x86处理器中的CS与IP寄存器
(2012-08-09 14:34:07)
2.10  CS和IP（1）
CS和IP是8086CPU中两个最关键的寄存器，它们指示了CPU当前要读取指令的地址。CS为代码段寄存器，IP为指令指针寄存器，从名称上我们可以看出它们和指令的关系。
在8086PC机中，任意时刻，设CS中的内容为Ｍ，IP中的内容为Ｎ，8086CPU将从内存M*16+N单元开始，读取一条指令并执行。
也可以这样表述：8086机中，任意时刻，CPU将CS:IP指向的内容当作指令执行。
图2.10展示了8086CPU读取、执行指令的工作原理(图中只包括了和所要说明的问题密切相关的部件，图中数字都为十六进制)。
 
图2.10  8086PC读取和执行指令的相关部件
图2.10说明如下。
(1) 8086CPU当前状态：CS中的内容为2000H，IP中的内容为0000H；
(2) 内存20000H~20009H单元存放着可执行的机器码；
(3) 内存20000H~20009H单元中存放的机器码对应的汇编指令如下。
地址：20000H~20002H，内容：B8 23 01，长度：3Byte，对应汇编指令：mov ax,0123H
地址：20003H~20005H，内容：BB 03 00，长度：3Byte，对应汇编指令：mov bx,0003H
地址：20006H~20007H，内容：89 D8，长度：2Byte，对应汇编指令：mov ax,bx
地址：20008H~20009H，内容：01 D8，长度：2Byte，对应汇编指令：add ax,bx
下面的一组图(图2.11~图2.19)，以图2.10描述的情况为初始状态，展示了8086CPU读取、执行一条指令的过程。注意每幅图中发生的变化(下面对8086CPU的描述，是在逻辑结构、宏观过程的层面上进行的，目的是使读者对CPU工作原理有一个清晰、直观的认识，为汇编语言的学习打下基础。其中隐蔽了CPU的物理结构以及具体的工作细节)。
 
图2.11  初始状态(CS:2000H，IP:0000H，CPU将从
内存2000H×16+0000H处读取指令执行)
 
图2.12  CS、IP中的内容送入地址加法器(地址加法
器完成：物理地址=段地址×16+偏移地址)
 
图2.13  地址加法器将物理地址送入输入输出控制电路
 
图2.14  输入输出控制电路将物理地址20000H送上地址总线
 
图2.15  从内存20000H单元开始存放的
机器指令B8 23 01通过数据总线被送入CPU
 
图2.16  输入输出控制电路将机器指令B8 23 01送入指令缓冲器
 
图2.17  IP中的值自动增加
(读取一条指令后，IP中的值自动增加，以使CPU可以读取下一条指令。因当前读入的指令B82301
长度为3个字节，所以IP中的值加3。此时，CS：IP指向内存单元2000:0003。)
2.10 CS和IP（2）
 
图2.18  执行控制器执行指令B8 23 01(即mov ax,0123H)
 
图2.19  指令B8 23 01被执行后AX中的内容为0123H
(此时，CPU将从内存单元2000:0003处读取指令。)
下面的一组图(图2.20~图2.26)，以图2.19的情况为初始状态，展示了8086CPU继续读取、执行3条指令的过程。注意IP的变化(下面的描述中，隐蔽了读取每条指令的细节)。
 
图2.20  CS:2000H，IP:0003H(CPU将从内存2000H×16+0003H处读取指令BB 03 00)
 
图2.21  CPU从内存20003H处读取指令BB 03 00入指令缓冲器(IP中的值加3)
 
图2.22  执行指令BB 03 00(即mov bx,0003H)
 
图2.23  CPU从内存20006H处读取指令89 D8入指令缓冲器(IP中的值加2)
 
 
图2.24  执行指令89 D8(即mov ax,bx)后，AX中的内容为0003H
 
图2.25  CPU从内存20008H处读取指令01 D8入指令缓冲器(IP中的值加2)
 
