第18章-x86指令集之常用指令

x86的指令集可分为以下4种：

1. 通用指令
2. x87 FPU指令，浮点数运算的指令
3. SIMD指令，就是SSE指令
4. 系统指令，写OS内核时使用的特殊指令

下面介绍一些通用的指令。指令由标识命令种类的助记符（mnemonic）和作为参数的操作数（operand）组成。例如move指令：

指令	操作数	描述
movq	I/R/M,R/M	从一个内存位置复制1个双字（64位，8字节）大小的数据到另外一个内存位置
movl	I/R/M,R/M	从一个内存位置复制1个字（32位，4字节）大小的数据到另外一个内存位置
movw	I/R/M, R/M	从一个内存位置复制2个字节（16位）大小的数据到另外一个内存位置
movb	I/R/M, R/M	从一个内存位置复制1个字节（8位）大小的数据到另外一个内存位置

movl为助记符。助记符有后缀，如movl中的后缀l表示作为操作数的对象的数据大小。l为long的缩写，表示32位的大小，除此之外，还有b、w，q分别表示8位、16位和64位的大小。

指令的操作数如果不止1个，就将每个操作数以逗号分隔。每个操作数都会指明是否可以是立即模式值（I）、寄存器（R）或内存地址（M）。

另外还要提示一下，在x86的汇编语言中，采用内存位置的操作数最多只能出现一个，例如不可能出现mov M,M指令。

通用寄存器中每个操作都可以有一个字符的后缀，表明操作数的大小，如下表所示。

C声明	通用寄存器后缀	大小(字节)
char	b	1
short	w	2
(unsigned) int / long / char*	l	4
float	s	4
double	l	5
long double	t	10/12

注意：通用寄存器使用后缀“l”同时表示4字节整数和8字节双精度浮点数，这不会产生歧义，因为浮点数使用的是完全不同的指令和寄存器。

我们后面只介绍call、push等指令时，如果在研究HotSpot VM虚拟机的汇编遇到了callq，pushq等指令时，千万别不认识，后缀就是表示了操作数的大小。

下表为操作数的格式和寻址模式。

格式	操作数值	名称	样例（通用寄存器 = C语言）
$Imm	Imm	立即数寻址	$1 = 1
Ea	R[Ea]	寄存器寻址	%eax = eax
Imm	M[Imm]	绝对寻址	0x104 = *0x104
（Ea）	M[R[Ea]]	间接寻址	（%eax）= *eax
Imm(Ea)	M[Imm+R[Ea]]	(基址+偏移量)寻址	4(%eax) = *(4+eax)
（Ea,Eb）	M[R[Ea]+R[Eb]]	变址	(%eax,%ebx) = *(eax+ebx)
Imm（Ea,Eb）	M[Imm+R[Ea]+R[Eb]]	寻址	9(%eax,%ebx)= *(9+eax+ebx)
(,Ea,s)	M[R[Ea]*s]	伸缩化变址寻址	(,%eax,4)= *(eax*4)
Imm(,Ea,s)	M[Imm+R[Ea]*s]	伸缩化变址寻址	0xfc(,%eax,4)= *(0xfc+eax*4)
(Ea,Eb,s)	M(R[Ea]+R[Eb]*s)	伸缩化变址寻址	(%eax,%ebx,4) = *(eax+ebx*4)
Imm(Ea,Eb,s)	M(Imm+R[Ea]+R[Eb]*s)	伸缩化变址寻址	8(%eax,%ebx,4) = *(8+eax+ebx*4)

注：M[xx]表示在存储器中xx地址的值，R[xx]表示寄存器xx的值，这种表示方法将寄存器、内存都看出一个大数组的形式。

汇编根据编译器的不同，有2种书写格式：

（1）Intel : Windows派系
（2）AT&T: Unix派系

下面简单介绍一下两者的不同。

下面就来认识一下常用的指令。

下面我们以给出的是AT&T汇编的写法，这两种写法有如下不同。 

1、数据传送指令

将数据从一个地方传送到另外一个地方。

1.1 mov指令

我们在介绍mov指令时介绍的全一些，因为mov指令是出现频率最高的指令，助记符中的后缀也比较多。

mov指令的形式有3种，如下：

mov   #普通的move指令
movs  #符号扩展的move指令，将源操作数进行符号扩展并传送到一个64位寄存器或存储单元中。movs就表示符号扩展 
movz  #零扩展的move指令，将源操作数进行零扩展后传送到一个64位寄存器或存储单元中。movz就表示零扩展

