66、深入探索 MS-DOS 编程：I/O 端口、声音程序与 MASM 指南

深入探索 MS-DOS 编程：I/O 端口、声音程序与 MASM 指南

1. I/O 端口基础

I/O 端口在计算机硬件控制中起着关键作用。每个 I/O 端口都有一个介于 0 到 FFFFh 之间的特定编号。端口可用于控制各种硬件设备，例如控制扬声器，通过快速切换扬声器锥体的进出状态来发声。我们还可以通过串口与异步适配器直接通信，具体操作步骤如下：
1. 设置端口参数，如波特率、奇偶校验等。
2. 通过端口发送数据。

键盘端口是一个典型的 I/O 端口示例。当按下一个键时，键盘控制器芯片会向端口 60h 发送一个 8 位扫描码。这个按键操作会触发一个硬件中断，促使 CPU 调用 ROM BIOS 中的 INT 9。INT 9 会从端口读取扫描码，查找该键的 ASCII 码，并将这两个值存储在键盘输入缓冲区中。实际上，我们甚至可以完全绕过操作系统，直接从端口 60h 读取字符。

除了用于传输数据的端口外，大多数硬件设备还拥有用于监控设备状态和控制设备行为的端口。

2. IN 和 OUT 指令

IN 指令用于从端口输入一个字节、字或双字，而 OUT 指令则用于向端口输出一个值。它们的语法如下：

IN accumulator,port
OUT port,accumulator

其中，端口可以是 0 到 FFh 范围内的常量，也可以是 DX 中 0 到 FFFFh 之间的值。累加器必须根据传输位数进行选择：8 位传输使用 AL，16 位传输使用 AX，32 位传输使用 EAX。以下是一些示例：

in al,3Ch    ; 从端口 3Ch 输入字节
out 3Ch,al   ; 向端口 3Ch 输出字节
mov dx, portNumber ; DX 可以包含端口号
in ax,dx     ; 从 DX 中指定的端口输入字
out dx,ax    ; 向同一端口输出字
in eax,dx    ; 从端口输入双字
out dx,eax   ; 向同一端口输出双字

3. PC 声音程序

我们可以编写一个使用 IN 和 OUT 指令通过 PC 内置扬声器发声的程序。扬声器控制端口（编号 61h）通过操作 Intel 8255 可编程外设接口芯片来控制扬声器的开关。具体操作步骤如下：
- 打开扬声器 ：
1. 输入端口 61h 的当前值。
2. 设置最低 2 位。
3. 将该字节通过端口输出回去。
- 关闭扬声器 ：
1. 清除位 0 和 1。
2. 再次输出状态。

Intel 8253 定时器芯片控制着所生成声音的频率（音调）。要使用它，我们需要向端口 42h 发送一个 0 到 255 之间的值。以下是一个名为 Speaker Demo 的程序示例，展示了如何通过播放一系列升调音符来发声：

TITLE Speaker Demo Program               (Spkr.asm)
; This program plays a series of ascending notes on
; an IBM-PC or compatible computer.
INCLUDE Irvine16.inc
speaker  EQU 61h  ; address of speaker port
timer    EQU 42h  ; address of timer port
delay1   EQU 500
delay2   EQU 0D000h ; delay between notes
.code
main PROC
in al,speaker ; get speaker status
push ax              ; save status
or al,00000011b     ; set lowest 2 bits
out speaker,al       ; turn speaker on
mov al,60            ; starting pitch
L2:
out timer,al         ; timer port: pulses speaker
; Create a delay loop between pitches.
mov cx,delay1
L3:
push cx ; outer loop
mov cx,delay2
L3a:    ; inner loop
loop L3a
pop cx
loop L3
sub al,1             ; raise pitch
jnz L2               ; play another note
pop ax               ; get original status
and al,11111100b     ; clear lowest 2 bits
out speaker,al       ; turn speaker off
exit
main ENDP
END main

这个程序的执行流程如下：
1. 首先，通过设置扬声器状态字节的最低 2 位，使用端口 61h 打开扬声器。
2. 然后，将 60 发送到定时器芯片以设置初始音调。
3. 在音调之间创建一个延迟循环，由于不同计算机的处理器速度不同，延迟量可能会有所变化，你可能需要调整 delay1 和 delay2 的值。
4. 延迟结束后，程序从周期（1/频率）中减去 1，从而提高音调。当循环重复时，新的频率会输出到定时器。
5. 这个过程会一直持续，直到 AL 中的频率计数器等于 0。
6. 最后，程序从扬声器端口弹出原始状态字节，并通过清除最低 2 位关闭扬声器。

