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x86汇编语言:从实模式到保护模式
作   译   者:李忠,王晓波,余洁 出 版 日 期:2013-01-01
出   版   社:电子工业出版社 维   护   人:刘小琳 
书   代   号:TP187990 I S B N:9787121187995
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    图书详情

    ISBN:9787121187995

    开 本:16开

    印 张:24.25

    版 次:01-01

    页 数:360

    字 数:620

    内容简介

    本书采用开源的NASM汇编语言编译器和VirtualBox虚拟机软件,以个人计算机广泛采用的Intel处理器为基础,详细讲解了Intel处理器的指令系统和工作模式,以大量的代码演示了16/32/64位软件的开发方法,集中介绍处理器的16位实模式和32位保护模式,以及基本的指令系统。 这是一本有趣的书,它没有把篇幅花在计算一些枯燥的数学题上。相反,它教你如何直接控制硬件,在不借助于BIOS、DOS、Windows、LINUX或任何其他软件支持的情况下来显示字符、读取硬盘数据、控制其他硬件等。本书可作为大专院校相关专业学生和计算机编程爱好者的教程。

    本书目录

    第1部分  预备知识
    第1章  十六进制计数法 3
    1.1  二进制计数法回顾 3
    1.1.1  关于二进制计数法 3
    1.1.2  二进制到十进制的转换 4
    1.1.3  十进制到二进制的转换 4
    1.2  十六进制计数法 5
    1.2.1  十六进制计数法的原理 5
    1.2.2  十六进制到十进制的转换 6
    1.2.3  十进制到十六进制的转换 6
    1.2.4  为什么需要十六进制 6
    1.3  使用Windows计算器方便你的学习过程 8
    本章习题 9
    第2章  处理器、内存和指令 10
    2.1  最早的处理器 10
    2.2  寄存器和算术逻辑部件 10
    2.3  内存储器 12
    2.4  指令和指令集 14
    2.5  古老的Intel 8086处理器 16
    2.5.1  8086的通用寄存器 16
    2.5.2  程序的重定位难题 16
    2.5.3  内存分段机制 19
    2.5.4  8086的内存分段机制 21
    本章习题 24
    第3章  汇编语言和汇编软件 25
    3.1  汇编语言简介 25
    3.2  NASM编译器 27
    3.2.1  NASM的下载和安装 27
     