mov指令后有一个字母可表示操作数大小，形式如下：

movb #完成1个字节的复制
movw #完成2个字节的复制
movl #完成4个字节的复制
movq #完成8个字节的复制

还有一个指令，如下：

movabsq  I,R

与movq有所不同，它是将一个64位的值直接存到一个64位寄存器中。　　

movs指令的形式如下：

movsbw #作符号扩展的1字节复制到2字节
movsbl #作符号扩展的1字节复制到4字节
movsbq #作符号扩展的1字节复制到8字节
movswl #作符号扩展的2字节复制到4字节
movswq #作符号扩展的2字节复制到8字节
movslq #作符号扩展的4字节复制到8字节

movz指令的形式如下：　　

movzbw #作0扩展的1字节复制到2字节
movzbl #作0扩展的1字节复制到4字节
movzbq #作0扩展的1字节复制到8字节
movzwl #作0扩展的2字节复制到4字节
movzwq #作0扩展的2字节复制到8字节
movzlq #作0扩展的4字节复制到8字节

举个例子如下：

movl   %ecx,%eax
movl   (%ecx),%eax

第一条指令将寄存器ecx中的值复制到eax寄存器；第二条指令将ecx寄存器中的数据作为地址访问内存，并将内存上的数据加载到eax寄存器中。 

1.2 cmov指令

cmov指令的格式如下：

cmovxx

其中xx代表一个或者多个字母，这些字母表示将触发传送操作的条件。条件取决于 EFLAGS 寄存器的当前值。

eflags寄存器中各个们如下图所示。

其中与cmove指令相关的eflags寄存器中的位有CF（数学表达式产生了进位或者借位） 、OF（整数值无穷大或者过小）、PF（寄存器包含数学操作造成的错误数据）、SF（结果为正不是负）和ZF（结果为零）。

下表为无符号条件传送指令。

指令对	描述	eflags状态
cmova/cmovnbe	大于/不小于或等于	（CF或ZF）=0
cmovae/cmovnb	大于或者等于/不小于	CF=0
cmovnc	无进位	CF=0
cmovb/cmovnae	大于/不小于或等于	CF=1
cmovc	进位	CF=1
cmovbe/cmovna	小于或者等于/不大于	（CF或ZF）=1
cmove/cmovz	等于/零	ZF=1
cmovne/cmovnz	不等于/不为零	ZF=0
cmovp/cmovpe	奇偶校验/偶校验	PF=1
cmovnp/cmovpo	非奇偶校验/奇校验	PF=0

 无符号条件传送指令依靠进位、零和奇偶校验标志来确定两个操作数之间的区别。

下表为有符号条件传送指令。

指令对	描述	eflags状态
cmovge/cmovnl	大于或者等于/不小于	（SF异或OF）=0
cmovl/cmovnge	大于/不大于或者等于	（SF异或OF）=1
cmovle/cmovng	小于或者等于/不大于	(（SF异或OF）或ZF)=1
cmovo	溢出	OF=1
cmovno	未溢出	OF=0
cmovs	带符号（负）	SF=1
cmovns	无符号（非负）	SF=0

举个例子如下：

// 将vlaue数值加载到ecx寄存器中
movl value,%ecx 
// 使用cmp指令比较ecx和ebx这两个寄存器中的值，具体就是用ecx减去ebx然后设置eflags
cmp %ebx,%ecx
// 如果ecx的值大于ebx，使用cmova指令设置ebx的值为ecx中的值
cmova %ecx,%ebx 

