简单的汇编学习笔记与总结

根据CSAPP第三章内容与课堂讲义总结，默认是x86-64系统，C语言。这里讨论的都是整数。
因为我比较菜，写的比较垃圾，争取自己复习的时候可以看懂。

数据格式

整数寄存器

操作数

类型

• 1. 立即数：
     直接表示常数值。例子：$577, 0x1F。
• 2. 寄存器：
     某个寄存器里的内容。例子: %rax, %ecx。
• 3. 内存引用：
     根据计算出来的地址访问内存中的位置。例子：(%rax), (0x100)。

引用内存的多种形式

• 1. (R) : Mem[Reg[R]] : 直接访问。如：(%rax)。
• 2. D(R) : Mem[Reg[R] + D] : 访问原始地址加上偏移量后的地址。如：8(%rbp)， 访问的是 %rbp + 8 地址的值。
• 3. D(Rb, Ri, s) : Mem(Reg[Rb] + Reg[Ri] * s) : 比例变址寻址。如：4(%rax, %rdx, 4)，访问的是 %rax + %rdx * 4 + 4地址的值。

基本的汇编指令

数据传送

MOV类：MOV Src, Dst ：把Src上面的数据传送到Dst上

注意事项

• 常规的movq指令只能以表示为32位补码数字的立即数作为源操作数，然后把这个值扩展到64位再放到目的位置，
  而movabsq指令能够以任意64位立即数值作为源操作数，并且只能以寄存器作为目的。
• 大多数情况中，MOV指令只会更新目的操作数指定的寄存器字节或内存位置，高位不变。唯一的例外是movl指令以寄存器作为目的时，它会把寄存器的高位4字节设置为0
• 传输不能从内存到内存

MOVZ和MOVS类：MOVZ/MOVS Src, Dst ：将较小的源值复制到较大的目的时使用，分别是零扩展（剩余填充0）和符号扩展（剩余填充符号位）。

零扩展：

符号扩展：

注意：cltq指令只能作用于寄存器%eax和%rax
数据传输的例子：

1. 第一个例子

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movabsq $0x0011223344556677, %rax   # %rax = 0x0011223344556677
movb    $-1, %al                    # %rax = 0x00112233445566FF
movw    $-1, %ax                    # %rax = 0x001122334455FFFF
movl    $-1, %eax                   # %rax = 0x00000000FFFFFFFF
movq    $-1, %rax                   # %rax = 0xFFFFFFFFFFFFFFFF

2.第二个例子

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movabsq $0x0011223344556677, %rax   # %rax = 0x0011223344556677
movb    $0xAA, %dl                  # %dl  = 0xAA
movb %dl, %al                       # %rax = 0x00112233445566AA
movsbq %dl, %rax                    # %rax = 0xFFFFFFFFFFFFFFAA
movzbq %dl, %rax                    # %rax = 0x00000000000000AA

压入和弹出栈数据

• push src：把数据压入栈中
• pop dst：抽出栈顶数据
  注意： 以上操作是通过寄存器%rsp中所存地址指向栈顶。抽出栈顶数据后，原来的数据保持在原来的内存位置中，直到被覆盖。
  这里的相关内容还没细讲，以后再补吧。

加载有效地址

leaq指令： leaq Src, Dst：直接将有效地址（即：把括号内的值，不读入对应内存的数据）写入到目的。
leaq可以简洁地描述普通的算术操作
例如：

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leaq 7(%rdi, %rsi, 4), %rax         # 设%rdi总存数据x，%rsi中存数据y，则这条指令是将 x+4y+7 存入%rax中

其他算术和逻辑操作

这里先简单的给出这些操作：

(注意到sal和shl是一样的，因为左移不会涉及符号位)

移位操作

移位操作对w位长的数据值进行操作，移位量是有%cl寄存器的低m位决定的，这里2^m=w，剩余高位会被忽略。
所以，例如当寄存器%cl是十六进制值为0xFF(11111111)时，指令salb会移7位(111，二进制3位)，salw会移15位(1111，二进制4位)，sall会移31位(11111，二进制5位)，salq会移63位(111111，二进制5位)。 这些位数也是对应指令能移动的最高位数。

这里来举个例子：一个32位的int数1，移动n=34位，计算1<<n，因为(34)₁₀=(100010)₂ 取前五位00010，即2。所以1<<34等价于1<<2=4。其实就是让n mod 32(2^m)。

