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Part 5. 进阶内容 ​

函数 ​

定义 ​

函数(function)又称过程(procedure)。在x86中，根据调用和返回指令的不同，有**近函数（过程）和远函数（过程）**之分。一共有2种定义函数的方式：

  • 用标号定义函数（常用）

    asm
    ; 近函数定义1
标号名:
    ...
    retn  ; 可简写为 ret


; 近函数定义2
标号名 label near
    ...
    retn  ; 可简写为 ret

; 远函数定义
标号名 label far
    ...
    retf

  • 用proc定义函数

    asm
    ; 近函数定义
函数名 proc near
    ...
    retn    ; 可简写为 ret
函数名 endp

; 远函数定义
函数名 proc far
    ...
    retf
函数名 endp

调用和返回 ​

搭配使用call类指令和ret类指令，大致原理为（这里以近函数为例，具体功能和使用方法可参见Part 4对应部分）：

  • 函数调用：call指令后面的指令的偏移地址（ip）被存在栈内，然后根据操作数（标号、寄存器等等）跳转到指定函数部分，执行指令
  • 函数返回：在函数的最后使用ret指令，获取栈内被保存的ip，跳转到call指令后一条指令的地址上，从而实现返回功能

参数和返回值的传递 ​

函数传参的方式：

  • 用寄存器传参
    • 小技巧：如果批量传递连续的一组数据（比如字符串），此时不需要传递完整的字符串，只需要传递这组数据的首地址（即第一个元素的地址），以及这组数据的长度即可（很像C语言的处理）
    • 局限：寄存器数量较少，可能不够用，而且还可能存在（调用者与被调用者之间的）冲突
    • 避免冲突的方法：在函数正式执行前，先将函数用到的寄存器压入栈中；在函数返回前将栈中元素弹出，从而恢复寄存器原来的值（注意顺序！）
  • 用（全局）变量传参
    • 局限：当函数是一个递归函数时，函数多次自我调用会破坏变量中的参数值
  • 用堆栈传参，有以下几种规范：

    • __cdecl（常用）

      • 参数按从右到左的顺序压入堆栈
      • 参数的清理由调用者(caller)负责
      • 当函数值是整数时由eax返回，是小数时则由st(0)返回
      • eax、ecx、edx由调用者负责保存和恢复
      • ebx、ebp、esi、edi由被调用者(callee)负责保存和恢复
      • 这是C语言的参数传递规范
      asm
      f:
    push bp
    mov bp, sp
    ; ...
    pop bp
    ret

main:
    ...
    push a1         ; 压入参数
    push a0
    call f
back:
    add sp, 4       ; 清理堆栈

    • __pascal

      • 参数按从左到右的顺序压入堆栈
      • 参数的清理由被调用者负责
      • 这是Pascal语言的参数传递规范
      asm
      f:
    push bp
    mov bp, sp
    ; ...
    pop bp
    ret 4           ; 假设a0、a1都是字数据

main:
    ...
    push a0         ; 压入参数
    push a1         
    call f
back:

    • __stdcall

      • 参数按从右到左的顺序压入堆栈
      • 参数的清理由被调用者负责
      • 这是Windows API函数的参数传递规范
      asm
      f:
    push bp
    mov bp, sp
    ; ...
    pop bp
    ret 4           ; 假设a0、a1都是字数据

main:
    ...
    push a1         ; 压入参数
    push a0
    call f
back:

返回值的传递方式与传参类似（也可以把返回值放在（曾经）作为参数的寄存器或变量内），故不再赘述。

动态变量和堆栈框架 ​

  • 在函数的开头，需要用push bp及mov bp, sp这两条指令来保护bp，同时构造堆栈框架(stack frame)

  • 构造好堆栈框架后，接着执行指令sub sp, idata就可以在函数内部定义宽度为idata的动态变量或数组。这些动态变量是作用域在函数内的局部变量，因此在函数结束后会被丢掉（因此不能拿这些变量作为函数的返回值）。

  • 函数相关的堆栈框架如下所示（采用_cdecl规范）：

    ![](images/37_dark.png#only-dark) ![](images/37_light.png#only-light)
    • sp与bp之间的空间用于存放局部变量，而bp下面的空间存放的是参数。它们都可以借助bp来表示，其中局部变量可通过[bp - ...]被访问；而参数可通过[bp + ...]被访问，且[bp + 4]表示第一个参数，[bp + 6]是第二个参数，以此类推