注意AT&T汇编的第1个操作数在前，第2个操作数在后。　　  

1.3 push和pop指令 

push指令的形式如下表所示。 

指令	操作数	描述
push	I/R/M	PUSH 指令首先减少 ESP 的值，再将源操作数复制到堆栈。操作数是 16 位的， 则 ESP 减 2，操作数是 32 位的，则 ESP 减 4
pusha		指令按序（AX、CX、DX、BX、SP、BP、SI 和 DI）将 16 位通用寄存器压入堆栈。
pushad		指令按照 EAX、ECX、EDX、EBX、ESP（执行 PUSHAD 之前的值）、 EBP、ESI 和 EDI 的顺序，将所有 32 位通用寄存器压入堆栈。

pop指令的形式如下表所示。 

指令	操作数	描述
pop	R/M	指令首先把 ESP 指向的堆栈元素内容复制到一个 16 位或 32 位目的操作数中，再增加 ESP 的值。 如果操作数是 16 位的，ESP 加 2，如果操作数是 32 位的，ESP 加 4
popa		指令按照相反顺序将同样的寄存器弹出堆栈
popad		指令按照相反顺序将同样的寄存器弹出堆栈

 

 1.4 xchg与xchgl

这个指令用于交换操作数的值，交换指令XCHG是两个寄存器，寄存器和内存变量之间内容的交换指令，两个操作数的数据类型要相同，可以是一个字节，也可以是一个字，也可以是双字。格式如下：

xchg    R/M,R/M
xchgl   I/R,I/R、　　

两个操作数不能同时为内存变量。xchgl指令是一条古老的x86指令，作用是交换两个寄存器或者内存地址里的4字节值，两个值不能都是内存地址，他不会设置条件码。

1.5 lea

lea计算源操作数的实际地址，并把结果保存到目标操作数，而目标操作数必须为通用寄存器。格式如下：

lea M,R

lea（Load Effective Address）指令将地址加载到寄存器。

举例如下：

movl  4(%ebx),%eax
leal  4(%ebx),%eax　　

第一条指令表示将ebx寄存器中存储的值加4后得到的结果作为内存地址进行访问，并将内存地址中存储的数据加载到eax寄存器中。

第二条指令表示将ebx寄存器中存储的值加4后得到的结果作为内存地址存放到eax寄存器中。

再举个例子，如下：

leaq a(b, c, d), %rax 

计算地址a + b + c * d，然后把最终地址载到寄存器rax中。可以看到只是简单的计算，不引用源操作数里的寄存器。这样的完全可以把它当作乘法指令使用。　　

2、算术运算指令

下面介绍对有符号整数和无符号整数进行操作的基本运算指令。

2.1 add与adc指令

指令的格式如下：

add  I/R/M,R/M
adc  I/R/M,R/M

指令将两个操作数相加，结果保存在第2个操作数中。

对于第1条指令来说，由于寄存器和存储器都有位宽限制，因此在进行加法运算时就有可能发生溢出。运算如果溢出的话，标志寄存器eflags中的进位标志（Carry Flag，CF）就会被置为1。

对于第2条指令来说，利用adc指令再加上进位标志eflags.CF，就能在32位的机器上进行64位数据的加法运算。

常规的算术逻辑运算指令只要将原来IA-32中的指令扩展到64位即可。如addq就是四字相加。　 

2.2 sub与sbb指令

指令的格式如下：

sub I/R/M,R/M
sbb I/R/M,R/M

指令将用第2个操作数减去第1个操作数，结果保存在第2个操作数中。

2.3 imul与mul指令

指令的格式如下：

imul I/R/M,R
mul  I/R/M,R

将第1个操作数和第2个操作数相乘，并将结果写入第2个操作数中，如果第2个操作数空缺，默认为eax寄存器，最终完整的结果将存储到edx:eax中。

第1条指令执行有符号乘法，第2条指令执行无符号乘法。

2.4 idiv与div指令

指令的格式如下：

div   R/M
idiv  R/M

第1条指令执行无符号除法，第2条指令执行有符号除法。被除数由edx寄存器和eax寄存器拼接而成，除数由指令的第1个操作数指定，计算得到的商存入eax寄存器，余数存入edx寄存器。如下图所示。

    edx:eax
------------ = eax（商）... edx（余数）
    寄存器

运算时被除数、商和除数的数据的位宽是不一样的，如下表表示了idiv指令和div指令使用的寄存器的情况。

数据的位宽	被除数	除数	商	余数
8位	ax	指令第1个操作数	al	ah
16位	dx:ax	指令第1个操作数	ax	dx
32位	edx:eax	指令第1个操作数	eax	edx

idiv指令和div指令通常是对位宽2倍于除数的被除数进行除法运算的。例如对于x86-32机器来说，通用寄存器的倍数为32位，1个寄存器无法容纳64位的数据，所以 edx存放被除数的高32位，而eax寄存器存放被除数的低32位。

