【汇编】二、预备知识（一只 Assember 的成长史）

嗨~你好呀！

我是一名初二学生，热爱计算机，码龄两年。最近开始学习汇编，希望通过 Blog 的形式记录下自己的学习过程，也和更多人分享。

这篇文章主要讲述学习汇编所需的基础知识。

话不多说~我们开始吧！

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目录

二 1. 汇编语言是什么

二 2. 汇编语言的产生及组成

二 3. 存储器、内存（地址空间）及 CPU 对内存的读写

1. 存储器

2. 内存（地址空间）

3. CPU 对内存的读写

二 4. 总线

1. 地址总线

2. 控制总线

3. 数据总线

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二 1. 汇编语言是什么

先上概括：

汇编是一种低级语言。它直接和计算机硬件打交道，直接描述和控制了 CPU 的运行。

我们都知道，计算机是听不懂 int main()，cout，cin 等一类的高级语言中的语句的，它们最终都或会被 g++（或 gcc）编译成二进制指令，编译器再把这串二进制指令交给 CPU，让它去执行.......

那，我们知道这个过程中计算机到底做了些什么吗？cout << "Hello Assembly!"; 到底是怎么被计算机理解并执行的？（忽然发现这个问题有点像 “从按下 Enter 键到浏览器把网页显示出来之间都发生了什么”...）

这时候就要汇编上场啦~

汇编可以让我们了解 CPU 的到底做了些什么，有助于我们理解高级语言代码的运行步骤。也可以把汇编和计算机组成原理 “配套学习”，全面地了解计算机的底层原理。

在写高级语言代码的时候，如果真的遇到一些难以理解的问题，用汇编看一看是一个非常好的选择呀！

不过汇编能做的事可不仅仅限于这些......

汇编主要用于底层开发，如操作系统驱动程序、内核、嵌入式等。几乎所有大型系统（包括硬件和软件）的底层都是汇编。

我最初决定学汇编，是因为我在学网络安全，汇编是逆向工程的基础，也是 re 和 pwn 的基础（或者说成为黑客的基础哈哈哈哈哈哈）。

（不过学了一天后，我发现汇编本身就很好玩（（

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二 2. 汇编语言的产生及组成

Weeeeell。其实汇编的产生原因很简单——计算机能理解二进制指令，但是人类很难理解啊！对人类来说，二进制指令难以记忆、难以调试、极端浪费时间。试想，把你现在正在写的代码全部替换成二进制，其中有一个 0 被错误地写成了 1.......请找到这个 bug。

是不是很可怕😂。如果使用二进制指令的话，或许全球所有设备加起来的存储空间也放不下 ChatGPT 的源代码（bushi。

必须使用二进制指令给整个计算机行业的发展带来了很大的障碍，所以，汇编语言诞生啦！

汇编语言的主体是汇编指令，而汇编指令其实就是二进制指令便于记忆和书写的格式，它和二进制指令是一一对应的。

这也是为什么汇编语言无法跨操作系统，因为每种操作的系统的二进制指令集都是不同的，所以对应的汇编语言也不同。最简单的例子就是 x86 和 arm。

but，虽然汇编指令和二进制指令一一对应，但它毕竟不是二进制指令，所以也需要汇编编译器将汇编代码编译为二进制代码，再交给 CPU 执行——不过这个过程较为 “公开透明”。

汇编语言主要由三部分组成：

· 汇编指令——二进制指令对应的文字形式，计算机执行

· 伪指令——assume 等，由编译器执行，计算机不执行

· 特殊符号—— + - * / 等都算，由编译器识别，计算机不执行

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前面说过，汇编相当于 “面向硬件编程”，所以在学习编写汇编程序前，我们需要简单了解一下计算机的重要组成部分。不过不会很复杂，因为我也还没学《组成原理》......😂。

二 3. 存储器、内存（地址空间）及 CPU 对内存的读写

存储器，想必我们都不陌生......寄存器、RAM/ROM、硬盘等都属于存储器的范畴。

CPU 要工作，它先要知道工作内容是什么——这就需要向它提供指令和数据（其实就是一串二进制数字）。

那这些指令和数据存储在哪呢？——存储器。

存储器就像 CPU 的脑子一样，没有存储器，CPU 什么也干不了。

学习汇编，首先需要了解什么是存储器 & 内存（地址空间） & CPU 是如何读写内存的。

1. 存储器

顾名思义，存储器就是用于存储信息的。不同存储器的存取速度和存储容量如下图所示（一般情况下，存取速度和存储容量成反比，即速度越快，容量越小）。

一台设备中，装有多个存储器芯片，它们在物理连接上彼此独立。按照读写属性可分为两类：随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。前者可读可写，但断电后内容丢失；后者只可读不可写，但断电后内容不丢失。

RAM/ROM 存储器从功能和连接上可分为以下几类，在此不过多介绍。

· 随机存储器 RAM

· 装有 BOIS 的 ROM

· 接口卡上的 RAM（CPU 通过接口卡间接地对外部设备进行控制）

因为 CPU 无法直接读取外存储器（需要先读取到内存储器中，CPU 再读取内存储器），所以下文仅介绍内存储器。

2. 内存（地址空间）

诶，这就有一个问题了。

内存储器是彼此独立的，那它们所对的地址空间呢？不同存储器对应的地址空间也是彼此独立的吗？（即：RAM 从 0-1000，ROM 从 0-2000，每个都从 0 开始）