4. 程序相关要点总结

以下是关于这个声音程序的一些要点总结：
|要点|详情|
|----|----|
|扬声器端口|61h|
|定时器端口|42h|
|初始音调|60|
|延迟设置|delay1 = 500，delay2 = 0D000h|
|音调调整|每次循环将音调加 1|
|结束条件|AL 中的频率计数器等于 0|

5. 程序执行流程图

graph TD;
    A[开始] --> B[获取扬声器状态];
    B --> C[保存状态];
    C --> D[设置最低 2 位];
    D --> E[打开扬声器];
    E --> F[设置初始音调];
    F --> G[输出音调到定时器];
    G --> H[创建延迟循环];
    H --> I[提高音调];
    I --> J{音调计数器是否为 0};
    J -- 否 --> G;
    J -- 是 --> K[获取原始状态];
    K --> L[清除最低 2 位];
    L --> M[关闭扬声器];
    M --> N[结束];

6. 段定义与相关指令

在编程中，有时我们需要创建显式的段定义，特别是在适配使用自有段名的现有代码库时。SEGMENT 和 ENDS 指令分别用于定义段的开始和结束。当定义的段与其他段合并时，对齐类型告知链接器要跳过多少字节，合并类型则告知链接器如何合并具有相同名称的段，段的类类型提供了另一种合并段的方式。我们可以通过为多个段指定相同的名称并使用 PUBLIC 合并类型来合并它们。

ASSUME 指令使汇编器能够在汇编时计算标签和变量的偏移量。段覆盖前缀则指示处理器在当前指令中使用与默认段不同的段寄存器。

7. MS - DOS 程序类型

MS - DOS 命令处理器会解释在命令提示符下输入的每个命令。扩展名为 COM 和 EXE 的程序被称为临时程序。它们会被加载到内存中执行，执行完毕后所占用的内存会被释放。MS - DOS 会在临时程序的开头创建一个名为程序段前缀的特殊 256 字节块。

临时程序有两种类型，通过扩展名来区分：COM 和 EXE。COM 程序是机器语言程序的未修改二进制映像，而 EXE 程序在磁盘上存储时，会带有一个 EXE 头，后面跟着包含程序本身的加载模块。EXE 程序的头区域用于 MS - DOS 正确计算段和其他组件的地址。

8. 中断处理程序

中断处理程序（中断服务例程）简化了输入/输出以及基本系统任务。我们还可以用自己的代码替换默认的中断处理程序，以提供更完整或定制化的服务。中断向量表位于 RAM 的前 1024 字节（位置 0:0 到 0:03FF）中，表中的每个条目都是一个 32 位的段偏移地址，指向一个中断服务例程。

硬件中断由 8259 可编程中断控制器（PIC）生成，它会向 CPU 发出信号，暂停当前程序的执行并执行中断服务例程。硬件中断允许 CPU 在重要数据丢失之前注意到后台的重要事件。中断可以由许多不同的设备触发，每个设备根据其中断请求级别（IRQ）具有不同的优先级。

中断标志控制着 CPU 对外部（硬件）中断的响应方式。如果中断标志被设置，则中断被启用；如果标志被清除，则中断被禁用。STI（设置中断）指令启用中断，CLI（清除中断）指令禁用中断。

9. 驻留程序

终止并驻留（TSR）程序会将自身的一部分留在内存中。TSR 程序最常见的用途是安装中断处理程序，这些处理程序会一直留在内存中，直到计算机重新启动或通过特殊的卸载程序将其移除。

10. x86 系统的硬件输入 - 输出

x86 系统提供了两种类型的硬件输入 - 输出：内存映射和基于端口的。当使用内存映射 I/O 时，程序可以将数据写入特定的内存地址，数据会被传输到输出设备。基于端口的 I/O 则需要使用 IN 和 OUT 指令来读写特定编号的位置（称为端口）。

