[汇编]《汇编语言》第9章转移指令的原理

燕珊萍 發表於 2021-8-27 10:41:00

[汇编]《汇编语言》第9章转移指令的原理

<h2 id="王爽汇编语言第四版-超级笔记">王爽《汇编语言》第四版超级笔记</h2>
<div class="toc"><div class="toc-container-header">目录</div><ul><li>王爽《汇编语言》第四版超级笔记<ul><li>第9章转移指令的原理<ul><li>9.1 操作符offset、jmp指令</li><li>9.2 jmp指令应用场景<ul><li>依据位移进行转移的jmp指令</li><li>转移的目的地址在指令中的jmp指令</li><li>转移地址在寄存器中的jmp指令</li><li>转移地址在内存中的jmp指令</li></ul></li><li>9.3 jcxz指令、loop指令</li><li>9.4 位移转移的意义、编译器对转移位移超界的检测</li></ul></li></ul></li></ul></div>
<h3 id="第9章-转移指令的原理">第9章转移指令的原理</h3>
可以修改IP，或同时修改CS和IP的指令统称为转移指令。
概括地讲，转移指令就是可以控制CPU执行内存中某处代码的指令。
8086CPU的转移行为有以下几类。
<ul>
<li>只修改IP时，称为段内转移，比如：jmp ax。</li>
<li>同时修改CS和IP时，称为段间转移，比如：jmp 1000:0。 
由于转移指令对IP的修改范围不同，段内转移又分为：短转移和近转移。</li>
<li>短转移IP的修改范围为-128〜127。</li>
<li>近转移IP的修改范围为-32768〜32767。</li>
</ul>
8086CPU的转移指令分为以下几类。
<ul>
<li>无条件转移指令（如：jmp）</li>
<li>条件转移指令</li>
<li>循环指令（如：loop）</li>
<li>过程</li>
<li>中断</li>
</ul>
这些转移指令转移的前提条件可能不同，但转移的基本原理是相同的。我们在这一章主要通过深入学习无条件转移指令jmp来理解CPU执行转移指令的基本原理。
<h4 id="91-操作符offsetjmp指令">9.1 操作符offset、jmp指令</h4>
操作符offset在汇编语言中是由编译器处理的符号，它的功能是取得标号的偏移地址。比如下面的程序：
<pre><code>assume cs:codesg

codesg segment

start: mov ax,offset start ;相当于mov ax,0
 s: mov ax,offset s ;相当于mov ax,3

codesg ends

end start
</code></pre>
在上面的程序中，offset操作符取得了标号start和s的偏移地址0和3，所以指令：mov ax,offset start相当于指令mov ax,0，因为start是代码段中的标号，它所标记的指令是代码段中的第一条指令，偏移地址为0。
mov ax,offset s相当于指令mov ax,3，因为s是代码段中的标号，它所标记的指令是代码段中的第二条指令，第一条指令长度为3个字节，则s的偏移地址为3。
问题9.1
<img src="https://img2020.cnblogs.com/blog/1162354/202108/1162354-20210827103100243-313282651.png" alt="image" loading="lazy">
思考后看分析。
分析:
（1）s和s0处的指令所在的内存单元的地址是多少？cs:offset s和cs:offset s0。 
（2）将s处的指令复制到s0处，就是将cs:offset s处的数据复制到cs:offset s0处。 
（3）段地址己知在cs中，偏移地址offset s和offset s0己经送入si和di中。 
（4）要复制的数据有多长？mov ax,bx指令的长度为两个字节，即1个字。
程序如下。
<pre><code>assume cs:codesg

codesg segment

s:mov ax,bx ;mov ax,bx 的机器码占两个字节
 mov si,offset s
 mov di,offset s0
 mov ax,cs:
 mov cs:,ax

s0: nop ;nop的机器码占一个字节
 nop

codesg ends

end s
</code></pre>
<hr>
jmp为无条件转移指令，可以只修改IP，也可以同时修改CS和IP。
jmp指令要给出两种信息:
（1）转移的目的地址 
（2）转移的距离（段间转移、段内短转移、段内近转移）
不同的给岀目的地址的方法，和不同的转移位置，对应有不同格式的jmp指令。
下面的几节内容中，我们以给出目的地址的不同方法为主线，讲解jmp指令的主要应用格式和CPU执行转移指令的基本原理。
<h4 id="92-jmp指令应用场景">9.2 jmp指令应用场景</h4>
<h5 id="依据位移进行转移的jmp指令">依据位移进行转移的jmp指令</h5>
jmp short标号（转到标号处执行指令）
这种格式的jmp指令实现的是段内短转移，它对IP的修改范围为-128～127，也就是说，它向前转移时可以最多越过128个字节，向后转移可以最多越过127个字节。
jmp指令中的“short”符号，说明指令进行的是短转移。jmp指令中的“标号”是代码段中的标号，指明了指令要转移的目的地，转移指令结束后，CS:IP应该指向标号处的指令。
程序9.1
<pre><code>assume cs:codesg

