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【汇编语言】端口 —— 「从端口到时间：一文了解CMOS RAM与汇编指令的交汇」

article 2024/12/25 3:55:32

在这里插入图片描述

文章目录

  • 前言
  • 1. 端口
    • 1.1 内存地址空间
    • 1.2 与CPU总线相连的芯片
      • 1.2.1 种类
      • 1.2.2 共同点
    • 1.3 CPU可以直接读写的地方
  • 2. 端口的读写
    • 2.1 CPU访问内存与端口的区别
    • 2.2 注意事项
  • 3. CMOS RAM 芯片
    • 3.1 特征
    • 3.2 举例说明
  • 4. shl 和 shr指令
    • 4.1 shl 指令
      • 4.1.1 功能
      • 4.1.2 举例详细说明
        • 4.1.2.1 移动一位的情况
        • 4.1.2.2 移动位数大于一的情况
    • 4.2 shr 指令
      • 4.2.1 功能
      • 4.2.2 举例详细说明
        • 4.2.2.1 移动一位的情况
        • 4.2.2.2 移动位数大于一的情况
  • 5. CMOS RAM中存储的时间信息
    • 5.1 基本介绍
    • 5.2 问题
    • 5.3 分析与解决问题
      • 5.3.1 读出当前月份的BCD码
      • 5.3.2 将月份显示到屏幕上
      • 5.3.3 得到完整的程序
  • 结语

前言

📌

汇编语言是很多相关课程（如数据结构、操作系统、微机原理）的重要基础。但仅仅从课程的角度出发就太片面了，其实学习汇编语言可以深入理解计算机底层工作原理，提升代码效率，尤其在嵌入式系统和性能优化方面有重要作用。此外，它在逆向工程和安全领域不可或缺，帮助分析软件运行机制并增强漏洞修复能力。

本专栏的汇编语言学习章节主要是依据王爽老师的《汇编语言》来写的，和书中一样为了使学习的过程容易展开，我们采用以8086CPU为中央处理器的PC机来进行学习。

1. 端口

1.1 内存地址空间

我们前面讲过，各种存储器都和CPU的地址线、数据线、控制线相连。CPU在操控它们的时候，把它们都当作内存来对待，把它们总地看做一个由若干存储单元组成的逻辑存储器，这个逻辑存储器我们称其为内存地址空间。

1.2 与CPU总线相连的芯片

1.2.1 种类

在PC机系统中，和CPU通过总线相连的芯片除各种存储器外，还有以下3种芯片。

  • 各种接口卡（比如，网卡、显卡）上的接口芯片，它们控制接口卡进行工作；

  • 主板上的接口芯片，CPU通过它们对部分外设进行访问；

  • 其他芯片，用来存储相关的系统信息，或进行相关的输入输出处理。

1.2.2 共同点

在这些芯片中，都有一组可以由CPU读写的寄存器。这些寄存器，它们在物理上可能处于不同的芯片中，但是它们在以下两点上相同。

  • （1）都和CPU的总线相连，当然这种连接是通过它们所在的芯片进行的；

  • （2）CPU对它们进行读或写的时候都通过控制线向它们所在的芯片发出端口读写命令。

可见，从CPU的角度，将这些寄存器都当作端口，对它们进行统一编址，从而建立了一个统一的端口地址空间。每一个端口在地址空间中都有一个地址。

1.3 CPU可以直接读写的地方

CPU可以直接读写以下3个地方的数据。

  • （1）CPU内部的寄存器；

  • （2）内存单元；

  • （3）端口。

本文，我们讨论端口的读写。

2. 端口的读写

在访问端口的时候，CPU 通过端口地址来定位端口。因为端口所在的芯片和CPU通过总线相连，所以，端口地址和内存地址一样，通过地址总线来传送。

在PC系统中，CPU 最多可以定位 64KB个不同的端口。则端口地址的范围为0~65535。

对端口的读写不能用mov、push、pop等内存读写指令。

端口的读写指令只有两条：in 和 out，分别用于从端口读取数据和往端口写入数据。

2.1 CPU访问内存与端口的区别

我们看一下 CPU 执行内存访问指令和端口访问指令时候，总线上的信息：

（1）访问内存：

mov ax,ds:[8]		;假设执行前 (ds)=0

执行时，与总线相关的操作：

  • CPU通过地址线将地址信息8发出；
  • CPU通过控制线发出内存读命令，选中存储器芯片，并通知它，将要从中读取数据；
  • 存储器将8号单元中的数据通过数据线送入CPU。

