【汇编语言】标志寄存器(一) —— 标志寄存器中的标志位:ZF、PF、SF、CF、OF 一网打尽

前言

📌

汇编语言是很多相关课程(如数据结构、操作系统、微机原理)的重要基础。但仅仅从课程的角度出发就太片面了,其实学习汇编语言可以深入理解计算机底层工作原理,提升代码效率,尤其在嵌入式系统和性能优化方面有重要作用。此外,它在逆向工程和安全领域不可或缺,帮助分析软件运行机制并增强漏洞修复能力。

本专栏的汇编语言学习章节主要是依据王爽老师的《汇编语言》来写的,和书中一样为了使学习的过程容易展开,我们采用以8086CPU为中央处理器的PC机来进行学习。

文章目录

  • 前言
  • [1. 标志寄存器](#1. 标志寄存器)
    • [1.1 功能概述](#1.1 功能概述)
    • [1.2 8086CPU中的标志寄存器](#1.2 8086CPU中的标志寄存器)
  • [2. ZF 标志](#2. ZF 标志)
    • [2.1 功能介绍](#2.1 功能介绍)
    • [2.2 举例说明](#2.2 举例说明)
    • [2.3 注意事项](#2.3 注意事项)
  • [3. PF 标志](#3. PF 标志)
    • [3.1 功能介绍](#3.1 功能介绍)
    • [3.2 举例说明](#3.2 举例说明)
  • [4. SF 标志](#4. SF 标志)
    • [4.1 功能介绍](#4.1 功能介绍)
    • [4.2 举例说明](#4.2 举例说明)
    • [4.3 有/无符号数和补码](#4.3 有/无符号数和补码)
    • [4.4 补充说明](#4.4 补充说明)
  • [5. CF 标志](#5. CF 标志)
    • [5.1 功能介绍](#5.1 功能介绍)
    • [5.2 什么是更高位?](#5.2 什么是更高位?)
    • [5.3 举例说明](#5.3 举例说明)
      • [5.3.1 进位的情况](#5.3.1 进位的情况)
      • [5.3.2 借位的情况](#5.3.2 借位的情况)
  • [6. OF 标志](#6. OF 标志)
    • [6.1 功能介绍](#6.1 功能介绍)
    • [6.2 溢出](#6.2 溢出)
      • [6.2.1 溢出的概念](#6.2.1 溢出的概念)
      • [6.2.2 机器表示的范围](#6.2.2 机器表示的范围)
      • [6.2.3 举例说明](#6.2.3 举例说明)
      • [6.2.4 溢出导致的后果](#6.2.4 溢出导致的后果)
    • [6.3 CF 与 OF 的区别](#6.3 CF 与 OF 的区别)
      • [6.3.1 示例1](#6.3.1 示例1)
      • [6.3.2 示例2](#6.3.2 示例2)
      • [6.3.3 示例3](#6.3.3 示例3)
  • 结语

1. 标志寄存器

1.1 功能概述

CPU 内部的寄存器中,有一种特殊的寄存器(对于不同的处理机,个数和结构都可能不同)具有以下3种作用:

(1)用来存储相关指令的某些执行结果。

(2)用来为 CPU 执行相关指令提供行为依据。

(3)用来控制 CPU的相关工作方式。

1.2 8086CPU中的标志寄存器

这种特殊的寄存器在8086CPU中,被称为标志寄存器。8086CPU的标志寄存器有16位,其中存储的信息通常被称为程序状态字(PSW)。我们已经使用过8086CPU的ax、bx、cx、dx、si、di、bp、sp、IP、cs、ss、ds、es等13 个寄存器了,本章中的标志寄存器(以下简称为 fag)是我们要学习的最后一个寄存器(✌✌✌太开心了)。

flag 和其他寄存器不一样,其他寄存器是用来存放数据的,都是整个寄存器具有一个含义。而flag寄存器是按位起作用的,也就是说,它的每一位都有专门的含义,记录特定的信息。

8086CPU的flag寄存器的结构,如下图所示。

flag的1、3、5、12、13、14、15位在8086CPU中没有使用,不具有任何含义。而0、2、4、6、7、8、9、10、11位都具有特殊的含义。

在这一章中,我们学习标志寄存器中的CF、PF、ZF、SF、OF、DF 标志位,以及一些与其相关的典型指令。

2. ZF 标志

2.1 功能介绍

flag的第6位是ZF,零标志位。

它记录相关指令执行后,

  • 结果为0,ZF = 1
  • 结果不为0,ZF = 0

2.2 举例说明

例如:

(1)

assembly 复制代码
mov ax,1     
sub ax,1    

指令执行后,结果为0,则ZF = 1。

(2)

assembly 复制代码
mov ax,2	     
sub ax,1    

指令执行后,结果为1,则ZF = 0。

对于zf的值,我们可以这样来看,zf标记相关指令的计算结果是否为0。

  • 如果为0,则zf要记录下"是0"这样的肯定信息。在计算机中1表示逻辑真,表示肯定,所以当结果为0的时候 zf=1,表示"结果是0"。

  • 如果结果不为0,则zf要记录下"不是0"这样的否定信息。在计算机中0表示逻辑假,表示否定,所以当结果不为0的时候 zf=0,表示"结果不是0"。

比如,指令:

