一文了解多個段的相關(guān)程序

這是 x86 匯編連載系列第七篇文章，前六篇文章見文末。

上回我們簡單認(rèn)識了一下什么是段，段前綴和一段安全的段空間是哪里，但是程序中不會僅有一個段，復(fù)雜程序必然是包含多個段的，這篇文章我們就來了解下多個段的相關(guān)程序。

內(nèi)存地址空間是由操作系統(tǒng)直接管理和分配的，一般操作系統(tǒng)分配空間有兩種方式：

程序由磁盤載入內(nèi)存中時，會由操作系統(tǒng)直接為程序分配其運(yùn)行所需要的內(nèi)存空間。

程序在運(yùn)行時可以動態(tài)向操作系統(tǒng)申請分配內(nèi)存空間。

如果想要在程序被載入時獲得內(nèi)存空間分配，我們就需要在源程序中對其進(jìn)行聲明，通過定義多個段的方式來申請內(nèi)存空間。這樣的好處是能夠保證段內(nèi)的數(shù)據(jù)連續(xù)，而且對于我們來說也能夠清晰明白的看懂程序邏輯，所以我們一般采用定義多個段的方式編寫程序。

在代碼段 cs 中使用數(shù)據(jù)

現(xiàn)在考慮這樣一個問題，如何累加下面這幾個數(shù)據(jù)的和，并把它放在一個 ax 寄存器中呢？

0123h,0456h,0789h,0abch,0defh,0fedh,0cbah,0987h

我們當(dāng)然可以通過一個數(shù)據(jù)接一個數(shù)據(jù)這樣進(jìn)行累加，并把每次累加的結(jié)果都用 ax 進(jìn)行存儲，簡單一點(diǎn)的方式是通過循環(huán)的方式累加，一共需要累加 8 次數(shù)據(jù)，用 ax 存儲。但是現(xiàn)在就有一個問題，這 8 個數(shù)據(jù)應(yīng)該放在哪呢？我們之前學(xué)的累加做法都是把他們放在一組連續(xù)的內(nèi)存單元，這樣我們就可以累加內(nèi)存中的數(shù)據(jù)來把它們進(jìn)行累加了，但是如何把這些數(shù)據(jù)放在一個連續(xù)的內(nèi)容單元中呢？這段內(nèi)存單元又是從哪找呢？

我們可以不用自己找內(nèi)存單元，直接讓操作系統(tǒng)分配，我們只需要定義這些數(shù)據(jù)并把它們放在一個連續(xù)的內(nèi)存單元即可，具體該怎么做呢？請看下面代碼

assume cs:code
code segment

 dw 0123h,0456h,0789h,0abch,0defh,0fedh,0cbah,0987h

 mov ax,0
 mov bx,0

 mov cx,8

s: add ax,cs:[bx]
 add bx,2
 loop s

 mov ax,4c00h
 int 21h

code ends
end

上面匯編代碼中出現(xiàn)了之前我們沒有學(xué)過的 dw，dw 的含義是定義字型數(shù)據(jù)，dw 的全稱就是 define word，上面代碼使用 dw 定義了 8 個字型數(shù)據(jù)，它們所占用的空間為 16 個字節(jié)。

定義了數(shù)據(jù)之后，我們就需要對這 8 個數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，我們該如何找到這 8 個數(shù)據(jù)呢？

仔細(xì)觀察上面代碼，我們可以知道這 8 個數(shù)據(jù)在代碼段 cs 中，所以我們可以通過 cs 來找到這幾個數(shù)據(jù)，所以 cs 是段地址，而偏移地址是用 ip 表示的，也就是說這 8 個數(shù)據(jù)的偏移地址分別是 cs:0 cs:2 cs:4 cs:6 cs:8 cs:a cs:c cs:e 。

我們將上面這段代碼編寫、編譯和鏈接后，對其 exe 文件進(jìn)行 debug ：

？？？？？？等下，這個 and ax,[bx+di] 是什么東西？再看下 cs:ip 的地址，是初始地址沒錯啊，為啥沒看到程序中的指令呢？我們再用 debug -u 看看

這前幾條指令都是什么東西？怎么 mov bx,0000 在偏移地址 0013 處？

從上圖中我們可以看到，程序被加載入內(nèi)存之后，所占內(nèi)存空間的前 16 個單元存放在源程序中用 dw 定義的數(shù)據(jù)，后面的單元存放源程序中匯編指令所對應(yīng)的機(jī)器指令。

那么如何執(zhí)行匯編指令所定義的機(jī)器指令呢？你可以直接 -t 慢慢的執(zhí)行到 mov bx,0 處，也可以改變 ip 寄存器的值，也就是 ip = 10h，從而使 cs:ip 指向程序的第一條指令。