（2）访问端口：

in al,60h		;从60h号端口读入一个字节

执行时与总线相关的操作：

  • CPU通过地址线将地址信息60h发出；

  • CPU通过控制线发出端口读命令，选中端口所在的芯片，并通知它，将要从中读取数据；

  • 端口所在的芯片将60h端口中的数据通过数据线送入CPU。

2.2 注意事项

注意：在in和out 指令中，只能使用 ax 或 al 来存放从端口中读入的数据或要发送到端口中的数据。

访问8位端口时用 al ，访问 16 位端口时用ax 。

对0~255以内的端口进行读写： 

in al,20h 		;从20h端口读入一个字节   
out 20h,al 		;往20h端口写入一个字节

对256~65535的端口进行读写时，端口号放在dx中： 

mov dx,3f8h 	;将端口号3f8送入dx   
in al,dx 		;从3f8h端口读入一个字节   
out dx,al 		;向3f8h端口写入一个字节

3. CMOS RAM 芯片

下面的内容中，我们通过对CMOS RAM的读写来体会一下对端口的访问。

PC机中，有一个CMOS RAM 芯片，一般简称为CMOS。

3.1 特征

此芯片的特征如下：

  • （1）包含一个实时钟和一个有128个存储单元的RAM存储器。（早期的计算机为64个字节）

  • （2）该芯片靠电池供电。因此，关机后其内部的实时钟仍可正常工作， RAM 中的信息不丢失。

  • （3）128 个字节的 RAM 中，内部实时钟占用 0~0dh单元来保存时间信息，其余大部分单元用于保存系统配置信息，供系统启动时BIOS程序读取。BIOS也提供了相关的程序，使我们可以在开机的时候配置CMOS RAM 中的系统信息。

