Y86-64指令集体系结构

目录

前言：

1.程序员可见状态

 2.Y86-64指令

3.指令编码

movq指令

整数操作指令

跳转指令

条件传送指令

call和ret指令 

push和pop指令 

halt和nop指令

4.Y86-64异常

5.Y86-64程序

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前言：

本章内容是笔者学习csapp的一些读书笔记，其中大部分内容来自原书，并加入了一些自己的注释

指令系统是计算机软件和硬件交互的接口，由于x86指令集相对复杂，书中定义了一个简单的指令集 “Y86-64” ，能够满足一个处理器对于指令集的基本需求

1.程序员可见状态

在这里，“程序员” 既可以是用汇编代码写程序的人，也可以是产生机器级代码的编译器

程序员的可见状态是指：Y86-64中的每条指令都会读取或者修改处理器状态的某些部分，如程序寄存器、条件码、程序计数器(PC)、内存以及程序状态等等

✨ 对于程序寄存器，相比于x86，%rsp也是被用作栈指针，而Y86-64指令集体系结构中少了程序寄存器%r15，这么做的目的降低编码的复杂度，这一点会在后面提及

✨ 条件码有3个，分别是ZF、SF、OF (有关条件码的内容可以参考）条件码、条件控制和条件传送_七月不远.的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/weixin_58165485/article/details/123466697?spm=1001.2014.3001.5502✨ 程序计数器(PC)存放当前正在执行指令的地址 (注意：是地址而并非内容)

✨ 程序状态码表明这条指令是否正常运行

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 2.Y86-64指令

相比于x86-64指令集，Y86-64指令集做了相应的简化：

 ✨movq指令

 x86-64中的movq指令在这里被分为四种，分别是:

	Source operand	Destination operand
irmovq	Immediate	Register
rrmovq	Register	Register
rmmovq	Register	Memory
mrmovq	Memory	Register

指令的第一个字母表示源操作数的类型，第二个字母表示目的操作数的类型，源操作数可以是立即数(i) ，寄存器(r)，内存(m)，目的操作数可以是寄存器(r)和内存(m)

• irmovq指令表示将一个立即数存进一个寄存器中 
• rrmovq指令表示将一个寄存器中的值存进一个寄存器中
• rmmovq指令表示将一个寄存器中的值存进一个内存地址所对应的内存中
• mrmovq指令表示将一个内存中的值存进一个寄存器中

值得注意的是，我们不能：

• 从一个内存地址直接传送到另一个内存地址，形如mmmovq是不被允许的
• 将立即数直接传送到内存，形如immovq是不被允许的 

✨ 整数操作指令

Y86-64定义了4个整数操作指令，分别是加(addq)，减(subq)，与(andq)，异或(xorq) 

• 只能对寄存器数据进行操作 (这点很重要，x86-64中还允许对内存进行操作)
• 会设置条件码

✨ 跳转指令 

跳转指令形如 jXX，Y86-64定义了7个跳转指令，分别是：

指令	跳转条件	描述
jmp	1	直接跳转
jle	(SF ^ OF) | ZF	小于或等于 (有符号 <=)
jl	SF ^ OF	小于 (有符号 <)
je	ZF	相等 / 零
jne	~ZF	不相等 / 非零
jge	~(SF ^ OF)	大于或等于(有符号 >=)
jg	~(SF ^ OF) & ~ZF	大于(有符号 >)

根据分支指令的类型和条件代码的设置来选择分支 

✨ 条件传送指令 

有6个条件传送指令，形如comvXX：cmovle，cmovl，cmove，cmovne，cmovge，cmovg 

指令格式和rrmovq一样，但只有满足条件码组合时才发生传送 

✨ call指令和ret指令

• call指令的作用是将返回地址入栈，然后跳到目的地址
• ret指令从这样的调用中返回

✨ push指令和pop指令

分别实现入栈和出栈，依靠%rsp来实现 

✨ halt指令 

halt指令会停止指令的执行，导致处理器停止，并将状态码设置为HLT 

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3.指令编码

对于每条指令，Y86-64规定需要1~10个字节不等的编码长度，如ret指令只需要1个字节就能完成编码，而irmovq需要10个字节来完成编码

每条指令的第一个字节表明了指令的类型，它相当于我们的身份证，前六位指明了你所在的地址，而这个字节分为两个部分，每个部分占4个比特位，高4位表示指令代码 (icode)，第4位表示指令功能 (ifun)，下面会有详细介绍

当指令中有寄存器类型的操作数时，会在后面附加一个字节称为寄存器指示符字节，用来显示地给出将要操作地寄存器ID

Y86-64对于15个程序寄存器都给了一个ID，称为寄存器标识符(register ID) 

