汇编语言是直接在硬件之上工作的编程语言，我们首先要了解硬件系统的结构，才能有效地应用汇编语言对其编程。在本文中，我们对硬件系统结构的问题进行一部分的探讨，以使后续的文章可在一个好的基础上进行。当写到需要补充新的基础知识（关于编程结构或其他的）的时候，再对相关的基础知识进行介绍和探讨。
一、机器语言
说到汇编语言的产生，首先要讲一下机器语言。机器语言是机器指令的集合。机器指令展开来讲就是一台机器可以正确执行的命令。
电子计算机的机器指令是一列二进制数字。计算机将之转变为一列高低电平，以使计算机的电子器件受到驱动，进行运算。
上面所说的计算机指的是可以执行机器指令，进行运算的机器。这是早期计算机的概念。
现在，在我们常用的 PC 机中，有一个芯片来完成上面所说的计算机的功能。这个芯片就是我们常说的 CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)，CPU 是一种微处理器。
以后我们提到的计算机是指由 CPU 和其他受 CPU 直接或间接控制的芯片、器件、设备组成的计算机系统，比如我们最常见的 PC 机。
每一种微处理器，由于硬件设计和内部结构的不同，就需要用不同的电平脉冲来控制，使它工作。所以每一种微处理器都有自己的机器指令集，也就是机器语言。
早期的程序设计均使用机器语言。程序员们将用 0、1 数字编成的程序代码打在纸带或卡片上，1 打孔，0 不打孔，再将程序通过纸带机或卡片机输入计算机，进行运算。
应用 8086CPU 完成运算 s=768+12288-1280，机器码如下:
- 101110000000000000000011
- 000001010000000000110000
- 001011010000000000000101
假如将程序错写成以下这样，请你找出错误。
- 101100000000000000000011
- 000001010000000000110000
- 000101101000000000000101
书写和阅读机器码程序不是一件简单的工作，要记住所有抽象的二进制码。上面只是一个非常简单的小程序，就暴露了机器码的晦涩难懂和不易查错。
写如此小的一个程序尚且如此，实际上一个有用的程序至少要有几十行机器码，那么，情况将怎么样呢?
在显示器上输出“welcome to masm”，机器码如下:
- 00011110
- 101110000000000000000000
- 01010000
- 101110001100011000001111
- 1000111011011000
- 1011010000000110
- 1011000000000000
- 1011011100000111
- 101110010000000000000000
- 1011011000011000
- 1011001001001111
- 1100110100010000
- 1011010000000010
- 1011011100000000
- 1011011000000000
- 1011001000000000
- 1100110100010000
- 1011010000001001
- 10001101000101100010101000000000
- 1100110100100001
- 1011010000001010
- 10001101000101100011000100000000
- 1100110100100001
- 1011010000000110
- 1011000000010100
- 1011011100011001
- 1011010100001011
- 1011000100010011
- 1011011000001101
- 1011001000111100
- 1100110100010000
- 1011010000000010
- 1011011100000000
- 1011000000001100
- 1011001000010100
- 1100110100010000
- 1011010000001001