  • （4）该芯片内部有两个端口，端口地址为70h和71h。CPU 通过这两个端口读写CMOS RAM。

  • （5）70h为地址端口，存放要访问的CMOS RAM单元的地址；71h为数据端口，存放从选定的CMOS RAM 单元中读取的数据，或要写入到其中的数据。

3.2 举例说明

可见，CPU对CMOS RAM的读写分两步进行。

比如：读CMOS RAM的2号单元：

  1. 将2送入端口70h

  2. 从71h读出2号单元的内容

4. shl 和 shr指令

shl和shr 是逻辑移位指令，后面的学习中我们要用到移位指令，这里进行一下讲解。

4.1 shl 指令

4.1.1 功能

shl 是逻辑左移指令，功能为：

  • （1）将一个寄存器或内存单元中的数据向左移位；

  • （2）将最后移出的一位写入CF中；

  • （3）最低位用0补充。

4.1.2 举例详细说明

4.1.2.1 移动一位的情况

例如有如下指令：

mov al,01001000b
shl al,1 	   		;将al中的数据左移一位

执行后(al)=10010000b，CF=0。

我们来看一下shl al,1的操作过程。

（1）左移：

  • 原数据： 01001000

  • 左移后：01001000

（2）将最后移出的一位写入CF中：

  • 原数据：01001000

  • 左移后： 1001000 CF=0

（3）最低位用0补充：

  • 原数据：01001000

  • 左移后：10010000

如果接着上面，继续执行一条shl al1，则执行后：(al)=00100000b，CF=1。

shl指令的操作过程如下。

（1）左移：

  • 原数据： 10010000

  • 左移后：10010000

（2）将最后移出的一位写入CF中：

  • 原数据：10010000

  • 左移后： 0010000 CF=1

（3）最低位用0补充：

  • 原数据：10010000

  • 左移后：00100000

4.1.2.2 移动位数大于一的情况

如果移动位数大于1时，必须将移动位数放在cl中。

比如，指令：

mov al,01010001b
mov cl,3
shl al,cl

执行后(al)=10001000b。

那请问，CF的值是多少捏？

答：因为最后移出一位是0，所以CF=0。

可以看出，将X逻辑左移一位，相当于执行X=X*2。

比如：

在这里插入图片描述

4.2 shr 指令

4.2.1 功能

shr 是逻辑右移指令，它和 shl 所进行的操作刚好相反。

功能为：

  • （1）将一个寄存器或内存单元中的数据向右移位；

  • （2）将最后移出的一位写入CF中；

  • （3）最高位用0补充。

4.2.2 举例详细说明

4.2.2.1 移动一位的情况

指令：

mov al,10000001b
shr al,1			;将 al中的数据右移一位

执行后(al)=01000000b，CF=1。

如果接着上面，继续执行一条shr al,1，则执行后：(al)=00100000b，CF=0。

4.2.2.2 移动位数大于一的情况

如果移动位数大于1时，必须将移动位数放在cl中。

比如，指令：

mov al,01010001b
mov cl,3
shr al,cl

执行后(al)=00001010b，因为最后移出的一位是0，所以CF=0。

可以看出，将X逻辑右移一位，相当于执行X=X/2。

5. CMOS RAM中存储的时间信息

5.1 基本介绍

在CMOS RAM中，存放着当前的时间：年、月、日、时、分、秒。

这6个信息的长度都为1个字节，存放单元为：

秒：0 分：2 时：4 年：9 月：8 日：7

这些数据以BCD码的方式存放。

BCD 码是以4位二进制数表示十进制数码的编码方法，如下图所示。

在这里插入图片描述

例如：数值26，用BCD码表示为：0010 0110

可见，一个字节可表示两个BCD码。

则CMOS RAM存储时间信息的单元中，存储了用两个 BCD码表示的两位十进制数，高 4 位的BCD码表示十位，低4 位的BCD 码表示个位。

比如：00010100b表示14。

5.2 问题

编程：在屏幕中间显示当前的月份。

5.3 分析与解决问题

可以看出，这个程序主要做两部分工作。

5.3.1 读出当前月份的BCD码

从CMOS RAM的8号单元读出当前月份的BCD码。

要读取 CMOS RAM的信息，我们首先要向地址端口70h写入要访问的单元的地址：

mov al,8  
out 70h,al

然后从数据端口71h中取得指定单元中的数据：

in al,71h

5.3.2 将月份显示到屏幕上

将用BCD码表示的月份以十进制的形式显示到屏幕上。

我们可以看出 ，BCD 码值＝十进制数码值，

则BCD码值＋30h＝十进制数对应的ASCII码。

我们需要进行以下两步工作：

（1）将从CMOS RAM的8号单元中读取的一个字节，分为两个表示BCD码值的数据。

mov ah,al          	;al中为从CMOS RAM的8号单元中读出的数据
mov cl,4
shr ah,cl          	;ah中为月份的十位数码值 
and al,00001111b   	;ah中为月份的个位数码值

（2）显示(ah)+30h 和 (al)+30 对应的ASCII码字符。

5.3.3 得到完整的程序

完整的程序如下：

assume cs:code
code segment
start:
		mov	al,8
		out 70h,al
		in	al,71h
		mov ah,al
		mov cl,4
		shr ah,cl
		and al,00001111b

		add ah,30h
		add al,30h

		mov bx,0b800h		;显存
		mov es,bx
		mov byte ptr es:[160*12+40*2],ah     ;显示月份的十位数码
		mov byte ptr es:[160*12+40*2+2],al   ;显示月份的个位数码

		mov ax,4c00h
		int 21h

code ends
end start

结语

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v bx,0b800h ;显存
mov es,bx
mov byte ptr es:[16012+402],ah ;显示月份的十位数码
mov byte ptr es:[16012+402+2],al ;显示月份的个位数码

	mov ax,4c00h
	int 21h

code ends
end start


# 结语

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