同样没有机器码，是让代码更易读的“语法糖”，编译器负责识别解析，转成对应的汇编指令或操作 。

这两段内容围绕 “存储器的作用” 和 “指令与数据的本质” 展开，核心是解释计算机如何处理“指令”和“数据”，以及内存的关键地位，以下分两部分解析：

1-4 存储器

内存的核心地位：
CPU是计算机核心，但必须依赖 “指令”（做什么） 和 “数据”（操作对象） 才能工作，而这两者存放在 内存 中。内存对PC的重要性仅次于CPU，没有内存，再强的CPU也无法运行（类比大脑没记忆就无法思考）。

内存与磁盘的关系：
磁盘里的程序/数据，必须先加载到内存，才能被CPU使用（CPU不能直接访问磁盘，只能直接读写内存）。

汇编语言编程需要理解 CPU如何从内存“读”信息（取指令、读数据），以及向内存“写”信息（存结果），这是后续学习的基础。

1-5 指令和数据

在内存或磁盘中，指令和数据都是二进制串（物理上无区别）。它们的区别来自 CPU的“解读方式”：CPU把某些二进制串当作“指令”（指挥操作），另一些当作“数据”（操作对象）。

例如：
二进制串 1000100111011000：

• 作为数据：转成十六进制是 89D8H（CPU当作“数值”处理）；
• 作为指令：对应汇编指令 mov ax, bx（CPU当作“命令”，执行“把bx寄存器的值放到ax寄存器”）。

这部分内容围绕 “存储单元的结构、容量及计量方式” 展开，核心是建立 “地址→单元→容量” 的底层认知，以下分点解析：

1-6 存储单元

划分与编号：
存储器被切割成 多个独立的“存储单元”，每个单元从 0开始顺序编号（类似“房间号”）。例如128个单元，编号是 0~127。这个编号就是 内存地址，CPU通过“地址”定位到具体单元，实现数据读写。

存储容量：从bit到Byte

• 最小单位：bit（比特）：
  计算机最基础的信息单位，1个bit只存 1个二进制位（0或1），类比灯泡的“亮/灭”。

• 基本单位：Byte（字节）：
  1个Byte = 8个bit（8位二进制）。微型机中，每个存储单元固定存储1个Byte（即8个bit）。
  → 举例：128个存储单元 → 总容量 = 128 × 1Byte = 128字节。

容量的计量：二进制进位

当存储器容量很大时，用“字节”描述太繁琐，因此定义更大单位，遵循 “1024倍递增”（计算机的二进制逻辑，而非生活中的1000倍）：

• 1KB（千字节）= 1024B
• 1MB（兆字节）= 1024KB
• 1GB（吉字节）= 1024MB
• 1TB（太字节）= 1024GB

→ 本质：每级单位都是前一级的 2¹⁰倍（因为1024=2¹⁰），体现二进制系统的特性。

无论是 内存（如DDR4）还是 磁盘（如硬盘、SSD），容量都用上述单位计量（比如“512GB固态硬盘”“16GB内存”）。

1-7 CPU 对存储器的读写

核心逻辑：

CPU 与存储器（内存）交互时，需通过 “三类信息” + “三类总线” 完成数据读写，本质是 “定位→发令→传数据” 的协作过程。

一、CPU 读写内存的 3 类核心信息

信息类型	作用	类比
地址信息	指定要访问的存储单元编号（如“3号单元”），明确“操作对象在哪里”。	告诉邮局：“我要 3号邮箱 的信”。
控制信息	1. 定义操作类型（读/写）； 2. 选中存储器（区分硬盘、显卡等其他器件）。	告诉邮局：“是 取信（读） ，不是寄信（写）；操作对象是 邮局（存储器） ”。
数据信息	读：从内存获取的数据； 写：要存入内存的数据。	邮局递给你的 信（读） ，或你要寄的 信（写） 。

二、信息传输的通道：3 类总线

总线是 CPU 与芯片连接的导线集合，从逻辑上分工传输不同信息：

总线类型	传输内容	传输方向	类比
地址总线	地址信息（如“3号”）	单向（CPU→内存）	你喊“3号邮箱”（只有 CPU 告诉内存地址，内存不会反向传地址）。
控制总线	控制命令（如“读”）	单向/双向（依命令）	你说“取信”（CPU 发命令；内存也可反馈状态，基础阶段简化为 CPU 发令）。
数据总线	数据信息（如08）	双向（读：内存→CPU；写：CPU→内存）	邮局把信递给你（读），或你把信放进邮箱（写）。

