计算机组成原理与汇编语言(二)
计算机组成原理与汇编语言(二)
文章目录
- 计算机组成原理与汇编语言(二)
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- 第三章 程序的机器级表示
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- --- 汇编语言
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-
- 通过汇编语言 ，可以做到
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- 对比C语言、汇编语言、机器语言
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- 程序编码
- 不同类型数据的区分
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- 数据格式
- 数据如何访问
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-
- 数据的传送指令
- 栈操作
-
- 算术和逻辑运算 +，-， &，|
- 控制结构 if，for，switch
-
- 程序的基本结构形式
- 控制--实现分支、循环
-
- 条件码
- 设置条件码的典型指令
- 分支程序设计
- 循环结构
- 过程，函数(敲重点)
-
- 栈和栈的操作:push, pop
- 指令指针寄存器 eip(指令指针)
- 过程调用和返回: call, ret
- 过程调用中寄存器使用惯例
- 栈帧(stack frame)
- 数组和指针
-
- 数组分配和访问:
- 综合:理解指针
承接上文:计算机组成原理与汇编语言(一)
第三章 程序的机器级表示
— 汇编语言
通过汇编语言 ，可以做到
-
分析程序隐含的低效率，例如，访问数组元素的顺序的不同
a[i][j],a[j][i] -
了解程序运行时的行为
-
了解程序漏洞的产生
主要是分析Inter-IA32 ,32位操作系统，在X86架构下的体系指令 （课程学习只学到32位的，还没学X86-64即64位的）
- IA:指令体系结构,即机器语言的语法规则
对比C语言、汇编语言、机器语言
程序编码
-
高级语言程序：不关心CPU，也极少直接访问硬件资源
-
汇编语言程序：更关心CPU，看到更多
–整数寄存器：8个，
eax, ebx, ecx, edx, … –程序计数器：1个，PC
–条件码寄存器：1个
不同类型数据的区分
数据格式
-
不同整数数据类型，汇编代码的区分，以add传送指令为例：
–
addb （b：byte，8位） –
addw （w：word，16位） –
addl （l：long word，32位） -
整数与浮点数的区分：不同指令，不同代码
数据如何访问
信息，即数据，放在存储器，CPU中的寄存器
x可以是：常数、寄存器、存储器引用
y可以是：常数、寄存器、存储器引用
–常数：直接给出数本身,如“z = $77 + x”
–寄存器：给出寄存器名字,如指令z = %eax + $44
–存储器引用：
给出能计算存储器地址的形式：`Imm(Eb, Ei, s)`，
地址计算：`Imm+Eb+Ei*s`
例如指令z = %ecx + 9(%eax,%edx,4)，后一个操作数地址的计算形式是：Imm+Eb+Ei*s=9+eax+edx*4
- 操作数指令符
| 1.立即数 | 2.寄存器 | 3.存储器 |
|---|---|---|
| (immediate) | (register) | (memory) |
寻址模式:
Imm(Eb , Ej , s)由四部分组成立即数偏移
Imm,基址寄存器Eb , 变址寄存器 Ej , 比例因子s(值只能为1,2,4,8其中一个,也可以没有)存储器地址的计算形式：
Imm+Eb+Ei*s
数据的传送指令
–mov S,D 相当于 D(目的操作数)=S(源操作数)
mov：传送
例如：movl %eax, %ebx
要求：两操作数长度一致
movs：符号扩展传送
例如：movswl %ax, %eax
要求：两操作数前短后长
movz：零扩展传送
例如：movzwl %bx, %ebx
要求：两操作数前短后长
两个操作数不能都指向存储器
- 例如:
有定义如下：
int A;
char c=‘a’;
unsigned char d=‘a’;
则
d=c; 相当于 movb c, d
A=c; 相当于 movsbl c, A
A=d; 相当于 movzbl d, A
栈操作
-
push、pop：栈操作
-
push功能:将数据进栈
其操作相当于：
subl$4, %espmovl要进栈的数据, (%esp) -
pop功能：将栈顶数据弹出
其操作相当于：
movl%esp, 数据弹出的存储位置addl$4, %esp -
例子
C语言代码:
int exchange(int *xp, int y)
{
int x = *xp;
*xp = y;
return x;
}
汇编代码
movl 8(%ebp), %edx
movl (%edx), %eax
movl 12(%ebp), %ecx
movl %ecx, (%edx)
出栈操作,先把
8(%ebp)的数据出栈,传给%edx,就得到*xp
(%edx)-> %eax将*xp的值赋给x
12(%ebp)->%ecx然后到12(%ebp)的数据出栈,传给%ecx,就得到y
%ecx-> (%edx)将*xp赋给y
算术和逻辑运算 +，-， &，|
-
1.一元指令(只有一个操作数)：