11. MASM 相关内容

MASM（Microsoft Macro Assembler）是一个重要的汇编工具，下面我们来介绍一些与之相关的内容。

11.1 MASM 保留字和寄存器名

MASM 有一系列保留字和寄存器名，例如 $、PARITY?、AH、CR0 等。这些保留字和寄存器名在编程中有着特定的用途，需要我们牢记。以下是部分保留字和寄存器名的列表：
|保留字|说明|寄存器名|说明|
|----|----|----|----|
|$|当前位置计数器的值|AH|通用寄存器|
|PARITY?|奇偶标志|CR0|控制寄存器|
|?|未初始化的值|DR1|调试寄存器|
|@B|前一个 @@: 标签的位置|EBX|通用寄存器|
|@F|下一个 @@: 标签的位置|SI|源变址寄存器|

11.2 Microsoft 汇编器（ML）

ML 程序（ML.EXE）用于汇编和链接一个或多个汇编语言源文件，其语法如下：

ML [[options ]] filename [[ [[ options ]] filename ]]. . . [[/link linkoptions ]]

唯一必需的参数是至少一个源文件名，即一个用汇编语言编写的源文件的名称。例如，以下命令将汇编源文件 AddSub.asm 并生成目标文件 AddSub.obj：

ML -c AddSub.asm

ML 的命令行选项有很多，每个选项都以斜杠 (/) 或破折号 (–) 开头，多个选项之间必须用至少一个空格分隔。以下是部分命令行选项的说明：
|选项|操作|
|----|----|
|/AT|启用微型内存模型支持，对违反.COM 格式文件要求的代码结构生成错误消息|
|/Blfilename|选择备用链接器|
|/c|仅汇编，不链接|
|/coff|生成 Microsoft 通用对象文件格式的目标文件|
|/Cp|保留所有用户标识符的大小写|
|/Cu|将所有标识符映射为大写|
|/Cx|保留公共和外部符号的大小写（默认）|

11.3 MASM 指令

MASM 有众多指令，用于完成各种编程任务。例如，.386 指令用于启用 80386 处理器的非特权指令汇编，禁用后续处理器引入的指令，并启用 80387 指令；ALIGN 指令用于将下一个变量或指令对齐到某个字节的倍数位置。以下是一些常见指令的介绍：
|指令|说明|
|----|----|
|name = expression|将表达式的数值赋给名称，该符号可在后续重新定义|
|.386|启用 80386 处理器的非特权指令汇编|
|ALIAS = |将旧函数名映射到新函数名|
|ALIGN [[number ]]|将下一个变量或指令对齐到 number 的倍数字节位置|
|.ALPHA|按字母顺序排列段|
|ASSUME segregister:name [[, segregister:name ]]. . .|启用对寄存器值的错误检查|

11.4 符号和运算符

MASM 中的符号和运算符也有其特定的含义和用途。例如，$ 表示当前位置计数器的值，? 在数据声明中表示汇编器分配但未初始化的值。运算符包括算术运算符（如 +、-、*、/）、逻辑运算符（如 AND、OR、XOR）等。以下是一些符号和运算符的示例：
|符号/运算符|说明|
|----|----|
|$|当前位置计数器的值|
|?|未初始化的值|
|expression1 + expression2|返回表达式 1 加表达式 2 的结果|
|expression1 AND expression2|返回表达式 1 和表达式 2 的按位与结果|
|OFFSET expression|返回表达式的偏移量|
|SEG expression|返回表达式的段|

12. MASM 编程示例及总结

以下是一个简单的 MASM 编程示例，展示了如何使用一些基本指令：

.MODEL SMALL
.STACK 100h
.DATA
    message DB 'Hello, World!', 0Dh, 0Ah, '$'
.CODE
MAIN PROC
    MOV AX, @DATA
    MOV DS, AX
    LEA DX, message
    MOV AH, 09h
    INT 21h
    MOV AH, 4Ch
    INT 21h
MAIN ENDP
END MAIN

这个示例程序会在屏幕上显示 “Hello, World!”。它首先初始化数据段寄存器，然后使用 INT 21h 的 09h 功能调用显示字符串，最后使用 4Ch 功能调用退出程序。

在 MASM 编程中，我们需要熟悉各种保留字、寄存器名、指令、符号和运算符，掌握 ML 汇编器的使用方法，这样才能编写出高效、正确的汇编程序。同时，对于不同的编程需求，我们要合理运用段定义、中断处理等知识，以实现复杂的功能。

