轉自：https://www.shiyanlou.com/courses/running/332
一、課程簡介
- 聲明：該課程基於《匯編語言（第2版）》鄭曉薇 編著，機械工業出版社。本節實驗取自教材中第二章的《實例二 進入計算機》。
- 實驗環境：
1.DOS 環境
實驗環境中安裝有dosemu可以模擬DOS環境，並提供DEBUG、MASM、LINK等匯編語言開發程序。
2.進入DOS和DEBUG
在桌面上雙擊dosemu圖標，直接進入DOS。再做如下操作：
C:\〉D: ——回車后進入D盤 D:\〉CD DOS ——進入DOS子目錄 D:\dos〉DIR ——列出目錄中的文件 D:\dos〉DEBUG ——進入DEBUG
二、進入計算機
微型計算機的字長與微處理器的寄存器位數有關。
以Intel 80X86系列微處理器為例：
CPU是8086/8088、80286的字長是16位(二進制位bit)，那么它們的寄存器的位數一定是16位的；
32位字長的微機CPU是80386/80486或者Pentium系列，它們的寄存器的位數則是32位的。
在匯編語言中，數值后面分別用字母B、H、D代表二進制(Binary)、十六進制(Hexadecimal)、十進制數（Decimal）（十進制數可以省略D）。
在計算機中還規定采用字節、字、雙字等單位來表示數據。
字節（Byte）：8位二進制數。如00000101B，或表示成05H；10000101B，或表示成85H。
字（Word）：16位二進制數，等於2字節。如1100010111010110B，或表示成C5D6H。
雙字（Double Word）：32位二進制數，又稱為雙精度數，等於4字節。如23456789H。
2.1 8086寄存器組
8086寄存器都是16位的寄存器，根據用途可分為4種類型。分別是數據寄存器、地址寄存器、段寄存器和控制寄存器。如圖所示：
數據寄存器中每個寄存器又可以分為2個8位的寄存器：AH、AL，BH、BL，CH、CL，DH、DL。H表示高字節（高8位）寄存器、L表示低字節（低8位）寄存器。例如 用AX寄存器存放一個字1234H，表示為(AX)=1234H，即高字節12放在AH，低字節34放在AL中。
地址寄存器包括指針和變址寄存器SP、BP、SI、DI四個16位寄存器。顧名思義，它們可用來存放存儲器操作數的偏移地址。另外，它們也可以作為通用寄存器用。
8086CPU有4個16位的段寄存器，分別是CS代碼段寄存器、DS數據段寄存器、ES附加段寄存器、SS堆棧段寄存器。
控制寄存器包括IP和FLAGS（又稱為PSW程序狀態字）兩個16位寄存器，用於控制程序的執行。
IP 指令指針寄存器，用來存放代碼段中的偏移地址，指出當前正在執行指令的下一條指令所在單元的偏移地址。
FLAGS標志寄存器中的某位代表CPU的1個標志，表示出CPU的某種執行狀態。最低位為D0，最高位為D15。8086CPU的標志寄存器共有9個標志，分別為6個條件碼標志和3個控制標志。如圖：
（1）條件碼標志 (D0~D7+D11)
CF 進位標志：當指令執行結果的最高位向前有進位時，CF=1，否則CF=0
PF 奇偶標志：當指令執行結果中1的個數為偶數個時，PF=1，否則PF=0
AF 輔助進位標志：當指令執行結果的第3位（半字節）向前有進位時，AF=1，否則AF=0
ZF 零標志：當指令執行結果為0時，ZF=1，結果不為0時，ZF=0
SF 符號標志：當指令執行結果的最高位（符號位）為負時，SF=1，否則SF=0
OF 溢出標志：當指令執行結果有溢出（超出了數的表示范圍）時，OF=1，否則OF=0
（2）控制標志 (D8~D10)
TF 陷阱標志：在DEBUG調試時，TF=1，采用單步執行方式，即進入陷阱；TF=0，正常執行程序
IF 中斷標志：設置IF=1，允許CPU響應可屏蔽中斷，IF=0則不響應
