Skip to main content

03 Basic Asm

这篇笔记包含lecture6-7的内容，介绍了顺序结构下的x86汇编。

顺序结构​

操作数​

操作数有三种表示方式：

  • %rax ：寄存器
  • 8(%rbx) ：内存
  • $4 ：立即数

例如对于这段c代码

*dest = t;
*dest += 4;

对应的汇编为

movq   %rax, (%rbx)
addq   $4, (%rbx)

寄存器​

获取寄存器中的数据比内存块，但内存器数量较少，并有固定的名字。

整型寄存器（8字节）：

int register 1

int register 2

浮点型寄存器（32字节）：

float register 1

float register 2

注意不同寄存器的位数可能不同。

对于名为 %rax 的寄存器，存储的内容写作 R[ra] 。

内存​

虚拟空间是一个线性的数组，下标从0开始。M 为数组名，addr 为内存地址，M[addr] 是从addr地址开始的内存内容。

索引寻址是一个计算地址的表达式，常见的格式是 Imm(rb, ri, s)。 Imm 为立即数，默认为十进制。 rb 和 ri 都是64位整型寄存器，分别为基址寄存器（base register）和索引寄存器（index register）。 s 是缩放因子，为1、2、4或8。这个表达式代表的地址是 Imm + R[rb] + R[ri] * s ，存储的值在 M[Imm + R[rb] + R[ri] * s] 中。

在汇编中，要加 $ 才表示（单独的）立即数，否则会被识别为地址。对于寄存器（以 %rax 为例）， %rax 表示寄存器存储的值， (%rax) 表示存储的地址指向的值。 Imm(rb, ri) 的写法为 Imm(%rb, %ri)，表示 M[Imm + R[rb] + R[ri]] ；(rb, ri, s) 的写法为 (%rb, %ri, s)， 表示 M[Imm + R[rb] + R[ri] * s] 。

addressing mode

汇编代码​

计算机架构中， %rip 是指针指令寄存器（program counter，PC）。在CPU执行某条指令时，它会指向当前指令的地址，在执行结束后自动切换到下一条指令的地址。 %eflags 是状态寄存器（或标志寄存器，conditional code register），存储最近执行指令的状态信息，可以用来实现控制流。

gcc -c 可用来生成汇编文件。也可以生成二进制文件后，用 objdump -d 反生成汇编文件。

在执行文件时，PC存储了指令的地址，机器执行之后增加PC。

一段顺序结构的代码如下

long mult2(long, long);

void multstore(long x, long y, long *dest)
{
    long t = mult2(x, y);
    *dest = t;
}

对应的汇编代码为

multstore:
    pushq  %rbx
    moveq  %rdx, %rbx
    call   mult2
    moveq  %rax, (%rbx)
    popq   %rbx
    ret

在函数开始前，multstore的三个参数分别存储在 %rdi 、 %rsi 、 %rdx 中。 pushq 将 %rbx 的值压入栈中，准备以后可能使用原 %rbx 的值。 moveq 将 %rdx 的值放在 %rbx 中，然后调用 mult2 函数。调用后的 moveq 将 %rax 返回值存入 %rbx 指向的位置。 popq 弹出栈中的值并存储到 %rbx 中。最后， ret 结束函数，返回。

mov​

移动操作可以把内存、寄存器中的值或立即数移动到另一个寄存器或内存。

long exchange(long *xp, long y)
{
    long x = *xp;
    *xp = y;
    return x;
}
exchange:
    moveq   (%rdi), %rax
    moveq   %rsi, (%rdi)
    ret

移动指令​

移动操作有很多种。

move

其中，movb 、 movw 、 movl 和 movq 分别对应移动1、2、4、8个字节。移动时，立即数只能作为32位（4字节）有符号数移动。此外，除了 movl 之外的操作只对特定位进行操作，但 movl 会将最高4位置为0。

move zero

这些指令是移动操作的零扩展，可以将较少字节移动到较多字节的位置，并将高位置为0。注意 movl 实现了 movzlq 的操作，所以没有 movzlq 指令。

move sign

这些指令是符号扩展，用于将数据从某个大小的位置移动到更大的位置，并用符号位填充高位，使得新数与原数在数值上完全相同。

栈操作​

栈操作有两种，push和pop。push降低 %rsp 的值，pop增大 %rsp 的值。

数据处理​

算数运算

arithmetic operations

逻辑运算

logical operations

lea 指令用于将某个地址加载到寄存器中。

lea

注意所有运算的结果全部存储在最后一个参数中。

以下是一个实例：

int arith(long x, long y, long z)
{
    long t1 = x ^ y;
    long t2 = z * 48;
    long t3 = t1 & 0x0F0F0F0F;
    long t4 = t2 - t3;
    return t4;
}
xorq   %rsi, %rdi
leaq   (%rdx, %rdx, 2), %rax
salq   $4, %rax
andq   $252645135, %rdi
subq   %rdi, %rax
ret

注意 leaq (%rdx, %rdx, 2), %rax ， (%rdx, %rdx, 2) 代表的是“%rdx存储的值乘4的地址所指向的值”，而 leaq 相当于取地址，所以存储进 %rax 的值就是 %rdx 中的值乘4。再将这个结果左移四位，得到的就是原 %rdx 的值乘3乘16，即 z * 48 。

此外，还有一些特殊运算。

special operations

例如 imulq 0x10 ，会计算 0x10 * %rax ，将高64位存储在 %rdx 中，低64位存在 %rax 中。