13. 总结与展望

通过以上内容，我们深入了解了 MS - DOS 编程中的 I/O 端口操作、声音程序编写、段定义、MS - DOS 程序类型、中断处理以及 MASM 编程的相关知识。在实际编程中，我们可以根据具体需求灵活运用这些知识，编写出功能强大的程序。未来，随着计算机技术的不断发展，这些基础知识仍然具有重要的参考价值，我们可以在此基础上进一步探索更高级的编程技术。

14. 相关知识回顾流程图

graph LR;
    A[MS - DOS 编程] --> B[I/O 端口操作];
    A --> C[声音程序编写];
    A --> D[段定义与指令];
    A --> E[MS - DOS 程序类型];
    A --> F[中断处理];
    A --> G[MASM 编程];
    B --> B1[IN 和 OUT 指令];
    B --> B2[端口应用示例];
    C --> C1[扬声器控制];
    C --> C2[音调控制];
    D --> D1[SEGMENT 和 ENDS 指令];
    D --> D2[ASSUME 指令];
    E --> E1[COM 程序];
    E --> E2[EXE 程序];
    F --> F1[中断向量表];
    F --> F2[中断标志控制];
    G --> G1[MASM 保留字];
    G --> G2[ML 汇编器];
    G --> G3[MASM 指令];
    G --> G4[符号和运算符];

以上就是关于 MS - DOS 编程及 MASM 相关知识的详细介绍，希望能对大家有所帮助。在实际编程过程中，大家可以根据这些知识进行实践和探索，不断提升自己的编程能力。

深入探索 MS-DOS 编程：I/O 端口、声音程序与 MASM 指南

15. 深入理解 MASM 符号

MASM 中的符号具有丰富的含义和用途，以下为你详细介绍一些重要符号。
- $ ：代表当前位置计数器的值，常用于获取当前代码或数据在内存中的位置。
- ? ：在数据声明时，表示汇编器会分配内存空间，但不会对其进行初始化，可用于预留变量空间。
- @@: ：定义的代码标签仅在特定范围内可识别，范围界定为上一个 @@: 标签（或代码起始处）与下一个 @@: 标签（或代码结束处）之间。
- @B ：指向先前 @@: 标签的位置，方便在代码中引用之前的标签位置。
- @F ：指向后续 @@: 标签的位置，便于在代码中引用之后的标签位置。

下面通过一个示例代码展示这些符号的使用：

.CODE
START:
    MOV AX, 10
    @@:
    ADD AX, 5
    MOV BX, @B ; BX 指向前面 @@: 标签位置
    @@:
    SUB AX, 3
    MOV CX, @F ; CX 指向后面 @@: 标签位置
    MOV DX, $ ; DX 获取当前位置计数器的值

16. MASM 运算符详解

MASM 中的运算符可分为多种类型，每种类型都有其独特的功能。
- 算术运算符 ：
- + ：实现两个表达式相加。
- - ：实现两个表达式相减或取表达式的负值。
- * ：实现两个表达式相乘。
- / ：实现两个表达式相除。
- 逻辑运算符 ：
- AND ：对两个表达式进行按位与操作。
- OR ：对两个表达式进行按位或操作。
- XOR ：对两个表达式进行按位异或操作。
- NOT ：对表达式的所有位取反。
- 关系运算符 ：
- EQ ：判断两个表达式是否相等，相等返回 -1，否则返回 0。
- NE ：判断两个表达式是否不相等，不相等返回 -1，否则返回 0。
- GT ：判断第一个表达式是否大于第二个表达式，是则返回 -1，否则返回 0。
- GE ：判断第一个表达式是否大于或等于第二个表达式，是则返回 -1，否则返回 0。
- LT ：判断第一个表达式是否小于第二个表达式，是则返回 -1，否则返回 0。
- LE ：判断第一个表达式是否小于或等于第二个表达式，是则返回 -1，否则返回 0。

以下是一个使用运算符的示例代码：

.CODE
MAIN PROC
    MOV AX, 10
    MOV BX, 5
    MOV CX, AX + BX ; CX = 15
    MOV DX, AX AND BX ; DX 进行按位与操作
    CMP AX, BX
    JE EQUAL ; 如果 AX 等于 BX，跳转到 EQUAL 标签
    JMP NOT_EQUAL
EQUAL:
    ; 处理相等情况
    JMP END_PROC
NOT_EQUAL:
    ; 处理不相等情况
END_PROC:
    MOV AH, 4Ch
    INT 21h
MAIN ENDP
END MAIN