好像并不是诶......？

没错，虽然内存储器是彼此独立的，但它们的地址空间并不彼此独立，而是连续的。

这表明，CPU 在操控内存储器的时候，把它们总的看作一个逻辑存储器，这个逻辑存储器就是内存地址空间。

不同的物理存储器在这个逻辑存储器中占有一段地址空间，CPU 在这段地址空间中读写数据，就相当于在对应的物理存储器中读写数据。

下图是一个内存地址空间的模型，它将各类内存储器都看作一个逻辑存储器，地址连续。

比如：

RAM 在内存地址空间中占有的地址段就是 00000-9999F，在这一段中读写数据，相当于在 RAM 中读写数据。

类似一个个储物柜，每个有不同的编号，存放不同的人的东西。内存（地址空间）也被划为一个个内存单元，每个内存单元有不同的编号，存放不同的指令或数据。

内存单元的编号是连续的，最小编号是 0，最大编号是由地址总线宽度决定的，后面会提到~。

一个内存单元可以存储 8 bits（八个二进制位），也就是 1 Byte（一个字节），设备的内存容量都是以 Byte 为最小单位计算的。如 4 GB 内存 = 4 * 2^10 * 2^10 * 2^10 Bytes，即 4 * 2^10 * 2^10 * 2^10 个内存单元。

3. CPU 对内存的读写

设想，你在储物柜存放物品后，肯定会记住这个储物柜的编号，方便来取物品或放入新的物品。CPU 也一样，它想读写存储器，就必须知道它要读写的内存单元的编号（物理地址）。

同理，你知道你要取物品还是放物品。CPU 也需要知道它是要读还是要写。

同理，你知道要从储物柜中取出什么东西或放入什么东西。CPU 也需要知道它要读或写什么信息。

总结一下，CPU 想要读取存储器，需要和存储器芯片进行以下三类信息的交互：

· 内存单元的地址？（地址信息）

· 读 or 写？（控制信息）

· 读或写的数据？（数据信息）

问题来了，CPU 如何将这些信息传到存储器芯片中？

我们知道，在计算机硬件中一切都是电信号，高电平代表 1，低电平代表 0。所以这些信息最终也会被用电信号表示出来，那当然就要用导线传送啦！（emm 还没学到的初三物理知识突然开始攻击我（（

在计算机中，有专门连接 CPU 和芯片们的导线，称为总线（也就是一根根导线的集合）。

总线可以按照逻辑（或用途）分为三类（下文会详细介绍）：

· 地址总线（传送地址信息）

· 控制总线（传送控制信息）

· 数据总线（传送控制信息）

比如，CPU 从 3 号内存单元中读取数据的过程如下图所示（注：此处的 “3” 并不是一个规范的内存地址）。

1. CPU 通过地址线将内存单元的地址（3）告诉内存。

2. CPU 通过控制线向内存芯片发出读取内存的命令。

3. 内存将 3 号单元中的数据（8）通过数据线送入 CPU。

至此，内存读取就已经完成啦~

内存写入和读取大同小异，只需要把第 2 步改成 “发出写入内存的命令”，第 3 步改成 “CPU 通过数据线将数据（8）送入 3 号内存单元”。

这部分看起来并不深奥，但对于理解汇编语言也是很重要的哦！

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二 4. 总线

上部分提到了“总线”。总线其实就是在 CPU 和各个器件之间传递信息的导线的集合，分为以下三类：

· 地址总线

· 控制总线

· 数据总线

它们的物理构造是相同的，但逻辑（功能）不同。

1. 地址总线

CPU 通过地址总线来指定内存单元。

它如何指定内存单元呢？——按照内存单元在内存地址空间中的地址。

可见，地址总线一共能组合出多少种内存单元地址，CPU 就可以对多少个内存单元进行寻址（因为如果内存单元数大于地址总线可以组合出的数量，CPU 就无法通过地址总线找到那些内存单元了）。

一个 CPU 有 N 根地址线，就说这个 CPU 的地址总线的宽度为 N，根据排列组合可得这样的 CPU 最多可以寻找 2^N 个内存单元（一根线可以表示 0 或 1 两种情况，N 根线就可以表示 2^N 种情况）。

2. 控制总线

上文提到，CPU 进行内存读写时，需要通过控制总线发出读或写的命令，这是 CPU 对其它器件（此处为存储器）的一种控制。

CPU 通过控制总线控制其它器件（如存储器、外设接口卡等）。

控制线的数量决定了 CPU 对器件的控制能力，有多少根控制线，就意味着 CPU 提供了对器件的多少种控制。

3. 数据总线

CPU 与内存或其它器件之间的数据传送是通过数据总线进行的。

数据总线越宽，CPU 和器件之间的数据传送速度越快。比如我们经常说的 “64 位”、“32 位” 等，都是指数据总线的宽度。N 根数据总线一次能传送 N 个 bit，也就是 N/8 个 Byte。

下图展示了 8 位数据总线和 16 位数据总线之间的区别：

8 位：

16 位：

这部分也不难，但后面学到 CPU 读取、执行指令的工作原理时还会提到，也是一个重要的部分。

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 以上就是本文的全部内容啦~感谢你看到这里~

作者只是一名初学者，有任何错误或解释不当之处欢迎指出呀~一起加油！

那，我们下一篇再见咯~

2023-02-25

By Geeker · LStar