- 10001101000101100000000000000000
- 1100110100100001
- 11001011
看到这样的程序，你有什么感想？如果程序里有一个“1”被误写为“0”，又如何去查找呢？
二、汇编语言的产生
早期的程序员们很快就发现了使用机器语言带来的麻烦，它是如此难于辨别和记忆，给整个产业的发展带来了障碍。于是汇编语言产生了。
汇编语言的主体是汇编指令。汇编指令和机器指令的差别在于指令的表示方法上。汇编指令是机器指令便于记忆的书写格式。
例如：机器指令 1000100111011000 表示把寄存器 BX 的内容送到 AX 中。汇编指令则写成 mov ax,bx。这样的写法与人类语言接近，便于阅读和记忆。
操作：寄存器 BX 的内容送到 AX 中
机器指令：1000100111011000
汇编指令：mov ax,bx
（寄存器，简单地讲是 CPU 中可以存储数据的器件，一个 CPU 中有多个寄存器。AX 是其中一个寄存器的代号，BX 是另一个寄存器的代号。）
此后，程序员们就用汇编指令编写源程序。可是，计算机能读懂的只有机器指令，那么如何让计算机执行程序员用汇编指令编写的程序呢？
这时，就需要有一个能够将汇编指令转换成机器指令的翻译程序，这样的程序我们称其为编译器。
程序员用汇编语言写出源程序，再用汇编编译器将其编译为机器码，由计算机最终执行。图 1 描述了这个工作过程。
图 1 用汇编语言编写程序的工作过程
三、汇编语言的组成
汇编语言发展至今，有以下 3 类指令组成。
- 汇编指令：机器码的助记符，有对应的机器码。
- 伪指令：没有对应的机器码，由编译器执行，计算机并不执行。
- 其他符号:如 +、-、*、/ 等，由编译器识别，没有对应的机器码。
汇编语言的核心是汇编指令，它决定了汇编语言的特性。
四、存储器
CPU 是计算机的核心部件，它控制整个计算机的运作并进行运算。要想让一个 CPU 工作，就必须向它提供指令和数据。指令和数据在存储器中存放，也就是我们平时所说的内存。
在一台 PC 机中内存的作用仅次于 CPU。离开了内存，性能再好的 CPU 也无法工作。这就像再聪明的大脑，没有了记忆也无法进行思考。
磁盘不同于内存，磁盘上的数据或程序如果不读到内存中，就无法被 CPU 使用。
要灵活地利用汇编语言编程，我们首先要了解 CPU 是如何从内存中读取信息，以及向内存中写入信息的。
五、指令和数据
指令和数据是应用上的概念。在内存或磁盘上，指令和数据没有任何区别，都是二进制信息。
CPU 在工作的时候把有的信息看作指令，有的信息看作数据，为同样的信息赋予了不同的意义。
就像围棋的棋子，在棋盒里的时候没有任何区别，在对弈的时候就有了不同的意义。
例如，内存中的二进制信息 1000100111011000，计算机可以把它看作大小为 89D8H 的数据来处理，也可以将其看作指令 mov ax,bx 来执行。
1000100111011000-> 89D8H（数据）
1000100111011000-> mov ax,bx（程序）
六、存储单元
存储器被划分成若干个存储单元，每个存储单元从 0 开始顺序编号，例如一个存储器有 128 个存储单元，编号从 0 ～ 127，如图 2 所示。
图 2 存储单元的编号
那么一个存储单元能存储多少信息呢？我们知道电子计算机的最小信息单位是 bit（音译为比特），也就是一个二进制位。8 个 bit 组成一个 Byte，也就是通常讲的一个字节。
微型机存储器的存储单元可以存储一个 Byte，即 8 个二进制位。一个存储器有 128 个存储单元，它可以存储 128 个 Byte。
微机存储器的容量是以字节为最小单位来计算的。对于拥有 128 个存储单元的存储器，我们可以说，它的容量是 128 个字节。
对于大容量的存储器一般还用以下单位来计量容量（以下用 B 来代表 Byte）：
1KB = 1024B
1MB = 1024KB
1GB = 1024MB
1TB = 1024GB
磁盘的容量单位同内存的一样，实际上以上单位是微机中常用的计量单位。
七、CPU 对存储器的读写