DF 方向標志：執行串處理指令時，若設置DF=0，存儲單元的地址寄存器的值自動增加，若設置DF=1，存儲單元的地址寄存器的值自動減小
例： 兩個二進制數相加運算，有關標志位自動發生變化。
根據計算結果可知CPU會自動地把標志位設為：CF=0，SF=1，ZF=0，OF=0，PF=0，即無進位，結果為負數，結果不為0，沒有溢出，奇數個1。 對溢出的判斷也可以從簡單的角度理解，因為進行運算的二進制數是補碼，可看出本題是一個負數和一個正數相加，結果為負數，不溢出。若兩個正數相加，結果為負數，或者兩個負數相加，結果為正數，那都是溢出了，說明8位補碼已經表示不了該結果。
數的補碼表示:
在計算機中，對帶符號數可用真值和機器數兩個概念表示。真值，就是帶有“+”、“-”號的實際數值；所謂機器數，則是把“+”、“-”符號數值化（0、1）后所得到的計算機實際能表示的數。
機器數有三種碼表示，分別是原碼、反碼和補碼。匯編語言中，數都是以補碼的形式表示的，因此必須掌握數的補碼表示和補碼的運算。這三種碼的定義如下：
原碼：原碼將最高位作為符號位，正數為0，負數為1，其余7位作為數值位。
反碼：正數的反碼與正數的原碼一樣。而求負數的反碼時，符號位為1，數值位在原碼的基礎上求反。
補碼：正數的補碼與正數的原碼一樣。求負數的補碼時，符號位為1，數值位在原碼的基礎上求反加1。
例： 十進制數+5和-5分別表示成二進制數原碼、反碼和補碼：
[+5]原 = [+5]反 = [+5]補 = 00000101B
[-5]原 = 10000101B
[-5]反 = 11111010B
[-5]補 = 11111011B
2.2 內存
在匯編語言中，先要對內存地址和存儲單元的概念進行學習。對存儲單元的標識可以用物理地址或邏輯地址表示。
物理地址是內存單元的真實地址，存儲單元的物理地址是唯一的。Intel8086CPU有20根地址線，因此其存儲空間可達2的20次方=1M個字節單元（1MB）。地址都是從0開始的，在20位地址線的存儲空間中采用十六進制表示的物理地址范圍是00000H～FFFFFH。
邏輯地址是用戶編程時使用的地址，分為段地址和偏移地址兩部分。在8086匯編語言中，把內存地址空間划分為若干邏輯段，每段由一些存儲單元構成，每段最大為65536個字節單元。用段地址指出是哪一段，偏移地址標明是該段中的哪個單元。段地址和偏移地址都是16位二進制數。邏輯地址的形式：
段地址:偏移地址
例如：在上圖中，內存划分出了若干段。0號段，1號段，...，每一段都有0號單元、1號單元、2號單元，...。每段的長度可以不一樣，如0號段從0號單元到0FH號單元共16個字節單元，1號段從0號單元到0139H號單元共314個字節單元。用段地址表示段號，偏移地址代表每一段中的單元號，比如0000:0002H代表0號段的2號單元，0001:0002H代表1號段的2號單元，以此類推。因此，偏移地址的通俗含義是在該段內，相對於段地址偏移了多少個單元。
用戶編程時采用的邏輯地址在CPU執行程序時都要轉換成實際的物理地址，這個轉換過程是由CPU中的地址加法器自動完成的。轉換時先將16位的段地址左移4位，相當於乘以16或十六進制的10H，再和偏移地址相加。轉換公式為：
物理地址 = 段地址 × 10H + 偏移地址
例： 若某單元的邏輯地址為0001:0002H，其物理地址 = 0001H×10H + 0002H = 00012H
另一單元的邏輯地址為3020:055AH，其物理地址 = 3020H×10H + 055AH = 3075AH
存儲器邏輯分段類型如下：
代碼段——用於存放指令，段地址存放在段寄存器CS
數據段——用於存放數據，段地址存放在段寄存器DS
附加段——用於輔助存放數據，段地址存放在段寄存器ES
堆棧段——是重要的數據結構，可用來保存數據、地址和系統參數，段地址存放在段寄存器SS