示例：CPU 读取“3号存储单元”的过程

1. 地址总线发定位：
   CPU 通过 地址总线，发送“3号单元”的地址，告诉内存“要访问这里”。

2. 控制总线发命令：
   CPU 通过 控制总线，发送 “内存读命令”，同时选中“存储器”（排除硬盘、显卡等其他器件）。

3. 数据总线传数据：
   内存找到3号单元（假设存储数据为08），通过 数据总线 将08传回 CPU。

读/写操作的核心差异：控制命令方向 + 数据流向

操作类型	步骤 1（地址总线）	步骤 2（控制总线）	步骤 3（数据总线）
读操作	发地址（如“3号单元”）	发 读命令（选内存，读数据）	接收数据（内存→CPU，如“8”）
写操作	发地址（如“3号单元”）	发 写命令（选内存，写数据）	发送数据（CPU→内存，如“26”）

实例：8086CPU 从3号单元读数据到AX寄存器

• 机器码（二进制）：1010000100000001100000000
  → 缺点：纯二进制，人类难记忆、难编写；
  → 优点：CPU可直接执行，无需翻译。

• 汇编指令：MOV AX, [3]
  → 含义：把3号存储单元的内容，传送到AX寄存器；
  → 作用：是机器码的 “人类友好版”，简化记忆和编程（编译器会将其转为机器码）。

1-8 地址总线

核心逻辑

地址总线的宽度（根数）决定 CPU 能寻址的存储单元数量，本质是 二进制位数与可表示状态数的关系。

示例：寻址能力推导（以10根地址线为例）：

1. 单根地址线的特性

物理上，一根地址线只有 2种稳定状态：高电平（代表二进制1）、低电平（代表二进制0）。

2. N根地址线 → N位二进制数

10根地址线同时工作时，可传输 10位二进制数（每根线对应1位，共10位）。

3. 10位二进制数的寻址范围

• 最小值：0000000000（十进制 0）
• 最大值：1111111111（十进制 2¹⁰−1 = 1023）
• 总数量：从0到1023，共 2¹⁰ = 1024 个不同地址（即1024个存储单元）。

通用公式

若 CPU 的地址总线宽度为 N 根（即支持传输 N 位二进制数），则：

• 可寻址的存储单元数量 = ${\mathbf{2}}^{\mathit{N}}$ 个（地址范围：0 ~ 2^N − 1）。

地址总线越宽（N 越大），CPU 能访问的内存空间越大（如 32 根地址线支持 4GB 寻址，64 根支持更大空间）。

1-9 数据总线

核心逻辑

数据总线的宽度决定 CPU 单次能传输的数据量，直接影响数据交互的效率。

数据总线的功能与特性：

方面	说明
作用	是 CPU 与 内存、外设 之间 双向传输数据 的通道（读：内存→CPU；写：CPU→内存）。
宽度定义	数据总线包含的导线数量（如 8 根、16 根），对应单次传输的二进制位数。
速度影响	宽度越大，单次传输数据越多，交互速度越快（类比：“宽车道比窄车道运货更快”）。

传输能力：

数据总线宽度	单次传输位数	对应数据大小	示例场景
8 根	8 位（1 字节）	如 D8H（单字节）	8088CPU 的数据总线
16 根	16 位（2 字节）	如 89D8H（双字节）	8086CPU 的数据总线

示例：8088 vs 8086 传输 89D8H 的差异

1. 数据分解

89D8H 是 16 位十六进制数，拆分为 两个字节：

• 高 8 位：89H（二进制 10001001）；
• 低 8 位：D8H（二进制 11011000）。

2. 8088CPU（8 位数据总线）

• 单次最多传 8 位（1 字节），因此需 分 2 次传输：
  ① 第一次传 低 8 位 D8H；
  ② 第二次传 高 8 位 89H。

3. 8086CPU（16 位数据总线）

• 单次可传 16 位（2 字节），因此 1 次传输 完整的 89D8H。

1-10 控制总线

核心概念：

• 定义：控制总线是 多根控制线的组合，负责传递 CPU 对外部器件（内存、外设等）的 控制命令（如“读内存”“写硬盘”），也可接收器件反馈的状态信号（基础阶段聚焦 CPU 发命令）。

控制总线的“宽度”决定控制能力

• 宽度：控制总线包含的 控制线数量（即有多少根独立的线）。
• 能力关系：
  控制线越多（宽度越大），CPU 能实现的 控制功能越丰富（比如同时支持读、写、中断、复位等操作）。