以上讲到，存储器被划分成多个存储单元，存储单元从零开始顺序编号。这些编号可以看作存储单元在存储器中的地址。就像一条街，每个房子都有门牌号码。
CPU 要从内存中读数据，首先要指定存储单元的地址。也就是说它要先确定它要读取哪一个存储单元中的数据。就像在一条街上找人，先要确定他住在哪个房子里。
另外，在一台微机中，不只有存储器这一种器件。CPU 在读写数据时还要指明，它要对哪一个器件进行操作，进行哪种操作，是从中读出数据，还是向里面写入数据。
可见，CPU 要想进行数据的读写，必须和外部器件（标准的说法是芯片）进行下面 3 类信息的交互。
- 存储单元的地址（地址信息）；
- 器件的选择，读或写的命令（控制信息）；
- 读或写的数据（数据信息）。
那么、CPU 是通过什么将地址、数据和控制信息传到存储器芯片中的呢？电子计算机能处理、传输的信息都是电信号，电信号当然要用导线传送。
在计算机中专门有连接 CPU 和其他芯片的导线，通常称为总线。总线从物理上来讲，就是一根根导线的集合根据传送信息的不同，总线从逻辑上又分为 3 类，地址总线、控制总线和数据总线。
CPU 从 3 号单元中读取数据的过程（见图 3）如下。
图 3 CPU 从内存中读取数据的过程
- CPU 通过地址线将地址信息 3 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 3 号单元中的数据 8 通过数据线送入 CPU。
写操作与读操作的步骤相似。如向 3 号单元写入数据 26。
- CPU 通过地址线将地址信息 3 发出。
- CPU 通过控制线发出内存写命令，选中存储器芯片，并通知它，要向其中写入数据。
- CPU 通过数据线将数据 26 送入内存的 3 号单元中。
从上面我们知道了 CPU 是如何进行数据读写的。可是，如何命令计算机进行数据的读写呢？
要让一个计算机或微处理器工作，应向它输入能够驱动它进行工作的电平信息（机器码）。
对于 8086CPU，下面的机器码，能够完成从 3 号单元读数据。
机器码：101000010000001100000000
含义：从 3 号单元读取数据送入寄存器 AX
CPU 接收这条机器码后将完成我们上面所述的读写工作。
机器码难于记忆，用汇编指令来表示，情况如下。
机器码：10100001 00000011 00000000
对应的汇编指令：MOV AX,[3]
含义：传送 3 号单元的内容入 AX
八、地址总线
现在我们知道，CPU 是通过地址总线来指定存储器单元的。可见地址总线上能传送多少个不同的信息，CPU 就可以对多少个存储单元进行寻址。
现假设，一个 CPU 有 10 根地址总线，让我们来看一下它的寻址情况。
我们知道，在电子计算机中，一根导线可以传送的稳定状态只有两种，高电平或是低电平。用二进制表示就是 1 或 0，10 根导线可以传送 10 位二进制数据。
而 10 位二进制数可以表示多少个不同的数据呢？2 的 10 次方个。最小数为 0，最大数为 1023。
图 4 展示了一个具有 10 根地址线的 CPU 向内存发出地址信息 11 时 10 根地址线上传送的二进制信息。考虑一下，访问地址为 12、13、14 等的内存单元时，地址总线上传送的内容是什么？
图 4 地址总线上发送的地址信息
一个 CPU 有 N 根地址线，则可以说这个 CPU 的地址总线的宽度为 N。这样的 CPU 最多可以寻找 2 的 N 次方个内存单元。
九、数据总线
CPU 与内存或其他器件之间的数据传送是通过数据总线来进行的。数据总线的宽度决定了 CPU 和外界的数据传送速度。
8 根数据总线一次可传送一个 8 位二进制数据（即一个字节）。16 根数据总线一次可传送两个字节。
8088CPU 的数据总线宽度为 8，8086CPU 的数据总线宽度为 16。我们来分别看一下它们向内存中写入数据 89D8H 时，是如何通过数据总线传送数据的。
图 5 展示了 8088CPU 数据总线上的数据传送情况；图 6 展示了 8086CPU 数据总线上的数据传送情况。
图 5 8 位数据总线上传送的信息
图 6 16 位数据总线上传送的信息