存儲單元中的數據稱為存儲單元內容，一個實際的存儲單元只能存放一個字節（8位二進制）的數據。
存儲單元的地址和內容的表示形式：用括號將地址括起來即代表單元的內容。如
（3075AH）=12H //表示3075AH號單元中的內容是12H，稱為字節單元； （37692H）=5678H //表示37692H單元和37693H單元一起存放5678H，該單元是字單元。
字單元在存儲的時候，高字節放在高地址單元，低字節放在低地址單元，即56H放在37693H單元，78H放在37692H單元。如圖：
有關CPU和存儲單元的概念我們已經了解了，那么如何觀察實際機器內部的情況呢？能不能看到具體的寄存器、標志、存儲單元的內容呢？可不可以修改和控制它們呢？
這一系列的疑問我們可以在調試工具軟件DEBUG的支持下得到解答。通過上機實驗，可加強相關理論概念的理解；而掌握了DEBUG這個有力工具，就可以深入到機器內部進行觀察了。
2.3 調試工具DEBUG
在DOS操作系統和Windows操作系統中，都提供了調試工具DEBUG。DEBUG是為匯編語言設計的一種調試工具，它通過單步、設置斷點等方式為程序員提供了非常有效的調試手段。利用它可以觀察和修改CPU的寄存器、內存單元；可以跟蹤程序的運行，發現程序的錯誤。
實驗樓環境中采用dosemu來模擬DOS環境，進入DOS環境中可以直接啟動DEBUG程序。
1. DEBUG的主要命令
DEBUG命令有20多個，我們主要學習最常用的命令（具體見后面）
R ——查看和修改寄存器
D ——查看內存單元
E ——修改內存單元
U ——反匯編，將機器指令變為匯編指令
T /P——單步執行
G ——連續執行程序
A ——輸入匯編指令
Q ——退出
2. 進入DOS
DEBUG要先進入DOS環境中再使用，在實驗樓虛擬環境中進入DOS的方法：（具體操作圖解見實驗樓）
- 在桌面上雙擊“Xfce終端”程序進入Linux的命令行終端
- 在啟動的Xfce命令行界面中輸入 Dosemu 進入DOS環境，Dosemu 也有其他參數，可以在“Xfce終端”中輸入 Dosemu –help 查看
- 退出DOS環境，在DOS中輸入命令 exitemu
- 或者在桌面上雙擊dosemu圖標，直接進入DOS
進入后的DOS環境：
本書用到的簡單的DOS命令：
cd\ ——首先要用cd\ 退回到根目錄C>下
dir ——顯示文件列表
md hb ——建立hb子目錄
cd hb ——進入hb子目錄
copy d:\dos\masm.exe c:\hb ——將D盤dos目錄下的masm.exe拷貝到C盤hb目錄下
copy d:\dos\link.exe c:\hb ——將D盤dos目錄下的link.exe拷貝到C盤hb目錄下
cd .. ——退回到上一級目錄
e：——進入e盤
cls ——清屏
type——顯示文本文件內容（如type c:\hb\abc.asm）
DOS和DEBUG命令都支持大小寫。
3. 進入DEBUG
要觀察計算機內部的情況，可直接進入DEBUG。如果要調試及觀察可執行文件，則要在DEBUG后加上文件名和擴展名.EXE。我們先觀察，因此直接鍵入 DEBUG 進入系統，如圖所示。
DEBUG的提示符是小短線－ ，在其后輸入命令。
（1）R命令——查看和修改寄存器
R命令有兩種用法：
直接鍵入R——將顯示CPU所有的寄存器和標志位；
修改寄存器——在R后跟寫寄存器名，回車后先顯示寄存器的內容，在冒號后鍵入新的值；再用R命令就可看到修改后的內容了。如圖1所示，將AX寄存器的值改為1234H。
圖1：用R命令查看和修改寄存器
由圖可知，由於此時DEBUG進入的是操作系統環境，R命令顯示的是系統下的寄存器的值。可看出，AX、BX、CX、DX均為0，如果將AX寄存器的值修改為1234H，執行R AX之后在冒號后輸入1234即可。注意，DEBUG下的數據都是十六進制數。