xxx Dinc D，dec D，not Dincrease ， decrease
例：
inc %eax ；加一 dec %ebx ；减一 not %ecx ；非若：已知执行上述三条指令前
eax=1，ebx=10，ecx= -1，则，执行上述指令后，
eax=？ebx=？ecx=？2,9,1
- 二元指令(有两个操作数)：
xxx S,D
add，sub，xor，or，and
add，subtract
例：
add %eax, %ebx ；加
sub %eax, %ecx ；减
xor %eax, %edx ；异或
or %eax, %edi ；或
and %eax, %esi ；与
若：已知执行上述五条指令前
eax=1，ebx=10，ecx=20，edx=1，edi=0，esi=1，则，执行上述指令后，
ebx=？ecx=？edx=？edi=？esi=？
11,19, 0,1, 1
- 移位指令：
xxx k，D（k是移位次数）是在二进制的基础上进行移位
sal，sar，shl，shr （其中sal和shl功能完全等价）
在计算机中只能以二进制的形式进行移位,向左移动 |n| 位,就相当于乘于2n ,其中n也分正负值,向左为正值,向右为负值。
算术左移，操作数左移，最低位补0，逻辑左移，操作数左移，最低位补0。
算术右移，操作数右移，最高位不变，逻辑右移，操作数右移，最高位补0。
左移操作相当于乘法操作，它是会让操作数变大的，也就是说，它随时存在着溢出的风险。若左移操作保留符号位的话，那么左移会出现越来越小的情况，但是你的本意是让这个数变大最后却发现左移后的数变小了，为了规避这种溢出带来的问题，统一了左移操作，也就是说，在左移操作中，寄存器只负责储存这个数（不管是否合乎人意，它只要是个数就行），若没有溢出的时候，则原样存储。所以说左移操作是会改变符号位的。
我们知道右移操作的算术操作是除法，那么在计算机中是肯定让这个数变小的，所以不存在溢出的风险，那么设计者就把是否保留符号位的权力交给了程序编写人员，所以
SAR和SHR是两个不同的操作。维基百科中有介绍：
Logical shifts are best used with unsigned numbers
逻辑移位最好用于无符号数In an arithmetic shift, the spaces are filled in such a way to preserve the sign of the number being slid. For this reason, arithmetic shifts are better suited for signed numbers in two’s complement format
在算术移位中，移位空间被补0或者保留高位（即符号位）的方式处理，因此，算术移位操作更适用于两个有符号数的补码操作
字母代表的意思:
s/sh：shift
a：arithmetic
l：left
r：right
例：
sal 1，%eax ；算数左移
sar 3，%eax ；算数右移（前面补符号）最高位不变
shl 4，%eax ；逻辑左移
shr 2，%eax ；逻辑右移（前面补零）
若：已知执行上述三条指令前
eax=16，则单独执行上述各指令后，eax各是多少？
100000，11110，100000000，00100
- 加载有效地址(Load Effective Address Long word)：
leal S,D ；功能：D <- &S，类似C中的取地址操作
例：leal （%eax）, %ebx
| 指令 | 效果 | 描述 |
|---|---|---|
| leal S, D | D <-&S | 加载有效地址 |
| INC D | D <- D+1 | 加1 |
| DEC D | D <- D-1 | 减1 |
| NEG D | D <- -D | 取负 |
| NOT D | D <- ~D | 取补 |
| ADD S, D | D <- D + S | 加 |
| SUB S, D | D <- D - S | 减 |
| IMUL S, D | D <- D * S | 乘 |
| XOR S, D | D <- D ^ S | 异或 |
| OR S, D | D <- D | S | 或 |
| AND S, D | D <- D & S | 与 |
| SAL k, D | D <- D< |
左移 |
| SHL k, D | D <- D< |
左移(等同于SAL) |
| SAL k, D | D <- D>>L k | 算术右移 |
| SHL k, D | D <- D>>L k | 逻辑右移 |
">>A “和”>>L "分别表示算术右移和逻辑右移
SHL和SAL两者对应操作的机器码是完全相同的，因此SHL和SAL是不同名的同种操作
SAR和SHR是两个的操作对应的机器码是不同的，所以SAR和SHR是两个不同的操作。
补充:(忘了的偷瞄一下)
控制结构 if，for，switch
程序的基本结构形式
- 顺序结构
- 分支结构
分支、循环都涉及转移地址
- 循环结构
控制–实现分支、循环
•实现C语言中的
if
for
while
switch
条件码
除了整数寄存器，CPU还维护着一组单个位的条件码(condition code)寄存器，它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件分支指令。
- 一个条件码 <–> 一位二进制数，其值为：1或0，即真或假
| 条件值 | 进位 - CF | 零 - ZF | 溢出 - OF | 负 - SF |
|---|---|---|---|---|