codesg segment

start: mov ax,0
 jmp short s
 add ax,1
s:inc ax

codesg ends

end start
</code></pre>
上面的程序执行后，ax中的值为1，因为执行jmp short s后，越过了add ax,1，IP指向了标号s处的inc ax。也就是说，程序只进行了一次ax加1操作。
汇编指令jmp short s对应的机器指令应该是什么样的呢？
我们先看一下别的汇编指令和其相对应的机器指令。
<pre><code>汇编指令 机器指令
mov ax,0123h B8 23 01
mov ax,ds: A1 23 01
push ds: FF 36 23 01
</code></pre>
可以看到，在一般的汇编指令中，汇编指令中的idata（立即数），不论它是表示一个数据还是内存单元的偏移地址，都会在对应的机器指令中岀现，因为CPU执行的是机器指令，它必须要处理这些数据或地址。
现在我们在Debug中将程序9.1翻译成为机器码，看到的结果如图9.1所示。
<img src="https://img2020.cnblogs.com/blog/1162354/202108/1162354-20210827103338031-507998220.png" alt="image" loading="lazy">
对照汇编源程序，我们可以看到，Debug将jmp short s中的s表示为inc ax指令的偏移地址8，并将jmp short s表示为jmp 0008，表示转移到cs:0008处。
jmp 0008（Debug中的表示）或jmp short s（汇编语言中的表示）所对应的机器码为EB03，注意，这个机器码中竟不包含转移的目的地址，这意味着CPU在执行EB03时，并不知道转移的目的地址。
那么，CPU根据什么进行转移呢？它知道转移到哪里呢？
令人奇怪的是，汇编指令jmp short s中，明明是带有转移的目的地址（由标号s表示）的，可翻译成机器指令后，怎么目的地址就没了呢？
没有了目的地址，CPU如何知道转移到哪里呢？
我们把程序9.1改写一下，变成下面这样：
程序9.2
<pre><code>assume cs:codesg