典型控制线：以“内存读写”为例

1. 读信号控制线

• 功能：CPU 向外部器件（如内存）发送 “读命令”。
• 信号规则：CPU 输出 低电平 时，表示触发“读操作”（硬件层面的约定，不同 CPU 可能有差异，但核心是传递命令）。

2. 写信号控制线

• 功能：CPU 向外部器件发送 “写命令”。
• 信号规则：通过特定电平（如高电平）标识“写操作”，触发器件准备接收数据。

1-11 内存地址空间

核心定义：
CPU的 地址总线宽度 决定其能寻址的 内存单元总数，这些可访问的内存单元集合，称为 “内存地址空间”。

1-12 主板

• 角色：PC的核心硬件载体，连接所有关键器件。
• 组成与连接：
  • 核心器件：CPU、存储器（如RAM）、外围芯片组（协调硬件工作）。
  • 扩展插槽：用于插入 RAM内存条 和 接口卡（如显卡、声卡）。
  • 总线连接：所有器件通过 地址总线、数据总线、控制总线 交互。

第二章 寄存器

一个典型 CPU 由 4 大核心器件 + 内部总线 构成：

器件	功能定位	类比（工厂场景）
运算器	执行信息处理（运算、逻辑判断）	车间（加工数据）
寄存器	临时存储信息（数据、地址、状态）	仓库（暂存原料/成品）
控制器	协调控制各器件工作	调度室（发号施令）
内部总线	连接内部器件，传输数据/控制信号	传送带（车间-仓库-调度室）

内外总线的分工：

• 内部总线：仅用于 CPU 内部器件之间的通信（如运算器↔寄存器）。
• 外部总线：连接 CPU 与主板其他器件（如内存、接口卡，对应地址/数据/控制总线）。

寄存器是 CPU 中唯一可通过指令直接读写的部件。程序员通过 修改寄存器内容，间接控制 CPU 的工作（如运算、寻址、状态切换）。

8086CPU 的寄存器（共 14 个）：

8086 是经典 CPU 模型，寄存器分为多类，名称如下：
AX、BX、CX、DX、SI、DI、SP、BP、IP、CS、SS、DS、ES、PSW

2-1 通用寄存器

核心定位：存储一般性数据

8086CPU 中，AX、BX、CX、DX 这 4 个寄存器属于 通用寄存器，用于存放 一般性数据（如运算的操作数、中间结果等）。

位宽与容量

16位结构（以AX为例）

• 每个通用寄存器是 16位宽（bit 0 ~ bit 15，共16个二进制位），可存储 2个字节（1 Byte = 8 bit）。
• 最大值计算：16位二进制能表示的最大值为 ${\mathbf{2}}^{\mathbf{16}}\mathbf{-}\mathbf{1}\mathbf{=}\mathbf{65535}$（全1状态：1111111111111111）。

兼容8位CPU的拆分设计

8086 需兼容“前代8位CPU”的程序，因此将 AX、BX、CX、DX 每个16位寄存器 拆分为两个独立的8位寄存器：

16位寄存器	高8位（bit 8~15）	低8位（bit 0~7）
AX	AH	AL
BX	BH	BL
CX	CH	CL
DX	DH	DL

• 既能按 16位整体使用（处理大范围数据，如 AX 存 1234H），也能按 8位拆分使用（兼容旧程序，如 AL 存 0FH）。
• 实现“16位新特性”与“8位旧程序”的无缝衔接。

数据存储示例（以AX为例）

1. 小数据（8位以内，如 18）

• 十进制 18 → 二进制 10010（共5位），存储在 AX的低8位（AL） 中，高8位（AH）自动补0：

2. 16位数据（如 20000）

• 十进制 20000 → 二进制 100111000100000（共15位，不足16位时高位补0），占满AX的16位：

8位寄存器的最大值

8位寄存器（如AL、AH、BL等）的位宽是 8 bit，能表示的最大值为：

$$2^8-1=255$$

（二进制 11111111，十进制 255）。

2-2 字在寄存器中的存储

单位	位数	存储载体	拆分关系
字节（byte）	8位	8位寄存器（如 AL、AH、BL）	-
字（word）	16位	16位寄存器（如 AX、BX）	1字 = 2字节（高位字节 + 低位字节）

字在16位寄存器中的存储（以AX存20000为例）

1. 数据转换与拆分

• 十进制 20000 → 二进制 01001110 01000000（补全16位） → 拆分为：
  • 高位字节（高8位）：01001110（十进制 78，存 AH）；
  • 低位字节（低8位）：01000000（十进制 32，存 AL）。

2. 寄存器的“复用性”

• 作为“字”：AX 整体存储 16 位数据 20000（二进制 0100111001000000）；
• 作为“两个字节”：AH 存 78，AL 存 32，二者独立读写。