所以在进行除法运算时，必须将设置在eax寄存器中的32位数据扩展到包含edx寄存器在内的64位，即有符号进行符号扩展，无符号数进行零扩展。

对edx进行符号扩展时可以使用cltd（AT&T风格写法）或cdq（Intel风格写法）。指令的格式如下：

cltd  // 将eax寄存器中的数据符号扩展到edx:eax

cltd将eax寄存器中的数据符号扩展到edx:eax。 

2.5 incl与decl指令

指令的格式如下：

inc  R/M
dec  R/M　

将指令第1个操作数指定的寄存器或内存位置存储的数据加1或减1。

2.6 negl指令

指令的格式如下：

neg R/M

neg指令将第1个操作数的符号进行反转。　 

3、位运算指令

3.1 andl、orl与xorl指令 

指令的格式如下：

and  I/R/M,R/M
or   I/R/M,R/M
xor  I/R/M,R/M

and指令将第2个操作数与第1个操作数进行按位与运算，并将结果写入第2个操作数；

or指令将第2个操作数与第1个操作数进行按位或运算，并将结果写入第2个操作数； 

xor指令将第2个操作数与第1个操作数进行按位异或运算，并将结果写入第2个操作数；　

3.2 not指令 

指令的格式如下：

not R/M

将操作数按位取反，并将结果写入操作数中。

3.3 sal、sar、shr指令

指令的格式如下：

sal  I/%cl,R/M  #算术左移
sar  I/%cl,R/M  #算术右移
shl  I/%cl,R/M  #逻辑左移
shr  I/%cl,R/M  #逻辑右移

sal指令将第2个操作数按照第1个操作数指定的位数进行左移操作，并将结果写入第2个操作数中。移位之后空出的低位补0。指令的第1个操作数只能是8位的立即数或cl寄存器，并且都是只有低5位的数据才有意义，高于或等于6位数将导致寄存器中的所有数据被移走而变得没有意义。

sar指令将第2个操作数按照第1个操作数指定的位数进行右移操作，并将结果写入第2个操作数中。移位之后的空出进行符号扩展。和sal指令一样，sar指令的第1个操作数也必须为8位的立即数或cl寄存器，并且都是只有低5位的数据才有意义。

shl指令和sall指令的动作完全相同，没有必要区分。

shr令将第2个操作数按照第1个操作数指定的位数进行右移操作，并将结果写入第2个操作数中。移位之后的空出进行零扩展。和sal指令一样，shr指令的第1个操作数也必须为8位的立即数或cl寄存器，并且都是只有低5位的数据才有意义。

4、流程控制指令

4.1 jmp指令

指令的格式如下：

jmp I/R

jmp指令将程序无条件跳转到操作数指定的目的地址。jmp指令可以视作设置指令指针（eip寄存器）的指令。目的地址也可以是星号后跟寄存器的栈，这种方式为间接函数调用。例如：

jmp *%eax

将程序跳转至eax所含地址。

4.2 条件跳转指令

条件跳转指令的格式如下：

Jcc  目的地址

其中cc指跳转条件，如果为真，则程序跳转到目的地址；否则执行下一条指令。相关的条件跳转指令如下表所示。

指令	跳转条件	描述	指令	跳转条件	描述
jz	ZF=1	为0时跳转	jbe	CF=1或ZF=1	大于或等于时跳转
jnz	ZF=0	不为0时跳转	jnbe	CF=0且ZF=0	小于或等于时跳转
je	ZF=1	相等时跳转	jg	ZF=0且SF=OF	大于时跳转
jne	ZF=0	不相等时跳转	jng	ZF=1或SF!=OF	不大于时跳转
ja	CF=0且ZF=0	大于时跳转	jge	SF=OF	大于或等于时跳转
jna	CF=1或ZF=1	不大于时跳转	jnge	SF!=OF	小于或等于时跳转
jae	CF=0	大于或等于时跳转	jl	SF!=OF	小于时跳转
jnae	CF=1	小于或等于时跳转	jnl	SF=OF	不小于时跳转
jb	CF=1	大于时跳转	jle	ZF=1或SF!=OF	小于或等于时跳转
jnb	CF=0	不大于时跳转	jnle	ZF=0且SF=OF	大于或等于时跳转