    3.2.2  代码的书写和编译过程 27
    3.2.3  用HexView观察编译后的机器代码 30
    本章习题 31
    第4章  虚拟机的安装和使用 32
    4.1  计算机的启动过程 32
    4.1.1  如何将编译好的程序提交给处理器 32
    4.1.2  计算机的加电和复位 33
    4.1.3  基本输入输出系统 33
    4.1.4  硬盘及其工作原理 34
    4.1.5  一切从主引导扇区开始 36
    4.2  创建和使用虚拟机 37
    4.2.1  别害怕,虚拟机是软件 37
    4.2.2  下载和安装Oracle VM VirtualBox 37
    4.2.3  虚拟硬盘简介 39
    4.2.4  练习使用FixVhdWr工具向虚拟硬盘写数据 40
    第2部分  实模式
    第5章  编写主引导扇区代码 45
    5.1  本章代码清单 45
    5.2  欢迎来到主引导扇区 45
    5.3  注释 46
    5.4  在屏幕上显示文字 46
    5.4.1  显卡和显存 46
    5.4.2  初始化段寄存器 49
    5.4.3  显存的访问和ASCII代码 49
    5.4.4  显示字符 51
    5.4.5  MOV指令的格式 52
    5.5  显示标号的汇编地址 54
    5.5.1  标号 54
    5.5.2  如何显示十进制数字 58
    5.5.3  在程序中声明并初始化数据 58
    5.5.4  分解数的各个数位 59
    5.5.5  显示分解出来的各个数位 63
    5.6  使程序进入无限循环状态 64
    5.7  完成并编译主引导扇区代码 66
    5.7.1  主引导扇区有效标志 66
    5.7.2  代码的保存和编译 67
    5.8  加载和运行主引导扇区代码 67
    5.8.1  把编译后的指令写入主引导扇区 67
    5.8.2  启动虚拟机观察运行结果 68
    5.9  程序的调试技术 68
    5.9.1  开源的Bochs虚拟机软件 68
    5.9.2  Bochs下的程序调试入门 69
    本章习题 75
    第6章  相同的功能,不同的代码 76
    6.1  代码清单6-1 76
    6.2  跳过非指令的数据区 76
    6.3  在数据声明中使用字面值 77
    6.4  段地址的初始化 77
    6.5  段之间的批量数据传送 78
    6.6  使用循环分解数位 80
    6.7  计算机中的负数 81
    6.7.1  无符号数和有符号数 81
    6.7.2  处理器视角中的数据类型 85
    6.8  数位的显示 87
    6.9  其他标志位和条件转移指令 88
    6.9.1  奇偶标志位PF 88
    6.9.2  进位标志CF 89
    6.9.3  溢出标志OF 89
    6.9.4  现有指令对标志位的影响 90
    6.9.5  条件转移指令 90
    6.10 NASM编译器的$和$$标记 92
    6.11  观察运行结果 93
    6.12  本章程序的调试 93
    6.12.1  调试命令“n”的使用 93
    6.12.2  调试命令“u”的使用 94
    6.12.3  用调试命令“info”察看标志位 96
    本章习题 97
    第7章  比高斯更快的计算 98
    7.1  从1加到100的故事 98
    7.2  代码清单7-1 98
    7.3  显示字符串 98
    7.4  计算1到100的累加和 99
    7.5  累加和各个数位的分解与显示 99
    7.5.1  栈和栈段的初始化 99
    7.5.2  分解各个数位并压栈 101
    7.5.3  出栈并显示各个数位 103
    7.5.4  进一步认识栈 104
    7.6  程序的编译和运行 105
    7.6.1  观察程序的运行结果 105
    7.6.2  在调试过程中察看栈中内容 106
    7.7  8086处理器的寻址方式 107
    7.7.1  寄存器寻址 107
    7.7.2  立即寻址 107
    7.7.3  内存寻址 108
    本章习题 112
    第8章  硬盘和显卡的访问与控制 113
    8.1  本章代码清单 114
    8.2  用户程序的结构 114
    8.2.1  分段、段的汇编地址和段内汇编地址 114
    8.2.2  用户程序头部 117
    8.3  加载程序(器)的工作流程 120
    8.3.1  初始化和决定加载位置 120
    8.3.2  准备加载用户程序 121
    8.3.3  外围设备及其接口 122
    8.3.4  I/O端口和端口访问 123
    8.3.5  通过硬盘控制器端口读扇区数据 125
    8.3.6  过程调用 127
