CSAPP学习笔记 -- 第三章 程序的机器级表示（上）

3.1 历史观点

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    IA32是x86-64的32位前身

    每个处理器的设计都是向后兼容的

    

3.2 程序编码

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    编译选项 -0g告诉编译器使用会生成符合原始C代码整体结构的机器代码的优化级别。

    机器级编程的两种抽象

        第一种抽象：ISA定义了机器级程序的格式和行为——处理器状态，指令的格式，以及每条指令对状态的影响。

        第二种抽象：机器级程序使用的内存地址是虚拟地址，提供的内存模型看上去是一个非常大的字节数组。

    程序计数器 - PC - %rip - 将要执行的下一条指令在内存中的地址

    整数寄存器文件 - 16个 - 存储地址或者整数数据

    条件码寄存器 - 保存最近执行的算术或逻辑指令的状态信息

    一组向量寄存器可以存放一个或多个整数或浮点数值

    程序内存包含：程序的可执行机器代码、操作系统需要的一些信息、用来管理过程调用和返回的运行时栈、以及用户分配的内存块（比如说用malloc库函数分配）

    一条机器指令只执行一个非常基本的操作

    值得注意的关于机器代码和他的反汇表示的特性值得注意：

        x86-64的执行长度从1到15个字节不等，常用指令以及操作数少的指令所需要的字节数少，而那些不太常用或操作数较多的指令所需字节数多

        设计指令格式的方式是，从某个给定位置开始，可以将字节唯一的解码成机器指令

        反汇编器只是基于机器代码文件中的字节序列来确定汇编代码，他不需要访问该程序的源代码或汇编代码

        反汇编器使用的指令命名规则与GCC生成的汇编代码使用的有写席位的差别。

    汇编代码中，所有以‘.’开头的行都是知道汇编器和链接器工作的伪指令。

    在C语言中插入汇编代码的方法有两种：

        1. 编写完整的函数放进一个独立的汇编代码文件中，让汇编器和链接器把它和用C语言书写的代码合并起来

        2. 使用GCC的内联汇编他行，用asm伪指令可以在C程序中包含简短的汇编代码，这种方法的好处是减少了与机器相关的代码量

 

 

3.3 数据格式

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Intel用术语“字word”表示16位数据类型

 

大多数GCC生成的汇编代码指令都有一个字符的后缀，表明操作数的大小

 

 

 

3.4 访问信息

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一个x86-64的CPU包含一组16个存储64位值的通用目的寄存器，用来存储整数数据和指针

• %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
• %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

 

当这些指令以寄存器作为目标时，对于生成小于8字节结果的指令，寄存器处理剩下字节遵循两个原则

• 生成1/2字节数字的指令会保持剩下的字节不变
• 生成4字节数字的指令会把高四位字节置0

 

大多数指令有一个或多个操作数，指示出执行一个操作中要使用的源数据值，以及放置结果的目的位置。操作数分为三类

• 立即数
• 在AT&T格式的汇编代码中，立即数的书写代码是‘$’后面跟一个用标准C表示法表示的整数
• 不同的指令允许的立即数范围不同
• 寄存器
• 用符号 ra 来表示任意寄存器a
• 用引用 R[ra] 来表示他的值
• 内存引用
• 根据计算出来的地址（通常称为有效地址）访问某个内存位置
• 用符号 Mb[Addr] 表示对存储在内存中从地址Addr开始的b字节的引用，为了简便通常省去下标b

 

寻址模式

 

最简单形式的数据传送指令——MOV类

• MOV类由四条指令组成：movb、movw、movl、movq
• 这些指令把数据从源位置复制到目的位置，不作任何变化
• x86-64有一条限制，传送指令的两个操作数不能都是指向内存位置
• 寄存器部分的大小（两者取小）必须与最后一个字符指定的大小匹配
• MOV指令只会更新目的操作数指定的那些寄存器字节或内存位置，除了movl指令的目的寄存器的高位四字节置0
• movabsq能够以任意64位立即数值作为源操作数，并且只能以寄存器作为目的
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• 拓展——P123 - MOVZ类、MOVS类
• MOVZ 零扩展
• MOVS 符号扩展
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栈

• 按照惯例，栈是倒过来画的
• 栈顶元素的地址是所有栈中元素地址中最低的
• 栈指针%rsp保存着栈顶元素的地址
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3.5 算术和逻辑运算

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操作指令分为四组

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加载有效地址指令

• 加载有效地址指令实际上是mov指令的变形
• 他的指令形式是从内存读取数据到寄存器，但实际上它根本没有引用内存，而是将有效地址写入到目的操作数，C语言的取址符可以解释这种运算
• 这条指令可以为后面的内存引用产生指针
• 另外还可以简洁的描述普通的算术操作

 

一元操作

• 只有一个操作数，既是源操作数，又是目的操作数
• 这个操作数可以是寄存器或者内存位置

 

二元操作

• 第一个操作数是源，可以是立即数、寄存器和内存位置
• 第二个操作数既是源操作数，又是目的操作数，可以是寄存器或者内存位置
• 当第二个操作数是内存位置时，处理器必须从内存位置读出值，执行操作，再把结果写回内存

 

移位操作

• 第一操作数是移位量，可以是立即数或者单字节寄存器%cl中的值（特定寄存器）
• 第二操作数是目的操作数，可以是寄存器或内存位置
• SAL是算术左移，右边补0
• SHL是逻辑左移，右边补0
• SAR是算术右移，左边补符号位
• SHR是逻辑左移，左边补0

 

特殊的算术操作

• Intel把16字节的数称为 八字
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• 理解--除法
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