图2.26  执行指令01 D8(即add ax,bx)后，AX中的内容为0006H
通过上面的过程展示，8086CPU的工作过程可以简要描述如下。
(1) 从CS:IP指向的内存单元读取指令，读取的指令进入指令缓冲器；
(2) IP=IP+所读取指令的长度，从而指向下一条指令；
(3) 执行指令。转到步骤(1)，重复这个过程。
在8086CPU加电启动或复位后(即CPU刚开始工作时)CS和IP被设置为CS=FFFFH，IP=0000H，即在8086PC机刚启动时，CPU从内存FFFF0H单元中读取指令执行，FFFF0H单元中的指令是8086PC机开机后执行的第一条指令。
现在，我们更清楚了CS和IP的重要性，它们的内容提供了CPU要执行指令的地址。
我们在第1章中讲过，在内存中，指令和数据没有任何区别，都是二进制信息，CPU在工作的时候把有的信息看作指令，有的信息看作数据。现在，如果提出一个问题：CPU根据什么将内存中的信息看作指令？如何回答？我们可以说，CPU将CS:IP指向的内存单元中的内容看作指令，因为，在任何时候，CPU将CS、IP中的内容当作指令的段地址和偏移地址，用它们合成指令的物理地址，到内存中读取指令码，执行。如果说，内存中的一段信息曾被CPU 执行过的话，那么，它所在的内存单元必然被CS:IP指向过。
2.11  修改CS、IP的指令
在CPU中，程序员能够用指令读写的部件只有寄存器，程序员可以通过改变寄存器中的内容实现对CPU的控制。CPU从何处执行指令是由CS、IP中的内容决定的，程序员可以通过改变CS、IP中的内容来控制CPU执行目标指令。
我们如何改变CS、IP的值呢？显然，8086CPU必须提供相应的指令。我们如何修改AX中的值？可以用mov指令，如mov ax,123将ax中的值设为123，显然，我们也可以用同样的方法设置其他寄存器的值，如mov bx,123，mov cx,123，mov dx，123等。其实，8086CPU大部分寄存器的值，都可以用mov指令来改变，mov指令被称为传送指令。
但是，mov指令不能用于设置CS、IP的值，原因很简单，因为8086CPU没有提供这样的功能。8086CPU汇编指令有多少个为CS、IP提供了另外的指令来改变它们的值。能够改变CS、IP的内容的指令被统称为转移指令(我们以后会深入研究)。我们现在介绍一个最简单的可以修改CS、IP的指令：jmp指令。
若想同时修改CS、IP的内容，可用形如"jmp段地址：偏移地址"的指令完成，如
jmp 2AE3:3，执行后：CS=2AE3H，IP=0003H，CPU将从2AE33H处读取指令。
jmp 3:0B16，执行后：CS=0003H，IP=0B16H，CPU将从00B46H处读取指令。
"jmp 段地址：偏移地址"指令的功能为：用指令中给出的段地址修改CS，偏移地址修改IP。
若想仅修改IP的内容，可用形如"jmp 某一合法寄存器"的指令完成，如
jmp ax，指令执行前：ax=1000H，CS=2000H，IP=0003H
指令执行后：ax=1000H，CS=2000H，IP=1000H
jmp bx，指令执行前：bx=0B16H，CS=2000H，IP=0003H
指令执行后：bx=0B16H，CS=2000H，IP=0B16H
"jmp 某一合法寄存器"指令的功能为：用寄存器中的值修改IP。
jmp ax，在含义上好似：mov IP,ax。
注意，我们在适当的时候，会用已知的汇编指令的语法来描述新学的汇编指令的功能。采用一种"用汇编解释汇编"的方法来使读者更好地理解汇编指令的功能，这样做有助于读者进行知识的相互融会。要强调的是，我们是用"已知的汇编指令的语法"进行描述，并不是用"
已知的汇编指令"来描述，比如，我们用 mov IP,ax来描述jmp ax，并不是说真有mov IP,ax这样的指令，而是用mov指令的语法来说明jmp指令的功能。我们可以用同样的方法描述jmp 3:01B6的功能：jmp 3:01B6 在含义上好似mov CS,3  mov IP,01B6。
内存中存放的机器码和对应的汇编指令情况如图2.27所示，设CPU初始状态：CS=2000H，IP=0000H，请写出指令执行序列。思考后看分析。
 
图2.27  内存中存放的机器码和对应的汇编指令
分析：
CPU对图2.27中的指令的执行过程如下。
(1) 当前CS=2000H，IP=0000H，则CPU从内存2000H×16+0=20000H处读取指令，读入的指令是：B8 22 66(mov ax,6622H)，读入后IP=IP+3=0003H；
(2) 指令执行后，CS=2000H，IP=0003H，则CPU从内存2000H×16+0003H =20003H处读取指令，读入的指令是：EA 03 00 00 10(jmp 1000:0003)，读入后IP=IP+5=0008H；
(3) 指令执行后，CS=1000H，IP=0003H，则CPU从内存1000H×16+0003H =10003H处读取指令，读入的指令是：B8 00 00(mov ax,0000)，读入后IP=IP+3=0006H；
(4) 指令执行后，CS=1000H，IP=0006H，则CPU从内存1000H×16+0006H =10006H处读取指令，读入的指令是：8B D8(mov bx,ax)，读入后IP=IP+2=0008H；
(5) 指令执行后，CS=1000H，IP=0008H，则CPU从内存1000H×16+0008H =10008H处读取指令，读入的指令是：FF E3(jmp bx)，读入后IP=IP+2=000AH；
(6) 指令执行后，CS=1000H，IP=0000H，CPU从内存10000H处读取指令……
经分析后，可知指令执行序列为：
(1) mov ax,6622H
(2) jmp 1000:3
(3) mov ax,0000
(4) mov bx,ax
(5) jmp bx
(6) mov ax,0123H
(7) 转到第3步执行

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