    8.3.7  加载用户程序 133
    8.3.8  用户程序重定位 134
    8.3.9  将控制权交给用户程序 137
    8.3.10  8086处理器的无条件转移指令 138
    8.4  用户程序的工作流程 140
    8.4.1  初始化段寄存器和栈切换 140
    8.4.2  调用字符串显示例程 141
    8.4.3  过程的嵌套 142
    8.4.4  屏幕光标控制 142
    8.4.5  取当前光标位置 143
    8.4.6  处理回车和换行字符 144
    8.4.7  显示可打印字符 145
    8.4.8  滚动屏幕内容 145
    8.4.9  重置光标 146
    8.4.10  切换到另一个代码段中执行 146
    8.4.11  访问另一个数据段 147
    8.5  编译和运行程序并观察结果 147
    本章习题 148
    第9章  中断和动态时钟显示 149
    9.1  外部硬件中断 149
    9.1.1  非屏蔽中断 150
    9.1.2  可屏蔽中断 150
    9.1.3  实模式下的中断向量表 152
    9.1.4  实时时钟、CMOS RAM和BCD编码 154
    9.1.5  代码清单9-1 157
    9.1.6  初始化8259、RTC和中断向量表 157
    9.1.7  使处理器进入低功耗状态 159
    9.1.8  实时时钟中断的处理过程 160
    9.1.9  代码清单9-1的编译和运行 162
    9.2  内部中断 163
    9.3  软中断 163
    9.3.1  BIOS中断 163
    9.3.2  代码清单9-2 165
    9.3.3  从键盘读字符并显示 165
    9.3.4  代码清单9-2的编译和运行 165
    本章习题 166
    第3部分  32位保护模式
    第10章  32位x86处理器编程架构 169
    10.1  IA-32架构的基本执行环境 169
    10.1.1  寄存器的扩展 169
    10.1.2  基本的工作模式 172
    10.1.3  线性地址 173
    10.2  现代处理器的结构和特点 174
    10.2.1  流水线 174
    10.2.2  高速缓存 175
    10.2.3  乱序执行 175
    10.2.4  寄存器重命名 176
    10.2.5  分支目标预测 177
    10.3  32位模式的指令系统 178
    10.3.1  32位处理器的寻址方式 178
    10.3.2  操作数大小的指令前缀 179
    10.3.3  一般指令的扩展 181
    本章习题 184
    第11章  进入保护模式 185
    11.1  代码清单11-1 185
    11.2  全局描述符表 186
    11.3  存储器的段描述符 187
    11.4  安装存储器的段描述符并加载GDTR 191
    11.5  关于第21条地址线A20的问题 193
    11.6  保护模式下的内存访问 195
    11.7  清空流水线并串行化处理器 199
    11.8  保护模式下的栈 200
    11.8.1  关于栈段描述符中的界限值 200
    11.8.2  检验32位下的栈操作 201
    11.9  程序的运行和调试 202
    11.9.1  运行程序并观察结果 202
    11.9.2  处理器刚加电时的段寄存器状态 203
    11.9.3  设置PE位后的段寄存器状态 205
    11.9.4  JMP指令执行后的段寄存器状态 205
    11.9.5  察看全局描述符表GDT 206
    11.9.6  察看控制寄存器的内容 207
    本章习题 207
    第12章  存储器的保护 208
    12.1  代码清单12-1 208
    12.2  进入32位保护模式 208
    12.2.1  话说mov ds,ax和mov ds,eax 208
    12.2.2  创建GDT并安装段描述符 209
    12.3  修改段寄存器时的保护 211
    12.4  地址变换时的保护 213
    12.4.1  代码段执行时的保护 213
    12.4.2  栈操作时的保护 214
    12.4.3  数据访问时的保护 216
    12.5  使用别名访问代码段对字符排序 217
    12.6  程序的编译和运行 219
    本章习题 220
    第13章  程序的动态加载和执行 221
    13.1  本章代码清单 222
    13.2  内核的结构、功能和加载 222
    13.2.1  内核的结构 222
    13.2.2  内核的加载 223
    13.2.3  安装内核的段描述符 225
    13.3  在内核中执行 229
