探讨Windows环境下80×86汇编程序教学中的几个问题

刘俊

摘要：为了帮助学生更好学习掌握80×86汇编语言，必须解决在Windows环境下如何运行汇编程序。该文以实现软中断、中断实现磁盘读写为例，分析了在Windows操作系统上如何仿真PC/XT计算机的逻辑过程，揭示了PC/XT计算机工作机理。

关键字：80×86；Windows操作系统；PC/XT仿真；DOS中断

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）02-0109-02

Abstract： To help students to learn 80×86 assembly language better， measure must be considered about how to run assembly program in windows operating system. The paper analyses logic process of PC/XT computer based on windows system by realizing computer soft interruption and disk reading and writing. It reveals working mechanism of PC/XT computer.

Key words： 80×86； windows operating system； PC/XT simulation； DOS interrupt

目前，《微型计算机原理与接口技术》是高等院校开设的主干基础课程之一，多数教材中的内容围绕8086/8088芯片的指令系统来阐述计算机的工作原理。开设的汇编语言程序设计实验也是对该指令集中指令应用的实验。然而，随着计算机技术的迅猛发展，计算机的硬件系统和软件系统都发生了巨大变化，现代任何一台计算机都不是当初8086为CPU的IBM PC/XT，不仅CPU内的环境发生了巨大变化，CPU外的硬件也发生了巨大变化，但是，8086/8088指令组成的汇编程序一样能在现代计算机中执行，且汇编程序通过DOS中断、BIOS中断仍能实现人机交互、磁盘读写等功能。这给教、学两方面都带来诸多疑问，屡清Windows环境下8086汇编程序在现代计算机中的执行逻辑，无疑是教学中必须面对的问题。

安装Windows系统的现代计算机，它对计算机的软、硬件进行管理，对每个加载的作业，通过进程来感知、管理、调度，使各运行的作业并发执行，系统对进驻内存的各作业通过段、页方式分配内存，各作业都处于用户态，系统通过接受事件来触发事件的处理过程。

1 Windows系统对8086计算机的模拟

在安装了汇编语言开发环境的Windows系统中，8086指令组成的源程序通过编译、连接后生成*.exe可执行文件。这些可执行文件，无论是运行还是调试都与在一台8086为CPU芯片的计算机上运行一样，调试时看到的物理地址和教材中讲解的PC/XT计算机工作时完全相同。众所周知，以8086为芯片的PC/XT计算机工作在实地址方式，在PC/XT计算机上调试运行的8086汇编程序，在调试界面中看到的物理地址，就是指令、数据存放的内存编址的实际位置。而Windows操作系统对内存的管理是段、页式管理，即动态分配内存，调试中，界面显示的“物理地址”不是计算机内存编址的实际位置，给换句话来说，在Windows系统中，模拟仿真了8086计算机的工作情况。经测试分析，发现Windows系统对8086的仿真是通过Windows系统自带的附件程序完成的。在Windows系统安装完成后，系统附件界面有一些程序，其中包含名称为 “命令提示符”的软件，其路经为“Windows的开始菜单→程序→附件→命令提示符”，该软件又称CMD方式。在测试中发现：在执行或调试汇编程序时，任务管理器的进程标签页自动打开cmd.exe进程（如图1所示），而通过点击Windows的开始菜单→程序→附件→命令提示符，同样打开cmd.exe进程。

在汇编语言开发环境中编写的8086指令集的汇编源程序，在执行或调试时，首先打开cmd.exe进程，Windows系统对cmd.exe进程设置好执行环境，这个执行环境就是Windows系统对8086的模拟环境，编译、连接好的可执行代码作为该环境的程序数据。也可以说，当前计算机的CPU不直接执*.exe的可执行代码，CPU执行的是cmd.exe进程提供的程序数据，即cmd.exe进程是汇编程序生成的可执行代码的“代理”，实现Windows环境下对汇编程序生成的可执行文件的执行，同时，该平台又将CPU输出的结果，转化为8086方式显示。

2 汇编语言开发环境中的中断调用

2.1 PC/XT计算机中断的功能及调用过程

在教材中，为了汇编语言设计的程序能够有交互界面与磁盘读写功能，都加入了中断调用的功能，常用的DOS中断调用INT 21H，提供了设置不同的功能号，实现键盘输入、显示器输出、磁盘读写及文件、目录的建立和删除等和输入、输出相关的功能。在汇编程序开发环境中，实现程序的交互界面与磁盘读写功能，是通过中断指令，完成对中断的子程序调用来实现的。DOS中断调用的原理是：根据中断类型号找到中断向量表的偏移地址，取出中断程序入口地址放入CS：IP，使CPU转入中断子程序执行。完成这一调用功能的前提是需设置好中断向量表、中断类型号与中断向量表偏移的关系及中断子程序。在早期的PC/XT计算机中，启动计算机成功，意味着磁盘操作系统（DOS）加载入内存完成，所以编程时，软中断调用能够实现是基于启动时已将中断向量表、中断子程序加注内存并设置好。其中BIOS中断是系统引导时，就一并进入内存。