2-3 汇编指令基础

核心指令解析

汇编指令	功能	类比高级语言	操作对象
mov ax, 18	将18写入AX	AX = 18	寄存器赋值
mov ah, 78	将78写入AH	AH = 78	8位寄存器赋值
add ax, 8	AX的值加8	AX += 8	寄存器运算
mov ax, bx	将BX的值复制到AX	AX = BX	寄存器间数据转移
add ax, bx	AX与BX相加，结果存AX	AX += BX	寄存器间运算

语法细节：

• 大小写无关：MOV AX,18 和 mov ax,18 效果相同；BX 和 bx 是同一寄存器。
• 直接操控硬件：指令直接操作 寄存器（CPU 内部存储单元），跳过复杂抽象层。

指令执行追踪（初始：AX=0000H，BX=0000H）：

执行指令	AX 结果	BX 结果	关键逻辑
mov ax, 4E20H	4E20H	0000H	16位数据写入AX
add ax, 1406H	6226H	0000H	AX = 4E20H + 1406H
mov bx, 2000H	6226H	2000H	16位数据写入BX

问题2.1：16位寄存器的溢出截断

场景与计算

• 前置状态：执行 add ax,bx 前，AX = 8226H，BX = 8226H。
• 加法运算：
  十六进制计算：8226H + 8226H = 1044CH（共5位十六进制）。
• 16位限制：
  AX 是 16位寄存器，最多存储 4位十六进制数（范围 0000H ~ FFFFH）。
• 结果处理：
  截断高位 1，仅保留低16位 044CH，因此 AX = 044CH。

初始状态：AX = 0000H（AH=00H，AL=00H），BX = 0000H（BH=00H，BL=00H）。

指令	操作分析	结果（AX/BX）
mov ax, 001AH	16位数据 001AH 存入AX → AH=00H，AL=1AH	AX=001AH，BX=0000H
mov bx, 0026H	16位数据 0026H 存入BX → BH=00H，BL=26H	AX=001AH，BX=0026H
add al, bl	8位运算：AL(1AH) + BL(26H) = 40H（十进制：26+38=64→40H），存AL	AX=0040H，BX=0026H
add ah, bl	8位运算：AH(00H) + BL(26H) = 26H，存AH	AX=2640H，BX=0026H
add bh, al	8位运算：BH(00H) + AL(40H) = 40H，存BH	AX=2640H，BX=4026H
mov ah, 0	AH赋值为00H，AL保持40H	AX=0040H，BX=4026H
add al, 85H	8位运算：AL(40H) + 85H = C5H（40+133=173→C5H），存AL	AX=00C5H，BX=4026H
add al, 93H	8位运算+溢出：AL(C5H, 197) + 93H(147) = 344，截断为低8位 58H（344-256=88→58H），存AL	AX=0058H，BX=4026H

问题2.2：8位运算的溢出与指令位数匹配

1. 执行前状态

   • AL = C5H（8位，十进制 197），AH = 00H（故 AX = 00C5H）。

2. 运算过程

   • 十六进制加法：C5H + 93H = 158H（十进制：197 + 147 = 344）。
   • 8位寄存器限制：AL 是 8位寄存器，最多存储 FFH（255，两位十六进制）。
   • 结果截断：158H 是3位十六进制，截断高位 1，仅保留低8位 58H → AL = 58H，AH 仍为 00H → 最终 AX = 0058H。

8位 vs 16位运算的 进位差异：

指令	运算维度	进位处理	结果示例
add al, 93H	8位运算	进位（如158H的高位1）丢失（不存入AH）	AX=0058H（仅改AL）
add ax, 93H	16位运算	进位存入AH（00C5H + 0093H = 0158H）	AX=0158H（AH和AL都变化）

[!error] 三、指令的 位数一致性规则

1. 核心原则

指令的两个操作对象，位数必须匹配（8位 ↔ 8位，16位 ↔ 16位），否则指令非法。

2. 正确示例

• mov ax, bx：AX（16位）← BX（16位）；
• mov al, 18H：AL（8位）← 18H（8位，≤255）；
• add ax, 20000：AX（16位）← AX + 20000（16位，≤65535）。

3. 错误示例

• mov ax, bl：AX（16位）← BL（8位）→ 位数不匹配；
• mov al, 20000：AL（8位）← 20000（超8位最大值255）→ 范围+位数都不匹配；
• add al, 100H：AL（8位）← AL + 100H（16位）→ 位数不匹配。

贡献者

Tuntun Yuchiha

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