(1)

assembly 复制代码
mov ax,1       
and ax,0

执行后,结果为0,则ZF=1,表示"结果是0"。

(2)

assembly 复制代码
mov ax,1       
or ax,0  

执行后,结果不为0,则ZF=0,表示"结果非0"。

2.3 注意事项

在8086CPU的指令集中,

有的指令的执行是影响标志寄存器的,比如:add、sub、mul、div、inc、or、and等,它们大都是运算指令(进行逻辑或算术运算);

有的指令的执行对标志寄存器没有影响,比如:mov、push、pop等,它们大都是传送指令。

我们在使用一条指令的时候,要注意这条指令的全部功能,其中包括,执行结果对标记寄存器的哪些标志位造成影响。

3. PF 标志

3.1 功能介绍

flag的第2位是PF,奇偶标志位。

它记录指令执行后,结果的所有二进制位中1的个数:

  • 为偶数,PF = 1
  • 为奇数,PF = 0

3.2 举例说明

比如,指令:

(1)

assembly 复制代码
mov al,1       
add al,10 

执行后,结果为00001011B,其中有3(奇数)个1,则PF=0;

(2)

assembly 复制代码
mov al,1       
or al,10

执行后,结果为00000011B,其中有2(偶数)个1,则PF=1;

(3)

assembly 复制代码
sub al,al

执行后,结果为00000000B,其中有0(偶数)个1,则pf=1。

4. SF 标志

4.1 功能介绍

flag的第7位是SF,符号标志位。

它记录指令执行后,

  • 结果为负,SF = 1
  • 结果为正,SF = 0

SF 标志,就是CPU对有符号数运算结果的一种记录 ,它记录数据的正负。

在我们将数据当作有符号数来运算的时候,可以通过它来得知结果的正负。如果我们将数据当作无符号数来运算,SF的值则没有意义,虽然相关的指令影响了它的值。

这也就是说,CPU在执行 add 等指令时,是必然要影响到SF标志位的值的。至于我们需不需要这种影响,那就看我们如何看待指令所进行的运算了。

4.2 举例说明

比如:

(1)

assembly 复制代码
mov al,10000001B	
add al,1 

执行后,结果为10000010B,SF=1,

表示:如果指令进行的是有符号数运算,那么结果为负;

(2)

assembly 复制代码
mov al,10000001B    
add al,01111111B

执行后,结果为0,SF=0

表示:如果指令进行的是有符号数运算,那么结果为非负。

4.3 有/无符号数和补码

我们知道计算机中通常用补码来表示有符号数据。

计算机中的一个数据可以看作是有符号数,也可以看成是无符号数。

比如:

  • 00000001B ,可以看作为无符号数 1 ,或有符号数 +1;

  • 10000001B ,可以看作为无符号数 129,也可以看作有符号数 -127。

这也就是说,对于同一个二进制数据,计算机可以将它当作无符号数据来运算,也可以当作有符号数据来运算。

比如:

assembly 复制代码
mov al,10000001B
add al,1

结果: (al)=10000010B。

  • 可以将 add 指令进行的运算当作无符号数的运算,那么 add 指令相当于计算 129+1,结果为 130(10000010B);

  • 也可以将add指令进行的运算当作有符号数的运算,那么add指令相当于计算-127+1,结果为-126(10000010B)。

不管我们如何看待,CPU 在执行 add 等指令的时候,就已经包含了两种含义,也将得到用同一种信息来记录的两种结果。关键在于我们的程序需要哪一种结果。

4.4 补充说明

某些指令将影响标志寄存器中的多个标记位,这些被影响的标记位比较全面地记录了指令的执行结果,为相关的处理提供了所需的依据。

比如指令sub al,al执行后,ZF、PF、SF等标志位都要受到影响,它们分别为:1、1、0。

5. CF 标志

5.1 功能介绍

flag的第0位是CF,进位标志位。

一般情况下,在进行无符号数运算 的时候,它记录了运算结果的最高有效位向更高位的进位值,或从更高位的借位值。

5.2 什么是更高位?

对于位数为N的无符号数来说,其对应的二进制信息的最高位,即第N-1位,就是它的最高有效位,而假想存在的第N位,就是相对于最高有效位的更高位。如下图所示。

5.3 举例说明

5.3.1 进位的情况

我们知道,当两个数据相加的时候,有可能产生从最高有效位向更高位的进位。比如,两个8 位数据:98H+98H,将产生进位。

由于这个进位值在8位数中无法保存,我们在前面的内容中,就只是简单地说这个进位值丢失了。

其实CPU在运算的时候,并不丢弃这个进位值,而是记录在一个特殊的寄存器的某一位上。

8086CPU 就用flag的CF位来记录这个进位值。

比如,下面的指令:

assembly 复制代码
mov al,98H
add al,al  ;执行后: (al)=30H,CF=1,CF记录了从最高有效位向更高位的进位值

add al,al  ;执行后: (al)=60H,CF=0,

5.3.2 借位的情况

另外一种情况,而当两个数据做减法的时候,有可能向更高位借位。

比如,两个 8 位数据:97H-98H,将产生借位,借位后,相当于计算197H-98H。

而flag的CF位也可以用来记录这个借位值。

比如,下面的指令:

assembly 复制代码
mov al,97H
sub al,98H		;执行后:(a1)=FFH,CF=1,CF记录了向更高位的借位值
sub al,al		;执行后:(al)=0,CF=0,CF记录了向更高位的借位值

