CSAPP-3-汇编.md

CH3 汇编基础

3.1 通用寄存器

x86-64共16个通用寄存器，都是64bit的，遵循的规则:

生成1字节和2字节数字的指令会保持其余的字节内容不变
生成4字节数字的指令会把高4字节置0.

(1) 通用寄存器名称

名称	作用	备注
%rax	返回值
%rbx	被调用者保存
%rcx	第4个参数
%rdx	第3个参数
%rsi	第2个参数
%rdi	第1个参数
%rbp	被调用者保存
%rsp	栈指针	用于指明运行时栈的结束位置
%r8	第5个参数
%r9	第6个参数
%r10	调用者保存
%r11	调用者保存
%r12	被调用者保存
%r13	被调用者保存
%r14	被调用者保存
%r15	被调用者保存

(2) 标志寄存器

标志位	名称	值为 1 时
CF	进位标志	发生进位
PF	奇偶标志	偶数
AF	辅助进位标志	发生进位
ZF	零标志	比较结果相等
SF	符号标志	负数
OF	溢出标志	发生溢出

(3) 寻址方式

类型	格式	操作数值	寻址方式	示例
立即数	$Imm	Imm	立即数寻址	$0x108 立即数0x108
寄存器	ra	R[ra]	寄存器寻址	%rax 寄存器rax中的值
存储器	Imm	M[Imm]	绝对寻址	0x104 addr=0x104 addr中的值
存储器	(ra)	M[R[ra]]	间接寻址	(%rax) addr=寄存器rax中的值 addr中的值
存储器	Imm(rb)	M[Imm+R[rb]]	(基址+偏移)寻址	4(%rax) addr=寄存器rax中的值+4 addr中的值
存储器	(rb, ri)	M[R[rb]+R[ri]]	变址寻址	(%rax, %rdx) addr=寄存器rax中的值+寄存器rdx中的值 addr中的值
存储器	Imm(rb, ri)	M[Imm+R[rb]+R[ri]]	变址寻址	9(%rax, %rdx) addr=寄存器rax中的值+寄存器rdx中的值+9 addr中的值
存储器	(,ri, s)	M[R[ri]+s]	比例变址寻址	(, %rdx, 8) addr=寄存器rdx中的值*8 addr中的值
存储器	Imm(,ri, s)	M[Imm+R[ri]+s]	比例变址寻址	0xFC(, %rdx, 8) addr=寄存器rdx中的值*8+0xFC addr中的值
存储器	(rb, ri, s)	M[R[rb] + R[ri]*s]	比例变址寻址	(%rax, %rdx, 4) addr=寄存器rax中的值+寄存器rdx中的值*4 addr中的值
存储器	Imm(rb, ri, s)	M[Imm+R[rb]+R[ri]*s]	比例变址寻址	0xFC(%rax, %rdx, 4) addr=寄存器rax中的值+寄存器rdx中的值*4+0xFC addr中的值

比例因子s必须为1，2，4，8;

(4) x86-64指令位宽

C语言	指令	位宽(bit)	示例	其它
int8	b	8	movb
int16	w	16	movw
int32	l	32	movl	4字节的指令，会把寄存器高4字节清0
int64	q	64	movq
long	q	64
char*	q	64
float	ss	32	vomvss
double	sd	64	vmovsd

(5) 指令

指令	类型	含义
MOV S, D	传送	目的为内存地址或寄存器
movb
movw
movl		传送32bit
movq
movabsq I, R		传送绝对的64bit到寄存器R
MOVZ S, R	零扩展传送	目的为寄存器，以0扩展
movzbw
movzbl		(会把高4字节也清零)
movzbq
movzwl
movzwq
MOVS S, R	符号扩展传送	传送符号扩展的到寄存器
movsbw
movsbl
movsbq
movswl
movswq
movslq
cltq		将%eax符号扩展到%rax
pushq S	入栈出栈	subq $8, %rsp; movq %rax, (%rsp)
popq D		movq (%rsp), %rax; addq $8, %rsp
leaq S, D	运算	加载有效地址(常用于指针), leaq (%rdx, %rdi, 4), %rax; 即%rax=%rax+%rdi*4
INC D		D += 1, incq 16(%rax)
DEC D		D -= 1
NEG D		D = -D
NOT D		D = ~D
ADD S, D
SUB S, D
XOR S, D		D ^= S
OR S, D		D
AND S, D		D &= S
SAL k, D		D <<= k(逻辑左移)
SHL k, D		D <<= k(算术左移)
SAR k, D		D >>= k
SHR k, D		D >>= k(符号位填充)
imulq S	乘除	(64bit乘法,单操作数)结果为 S*%rax; 高位存放于rdx, 低位存放在rax
mulq S
mul S, D		(双操作数)D *= S; 结果存放在D中
imul S, D		(双操作数)D *= S (无符号)
clto		对rax的符号位进行扩展，扩展的结果存放在rdx中
cqto		对rax的符号位进行扩展. 扩展的符号位放在rdx中
idivq S		(64bit除法) 结果为 %rax除以S; 商存放在rax, 余数存放在rdx
divq S
div S, D
idiv S, D
cmp S1, S2	比较	用S2 - S1的结果来设置标志寄存器ZF(S1=S2,ZF=1; else ZF=0)
test S1, S2		用S1 & S2的结果来设置标志寄存器ZF
sete D		D=ZF (结果相等, ZF=1)
setne D		D=~ZF
sets D		D=SF (负数,SF=1)
setns D		D=~SF
setg D		有符号>
setge D		有符号>=
setl D		有符号<
setle D		有符号<=
seta D		无符号>
setae D		无符号>=
setb D		无符号<
setbe D		无符号<=
jmp Label		跳转
jmp *Opera
je Label		ZF=0 跳转
jne Label
js Label		SF=1 负数跳转
jns Label
jg Label		有符号>
jge Label
jl Label
jle Label
ja Label		无符号>
jae Label
jb Label
jbe Label
cmove S, R	条件传送	根据前一条语句(cmp, test)结果，决定本语句. 相等(ZF=1), 把S的值赋给R
cmovne S, R		不相等
cmovs S, R		负数
cmovns S, R		非负数
cmovg S, R		有符号>; g/ge/l/le
cmova S, R		无符号>; a/ae/b/be

switch语句，GCC根据case的数量、case值的稀疏程度来翻译switch...case...语句. 当case的数量多于4个且值的跨度范围较小时，使用跳转表.