数字	寄存器名称		数字	寄存器名称
0	%rax		8	%r8
1	%rcx		9	%r9
2	%rdx		A	%r10
3	%rbx		B	%r11
4	%rsp		C	%r12
5	%rbp		D	%r13
6	%rsi		E	%r14
7	%rdi		F	无寄存器

相比于x86-64省略掉寄存器%r15，是为了满足编码地简便性，我们可以用4个比特位来描述所有寄存器类型，从0000~1111刚好16个数，而不需要再多用一个比特位来保存17种情况

下面介绍每种指令的编码形式： 

movq指令

以rrmovq为例，rrmovq指令是将一个寄存器的值传送到另一个寄存器中，其编码有两个字节长度

第一个字节是 2 0 ，2表示指令代码，0表示指令功能，当处理器拿到的指令形式为2 0 rA rB时，首先读到 2 0，处理器知道了这是两个寄存器之间传送指令，寄存器指示符字节给出了 rA，rB，指明了即将用到地两个寄存器ID，因此处理器就会根据这条编码，将 rA 的值传送到 rB 中

 

对于irmovq，它表示将一个立即数传送到寄存器中，其编码长度有10个字节 

3 0代表的是irmovq，处理器读到3 0便知道要将一个立即数传到寄存器，但是在这个过程中只有1个寄存器作为目的操作数被用到，因此在寄存器指示符字节源操作数中是F，表明不需要寄存器，而在后面的8字节中保存的就是这个立即数V，处理器将V传送到寄存器 rB 中

rmmovq和mrmovq中的8字节常数字是一个地址偏移量，表明将内存引用的地址是rB内的地址+偏移量D 

整数操作指令

之前已经说过，整数操作指令只能对两个寄存器中的数据进行操作，因此，只需要2个字节就能完成编码

• 第一个字节 6 fn ，前4位 (6) 指出这是一个整数操作符，后4位(fn)则是指令功能位

      fn = 0 1 2 3分别对应四种规定的整数运算 

• 第二个字节是寄存器指示符字节，指明了即将操作的两个寄存器ID

因此，类似 6 1 2 3这种编码意思就是将寄存器 %rdx 中的值减去寄存器 %rbx 中的值，并把返回结果保存到 %rdx中

跳转指令

和整数操作指令类似，跳转指令也有功能之分，ifun部分分为0~7：

 后面的Dest指明了要跳转的地址，如果满足条件，则下一条指令跳转到这个绝对地址执行

注意：分支指令和调用指令的目的一定是一个绝对地址，而不像IA32中那样使用PC相对寻址 

条件传送指令

和跳转指令类似，条件传送指令的fn分为0~6：

当fn = 0时，代表无条件传送，也就是我们之前提到的rrmovq

其余的fn都是需要条件码满足条件时，才更新目的寄存器的值 

call和ret指令 

call和ret指令分别实现函数调用和返回，其中

• call指令需要9个字节来编码，除了第一个字节外，剩下部分是一个绝对地址指向调用函数的地址 
• ret指令返回的地址存储在栈上，故不需要在指令中给出

push和pop指令 

push和pop指令分别实现入栈和出栈的操作，注意的是即使编码中只有rA一个目的操作数，但实际上这两条指令也同时调用了%rsp(栈指针) 

halt和nop指令

• halt：停止指令的执行
• nop：执行一个空操作 

练习：rmmovq %rsp，0x123456789abcd(%rdx) 进行编码 

rmmovq的第一个字节是40，%rsp的编号是4，%rdx编号是2，因此前两个字节编码是4042，而rmmovq的编码规则将地址偏移量放在后8字节的常数字中，故在小端机器上的编码为：

4042cdab896745230100 

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4.Y86-64异常

对于Y86-64来说，程序员可见状态包括了状态码Stat，其可能的值如下：

值	名称	含义
1	AOK	正常操作
2	HLT	遇到器执行halt指令
3	ADR	遇到非法地址
4	INS	遇到非法指令

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5.Y86-64程序

对于下面代码，用sum函数计算一个整数数组的和：

long sum(long* start, long count)
{
	long sum = 0;
	while (count) {
		sum += *start;
		start++;
		count--;
	}
	return sum;
}

x86-64(由GCC产生)和Y86-64汇编代码如下： 

我们可以很清楚地看到一些差别：

• Y86-64在第2~3行将两个数加载到两个寄存器中，因为不允许在整数操作中使用立即数，只能使用寄存器
• Y86-64在第8~9行先将一个数从内存中取到寄存器中，再完成加法，因为不允许在内存的数与寄存器的数相加