所以习题3.60中

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salq %cl, %rdx          # %ecx中的值为n，%rdx中的值是mask

所以这条语句的作用是 mask = mask << n，并不用截取%rcx的前八位(n & 0xFF)，直接移动n为即可，因为salq最多移63位(11111)，n太大了也会被截成64以下（只取n二进制下的前6位）。

特殊算术操作

• 1.一个操作数
  从上面的表我们可以看到，乘（mul和imul）和除（div和idiv）都是二元操作。这样的操作是在同位数数据采用的，比如：如果你用
  imulq S,D指令，则代表你计算的内容是一个64位数乘一个64位数并得到一个64位数。我们在前面的学习中便知道，w位数乘w位数会先得到一个2w位数，然后再截取前w位得到最后的结果。但如果你想得到就是那个2w位数，以w=64位例，计算机会将其处理未这样的汇编指令：imulq S。这条指令的效果是：R[%rdx]:R[%rax]<–S/R[%rax]，即把S中的数与%rax中的数做补码乘法后，*将乘积的高64位存在%rdx中，低64位存在%rax中。 当操作为无符号操作mulq S时同理。
  这里有一个两个无符号64位数乘法得到无符号128位数的例子：
  C语言代码为：

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void store_uprod(uint128_t *dest, uint64_t x, uint64_t y){
    *dest = x * (uint128_t)y;
}

他的汇编代码为：

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store_uprod:
    movq %rsi, %rax                 
    mulq %rdx
    movq %rax, (%rdi)
    movq %rdx, 8(%rdi)              # 小端机器
    ret

以64位为例，对于除法idivl S，他会把R[%rdx]:R[%rax]作为被除数（128位），S为除数，将结果的商存在%rax中，余存在%rdx中。如果被除数是64位，则%rdx中全为0（无符号位）或全为%rax的符号位（有符号运算），这两个操作可以用cqto（R[%rdx]:R[%rax]<–R[%rax]完成。

对于64位以下的操作mulb / mulw / mull，一元乘除操作也是同理，另一个源操作数会隐含在R[%al] / R[%ax] / R[%eax]中，结果存在R[%ax] / R[%dx]:R[%ax] / R[%edx]:R[%eax]中，除法同理。
还需要注意一点的是有符号乘法，若要取2w位应该采用“布斯乘法”，也就是习题2.75让我们推导的计算两个w位补码运算结果的高w位（一共2w位）的方法：(x, y表示有符号数，x’,y’表示与其二进制表示相同的无符号数)

(x’ * y’)_高w位 = (x * y)_高w位 + x * y的符号位 + y * x的符号位

此公式的推导思路源于教材公式2.18。
例子：
无符号数0xB4 (180) 乘 无符号数0x11 (17) 结果为0xBF4 (3060)。
有符号数0xB4(-76) 乘 有符号数0x11 (17) 结果为0xFAF4 (-1292) ，并非(0xBF4)。(0xB=(0xFA+0x11) mod 64)

• 2.三个操作数
  指令： MUL Imm, Src, Reg
  功能：将Src和立即数Imm相乘，结果存在Reg中。
  例子：R[%eax] = 0xB4, R[%ebx] = 0x11, M[0xF8] = 0xA0，执行指令imull $-16, (%eax, %ebx, 4), %eax的效果：
  R[%eax]<– (-16) x M[R[%eax] + R[%ebx] x 4] = (-16) x M[0xB4 + 0x11 << 2] = (-16) x M[0xF8] = (-16) x 0xA0 = 0xFFFFFF60 << 4（做一个补码操作去除负号）= 0xFFFFF600 = -2560

整数乘除指令总结

• 乘法
  • 一个操作数
    若给出一个操作数Src，则另一个源操作数隐含在R[%al] / R[%ax] / R[%eax]中，将Src和前述寄存器（累加器accumulate）中内容相乘，结果存放在R[%ax]（16位）/ R[%dx]:R[%ax]（32位）/ R[%edx]:R[%eax]（64位）中。
  • 两个操作数
    MUL Src, Dst : Dst<–Dst MUL Src
  • 三个操作数
    MUL Imm, Src, Reg : Reg<–Imm MUL Src
• 除法
  • 除数为8位，则16位被除数在R[%ax]中，商送回R[%al]，余数在R[%ah]
  • 除数为16位，则32位被除数在R[%dx]:R[%ax]中，商送回R[%ax]，余数在R[%dx]
  • 除数为32位，则64位被除数在R[%edx]:R[%eax]中，商送回R[%eax]，余数在R[%edx]
  • 除数为64位，则128位被除数在R[%rdx]:R[%rax]中，商送回R[%rax]，余数在R[%rdx]