8086 有 16 根数据线，可一次传送 16 位数据，所以可一次传送数据 89D8H；而 8088 只有 8 根数据线，一次只能传 8 位数据，所以向内存写入数据 89D8H 时需要进行两次数据传送。
十、控制总线
CPU 对外部器件的控制是通过控制总线来进行的。在这里控制总线是个总称，控制总线是一些不同控制线的集合。有多少根控制总线，就意味着 CPU 提供了对外部器件的多少种控制。
所以，控制总线的宽度决定了 CPU 对外部器件的控制能力。
前面所讲的内存读或写命令是由几根控制线综合发出的。
其中有一根称为“读信号输出”的控制线负责由 CPU 向外传送读信号，CPU 向该控制线上输出低电平表示将要读取数据；有一根称为“写信号输出”的控制线则负责传送写信号。
小结
- 汇编指令是机器指令的助记符，同机器指令一一对应。
- 每一种 CPU 都有自己的汇编指令集。
- CPU 可以直接使用的信息在存储器中存放。
- 在存储器中指令和数据没有任何区别，都是二进制信息。
- 存储单元从零开始顺序编号。
- 一个存储单元可以存储 8 个 bit，即 8 位二进制数。
- 1Byte=8bit 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB。
- 每一个 CPU 芯片都有许多管脚，这些管脚和总线相连。也可以说，这些管脚引出总线。一个 CPU 可以引出 3 种总线的宽度标志了这个 CPU 的不同方面的性能：
- 地址总线的宽度决定了 CPU 的寻址能力；
- 数据总线的宽度决定了 CPU 与其他器件进行数据传送时的一次数据传送量；
- 控制总线的宽度决定了 CPU 对系统中其他器件的控制能力。
在本文中，我们从功能的角度介绍了 3 类总线，对实际的连接情况不做讨论。
十一、内存地址空间（概述）
什么是内存地址空间呢？举例来讲，一个 CPU 的地址总线宽度为 10，那么可以寻址 1024 个内存单元，这 1024 个可寻到的内存单元就构成这个 CPU 的内存地址空间。
下面进行深入讨论。首先需要介绍两部分基本知识，主板和接口卡。
十二、主板
在每一台 PC 机中，都有一个主板，主板上有核心器件和一些主要器件，这些器件通过总线（地址总线、数据总线、控制总线）相连。这些器件有 CPU、存储器、外围芯片组、扩展插槽等。
扩展插槽上一般插有 RAM 内存条和各类接口卡。
十三、接口卡
计算机系统中，所有可用程序控制其工作的设备，必须受到 CPU 的控制。CPU 对外部设备都不能直接控制，如显示器、音箱、打印机等。直接控制这些设备进行工作的是插在扩展插槽上的接口卡。
扩展插槽通过总线和 CPU 相连，所以接口卡也通过总线同 CPU 相连。CPU 可以直接控制这些接口卡，从而实现 CPU 对外设的间接控制。
简单地讲，就是 CPU 通过总线向接口卡发送命令，接口卡根据 CPU 的命令控制外设进行工作。
十四、各类存储器芯片
一台 PC 机中，装有多个存储器芯片，这些存储器芯片从物理连接上看是独立的、不同的器件。从读写属性上看分为两类：随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
随机存储器可读可写，但必须带电存储，关机后存储的内容丢失；只读存储器只能读取不能写入，关机后其中的内容不丢失。这些存储器从功能和连接上又可分为以下几类。
- 随机存储器
- 用于存放供 CPU 使用的绝大部分程序和数据，主随机存储器一般由两个位置上的 RAM 组成，装在主板上的 RAM 和插在扩展插槽上的 RAM。
- 装有 BIOS(Basic Input/Output System，基本输入/输出系统)的 ROM
- BIOS 是由主板和各类接口卡（如显卡、网卡等）厂商提供的软件系统，可以通过它利用该硬件设备进行最基本的输入输出。在主板和某些接口卡上插有存储相应 BIOS 的 ROM。
- 例如，主板上的 ROM 中存储着主板的 BIOS（通常称为系统 BIOS）；显卡上的 ROM 中存储着显卡的 BIOS；如果网卡上装有 ROM，那其中就可以存储网卡的 BIOS。
- 接口卡上的 RAM