    13.4  用户程序的加载和重定位 230
    13.4.1  用户程序的结构 230
    13.4.2  计算用户程序占用的扇区数 232
    13.4.3  简单的动态内存分配 233
    13.4.4  段的重定位和描述符的创建 234
    13.4.5  重定位用户程序内的符号地址 238
    13.5  执行用户程序 242
    13.6  代码的编译、运行和调试 243
    本章习题 244
    第14章  任务和特权级保护 245
    14.1  任务的隔离和特权级保护 246
    14.1.1  任务、任务的LDT和TSS 246
    14.1.2  全局空间和局部空间 248
    14.1.3  特权级保护概述 250
    14.2  代码清单14-1 257
    14.3  内核程序的初始化 257
    14.3.1  调用门 258
    14.3.2  调用门的安装和测试 261
    14.4  加载用户程序并创建任务 264
    14.4.1  任务控制块和TCB链 264
    14.4.2  使用栈传递过程参数 266
    14.4.3  加载用户程序 268
    14.4.4  创建局部描述符表 269
    14.4.5  重定位U-SALT表 270
    14.4.6  创建0、1和2特权级的栈 271
    14.4.7  安装LDT描述符到GDT中 271
    14.4.8  任务状态段TSS的格式 272
    14.4.9  创建任务状态段TSS 276
    14.4.10  安装TSS描述符到GDT中 276
    14.4.11  带参数的过程返回指令 277
    14.5  用户程序的执行 278
    14.5.1  通过调用门转移控制的完整过程 278
    14.5.2  进入3特权级的用户程序的执行 281
    14.5.3  检查调用者的请求特权级RPL 284
    14.5.4  在Bochs中调试程序的新方法 286
    本章习题 286
    第15章  任务切换 287
    15.1  本章代码清单 287
    15.2  任务切换前的设置 287
    15.3  任务切换的方法 289
    15.4  用call/jmp/iret指令发起任务切换的实例 292
    15.5  处理器在实施任务切换时的操作 296
    15.6  程序的编译和运行 298
    本章习题 299
    第16章  分页机制和动态页面分配 300
    16.1  分页机制概述 301
    16.1.1  简单的分页模型 301
    16.1.2  页目录、页表和页 305
    16.1.3  地址变换的具体过程 307
    16.2  本章代码清单 308
    16.3  使内核在分页机制下工作 309
    16.3.1  创建内核的页目录表和页表 309
    16.3.2  任务全局空间和局部空间的页面映射 314
    16.4  创建内核任务 319
    16.4.1  内核的虚拟内存分配 319
    16.4.2  页面位映射串和空闲页的查找 320
    16.4.3  创建页表并登记分配的页 323
    16.4.4  创建内核任务的TSS 324
    16.5  用户任务的创建和切换 325
    16.5.1  多段模型和段页式内存管理 325
    16.5.2  平坦模型和用户程序的结构 327
    16.5.3  用户任务的虚拟地址空间分配 328
    16.5.4  用户程序的加载 329
    16.5.5  段描述符的创建(平坦模型) 332
    16.5.6  重定位U-SALT并复制页目录表 333
    16.5.7  切换到用户任务执行 334
    16.6  程序的编译、执行和调试 336
    16.6.1  本章程序的编译和运行方法 336
    16.6.2  察看CR3寄存器的内容 337
    16.6.3  察看线性地址对应的物理页信息 337
    16.6.4  察看当前任务的页表信息 338
    16.6.5  使用线性(虚拟)地址调试程序 339
    本章习题 339
    第17章  中断和异常的处理与抢占式多任务 340
    17.1  中断和异常 340
    17.1.1  中断和异常概述 340
    17.1.2  中断描述符表、中断门和陷阱门 343
    17.1.3  中断和异常处理程序的保护 345
    17.1.4  中断任务 347
    17.1.5  错误代码 348
    17.2  本章代码清单 349
    17.3  内核的加载和初始化 349
    17.3.1  彻底终结多段模型 349
    17.3.2  创建中断描述符表 352
    17.3.3  用定时中断实施任务切换 354
    17.3.4  8259A芯片的初始化 359
    17.3.5  平坦模型下的字符串显示例程 362