再來看四個段寄存器DS、ES、SS、CS的值都是0AFAH，說明現在系統處在同一個邏輯段中（不同的系統環境下，段寄存器的值可能不一樣，dosemu虛擬機中為07BEH）。操作系統根據內存的情況為各段分配段地址，因此每台機器或每次運行時段地址值可能會不一樣。IP指令指針寄存器的值是0100H，表示將要執行的指令在代碼段的0100H單元中。該指令單元的邏輯地址應該由CS:IP構成，即0AFA:0100H。
我們來看在寄存器的下面那一行的表示。該行顯示的是代碼段的一條指令的反匯編。所謂反匯編，指的是將二進制的機器指令顯示成匯編指令。由三部分構成：最左邊0AFA:0100表示該指令所在單元的邏輯地址，中間1E表示該指令的機器碼，第3列顯示為匯編指令PUSH DS，該指令的作用是將DS入棧。（dosemu虛擬機中為TEST測試指令）。 通過DEBUG，我們就可知道一條匯編指令翻譯成機器代碼是什么值了；反之也一樣，對一條機器指令也可得知它代表什么匯編指令。
在圖的右邊顯示的是CPU標志寄存器各標志位的狀態，可對照表2-1觀察一下現在系統的狀態。
（2）D命令——查看內存單元
內存每16個字節單元為一小段，邏輯段必須從小段的首址開始。用D命令可以查看存儲單元的地址和內容。
D命令格式為：
D 段地址:起始偏移地址 [結尾偏移地址] 例如：
D DS:0 //查看數據段，從0號單元開始 D ES:0 //查看附加段，從0號單元開始 D DS:100 //查看數據段，從100H號單元開始 D 0200:5 15 //查看0200H段的5號單元到15H號單元（在虛擬機上該命令不能執行）
D命令的執行情況如圖2所示
圖2：用D命令查看存儲單元
其中左邊一列為邏輯地址，中間部分為存儲單元的內容。每行為16個字節單元，中間的小橫線用於區分前8個單元和后8個單元。在邏輯地址中只給出每行第一個單元的偏移地址，其余15個單元的偏移地址沒有標出。可以推斷出圖中第一行單元的偏移地址從0000H到000FH，第二行單元的偏移地址為0010H～001FH，以此類推。右邊部分顯示出內存單元中的ASCII碼表示的字符，無法顯示時用小點代替。
圖2中：
第一條D命令顯示的是數據段存儲單元的內容，可以看到數據段的段地址為DS，其值0B05H。0號單元的內容為CDH，1號單元為20H ，…，第15號單元的內容為03H；第二行0010H號（16號）單元的內容為69H，它是小寫字母i的ASCII碼，因此右邊區域中顯示了i ，表示該單元的值69H可以看成ASCII碼。
第二條D命令顯示0200H段中的內容，也是從0號單元開始。
第三條D命令從0200H段的5號單元開始顯示直到15H號單元。
如果在D后面直接寫出偏移地址，則顯示當前數據段下偏移地址開始的內存單元，如：
D 10 //從數據段10H號單元開始顯示 D100 //從數據段100H號單元開始顯示
注意：多次鍵入D，可連續顯示后面的單元內容。
（3）E命令——修改內存單元
用E命令可以改寫多個存儲單元的內容。格式為：E 起始地址 修改值 修改值 …
例如：將數據段中的DS:3～DS:5 三個單元的內容修改為14、15、16。命令為
E DS:3 14 15 16
如圖3所示
圖3：用E命令修改存儲單元
用D DS:0命令顯示后，可以看到，這三個單元的值由原來的9F 00 9A修改為14 15 16。
如果E后面直接跟偏移地址，則修改當前數據段下偏移地址所指單元值；還可以用E命令修改其它段的存儲單元內容。
E 10 //修改當前數據段10H號單元內容 E ES:100 //修改附加段100H號單元內容 D ES:100 //查看一下100H單元的內容是否修改了
（4）U命令 ——反匯編