  • 在函数退出时先mov sp, bp，此时sp回落bp的位置，局部变量全部失效，然后pop bp取出原来的bp值，再ret，此时pop出返回地址返回，然后在调用者处情况堆栈中的参数

  • 在函数中，除了要保护bp外，还要保护bx、si、di这些偏移地址寄存器的值（在函数使用这些寄存器之前，将它们压入栈中；在函数返回前再弹出以恢复原值）

  • 综上，我们总结出一般的函数写法：

asm
f:
    push bp
    mov bp, sp
    sub sp, ...
    push bx
    push si
    push di
    ...             ; [bp+?] 为参数
    ...             ; [bp-?] 为局部变量
    mov ax, ...     ; 设置返回值
    pop di
    pop si
    pop bx
    mov sp, bp
    pop bp
    ret

递归函数 ​

??? example "例子：求累加和"

```asm
code segment
assume cs:code
;Input: n=[bp+4]
;Output: AX=1+2+3+...+n
f proc near
    push bp       ; (3)(6)(9)
    mov bp, sp
    mov ax, [bp+4]
    cmp ax, 1
    je done
    dec ax
    push ax       ; (4)(7)
    call f        ; (5)(8)
there:
    add sp, 2     ; (12)(15)
    add ax, [bp+4]
done:
    pop bp        ; (10)(13)(16)
    ret           ; (11)(14)(17)
f endp

main:
    mov ax, 3
    push ax       ; (1)
    call f        ; (2)
here:            ; f(3)的返回值在AX中, 值为6
    add sp, 2     ; (18)
    mov ah, 4Ch
    int 21h
code ends
end main
```

中断 ​

  • 中断：通俗理解为，CPU不再继续往下执行，而是转去处理来自CPU内部或外部设备的特殊信息。

  • 分类：

    • 根据中断的来源：
      • 软件中断：在代码显示地用int n指令来调用中断例程（属于内中断，来自程序员）
      • 硬件中断：由硬件的某个事件触发，并由CPU自动插入一个隐式的int n指令来调用中断例程（来自硬件）
    • 根据中断的硬件来源：内中断、外中断

  • 中断信息包含用于识别来源的编码，称为中断类型码，它是一个字节型数据，可以表示256种中断信息的来源（尽管实际上并没有256种中断）

  • 中断向量表：存放一系列中断向量（即中断处理程序的入口地址）的列表。

    • 在8086PC机中，它被存在内存0000:0000~0000:03FF的1024个字节中
    • 每个中断向量占2个字（4字节），高地址字存放段地址，低地址字存放偏移地址
    • 一般情况下，中断向量表中0000:0200~0000:02FF的256字节空间是空的，操作系统和其他应用程序不会占用，因此可利用这块空间来自定义中断

  • 中断处理程序/中断例程：用于处理中断信息的程序，被中断向量定位。执行步骤为：

    1. 保存用到的寄存器

    2. 处理中断

    3. 恢复用到的寄存器

    4. 用iret指令返回

      • iret指令的等价操作：
      c
      ip = word ptr ss:[sp];
cs = word ptr ss:[sp+2];
fl = word ptr ss:[sp+4];
sp += 6;

  • 中断过程：

    1. 取得中断类型码N
    2. pushf
    3. tf = 0, if = 0
    4. push cs
    5. push ip
    6. ip = N * 4, cs = N * 4 + 2

  • 自定义中断，大致过程为：

    • 编写中断处理程序（与编写一般函数类似）

    • 安装中断处理程序：将中断处理程序存在不太可能被覆写的内存中（一般存在0000:0200~0000:02FF这个空的中断向量表空间内），一般借助rep movsb指令完成这一步骤

      • 例子：n号中断处理程序的标号为int_handler，其入口地址设为seg_addr:ofs:addr，那么安装过程为：
      asm
      assume cs:code
code segment

main:
    ; 设置ds:si指向源地址（中断处理程序）
    mov ax, cs
    mov ds, ax
    mov si, offset int_handler

    ; 设置es:di指向目标地址（某个安全的内存块）
    mov ax, seg_addr
    mov es, ax
    mov bi, ofs_addr

    ; cx的值设为中断处理程序的长度，通过两个标号的地址之差计算得到
    mov cx, offset int_handler_end - offset int_handler
    cld             ; 令 df = 0
    rep movsb       ; copy!