    17.4  内核任务的创建 362
    17.4.1  创建内核任务的TCB 362
    17.4.2  宏汇编技术 364
    17.5  用户任务的创建 366
    17.5.1  准备加载用户程序 366
    17.5.2  转换后援缓冲器的刷新 367
    17.5.3  用户任务的创建和初始化 368
    17.6  程序的编译和执行 370
    本章习题 371
    附录Ⅰ  本书用到的x86指令及其页码 372
    附录Ⅱ  本书用到的重要图表及其页码 374
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    尽管汇编语言也是一种计算机语言,但却是与众不同的,与它的同类们格格不入。处理器的工作是执行指令并获得结果,而为了驾驭处理器,汇编语言为每一种指令提供了简单好记、易于书写的符号化表示形式。 一直以来,人们对于汇编语言的认识和评价可以分为两种,一种是觉得它非常简单,另一种是觉得它学习起来非常困难。 你认为我会赞同哪一种?说汇编语言难学,这没有道理。学习任何一门计算机语言,都需要一些数制和数制转换的知识,也需要大体上懂得计算机是怎么运作的。在这个前提下,汇编语言是最贴近硬件实体的,也是最自然和最朴素的。最朴素的东西反而最难掌握,这实在说不过去。因此,原因很可能出在我们的教科书上,那些一上来就搞一大堆寻址方式的书,往往以最快的速度打败了本来激情高昂的初学者。 但是,说汇编语言好学,也同样有些荒谬。据我的观察,很多人掌握了若干计算机指令,会编写一个从键盘输入数据,然后进行加减乘除或者归类排序的程序后,就认为自己掌握了汇编语言。还有,直到现在,我还经常在网上看到学生们使用DOS中断编写程序,他们讨论的也大多是实模式,而非32位或者64位保护模式。他们知道如何编译源程序,也知道在命令行输入文件名,程序就能运行了;又或者使用一个中断,就能显示字符。至于这期间发生了什么,程序是如何加载到内存中的,又是怎么重定位的,似乎从来不关汇编语言的事。这样做的结果,就是让人以为汇编语言不过如此,而且非常枯燥。 很难说我已经掌握了汇编语言的要义。但至少我知道,尽管汇编语言不适合用来编写大型程序,但它对于理解计算机原理很有帮助,特别是处理器的工作原理和运行机制。就算是为了这个目的,也应该让汇编语言回归它的本位,那就是访问和控制硬件(包括处理器),而不仅仅是编写程序,输入几个数字,找出正数有几个、负数有几个,大于30的有几个。 事实上,汇编语言对学习和理解高级语言,比如C语言,也有极大的帮助。老教授琢磨了好几天,终于想到一个好的比喻来帮助学生理解什么是指针,实际上,这对于懂得汇编语言的学生来说,根本就不算个事儿,并因此能够使老教授省下时间来喝茶。 在这本书之前,我也写过《穿越计算机的迷雾》一书。它们是一个系列,没有基础的读者可以先看那本书,打一点计算机原理的基础再来学习汇编语言。 在计划写这本书的时候,我就给自己画了几条线。首先不能走老路,一上来就讲指令、寻址方式,而是采用任务驱动的方式来写,每一章都要做点事情,最好是比较有趣,有吸引力。在解决问题的过程中,不断地引入新指令,并进行讲解。一句话,我希望是润物细无声式的;其次,汇编语言和硬件并举,完全抛弃BIOS中断和DOS中断,直接访问硬件,发挥汇编语言的长处,因为这才是我们学习汇编语言的目的。也只有这样,读者才能深刻体会到汇编语言的妙处。 王晓波和湖北经济学院的余洁共同参与了本书的创作。 本书主要讲述INTEL x86处理器的16位实模式、32位保护模式,至于虚拟8086模式,则是为了兼容传统的8086程序,现在看来已经完全过时,不再进行讲述。本书的特色之一是提供了大量典型的源代码,这些代码以及相配套的工具程序可以到书中指定的网站,或者电子工业出版社华信教育资源网搜索下载。 很多读者在读书的时候会遇到这种情况:一开始读得很快,一口气读了好几章。随着内容的深入,学习越来越吃力,不得不频繁回到前面重新学习已经讲过的内容,这就是因为前面的知识没有完全掌握。为此,本书每一章都设有检测点,读者应当在通过检测点之后再继续往后阅读。 本书原来有18章,后来考虑到实模式的内容过多,而去掉了一章。这一章的标题是《聆听数字的声音》,讲述如何通过直接访问和控制Sound Blaster 16声卡来播放声音,感兴趣的朋友可以从下载的配书文件包中找到这部分内容。 在本书的写作和出版过程中,长春电视台台长王志强,副台长周武军和技术部主任刘贵先后对本书给予了关心和支持,在此表示衷心的感谢。 好友王南洋、桑国伟、刘维钊、蒋胜友、邱海龙、万利、李文心等负责了本书的一部分校对工作;好友周卫平帮我验证配书代码是否能在他的机器上正常工作,在这里向他们表示感谢,同时也谢谢所有关心和支持本书的朋友们。 感谢我的母亲、我的妻子和我的女儿,她们是我的精神支柱,是我努力创作这本书的动力来源。 在阅读本书的过程中,如果有任何问题,可以往电子邮件地址leechung@126.com给我写信;要了解其他更多的情况,请访问我的博客:http://blog.163.com/leechung@126

    二〇一二年十一月

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