控制指令

在下面介绍

其他操作

输入输出指令(IN, OUT)和标志传送指令(PUSHF, POPF)等还没细讲，以后再补。

控制

条件码

除了整数寄存器，CPU还维护着一组单个位的条件码寄存器，他们描述了最近的算术或逻辑操作的属性。可以检测这些寄存器来执行条条件分支指令。
最常用的条件码有：

• CF：进位标志。最近的操作使最高位产生了进位（加分有进位（carry），减法有借位（borrow））。可以用来检查无符号操作的溢出。
• ZF：零标志。最近的操作得出结果为0。（所有位上数字都是0）
• SF：符号标志。最近的操作得到的结果为负数。
• OF：溢出标志。最近的操作导致一个补码溢出——正溢出或负溢出。(如y……+y……=z……，或y…….-z……=z…… 「其中z=~y」等)

定点算术运算和逻辑运算对条件码的影响

• ADD：影响OF, ZF, SF, CF。
• SUB：影响OF, ZF, SF, CF。有借位，即减数>被减数，则CF=1。两个数符号相反但结果符号与减数相同，则OF=1
• INC：影响OF, ZF, SF。注意：不会影响CF，也就是说不会产生进位信息
• DEC：影响OF, ZF, SF。注意：同INC
• NEG：影响OF, ZF, SF, CF。相当于用0减操作数或者取反+1，OF变化同减法（所以只有当操作数为100…0时，OF才会变为1）
• CMP：影响OF, ZF, SF, CF。
• MUL：只影响OF, CF。乘积高一半为0，则CF=OF=0，否则是1。
• IMUL：只影响OF, CF。乘积高一半为低一半的符号扩展，则CF=OF=0，否则是1。
• DIV, IDIV：不影响上述条件码。
• AND, OR, XOR, TEST：都会使OF和CF变为0，ZF和SF根据结果设置。
• NOT：不影响标志
• SHL, SHR, SAL, SAR, ROL, ROR：CF=移入的数值，ZF和SF根据结果设置，如果最高位变化，则OF=1，否则为0。

参考链接

例子：R[%ax]=0xFFFA, R[%bx]=0xFFF0，执行指令（Intel格式）add ax bx：
R[%ax]<–R[%ax] + R[%bx] = 0xFFFA + 0xFFF0 = 0xFFEA, R[%bx]中内容不变，CF = 1, OF = 0, ZF = 0, SF = 1。
对于上述例子，若是无符号整数运算，则CF=1说明结果溢出。若是有符号整数运算，OF=0说明结果没有溢出。

比较和控制指令

这两种指令不修改任何寄存器的值，只设置条件码

• 1. CMP (cmpb, cmpw, cmpl, cmpq)
     CMP S1, S2：就是计算S2 - S1，以设置条件码得以看出比较的结果。
  • CF = 1: 发生了进位或借位（这里做减法一般是借位，借位了就表明S2 < S1）
  • ZF = 1: S1 = S2
  • SF = 1: S2 - S1 < 0（补码运算意义上的）
  • OF = 1: (a > 0 && b < 0 && (a - b) < 0) || (a < 0 && b > 0 && (a - b) > 0)
• 2. TEST (testb, testw, testl, testq)
     TEST S1, S2：就是计算S1 & S2，以设置条件码。
  • ZF = 1: S1 & S2 = 0
  • SF = 1: S1 & S2 < 0（补码运算意义上的）
    经常使用这个指令测试一个数是不是负数：testq %rax, %rax

设置指令

SET类的指令可以将一个字节的值设置为条件码的某种组合，这种指令的目的操作数是低位单字节寄存器之一或一个字节的内存位置（如%al），一般是配合比较和测试指令使用，下面列出常用的SET类指令：

下面是一个例子：
设C函数：

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int compare(long x, long y)
{
    return x > y;
}

其汇编代码为：

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compare:                        # x in %rdi, y in %rsi
    cmpq %rsi, %rdi             # compute x - y
    setg %al                    # 大于则设置为1，否则为0
    movzbl %al, %eax            # 这项操作是使 %eax(and %rax) 上其他位的数据全部清空为0，保证返回数据只为%al上的数据
    ret

跳转指令

等讲了再补

未完待续

未完待续……