| Carry Flag | Zero Flag | Overflow Flag | Sign Flag | |
| 1 | 有进位 | 为零 | 溢出 | 为负 |
| 0 | 无进位 | 非零 | 未溢出 | 非负 |
举个栗子
附:无特殊说明,统一按有符号数计算
设置条件码的典型指令
-
比较指令
-
cmp S,D ; D-S (比较)
类似于sub S，D，设置条件码，但不存减的结果
例如，若S=0 0001110，D=0 0001111，则该指令后各条件值是：无进位，不为零，无溢出，非负。即：CF=0，ZF=0，OF=0，SF=0
-
test S,D ; D&S (测试)
类似于and S，D，设置条件码，但不存与的结果
-
-
跳转指令
-
无条件转移指令
jmp地址- 无条件转移到目标地址去执行指令
-
格式：
jmp 目标地址 -
条件转移指令
jX地址- 根据条件码的状态判断是否转移
-
- 单个条件码判断
- 无符号数判断
- 有符号数判断
-
- 根据条件码的状态判断是否转移
-
j / jmp ：jump
-
单个条件码判断的转移指令
jz：若结果为零，即zf=1，则转移jnz：若zf=0，则转移js：若结果为负，即sf=1 ，则转移jns：若sf=0，则转移j/jmp：jumpz: zeros: signedn: not举个栗子:
设(ax)=0x8000, (bx)=0x8000
cmp bx, ax 因为ax-bx是等于0, 所以zf为真
jz L2 程序将转到语句2
L1: 语句1
L2: 语句2
e和z的区别
e: equal 判断是否相等
比较结果为零，说明两数相等，所以
jz=je，jnz=jne
-
无符号数比较的转移指令
ja：高于则转移（a > b）
jna：不高于则转移（a <= b）
jb：低于则转移（a < b）
jnb：不低于则转移（a >= b）
j/jmp：jump
a: above
b: below
n: not
举个栗子:
设(al)=1111 1111b, (bl)=0000 0000b，
分别为255，0
cmp al, bl 0低于255，即bl低于al，
jb L2 将转去语句2的位置
L1: 语句1
L2: 语句2
-
带符号数比较转移指令
jg：大于则转移（a>b）
jng：不大于则转移（a <= b）
jl：小于则转移（a < b）
jnl：不小于则转移a >= b）
j/jmp：jump
g: greater
l: less
n: not
举个栗子:
设(al)=1111 1111b, (bl)=0000 0000b，
分别为-1，0
cmp al, bl 0大于-1，即bl大于al
jg L2 将转去语句2的位置
L1: 语句1
L2: 语句2
分支程序设计
- 利用比较指令和转移指令实现分支：
- 比较指令：
CMP - 转移指令：无条件
jmp、条件转移jX
- 比较指令：
循环结构
三种循环：
-
do while 先执行后判断
-
for 相当于 if + do while
-
while 相当于 if + do while
| do-while | while | for |
|---|---|---|
| do | while (条件) | for(初始化表达式;条件;更新表达式) |
| body | body | body |
| while(条件) |
过程，函数(敲重点)
栈和栈的操作:push, pop
-
栈：一片内存区域，按栈的操作规则使用
只能从栈顶进行操作
栈的增长方向：低地址方向
-
esp(extended stack pointer 栈指针)：栈顶指针寄存器，指示栈顶位置.
-
ebp(extended base pointer 帧指针): 栈底指针寄存器, 指示栈底位置
-
当程序执行的时候,栈指针可以移动,因为大多数信息的访问都是相对于帧指针的.
-
栈的操作：push，pop
push S：进栈指令
esp - 4 -> p
S ->（esp）
pop D：出栈指令
（esp）-> D
esp + 4 -> esp
指令指针寄存器 eip(指令指针)
-
eip: extended instruction pointer
-
“eip指哪里，CPU打哪里”
- eip指哪里，CPU就执行哪里的指令，CPU总是跟着eip走的
过程调用和返回: call, ret
-
call 子过程:过程调用指令
保存返回地址
转入子过程
相当于：
push 返回地址
jmp 子过程
-
ret：过程返回指令
从子过程返回
相当于：pop eip
过程调用中寄存器使用惯例
-
寄存器：共享资源，需要保护
-
保护寄存器：保护惯例
调用者保护：eax, ecx, edx
被调用者保护：ebx, edi, esi
栈帧(stack frame)
-
每个过程需要存储自己的一些信息：
存储返回信息
保存寄存器
存储本地变量
传递过程参数
-
栈帧（stack frame）：为每个过程分配的栈
esp：栈顶
ebp：栈底
-
栈帧内容（被调用者的）：
调用者的ebp
保存的寄存器
局部变量
参数区
-
每个过程有三部分：
建立栈帧
程序主体
结束
补充:
数组和指针
数组分配和访问:
综合:理解指针
-
int *p;
p是地址，其指向的存储单元存放的须是个int型数据
-
int **cp;
cp是地址，其指向的存储单元存放的须是一个int*型数据（即整型指针，其指向的存储单元存放的是一个int型数据）
-
指针类型的强制转换：
设char *p；则p+7 计算为 p+7，
而（int *）p+7则相当于（int *）p+7 ，所以计算为p+28
-
地址运算符：
- 取内容：“*”
- 取地址：“&”
未完待续。。。。。。。
计算机组成原理与汇编语言(三)