【汇编语言与计算机系统结构笔记06】地址计算指令，lea / leal，x86-32与x86-64下的swap对比，汇编的格式对比（Intel/Microsoft Differs from GAS）

本次笔记内容：
07.寻址模式与数据传输指令等-2

变址寻址

承接上次笔记内容，对变址寻址进行讨论：

D(Rb, Ri, S) : Mem[Reg[Rb] + S * Reg[Ri]]

• D为常量（地址偏移量）；
• Rb为基址寄存器：8个通用寄存器其之一；
• Ri为索引寄存器：%esp不作为索引寄存器，一般%ebp也不做这个用途；
• S为比较因子1, 2, 3或8。

其他变形还有：

(Rb, Ri)	: Mem[Reg[Rb] + Reg[Ri]]
D(Rb, Ri)	: Mem[Reg[Rb] + Reg[Ri] + D]
(Rb, Ri, S)	: Mem[Reg[Rb] + S * Reg[Ri]]

寻址模式实例

首先，已知%edx = 0xf000，%ecx = 0x100.

Expression	Computation	Address
0x8(%edx)	0xf000 + 0x8	0xf008
(%edx, %ecx)	0xf000 + 0x100	0xf100
(%edx, %ecx, 4)	0xf000 + 4*0x100	0xf400
0x80 (, %edx, 2)	2*0xf000 + 0x80)	0x1e080)

总结mov指令

MOV S, D 表示将S移动到D（在AT&T汇编格式中）：

• movb：传送字节；
• movw：传送字；
• movl：传送双字。

MOVS S, D 表示将符号扩展的S移动到D（在AT&T汇编格式中）：

• movsbw：将做了符号扩展的字节传送到字；
• movsbl：将做了符号扩展的字节传送到双字；
• movswl：将做了符号扩展的字传送到双字。

MOVZ S, D 表示将零扩展的S移动到D（在AT&T汇编格式中）：

• movzbw：将做了零扩展的字节传送到字；
• movzbl：将做了零扩展的字节传送到双字；
• movzwl：将做了零扩展的字传送到双字。

pushl S 表示将双字压栈；popl D 表示将双字出栈。之后的课程会具体讨论。

地址计算指令 lea

leal Src, Dest

• Src是地址计算表达式；
• 计算出来的地址赋给Dest。

使用实例：

• 地址计算（无需访存）如：translation of p = %x[i];
• 进行x + k * y这一类型的整数运算：k = 1, 2, 4 or 8。

整数计算指令

双操作数指令：

Format	Computation
addl Src, Dest	Dest = Dest + Src
subl Src, Dest	Dest = Dest - Src
imull Src, Dest	Dest = Dest * Src
sall Src, Dest	Dest = Dest << Src 与shll等价
sarl Src, Dest	Dest = Dest >> Src 算数右移
shrl Src, Dest	Dest = Dest >> Src 逻辑右移
xorl Src, Dest	Dest = Dest ^ Src 异或
andl Src, Dest	Dest = Dest & Src
orl Src, Dest	Dest = Dest

单操作数指令：

Format	Computation
incl Dest	Dest = Dest + 1
decl Dest	Dest = Dest - 1
negl Dest	Dest = - Dest
notl Dest	Dest = ~ Dest

将leal指令用于计算

实例1

int arith(int x, int y, int z)
{
	int t1 = x + y;
	int t2 = z + t1;
	int t3 = x + 4;
	int t4 = y * 48;
	int t5 = t3 + t4;
	int rval = t2 * t5;
	return rval;
}

arith:
	pushl %ebp
	movl %esp, %ebp
	# codes above are for Set up
	
	movl 8(%ebp), %eax
	movl 12(%ebp), %edx
	leal (%edx, %eax), %ecx
	leal (%edx, %edx, 2), %edx
	sall $4, %edx
	addl 16(%ebp), %ecx
	leal 4(%edx, %eax), %eax
	imull %ecx, %eax
	# codes above are for Body

	movl %ebp, %esp
	popl %ebp
	ret
	# Finish

在进入Body之前，获得如下结构：

其中，ebp表示基址。栈中，返回地址为ebp + 4，x、y、z分别也被压入栈中（符合函数调用传参规范）。

1	movl 8(%ebp), %eax			# eax = x
2	movl 12(%ebp), %edx			# edx = y
3	leal (%edx, %eax), %ecx		# ecx = x + y
4	leal (%edx, %edx, 2), %edx	# edx = 3 * y
5	sall $4, %edx				# edx = 48 * y (t4)
6	addl 16(%ebp), %ecx			# ecx = z + t1 (t2)
7	leal 4(%edx, %eax), %eax	# eax = 4 + t4 + x (t5)
8	imull %ecx, %eax			# eax = t5 * t2 (rval)

对于第3条指令，用lea指令将x+y值放在ecx中。相当于c语言过程的局不变量。如果寄存器够用，将局部变量放在寄存器中，否者放在栈中。

对于第4、5条指令，首先乘3，已达到最终乘以48的效果：

• 如何乘3？即将edx加edx乘以2，放在edx中，以实现edx乘以3。
• 之后，左移4位，即乘16。

注意到，第3条指令计算t1，第4、5条t4，第6条t2，第7条t5，与c中的顺序并不一致。

实例2

int logical(int x, int y)
{
	int t1 = x^y;
	int t2 = t1 >> 17;
	int mask = (1<<13) - 7;
	int t4 = y * 48;
	int rval = t2 & mask;
	return rval;
}

logical:
	pushl %ebp
	movl %esp, %ebp
	# codes above are for Set up
	
	movl 8(%ebp), %eax
	xorl 12(%ebp), %eax
	sarl $17, %eax
	andl $8185, %eax
	# codes above are for Body

	movl %ebp, %esp
	popl %ebp
	ret
	# Finish

只看Body，先不讨论栈的分配与回收：

1	movl 8(%ebp), %eax		eax = x
2	xorl 12(%ebp), %eax		eax = x ^ y		(t1)
3	sarl $17, %eax			eax = t1 >> 17	(t2)
4	andl $8185, %eax		eax = t2 & 8185