這兩種方式看起來哪個都有一定的局限性，那么還有沒有更簡潔一點(diǎn)的方式呢？

看下面這段代碼

assume cs:code
code segment

 dw 0123h,0456h,0789h,0abch,0defh,0fedh,0cbah,0987h

start: mov ax,0
 mov bx,0

 mov cx,8
s: add ax,cs:[bx]
 add bx,2
 loop s

 mov ax,4c00h
 int 21h

code ends
end start

仔細(xì)看這段代碼，和上面那段代碼有什么區(qū)別？

只有兩個區(qū)別，一是在 mov ax,0 前面加了一個 start: 標(biāo)志，并且在 end 后加了一個 start 標(biāo)志，這兩個標(biāo)志分別指向程序的開始處和結(jié)束處。

那么問題來了，為什么你加一個 start: 標(biāo)志就說這是程序的開始處，我隨便加個比如 begin: ，能不能成為程序的開始處呢？

assume cs:code
code segment

 dw 0123h,0456h,0789h,0abch,0defh,0fedh,0cbah,0987h

begin: ......

code ends
end begin

經(jīng)過我的實(shí)驗驗證是可以的，為什么呢？

關(guān)鍵點(diǎn)并不在于你定義的是什么標(biāo)志，而在于最后的 end，end 除了能夠告訴編譯器程序結(jié)束的位置外，還能夠告知編譯器程序是從哪里開始的，在上面代碼中我們用 start: 和 end start 告訴程序從 start 處開始，并執(zhí)行到 end start 處結(jié)束，而 mov ax,0 是程序的第一條指令。

程序開始標(biāo)志 start: 和 IP

我們知道，CS 和 IP 這兩個寄存器能夠指明程序的開始處和程序執(zhí)行的偏移地址，而且 start: 標(biāo)號指明了程序開始的地方，那么 start: 標(biāo)號所指向的偏移地址是不是我們之前討論的 10h 處呢？

我們編譯鏈接執(zhí)行程序看一下。

我們通過 -u 和 -r 分別執(zhí)行了一下，可以看到，程序的起始地址都是 076A:0010 ，這也就是說，除了我們 dw 定義的幾條數(shù)據(jù)外，IP 指向的偏移地址 0010 就是程序的開始處。

所以有了這種方法，我們就可以這樣安排程序框架：

assume cs:code
code segment
...數(shù)據(jù)

start:
... 代碼

code ends
end start

在代碼段 cs 中使用棧

除了在 cs 代碼段中定義數(shù)據(jù)，還可以在 cs 代碼段中定義棧，比如下面這個需求：

利用棧將程序定義的數(shù)據(jù)逆序存放，源代碼如下

assume cs:codesg
codesg segment

 dw 0123h,0456h,0789h,0abch,0defh,0fedh,0cbah,0987h
 
 ......
 
codesg ends
end

如何實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)逆序存放呢？可以這么思考：

先定義一段和數(shù)據(jù)相同大小的?？臻g，然后把數(shù)據(jù)入棧，然后再依次出棧就能夠?qū)崿F(xiàn)逆序存放了，因為棧是后入先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最開始 push 進(jìn)去的最后 pop 。

代碼如下：

assume cs:codesg
codesg segment

dw 0123h,0456h,0789h,0abch,0defh,0fedh,0cbah,0987h

dw 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0

start:mov ax,cs
mov ss,ax
mov sp,30h

mov bx,0
mov cx,8
s0:push cs:[bx]
add bx,2
loop s

mov bx,0
mov cx,8
s1:pop cs:[bx]
add bx,2
loop s1

mov ax,4c00h
int 21h

codesg ends
end start

解釋下上面這段代碼：

首先先定義了 16 個值為 0 的字型數(shù)據(jù)，程序被載入內(nèi)存后，操作系統(tǒng)會為程序分配 16 個字型數(shù)據(jù)空間，用于存放 16 個數(shù)據(jù)，把這段空間當(dāng)做棧來使用。

start 標(biāo)號處開始程序，首先先要設(shè)置一段空間為棧段，由于我們只有一個 cs 段，所以程序是從 cs 段開始的，剛開始 dw 的 8 個數(shù)據(jù)所需的地址空間為 cs:0 ~ cs:f，后面 dw 定義的 16 個字所需的地址空間是 cs:10 ~ cs:2f ，由于 ss:sp 這兩個寄存器始終指向棧頂，目前還沒有數(shù)據(jù)入棧，所以棧頂必須為 2f + 1 ，也就是 30h 才可。