程序員編寫的匯編語言源程序經過匯編（編譯）后生成了二進制的機器指令代碼，而U命令可將二進制的機器指令變為助記符形式的匯編指令，因此稱之為“反匯編”。通過U命令，我們可以得到機器指令與匯編指令的對照，了解機器指令的存儲情況，如圖4所示
圖4：用U命令顯示匯編程序段（可見機器指令與匯編指令的對照）
左邊為代碼段中存儲單元的邏輯地址，段地址CS的值為0AFEH，偏移地址從0100H開始。緊靠偏移地址的一列為機器指令代碼，右邊部分是機器指令對應的匯編指令。例如第一行中，機器指令為7419H，它對應的匯編指令為JZ 011B，該指令是條件轉移指令，表示當結果為0時跳轉到偏移地址011BH單元中的指令繼續執行。而0AFE:011BH單元的指令為MOV BX,0034，是一條傳送指令。（dosemu虛擬機中是另一組不同的指令）。
注意：多次鍵入U，可連續顯示后面的程序部分。
U后跟偏移地址，則從該地址開始反匯編。如：
U 0 //從代碼段0號單元開始反匯編 U100 //從代碼段100H號單元開始反匯編
需要注意的是，圖4中顯示的程序代碼並不是用戶編寫的程序，因為在輸入DEBUG命令時沒有寫用戶程序名.EXE。
這段程序代碼是系統代碼段中保存的內容，有可能是系統程序，也有可能是無效的代碼。
（5）A 命令——輸入匯編指令
在DEBUG中，使用A命令可以輸入匯編指令，系統自動地將鍵入的匯編指令翻譯成機器代碼，並相繼地存放在從指定地址開始的存儲區中。由於DEBUG下的數值默認為十六進制數，因此先要將十進制數轉換成十六進制數。
例如，計算Z=35+27的匯編指令為：
MOV AX,23H ADD AX,1BH MOV [0000],AX
加法的結果Z=62=3EH。變量Z用存儲單元[0000]表示。這三條指令可在DEBUG下用A命令直接輸入。
輸入A命令后，系統自動地給出邏輯地址為0AEE:0100（CS:偏移地址），在其后輸入匯編指令，回車后可輸入下一條指令，直接回車則退出輸入。操作過程如圖5所示：
圖5：用A命令輸入匯編指令
也可以在A命令后給出指令的存放地址，如A CS:0000，表示從代碼段的0號單元開始存放輸入的指令。
（6）T/P命令——單步執行
輸入完指令后，應該執行它。T命令可以一條一條地執行指令。P命令的作用與T命令相同，當遇到中斷指令INT n和調用指令CALL時，應該使用P命令，以確保程序正常執行。這是因為INT n指令和CALL指令都要轉移到子程序去執行，T命令進入子程序后可能無法返回；而P命令則直接執行該指令，並將結果帶回。遇到循環指令LOOP時也應該使用P命令，可以使循環快速結束。
本次執行前，先用R命令查看指令指針寄存器IP的值是否為0100，如果不是，用R IP命令修改為0100。表示現在要從CS:0100單元開始執行指令。T命令每執行一次，都要顯示當前寄存器的狀況，我們可以隨時了解指令的執行情況。計算Z=35+27的匯編指令的執行過程，如圖6所示
圖6：用T命令單步執行三條指令
查看執行結果：第一次執行T命令后，AX寄存器的值改為0023，第二次執行后，AX的值變成003E了，說明已經執行完加法ADD指令了，第三次執行T后，寄存器的值並未發生變化，說明第三條指令沒有對寄存器操作。第三條指令MOV [0000],AX是把結果保存到數據段的存儲單元0號字單元中，用D DS:0命令查看該單元的值已經為003EH了（兩個字節單元為一個字單元）。
T命令還可以連續執行多條指令。如上例中連續執行3條指令，可用如下T命令：
-T 3
T命令也可以設置開始地址和執行條數。如上例中從0100H開始連續執行3條指令，可用如下T命令：
-T =0100 3
（7）G命令——連續執行程序
有關連續執行命令G的用法我們放到后面章節中學習。
（8）Q命令 ——退出DEBUG
鍵入Q，回車后退出DEBUG，返回到DOS下。
提示：DEBUG的更多命令及用法參見本書附錄C。