    ;设置中断向量表

    mov ax, 4C00h
    int 21h

; 中断处理程序
int_handler:
    ; ... 
    ; ...

int_handler_end: 
    nop

code ends
end main

    • 修改中断向量表：将中断处理程序的入口地址存在中断向量表的对应表项中

      • 例子：修改后的n号中断处理程序的入口地址为seg_addr:ofs:addr，中断向量表的修改过程如下所示：
      asm
      mov ax, 0
mov es, ax
mov word ptr es:[n*4], ofs_addr
mov word ptr es:[n*4+2], seg_addr

  • 有些情况下，CPU不会响应中断

    • 比如执行向ss寄存器传送数据的指令时，中断不会发生，这是为了避免对ss:sp整体的破坏

内中断 ​

内中断的几种情况：

  • 除法错误

    • 中断类型码：0

  • 单步执行

    • 中断类型码：1
    • 中断发生条件：当陷阱标志位tf = 1时，CPU在每执行完一条指令后，会自动在该条指令与下条指令之间插入一条int 1h指令并执行它
    • 功能：在Debug中，t命令起到单步中断的功能，执行该命令后会显示各个寄存器的状态并等待继续输入（中断处理程序的作用）
    • 为了不让程序一直陷入单步中断的循环中，所以中断过程中要将tf设为0

  • 执行into指令（溢出中断）

    • 中断类型码：4
    • 等价操作：
    c
    if (of == 1) {
    old_fl = fl;
    if = 0;
    tf = 0;
    sp -= 6;
    word ptr ss:[sp] = ip + 1;
    word ptr ss:[sp+2] = cs;
    word ptr ss:[sp+4] = old_fl;
    ip = word ptr 0000:[0010h]
    cs = word ptr 0000:[0012h]
}

  • 执行int n指令

    • 中断类型码：n（自己指定的中断码，一个字节型立即数）
    • 等价操作：
    c
    old_fl = fl;
if = 0;
tf = 0;
sp -= 6;
word ptr ss:[sp] = ip + 2;
word ptr ss:[sp+2] = cs;
word ptr ss:[sp+4] = old_fl;
ip = word ptr 0000:[idata8 * 4]
cs = word ptr 0000:[idata8 * 4 + 2]
    • 格式：
    asm
    int idata8
    • 该指令的机器码为2字节：0CDh, idata8，其中idata8是中断号
    • 该指令的目标地址是一个32位的远指针，称为中断向量(interrupt vector)，被保存在0000:idata8*4处
    • [0000:0000, 0000:03FFh]这个内存区间称为中断向量表，一共存放了从int 00h到int 0FFh共256个中断向量
    • BIOS和DOS为程序员提供了诸多中断功能，下面将会列出几种常见功能（其他功能参见中断大全）

??? info "BIOS和DOS中断例程的安装过程"

1. 开机时CPU通电后，初始化cs = 0FFFFH，ip = 0，因此执行0FFFFH:0处上的跳转指令，执行该指令后转去执行硬件系统检测和初始化程序
2. 初始化程序将建立BIOS所支持的中断向量表（注意中断例程固化在ROM中，是一直在内存中存在的）
3. 完成上述步骤后，调用`int 19h`进行操作系统的引导，控制权交给操作系统（DOS）
4. DOS系统会将中断例程装入内存，并建立相应的中断向量表

DOS 中断 ​

  • int 03h

    • 功能：软件断点中断
    • 等价操作：
    c
    old_fl = fl;
if = 0;
tf = 0;
sp -= 6;
word ptr ss:[sp] = ip + 1;
word ptr ss:[sp+2] = cs;
word ptr ss:[sp+4] = old_fl;
ip = word ptr 0000:[000Ch]
cs = word ptr 0000:[000Eh]

  • int 21h

    • 输入输出相关：

      • ah = 01h号功能：输入字符
        • al保存读入的字符
      • ah = 02h号功能：输出字符
        • dl保存待输出的字符，如果是数字则看作ASCII码
      • ah = 09h号功能：输出字符串
        • ds:dx指向一个以$为结尾的字符串的首地址，显示的字符串不包含这个$
      • ah = 0Ah号功能：输入字符串
        • ds:dx指向一个buf，buf的第一个字节为允许输入的最多字符数，第二个字节为实际输入的字符数，从第三个字节开始才是输入的字符内容
        • 如果输入超过最大字符数，则会发出铃声，并且光标不再移动