codesg segment

start:mov ax,0
 mov bx,0
 jmp short s
 add ax,1

s:inc ax

codesg ends

end start
</code></pre>
我们在Debug中将程序9.2翻译成为机器码，看到的结果如图9.2所示。
<img src="https://img2020.cnblogs.com/blog/1162354/202108/1162354-20210827103429636-698572696.png" alt="image" loading="lazy">
这说明CPU在执行jmp指令的时候并不需要转移的目的地址。
CPU不是神仙，它只能处理你提供给它的东西，jmp指令的机器码中不包含转移的目的地址，那么，CPU如何知道将IP改为多少呢？
所以，在jmp指令的机器码中，一定包含了某种信息，使得CPU可以将它当做修改IP的依据。这种信息是什么呢？我们一步步地分析。
我们先简单回忆一下CPU执行指令的过程。
（1）从CS:IP指向内存单元读取指令，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1，重复这个过程。
按照这个步骤，我们参照图9.2看一下，程序9.2中jmp short s指令的读取和执行过程：
（1）(CS)=0BBDH，(IP)=0006H，CS:IP指向EB 03(jmp short s 的机器码)； 
（2）读取指令码EB 03进入指令缓冲器； 
（3）(IP)=(IP)+所读取指令的长度=(IP)+2=0008H，CS:IP指向add ax,1； 
（4）CPU执行指令缓冲器中的指令EB 03； 
（5）指令EB 03执行后，(IP)=000BH，CS:IP指向inc ax。
从上面的过程中我们看到，CPU将指令EB 03读入后，IP指向了下一条指令，即CS:0008处的add ax,1，接着执行EB 03。
如果EB 03没有对IP进行修改的话，那么，接下来CPU将执行add ax,1，可是，CPU执行的EB 03却是一条修改IP的转移指令，执行后(IP)=000BH，CS:IP指向inc ax，CS:0008处的add ax,1没有被执行。
CPU在执行EB 03的时候是根据什么修改的IP，使其指向目标指令呢？
就是根据指令码中的03。注意，要转移的目的地址是CS:000B，而CPU执行EB 03时，当前的(IP)=0008H，如果将当前的IP值加3，使(IP)=000BH，CS:IP就可指向目标指令。在转移指令EB 03中并没有告诉CPU要转移的目的地址，却告诉了CPU要转移的位移，即将当前的IP向后移动3个字节。因为程序1、2中的jmp指令转移的位移相同，都是向后3个字节，所以它们的机器码都是EB 03。
原来如此，在“jmp short标号”指令所对应的机器码中，并不包含转移的目的地址，而包含的是转移的位移。
这个位移，是编译器根据汇编指令中的“标号”计算出来的，具体的计算方法如图9.3所示。
<img src="https://img2020.cnblogs.com/blog/1162354/202108/1162354-20210827103502670-259025290.png" alt="image" loading="lazy">
实际上，“jmp short 标号“的功能为：(IP)=(IP)+8位位移。
(1) 8位位移=标号处的地址-jmp指令后的第一个字节的地址； 
(2) short指明此处的位移为8位位移； 
(3) 8位位移的范围为-128-127，用补码表示； 
(4) 8位位移由编译程序在编译时算出。
还有一种和"jmp short 标号”功能相近的指令格式，jmp near ptr 标号，它实现的是段内近转移。
“jmp near ptr 标号"的功能为：(IP)=(IP)+16位位移。
(1) 16位位移=标号处的地址-jmp指令后的第一个字节的地址； 
(2) near ptr指明此处的位移为16位位移，进行的是段内近转移； 
(3) 16位位移的范围为-32768〜32767，用补码表示； 
(4) 16位位移由编译程序在编译时算出。
<h5 id="转移的目的地址在指令中的jmp指令">转移的目的地址在指令中的jmp指令</h5>
"jmp far ptr 标号”实现的是段间转移，又称为远转移。功能如下:
<ul>
<li>(CS)=标号所在段的段地址；</li>
<li>(IP)=标号在段中的偏移地址。</li>
</ul>
far ptr 指明了指令用标号的段地址和偏移地址修改CS和IP。
看下面的程序：
程序9.3
<pre><code>assume cs:codesg