17. 运行时运算符的运用

运行时运算符仅在 .IF 、 .WHILE 或 .REPEAT 块中使用，且在运行时进行评估。
|运算符|功能|
| ---- | ---- |
| == |判断两个表达式是否相等|
| != |判断两个表达式是否不相等|
| > |判断第一个表达式是否大于第二个表达式|
| >= |判断第一个表达式是否大于或等于第二个表达式|
| < |判断第一个表达式是否小于第二个表达式|
| <= |判断第一个表达式是否小于或等于第二个表达式|
| || |逻辑或操作|
| && |逻辑与操作|
| & |按位与操作|
| ! |逻辑取反操作|
| CARRY? |检查进位标志的状态|
| OVERFLOW? |检查溢出标志的状态|
| PARITY? |检查奇偶标志的状态|
| SIGN? |检查符号标志的状态|
| ZERO? |检查零标志的状态|

以下是一个使用运行时运算符的示例代码：

.CODE
MAIN PROC
    MOV AX, 10
    MOV BX, 5
   .IF AX > BX
        MOV CX, 1 ; 如果 AX 大于 BX，CX 赋值为 1
   .ELSE
        MOV CX, 0 ; 否则 CX 赋值为 0
   .ENDIF
    MOV AH, 4Ch
    INT 21h
MAIN ENDP
END MAIN

18. 综合编程示例：文件操作

下面通过一个综合示例，展示如何在 MASM 中进行文件操作。此示例将打开一个文件，读取其中的内容，并将内容显示在屏幕上，最后关闭文件。

.MODEL SMALL
.STACK 100h
.DATA
    filename DB 'test.txt', 0
    buffer DB 100 DUP(?)
    handle DW ?
    bytes_read DW ?
    message DB 'File content: ', 0Dh, 0Ah, '$'
.CODE
MAIN PROC
    MOV AX, @DATA
    MOV DS, AX
    ; 打开文件
    MOV AH, 3Dh
    MOV AL, 0 ; 只读模式
    LEA DX, filename
    INT 21h
    JC OPEN_ERROR ; 打开失败跳转到错误处理
    MOV handle, AX ; 保存文件句柄
    ; 读取文件内容
    MOV AH, 3Fh
    MOV BX, handle
    MOV CX, 100 ; 读取 100 字节
    LEA DX, buffer
    INT 21h
    JC READ_ERROR ; 读取失败跳转到错误处理
    MOV bytes_read, AX ; 保存读取的字节数
    ; 显示提示信息
    LEA DX, message
    MOV AH, 09h
    INT 21h
    ; 显示文件内容
    MOV AH, 09h
    LEA DX, buffer
    INT 21h
    ; 关闭文件
    MOV AH, 3Eh
    MOV BX, handle
    INT 21h
    JMP END_PROC
OPEN_ERROR:
    ; 处理文件打开错误
    JMP END_PROC
READ_ERROR:
    ; 处理文件读取错误
    ; 关闭文件
    MOV AH, 3Eh
    MOV BX, handle
    INT 21h
END_PROC:
    MOV AH, 4Ch
    INT 21h
MAIN ENDP
END MAIN

此程序的执行流程如下：

graph TD;
    A[开始] --> B[初始化数据段];
    B --> C[打开文件];
    C --> D{文件打开成功?};
    D -- 是 --> E[读取文件内容];
    D -- 否 --> F[处理打开错误];
    E --> G{文件读取成功?};
    G -- 是 --> H[显示提示信息];
    G -- 否 --> I[处理读取错误];
    H --> J[显示文件内容];
    J --> K[关闭文件];
    F --> K;
    I --> K;
    K --> L[结束];

19. 总结

通过上述内容，我们对 MS - DOS 编程有了全面且深入的认识，涵盖了 I/O 端口操作、声音程序编写、段定义、MS - DOS 程序类型、中断处理以及 MASM 编程的各个方面。在实际编程过程中，我们可以依据具体需求，灵活运用这些知识，编写出功能丰富、性能卓越的程序。

同时，我们要熟练掌握 MASM 中的保留字、寄存器名、指令、符号和运算符，精通 ML 汇编器的使用方法。对于不同的编程场景，要合理运用段定义、中断处理等知识，以实现复杂的功能。希望这些知识能帮助你在汇编编程的道路上取得更好的成果。