編譯鏈接執(zhí)行后的棧段如下圖所示

這是程序被載入后的內(nèi)存分配情況，可以看到，cs:0 ~ cs:f 存儲的是 8 個字型數(shù)據(jù)，cs:10 ~ cs:2f 存儲的是 16 個字型 0 數(shù)據(jù)。

程序執(zhí)行完成后的內(nèi)存分配圖如下，可以看到已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的逆序存放。

可見，我們定義這些數(shù)據(jù)的最終目的，是通過它們?nèi)〉靡欢ㄈ萘康膬?nèi)存空間，所以我們在描述 dw 的作用時，可以說用它來定義數(shù)據(jù)，也可以說用它來開辟一段內(nèi)存空間。比如上面的 dw 0123h ... 0987h ，可以說定義了 8 個字型數(shù)據(jù)，也可以說開辟了 8 個內(nèi)存空間，它們的效果是一樣的。

多個段的使用

上面討論的內(nèi)容都是將數(shù)據(jù)和棧放入一個段中，這樣做雖然比較省事，但是程序邏輯不夠清晰，像個大雜燴一樣，而且都放入一個段中，這個段的內(nèi)存有可能不夠用（8086 CPU 中一個段最大不能超過 64 KB）。

為了能夠清晰說明程序邏輯，并且能夠容納數(shù)據(jù)和棧，我們一般使用多個段的方式分別將數(shù)據(jù)、代碼和棧分別放入各自的段中。

比如我們通過多個段的方式將上面實(shí)現(xiàn)逆序存放的程序進(jìn)行改寫，代碼如下

assume cs:codesg,ds:data,ss:stack

data segment
dw 0123h,0456h,0789h,0abch,0defh,0fedh,0cbah,0987h
data ends

stack segment
dw 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0
stack ends

code segment
 
start: mov ax,stack
mov ss,ax
 mov sp,20h

 mov ax,data
 mov ds,ax

 mov bx,0
 mov cx,8
s0: push [bx]
 add bx,2
 loop s0

 mov bx,0
 mov cx,8
s1: pop [bx]
 add bx,2
 loop s1
 
 mov ax,4c00h
 int 21h

code ends
end start

如上代碼所示，在 assume 后面定義了三個段，這些都是偽指令，只是為了方便說明段的類型。然后分別在 data segment 和 stack segment 定義了相關(guān)數(shù)據(jù)，最后再 code segment 編寫的程序代碼。

基本上代碼和在一個段中的定義是一樣的，值得說明是，同一個段中的 ss:sp 指向的是 ss:30 ，而在這段代碼中的 ss:sp 指向的是 ss:20 ，這個大家知道是怎么回事吧？由于數(shù)據(jù)會直接定義在 data segment 中，所以棧段的 16 個字型數(shù)據(jù)占用的空間就是 ss:0 ~ ss:1f，所以 ss:sp 指向 20h 處。

其實(shí)，代碼段、數(shù)據(jù)段、棧段完全是我們自己定義的，但是并不是我們分別定義了 cs:code,ds:data,ss,stack 之后，程序就會把它們分別當(dāng)做程序段、數(shù)據(jù)段和棧段的。要知道這些和 assume 一樣都是偽指令，它們是由編譯器執(zhí)行的，CPU 并不知道這些指令的存在，所以我們必須要在程序中告訴 CPU 哪個是棧段、哪個是數(shù)據(jù)段。

該如何告訴 CPU 呢？

我們看下棧段的設(shè)置指令

mov ax,stack
mov ss,ax
mov sp,20h

這樣就會將 ss 指向 stack ，ss:sp 用來指向 stack 棧段的棧頂?shù)刂罚挥性谶@個指令執(zhí)行后，CPU 才會把 stack 段當(dāng)做棧段來使用。

相同的，CPU 如果想訪問 data 段中的數(shù)據(jù)，則可用 ds 指向 data 段，用其他寄存器比如 bx 來存放 data 段中的偏移地址即可。

所以，我們完全可以按照下面這種方式來定義程序

assume cs:a,ds:b,ss:c

b segment
dw 0123h,0456h,0789h,0abch,0defh,0fedh,0cbah,0987h
b ends

c segment
dw 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0
c ends

a segment
 
d: mov ax,c
 mov ss,ax
 mov sp,20h

 mov ax,b
 mov ds,ax

 mov bx,0
 mov cx,8
s0: push [bx]
 add bx,2
 loop s0

 mov bx,0
 mov cx,8
s1: pop [bx]
 add bx,2
 loop s1
 
 mov ax,4c00h
 int 21h

code a
end d

最終程序的功能和上面的一模一樣。