4.3 cmp指令

cmp指令的格式如下：

cmp I/R/M,R/M

cmp指令通过比较第2个操作数减去第1个操作数的差，根据结果设置标志寄存器eflags中的标志位。cmp指令和sub指令类似，不过cmp指令不会改变操作数的值。

操作数和所设置的标志位之间的关系如表所示。

操作数的关系	CF	ZF	OF
第1个操作数小于第2个操作数	0	0	SF
第1个操作数等于第2个操作数	0	1	0
第1个操作数大于第2个操作数	1	0	not SF

4.4 test指令

指令的格式如下：

test I/R/M,R/M

指令通过比较第1个操作数与第2个操作数的逻辑与，根据结果设置标志寄存器eflags中的标志位。test指令本质上和and指令相同，只是test指令不会改变操作数的值。

test指令执行后CF与OF通常会被清零，并根据运算结果设置ZF和SF。运算结果为零时ZF被置为1，SF和最高位的值相同。

举个例子如下：

test指令同时能够检查几个位。假设想要知道 AL 寄存器的位 0 和位 3 是否置 1，可以使用如下指令：

test al,00001001b    #掩码为0000 1001，测试第0和位3位是否为1

从下面的数据集例子中，可以推断只有当所有测试位都清 0 时，零标志位才置 1：

0  0  1  0  0  1  0  1    <- 输入值
0  0  0  0  1  0  0  1    <- 测试值
0  0  0  0  0  0  0  1    <- 结果：ZF=0

0  0  1  0  0  1  0  0    <- 输入值
0  0  0  0  1  0  0  1    <- 测试值
0  0  0  0  0  0  0  0    <- 结果：ZF=1

test指令总是清除溢出和进位标志位，其修改符号标志位、零标志位和奇偶标志位的方法与 AND 指令相同。

4.5 sete指令

根据eflags中的状态标志（CF,SF,OF,ZF和PF）将目标操作数设置为0或1。这里的目标操作数指向一个字节寄存器（也就是８位寄存器，如AL，BL，CL）或内存中的一个字节。状态码后缀（cc）指明了将要测试的条件。

获取标志位的指令的格式如下：

setcc R/M

指令根据标志寄存器eflags的值，将操作数设置为0或1。

setcc中的cc和Jcc中的cc类似，可参考表。

4.6 call指令

指令的格式如下：

call I/R/M

call指令会调用由操作数指定的函数。call指令会将指令的下一条指令的地址压栈，再跳转到操作数指定的地址，这样函数就能通过跳转到栈上的地址从子函数返回了。相当于

push %eip
jmp addr

先压入指令的下一个地址，然后跳转到目标地址addr。　　　　

4.7 ret指令

指令的格式如下：

ret

ret指令用于从子函数中返回。X86架构的Linux中是将函数的返回值设置到eax寄存器并返回的。相当于如下指令：

popl %eip

将call指令压栈的“call指令下一条指令的地址”弹出栈，并设置到指令指针中。这样程序就能正确地返回子函数的地方。

从物理上来说，CALL 指令将其返回地址压入堆栈，再把被调用过程的地址复制到指令指针寄存器。当过程准备返回时，它的 RET 指令从堆栈把返回地址弹回到指令指针寄存器。

4.8 enter指令

enter指令通过初始化ebp和esp寄存器来为函数建立函数参数和局部变量所需要的栈帧。相当于

push   %rbp
mov    %rsp,%rbp

4.9 leave指令

leave通过恢复ebp与esp寄存器来移除使用enter指令建立的栈帧。相当于

mov %rbp, %rsp
pop %rbp

将栈指针指向帧指针，然后pop备份的原帧指针到%ebp　　

5.0 int指令

指令的格式如下：

int I

引起给定数字的中断。这通常用于系统调用以及其他内核界面。 

5、标志操作 

eflags寄存器的各个标志位如下图所示。

操作eflags寄存器标志的一些指令如下表所示。 

指令	操作数	描述
pushfd	R	PUSHFD 指令把 32 位 EFLAGS 寄存器内容压入堆栈
popfd	R	POPFD 指令则把栈顶单元内容弹出到 EFLAGS 寄存器
cld		将eflags.df设置为0

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