    • 文件操作相关：

      • ah = 3Ch号功能：创建文件
        • cx =文件属性（0：可写，1：只读），ds:dx指向文件名的首地址
        • 返回值：
          • 成功：ax =句柄，cf = 0
          • 失败：ax =错误码，cf = 1
      • ah = 3Dh号功能：打开文件
        • al =打开方式（0：只读，1：只写，2：可读可写），ds:dx指向文件名的首地址
        • 返回值：
          • 成功：ax =句柄，cf = 0
          • 失败：ax =错误码，cf = 1
      • ah = 3Eh号功能：关闭文件
        • bx =句柄
        • 返回值：
          • 成功：cf = 0
          • 失败：ax =错误码，cf = 1
      • ah = 3Fh号功能：读文件
        • bx =句柄，cx =待读字节数，ds:dx指向一块buf，用于存储读入的数据
        • 返回值：
          • 成功：ax =已读字节数，cf = 0
          • 失败：ax =错误码，cf = 1
      • ah = 40h号功能：写文件
        • bx =句柄，cx =待写字节数，ds:dx指向一块buf，用于存储写出的数据
        • 返回值：
          • 成功：ax =已写字节数，cf = 0
          • 失败：ax =错误码，cf = 1
      • ah = 42h号功能：移动文件指针
        • bx =句柄，al =移动的参照点（0：文件首字节的位置，1：文件指针当前位置，2：EOF，即文件末字节位置 + 1），cx:dx = 移动的距离（可正可负，正数表示指针向右移）
        • 返回值：
          • 成功：ds:ax = 当前文件指针与文件首字节的距离，cf = 0
          • 失败：ax =错误码，cf = 1

    • 内存分配相关：

      • ah = 48h号功能：分配内存
        • bx =待分配内存块的节长度
        • 返回值：
          • 成功：ax =段地址，cf = 0
          • 失败：ax =错误码，cf = 1，bx =最大内存块的节长度
      • ah = 49h号功能：释放内存
        • es =待释放内存块的段地址
        • 返回值：
          • 成功：cf = 0
          • 失败：ax =错误码，cf = 1
      • ah = 4Ah号功能：重分配内存
        • bx =重分配内存块的节长度
        • 返回值：
          • 成功：cf = 0
          • 失败：ax =错误码，cf = 1，bx =最大内存块的节长度

    • ah = 4Ch号功能：程序返回（控制权交给父程序，比如DOS）

      • al用于表示返回值，一般设为0

外中断 ​

外中断分为2类：

  • 可屏蔽中断：CPU可以不响应的外中断

    • 当中断标志位if = 1时，响应中断，否则不响应此类中断（可以用sti或cli指令分别设置if的值为1或0）

      • 小技巧：用cli和sti包围起来的指令不会被中断
      asm
      cli
; ...
; instructions
; ...
sti

    • 除了中断类型码是通过CPU的数据总线传进来的之外，其余中断过程与内中断相同

    • 大多数由外设引起的外中断属于此类中断

  • 不可屏蔽中断：CPU必须相应的外中断

    • 中断类型码固定为2
    • 中断过程为：
      1. 标志寄存器入栈，if = 0, tf = 0
      2. cs、ip入栈
      3. ip = 8, cs = 0AH

BIOS 中断 ​

??? info "BIOS里有什么？"

- 硬件系统的检测和初始化程序
- 外部中断和内部中断的中断例程
- 用于对硬件设备进行I/O操作的中断例程
- 其他和硬件系统相关的中断例程
  • int 09h：处理键盘输入
    • 通过60h号端口读取键盘输入的扫描码，并转化为相应的ASCII码以及状态信息，存在内存的指定空间中（键盘缓冲区或状态字节）中
  • int 10h
    • ah = 00h 号功能：切换显示模式
      • al = 03h 表示 80*25 文本模式
      • al = 13h 表示 320200256 图形模式
    • ah = 02h 号功能：设置光标位置
      • bh用于设置光标所在页数，1页即为文本模式的显示缓冲区，共8页
      • dh用于设置光标所在行号
      • dl用于设置光标所在列号
    • ah = 09h 号功能：在光标位置显示字符
      • al用于表示字符
      • bl用于设置字符颜色，每个位都有不同的含义，具体可见硬件基础知识中的“显卡地址映射”部分的文本模式
      • cx用于表示字符重复个数
  • int 16h：从键盘缓冲区读取一个键盘输入，并将其从缓冲区中删除

    • 需要先设置ah = 0

    • ah保存扫描码，al保存ASCII码（其实也可以读取方向键、功能键、PgUp等键，但不能读取单独的Ctrl键）

    • 配合int 09h实现键盘读取

混合语言编程 ​

不想学了（应该不会考吧）...

保护模式 ​

不想学了（应该不会考吧）...

对此感兴趣的读者可以去看TonyCrane老师的笔记~