• 第2行，进行异或运算；
• 第3行，t1是一个带符号数，因此右移使用sarl进行算数右移，而非逻辑右移；
• $2^{13} - 7 = 8185$，编译器将常数mask计算了出来，而非交给机器去做。

c中，return一个32位整型，放在eax中；如果32位中return一个long long类型（64位），放在edx + eax中。如果在64位机器中，则直接放在rax中。

x86-32与x86-64的数据类型宽度

Size of C Objects (in Bytes)

C Data Type	Typical 32-bit	Intel IA32	x86-64
unsigned	4	4	4
int	4	4	4
long int	4	4	8
char	1	1	1
short	2	2	2
float	4	4	4
double	8	8	8
long double	8	10/12	16
char *	4	4	8

如果返回数在32位及以下，那么一个eax就够了。

x86-64的通用寄存器

64位进行了扩展：

• 一方面，扩展现有的，增加了8个新的寄存器；
• 另一方面，寄存器宽度扩展了，但eax等名称还可以继续使用；
• %ebp/%rbp不再是专用寄存器。

x86-32与x86-64下的swap对比

void swap (int *xp, int *yp)
{
	int t0 = *xp;
	int t1 = *yp;
	*xp = t1;
	*yp = t0;
}

32位下：

pushl %ebp
movl %esp, %ebp
pushl %ebx
// 以上为Set Up
movl 12(%ebp), %ecx
movl 8(%ebp), %edx
movl (%ecx), %eax
movl (%edx), %ebx
movl %eax, (%edx)
movl %ebx, (%ecx)
// 以上为Body
movl -4(%ebp), %ebx
movl %ebp, %esp
popl %ebp
ret
// Finsih

将两个地址取出，放在ecx与edx中，再将ecx与edx的地址的数取出，放在eax和ebx中，之后在eax和ebx中的数取出，放在edx与ecx中，即可返回。

而64位下：

movl (%rdi), %edx
movl (%rsi), %eax
movl %eax, (%rdi)
movl %edx, (%rsi)
retq

注意到64位中该功能非常简洁，可以注意到64位情况下传参是用过寄存器来传递的，而32位中寄存器不够用，参数用栈Stack来传递。

64位中，减少访问内存，使用寄存器来传参数。

但最多传6个参数，超过6个部分，依此从右往左压入栈中。

注意到上例中，被操作数仍然是32位，因此使用寄存器%eax和%edx，以及movl指令。

而x86-64下long int类型的swap如下。

void swap_l (long int *xp, long int *yp)
{
	long int t0 = *xp;
	long int t1 = *yp;
	*xp = t1;
	*yp = t0;
}

汇编代码如下：

swap_:
	movq (%rdi), %rdx
	movq (%rsi), %rax
	movq %rax, (%rdi)
	movq %rdx, (%rsi)
	retq

被操作数是64位：

• 所以使用寄存器%rax与%rdx；
• 以及movq指令，q表示4字。

小结：x86指令的特点

• 支持多种类型的指令操作数，包括立即数、寄存器和内存数据；
• 算逻辑指令可以以内存数据作为操作数；
• 支持多种内存地址计算模式，包括Rb + S * Ri + D，也可用于整数计算如leal指令；
• 变成指令from 1 to 15 bytes。

扩展：x86汇编的格式

Intel/Microsoft Format

(-masm = intel, Intel 语法)

lea eax, [ecx + ecx * 2]
sub esp, 8
cmp dword ptr [ebp-8], 0
mov eax, dword ptr [eax * 4 + 100h]

AT&T Format

leal (%ecx + %ecx * 2), %eax
subl $8, %esp
cmpl $0, -8(%ebp)
movl $0x100 (, %eax, 4), %eax

Intel/Microsoft Differs from GAS

• Operands listed in opposite order
• • mov Dest, Src
• • movl Src, Dest
• Constants not preceded by ‘$’, Denote hex with ‘h’ at end
• • 100h
• • $0x100
• Operand size indicated by operands rather than operator suffix
• • sub
• • subl
• Addressing format shows effective address computation
• • [eax * 4 + 100]
• • $0x100 (, %eax, 4)

练习题

一个函数的原型为：

int decode2(int x, int y, int z);

汇编代码为：

movl 16(%ebp), %edx
subl 12(%ebp), %edx
movl %edx, %eax
sall $15, %eax
sarl $15, %eax
xorl 8(%ebp), %edx
imull %edx, %eax

另外，有：

x at %ebp + 8, y at %ebp + 12, z at %ebp + 16

参数x、y和z存放在存储器中相对于寄存器%ebp中地址偏移量为8、12和16的地方，代码将返回值放在寄存器%eax中，写出等价于汇编代码的decode2的c代码。

答案为：

int decode2(int x, int y, int z)
{
	int t1 = z - y;
	int t2 = (t1 << 15) >> 15;
	int t3 = x ^t1;
	int t4 = t2 * t1;
	return t4;

答疑：movl与leal中地址表达式

movl中出现地址表达式是用要去访问相应内存的，而leal中是用于算数的。