2.2 Windows环境下的中断问题分析

在安装Windows系统的现代计算机中，安装面向8086/8088指令集的编程开发环境，编程中对中断的调用也是直接用中断指令完成，那么，中断程序是何时加载的？中断向量表存放何处？

显然，汇编语言开发环境显然不承担要完成中断功能的前期任务，因为它的工作由四部分组成：编辑是实现源码的录入、编辑、保存等功能；编译完成伪指令的转换、指令助字符到机器码的转换；连接将目标代码连接成可执行程序；执行和调试是将可执行代码作为作业提交给Windows操作系统，调试是将执行中间结果显示给用户，便于用户诊断。

Windows操作系统启动时也加载了DOS模块这些内容？这样的推论不正确，原因很简单：Windows操作系统，对内存的管理分为核心态和用户态，既然是虚拟8086的工作环境，系统是将8086工作环境作为用户态来管理的，用户态的进程仅在加载时将PID装入内存，也就不存在系统启动时加载DOS模块的可能。

2.3 开发环境中的中断调用对硬盘的影响

其外，DOS软中断INT 26H 功能是对绝对磁盘写，通过该中断调用能否在写入时，将原盘号：扇区中的数据覆盖？如果能，则编写程序破坏操作系统存放在磁盘上的数据，就能起到破坏系统的功能。显然是不能的！为什么？

3 Windows系统对8086物理地址和中断的仿真过程

Windows系统对“命令提示符”软件是作为用户程序管理的，Windows系统用进程名“cmd.exe”标识该软件的加载，核心态空间存放软件的程序控制块（PCB），用户态是动态分配的内存空间，每次加载在内存的位置都是不一样的。用户编写的汇编程序占用空间大小不同，申请的cmd.exe进程上下文所需空间也不一样（进程标签中显示的内存空间一般指申请的进程用户空间）。Windows系统将cmd.exe进程分配的内存空间按8086方式显示给用户，让用户感觉程序的执行似8086方式；当有中断调用时，由cmd.exe进程将硬盘中的DOS模块加载到申请的空间中，并设置好，这样就能满足中断调用的要求。

4 中断程序设计的启示

PC/XT中，中断程序设计的一般步骤：（1）确定要使用的中断类型号；（2）保存原中断向量；（3）设置自己的中断向量；（4）设置中断屏蔽字；（5）CPU开中断；（6）恢复原中断向量。我们设想在一个程序中设好中断类型 60H，利用INT 35H将原中断向量保存；再利用INT 25H将写好的中断子程序设到中断类型号60H对应的中断向量表中，保持该中断处于加载状态，再编写另一个汇编程序调用INT 60H，在该程序中无法调用对应60H中断类型号的用户编写的中断程序。原因是我们开启了两个cmd.exe进程，每个cmd.exe进程对8086的模拟是独立的。就像不能通过一台PC/XT访问另一台PC/XT的中断一样。

同样，在汇编程序开发环境中，通过DOS的INT 26H调用，实现对磁盘的写功能是在cmd.exe进程能够完成权限范围内，由于cmd.exe进程是个用户进程，对磁盘操作要通过系统进程完成，我们看到的磁盘读、写是cmd.exe进程从硬盘中申请的一块空间，模拟了盘号、扇区的状态。因此，不会造成破坏磁盘中随意读、写数据的功能。

5 总结

总之，如果安装的操作系统不包含“命令提示符”的软件，是不能进行8086计算机的仿真，目前流行的Windows操作系统中都包含该软件，使利用8086指令集编写的汇编程序在Windows系统中得以仿真执行，掌握Windows系统对8086的仿真过程，屡清了程序的执行逻辑，解答了诸多疑问。

参考文献：

[1] 冯博琴，吴宁.微型计算机原理与接口技术》[M].清华大学出版社，2011.

[2] 孙钟秀.操作系统教程》，高等教育出版社[M].2008年

[3] 李华贵，李鹏. 微机原理与接口技术[M]. 北京：电子工业出版社，2010.

[4] 钱晓捷. 微机原理与接口技术[M]. 北京：机械工业出版社，2008.

[5] 马兴录，等. 32位微机原理与接口技术[M]. 北京：化学工业出版社，2009.