(6) 函数调用与恢复

栈往下增长。上为大地址，下为小地址。 函数调用过程: 多余参数入栈(若参数个数>6); 返回地址入栈;

在代码中，经常可用看到 movq 16(%rsp), %rax，表明把第二个参数赋给rax
(%rsp)，函数返回地址
8(%rsp)，入栈的第一个参数（假设参数为8字节类型）
16(%rsp)，入栈的第二个参数

有些寄存器是被调用者可以修改的，有些是被调用者不能修改的。被调用者要想使用这些寄存器，需要先把这些寄存器的值入栈，最后再出栈恢复。

3.2 浮点数寄存器

SSE指令要求数据块16bit对齐，即SSE单元和内存之间传输数据的指令要求内存地址必须是16的整数倍。
x86-64处理器实现了AVX多媒体指令（SSE指令的超集），支持AVX的指令并没有强制性的对齐要求。
代码优化建议，64bit系统8字节对齐、32bit系统4字节对齐。

(1) SIMD指令寄存器长度变化表

指令名称	寄存器名称	寄存器长度	寄存器个数	编译命令
MMX	mm	64 bit
SSE	xmm	128 bit
AVX	ymm	256 bit	16(ymm0-ymm15)	-mavx2, 生成AVX2代码

AVX寄存器名称	长度(bit)	作用及要求
ymm0	256	1st FP arg返回值
ymm1 - ymm7	256	2nd FP参数 - 8th FP参数
ymm8 - ymm15	256	调用者保存

ymm0-ymm7，可以用来依次传递8个浮点数参数，也可以用栈传递额外的参数
使用ymm0传递返回值
所有的ymm都是调用者保存

可以把xmm寄存器(128bit)看成一个数组，4个32bit数组[x32,x32,x32,x32]或2个64bit数组[x64,x64]。

AVX(Advanced vector extension, 高级向量扩展)是SIMD的最新版本，每个寄存器256bit，可以一次执行8个四字节或4个八子节的计算。

假设%ymm0包含8个float数据(a0, ..., a8), %rcx包含8个float数据的内存地址。vmulps (%rcx), %ymm0, %ymm1, 一次从内存中读取8个值，并行的执行8个乘法。 然后把计算的结果保存在%ymm1中。

(2) 指令缩写对照表

缩写	含义
ss	单精度浮点数
sd	双精度浮点数
si	整数(默认32bit)
q	64bit
cvt	convert

(3) 浮点数传送指令表

指令	源	目的	描述	寄存器和内存
vmovss	M32	X	传送单精度	M32: 32bit内存
vmovss	X	M32	传送单精度	X: 寄存器xmm
vmovsd	M64	X	传送双精度	M64: 64bit内存
vmovsd	X	M64	传送双精度
vmovaps	X	X	传送对齐的封装好的单精度	a:aligned，16bit对齐
vmovapd	X	X	传送对其的封装好的双精度

(4) 浮点数转换成整数指令表

指令	源	目的	描述	速查
vcvttss2si	X/M32	R32	用截断的方法把单精度数转成整数	32(float) -> 32(int)
vcvttsd2si	X/M64	R32	用截断的方法把双精度数转成整数	64(double) -> 32(int)
vcvttss2siq	X/M32	R64	用截断的方法把单精度数转成64bit整数	32(float) -> 64(int64)
vcvttsd2siq	X/M64	R64	用截断的方法把双精度数转成64bit整数	64(double) -> 64(int64)

R32: 32bit通用寄存器
M32: 32bit内存

整数转换成浮点指令表

指令	源1	源2	目的	描述	速查
vcvtsi2ss	M32/R32	X	X	把32bit整数转成单精度	32(int32) -> 32(float)
vcvtsi2sd	M32/R32	X	X	把32bit整数转成双精度	32(int32) -> 64(double)
vcvtsi2ssq	M64/R64	X	X	把64bit整数转成单精度	64(int64/long) -> 32(float)
vcvtsi2sdq	M64/R64	X	X	把64bit整数转成双精度	64(int64/long) -> 64(double)

(5) 浮点数运算指令表

指令(单精度)	指令(双精度)	效果	描述
vaddss	vaddsd	D <- S2 + S1	加法
vsubss	vsubsd	D <- S2 - S1	减法
vmulss	vmulsd	D <- S2 * S1	乘法
vdivss	vdivsd	D <- S2 / S1	除法
vmaxss	vmaxsd	D <- max(S2, S1)	求最大值
vminss	vminsd	D <- min(S2, S1)	求最小值
sqrtss	sqrtsd	D <- 开方(S1)	浮点数平方根

vdivsd %xmm1, %xmm2, %xmm2，含义为xmm2 = xmm2 / xmm1;

(6) 浮点数其它指令

指令(单精度)	指令(双精度)	效果	描述
vxorps	vxorpd	D <- S2 ^ S1	按位异或
vandps	vandpd	D <- S2 & S1	按位与
ucomiss	ucomisd	CF/ZF/PF	比较指令,根据S2-S1结果设置标志位