6. OF 标志

6.1 功能介绍

flag的第11位是OF,溢出标志位。

一般情况下,OF记录了有符号数运算的结果是否发生了溢出。

  • 如果发生溢出,OF=1
  • 如果没有溢出,OF=0

6.2 溢出

6.2.1 溢出的概念

在进行有符号数运算的时候,如结果超过了机器所能表示的范围称为溢出。

由于在进行有符号数运算时,可能发生溢出而造成结果的错误。

则CPU需要对指令执行后是否产生溢出进行记录。

6.2.2 机器表示的范围

那么,什么是机器所能表示的范围呢?

比如说,指令运算的结果用8位寄存器或内存单元来存放,比如,addal3,那么对于8位的有符号数据,机器所能表示的范围就是-128~127。

同理,对于16位有符号数据,机器所能表示的范围是-32768~32767。

如果运算结果超出了机器所能表达的范围,将产生溢出。

❗注意,这里所讲的溢出,只是对有符号数运算而言。(就像进位只是相对于无符号数而言!)

6.2.3 举例说明

下面我们看两个溢出的例子。

(1)

assembly 复制代码
mov al,98
add al,99

执行后将产生溢出。因为add al,99进行的有符号数运算是:

(al)=(al)+99-98+99=197。

而结果197超出了机器所能表示的8位有符号数的范围:-128~127.

(2)

assembly 复制代码
mov al,0FOH		;FOH,为有符号数-16的补码
add al,088H		;88H,为有符号数-120的补码

执行后,将产生溢出。因为add al,088H进行的有符号数运算是:

(al)=(al)+(-120)=(-16)+(-120)=-136

而结果-136超出了机器所能表示的8位有符号数的范围:-128~127。

6.2.4 溢出导致的后果

如果在进行有符号数运算时发生溢出,那么运算的结果将不正确。

就上面的两个例子来说:

(1)

assembly 复制代码
mov al,98
add al,99

add 指令运算的结果是(al)=0C5H,因为进行的是有符号数运算,所以al中存储的是有符号数,而C5H是有符号数-59的补码。

如果我们用add指令进行的是有符号数运算,则 98+99=-59这样的结果让人无法接受。

造成这种情况的原因,就是实际的结果197,作为一个有符号数,在8位寄存器al中存放不下。

(2)

同样,对于:

assembly 复制代码
mov al,0FOH		;FOH,为有符号数-16的补码
add al,088H		;88H,为有符号数-120的补码

add 指令运算的结果是(al)=78H,因为进行的是有符号数运算,所以al中存储的是有符号数,而78H表示有符号数120。

如果我们用add指令进行的是有符号数运算,则-16-120=120这样的结果显然不正确。

造成这种情况的原因,就是实际的结果-136,作为一个有符号数,在8位寄存器al中存放不下。

6.3 CF 与 OF 的区别

一定要注意CF和OF的区别:

  • CF是对无符号数运算有意义的标志位,

  • 而OF是对有符号数运算有意义的标志位。

6.3.1 示例1

比如:

assembly 复制代码
mov al,98
add al,99

add 指令执行后:CF=0,OF=1。

前面我们讲过,CPU在执行add等指令的时候,就包含了两种含义:无符号数运算和有符号数运算。

  • 对于无符号数运算,CPU用CF位来记录是否产生了进位;

  • 对于有符号数运算,CPU用OF位来记录是否产生了溢出。

当然,还要用SF位来记录结果的符号。

  • 对于无符号数运算,98+99没有进位,CF=0;

  • 对于有符号数运算,98+99发生溢出,OF=1。

6.3.2 示例2

assembly 复制代码
mov al,0F0H
add al,88H

add 指令执行后:CF=1,OF=1。

  • 对于无符号数运算,0F0H+88H有进位,CF=1;

  • 对于有符号数运算,0F0H+88H发生溢出,OF=1。

6.3.3 示例3

assembly 复制代码
mov al,0F0H
add al,78H

add 指令执行后:CF=1,OF=0。

  • 对于无符号数运算,0F0H+78H有进位,CF=1;

  • 对于有符号数运算,0F0H+78H不发生溢出,OF=0。



🚀🚀🚀我们可以看出,CF和OF所表示的进位和溢出,是分别对无符号数和有符号数运算而言的,它们之间没有任何关系。

结语

今天的分享到这里就结束啦!如果觉得文章还不错的话,可以三连支持一下。

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