- 某些接口卡需要对大批量输入、输出数据进行暂时存储，在其上装有 RAM。最典型的是显示卡上的 RAM，一般称为显存。显示卡随时将显存中的数据向显示器上输出。
- 换句话说，我们将需要显示的内容写入显存，就会出现在显示器上。
图 7 展示了 PC 系统中各类存储器的逻辑连接情况。
图 7 PC 机中各类存储器的逻辑连接
十五、内存地址空间
上述的那些存储器，在物理上是独立的器件，但是在以下两点上相同。
- 都和 CPU 的总线相连。
- CPU 对它们进行读或写的时候都通过控制线发出内存读写命令。
这也就是说，CPU 在操控它们的时候，把它们都当作内存来对待，把它们总的看作一个由若干存储单元组成的逻辑存储器，这个逻辑存储器就是我们所说的内存地址空间。
在汇编这门技术中，我们所面对的是内存地址空间。
图 8 展示了 CPU 将系统中各类存储器看作一个逻辑存储器的情况。
图 8 将各类存储器看作一个逻辑存储器
在图 8 中，所有的物理存储器被看作一个由若干存储单元组成的逻辑存储器，每个物理存储器在这个逻辑存储器中占有一个地址段，即一段地址空间。
CPU 在这段地址空间中读写数据，实际上就是在相对应的物理存储器中读写数据。
假设，图 8 中的内存地址空间的地址段分配如下。
地址 0~7FFFH 的 32KB 空间为主随机存储器的地址空间；
地址 8000H~9FFFH 的 8KB 空间为显存地址空间；
地址 A000H~FFFFH 的 24KB 空间为各个 ROM 的地址空间。
这样，CPU 向内存地址为 1000H 的内存单元中写入数据，这个数据就被写入主随机存储器中；
CPU 向内存地址为 8000H 的内存单元中写入数据，这个数据就被写入显存中，然后会被显卡输出到显示器上；
CPU 向内存地址为 C000H 的内存单元中写入数据的操作是没有结果的，C000H 单元中的内容不会被改变，C000H 单元实际上就是 ROM 存储器中的一个单元。
内存地址空间的大小受 CPU 地址总线宽度的限制。8086CPU 的地址总线宽度为 20，可以传送 220 个不同的地址信息（大小从 0 至 20-1）。即可以定位 220 个内存单元，则 8086PC 的内存地址空间大小为 1MB。
同理，80386CPU 的地址总线宽度为 32，则内存地址空间最大为 4GB。
我们在基于一个计算机硬件系统编程的时候，必须知道这个系统中的内存地址空间分配情况。
因为当我们想在某类存储器中读写数据的时候，必须知道它的第一个单元的地址和最后一个单元的地址，才能保证读写操作是在预期的存储器中进行。
比如，我们希望向显示器输出一段信息，那么必须将这段信息写到显存中，显卡才能将它输出到显示器上。要向显存中写入数据，必须知道显存在内存地址空间中的地址。
不同的计算机系统的内存地址空间的分配情况是不同的，图 9 展示了 8086PC 机内存地址空间分配的基本情况。
图 9 8086PC 机内存地址空间分配
图 9 告诉我们，从地址 0~9FFFF 的内存单元中读取数据，实际上就是在读取主随机存储器中的数据；
向地址 A0000~BFFFF 的内存单元中写数据，就是向显存中写入数据，这些数据会被显示卡输出到显示器上；
我们向地址 C0000~FFFFF 的内存单元中写入数据的操作是无效的，因为这等于改写只读存储器中的内容。
内存地址空间
最终运行程序的是 CPU，我们用汇编语言编程的时候，必须要从 CPU 的角度考虑问题。
对 CPU 来讲，系统中的所有存储器中的存储单元都处于一个统一的逻辑存储器中，它的容量受 CPU 寻址能力的限制。这个逻辑存储器即是我们所说的内存地址空间。
对于初学者，这个概念比较抽象，我们在后续的文章中将通过一些编程实践，来增加感性认识。
文章来源：
https://www.developerastrid.com/assembly/learn-assembly-language/
https://www.developerastrid.com/assembly/learn-assembly-language/
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