codesg segment

start:mov ax,0
 mov bx,0
 jmp far ptr s
 db 256 dup (0)
s:add ax,1
 inc ax

codesg ends

end start
</code></pre>
在Debug中将程序9.3翻译成为机器码，看到的结果如图9.4所示。
<img src="https://img2020.cnblogs.com/blog/1162354/202108/1162354-20210827103556290-1425229874.png" alt="image" loading="lazy">
如图9.4中所示，源程序中的db 256 dup (0)，被Debug解释为相应的若干条汇编指令。
这不是关键，关键是，我们要注意一下jmp far ptr s所对应的机器码：EA 0B 01 BD 0B，其中包含转移的目的地址。“0B 01 BD 0B ”是目的地址在指令中的存储顺序，高地址的“BD 0B”是转移的段地址：0BBDH，低地址的“0B 01”是偏移地址：010BH。
<h5 id="转移地址在寄存器中的jmp指令">转移地址在寄存器中的jmp指令</h5>
指令格式：jmp 16位reg 
功能：(IP)=(16位reg)
这种指令我们在前面的内容（参见第2章寄存器修改CS、IP的指令小节）中己经讲过，这里就不再详述。
<h5 id="转移地址在内存中的jmp指令">转移地址在内存中的jmp指令</h5>
转移地址在内存中的jmp指令有两种格式：
（1）jmp word ptr 内存单元地址(段内转移)
功能：从内存单元地址处开始存放着一个字，是转移的目的偏移地址。
内存单元地址可用寻址方式的任一格式给出。
比如，下面的指令：
<blockquote>
mov ax,0123H 
mov ds:,ax 
jmp word ptr ds:
</blockquote>
执行后， (IP)=0123H。
又比如，下面的指令：
<blockquote>
mov ax,0123H 
mov ,ax 
jmp word ptr 
</blockquote>
执行后， (IP)=0123H。
（2）jmp dword ptr 内存单元地址(段间转移)
功能：从内存单元地址处开始存放着两个字，高地址处的字是转移的目的段地址，低地址处是转移的目的偏移地址。
(CS)=(内存单元地址+2) 
(IP)=(内存单元地址)
内存单元地址可用寻址方式的任一格式给出。
比如，下面的指令：
<blockquote>
mov ax,0123H 
mov ds:,ax 
mov word ptr ds:,0 
jmp dword ptr ds:
</blockquote>
执行后，(CS)=0，(IP)=0123H，CS:IP指向0000:0123。
又比如，下面的指令：
<blockquote>
mov ax,0123H 
mov ,ax 
mov word ptr ,0 
jmp dword ptr 
</blockquote>
执行后，(CS)=0，(IP)=0123H，CS:IP指向0000:0123。
<h4 id="93-jcxz指令loop指令">9.3 jcxz指令、loop指令</h4>
JCXZ指令为有条件转移指令，所有的有条件转移指令都是短转移，在对应的机器码中包含转移的位移，而不是目的地址。
对IP的修改范围都为：-128～127。
指令格式：jcxz 标号(如果(cx)=0，转移到标号处执行)。
操作： 
当(cx)=0时，(IP)=(IP)+8位位移； 
8位位移=标号处的地址-jcxz指令后的第一个字节的地址； 
8位位移的范围为-128～127，用补码表示； 
8位位移由编译程序在编译时算出。
当(cx)不等于0时，什么也不做(程序向下执行)。
我们从jcxz的功能中可以看岀，“jcxz 标号”的功能相当于：
<blockquote>
if ((cx)==0)jmp short 标号；
</blockquote>
(这种用C语言和汇编语言进行的综合描述，或许能使你对有条件转移指令理解得更加清楚。)
<hr>
loop指令为循环指令，所有的循环指令都是短转移，在对应的机器码中包含转移的位移，而不是目的地址。
对IP的修改范围都为：-128～127。
指令格式：loop 标号((cx)=(cx)-1，如果(cx)不等于0，转移到标号处执行。
操作： 
(1) (cx)=(cx)-1； 
(2) 如果(cx)不等于0，(IP)=(IP)+8位位移。
8位位移=标号处的地址-loop指令后的第一个字节的地址； 
8位位移的范围为-128～127，用补码表示； 
8位位移由编译程序在编译时算出。
如果(cx)=0，什么也不做(程序向下执行)。
我们从loop的功能中可以看出，“loop标号”的功能相当于：
<blockquote>
(cx)--; 
if ((cx)!=0)jmp short 标号;
</blockquote>
<h4 id="94-位移转移的意义编译器对转移位移超界的检测">9.4 位移转移的意义、编译器对转移位移超界的检测</h4>
前面我们讲到：
<blockquote>
jmp short 标号 
jmp near ptr 标号 
jcxz 标号 
loop 标号
</blockquote>
等几种汇编指令，它们对IP的修改是根据转移目的地址和转移起始地址之间的位移来进行的。
在它们对应的机器码中不包含转移的目的地址，而包含的是到目的地址的位移。
这种设计，方便了程序段在内存中的浮动装配。
例如：
<pre><code>汇编指令 机器代码
mov cx,6 B9 06 00
mov ax,10h B8 10 00
s:add ax,ax 01 C0
loop s E2 FC
</code></pre>
这段程序装在内存中的不同位置都可正确执行，因为loop s在执行时只涉及s的位移（-4，前移4个字节，补码表示为FCH），而不是s的地址。
如果loop s的机器码中包含的是s的地址，则就对程序段在内存中的偏移地址有了严格的限制，因为机器码中包含的是s的地址，如果s处的指令不在目的地址处，程序的执行就会出错。
而loop s的机器码中包含的是转移的位移，就不存在这个问题了，因为，无论s处的指令的实际地址是多少，loop指令的转移位移是不变的。
<hr>
注意，根据位移进行转移的指令，它们的转移范围受到转移位移的限制，如果在源程序中出现了转移范围超界的问题，在编译的时候，编译器将报错。
比如，下面的程序将引起编译错误：
<pre><code>assume cs:code

code segment

start:jmp short s
 db 128 dup (0)
s:mov ax,0ffffh

code ends

end start
</code></pre>
jmp short s 的转移范围是-128～127，IP最多向后移动127个字节。
注意，我们在第2章中讲到的形如“jmp 2000:0100"的转移指令，是在Debug中使用的汇编指令，汇编编译器并不认识。如果在源程序中使用，编译时也会报错。 
来源：https://www.cnblogs.com/jpSpaceX/p/15167676.html

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[汇编]《汇编语言》第9章 转移指令的原理

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