汇编语言知识总结

介绍

汇编是一类编程语言,每种cpu对应一种cpu语言,这些语言语法大同小异,指令集有所不同,

那么这些cpu语言统称为汇编语言,与java,c++,python等高级语言无异, 只不过汇编更加接近硬件,代码执行效率高

二进制>汇编>c>java

所有编程语言都有相应语法,汇编也不例外, 语法是人定的,只是一套公共协议,目的是方便程序员进行程序开发

为什么要学汇编

• 了解程序的本质, 利于日常开发
• 从事硬件相关开发工作
• 进行反编译逆向
• 装X

常见的cpu架构

• x86 架构 : PC 端主流 高性能高功耗
• ARM 架构: 移动端主流 体积小低功耗
• MIPS 架构: 龙芯3号 国产cpu

不同架构使用的指令集也不一样, X86使用了CISC复杂指令集 ARM采用了RISC精简指令集

RISC可以说是从CISC中取其精华去其糟粕，简化指令功能，让指令的平均执行周期减少，达到提升计算机工作主频的目的，同时引入大量通用寄存器减少不必要的读写过程，提高子程序执行速度，这样一来程序运行时间缩短并且减少了寻址，提高了编译效率，最终达到高性能目的

不同cpu架构所对应的汇编语法大致相同, 只是指令集不同

寄存器

顾名思义, 寄存器可以理解为是寄生在cpu上存放数据的容器, 在计算机当中,用于存放数据的容器有很多,比如内存条,硬盘等等, 那寄存器有什么不一样呢?

• 寄存器靠近cpu,读写数据速度远大于内存
• 进行数据的临时存储

当然 cpu内部除了有寄存器之外,还有运算器和控制器, 对于我们程序员来讲,只需要学习寄存器即可

缓存

寄存器和缓存是两个概念, 由于cpu执行速度太快, 而内存读写数据远远跟不上, 这时需要借助缓存进行数据缓冲,相当于是寄存器和内存之间的中间桥梁, 这样cpu在执行指令的时候能够有源源不断的数据供给

了解:寄存器–>一级缓存–>二级缓存–>三级缓存–>内存

拓展: 如果内存条的读写性能过差, 那么cpu再强悍也使不上劲,巧妇难为无米之炊, 因此平常我们再自己组装电脑时,除了内存条的容量之外,还需要考虑到内存条的品质, 否则影响cpu性能,硬盘同理

为什么要了解寄存器

因为程序员如果想要操控cpu或者修改内存, 不能直接操控, 需要借助寄存器, 更改寄存器当中的数据间接地操控cpu和内存

寄存器的数量

在高级语言中如果要对两个变量进行数据交换,我们通常的做法是使用一个temp临时变量,比如:

int a=1;
int b=2;
int temp;
//数据交换
temp=a;
a=b;
b=temp;

寄存器是一个存储容器,也可以通俗理解为是一个变量, 那么cpu在进行数据交换时明显一个寄存器是不够的, 在8086cpu中,通用寄存器有好几个,比如ax,bx,cx,dx 这些名称是固定的, 根据cpu的不同名称也各不相同, 咱们只需知道每种cpu都有相应的通用寄存器, 寄存器数量越多,自然运算效率越高

寄存器的分类

• 通用寄存器 (通用): 用于存放临时数据, 可以简单理解为高级语言中的临时变量
• 段寄存器 (特有): 内存分段管理 x86架构中分为数据段,代码段和栈段 ARM架构中没有段寄存器
• 浮点寄存器 (特有): 专用于浮点数的运算
• 向量寄存器 (特有): 专用于向量运算
• 标志寄存器
• 状态寄存器
• ……….

通用寄存器的命名

在x86架构中 , 一共有四个通用寄存器,以16位x86为例, 分别取名为ax,bx,cx,dx 最大只能装16位的数据 在ARM架构中, 一共有31个通用寄存器,以64位arm为例 从x0到x30 在MIPS架构中,, 一共有32个通用寄存器 ,从0到31

在x86架构中,不同精度cpu 通用寄存器名称有所区分:

;在x86架构中,不同精度cpu 通用寄存器名称有所区分:
0x1122334455667788
  ================ rax (64 bits)  ;字母r开头表示64位寄存器 r是registers的意思
          ======== eax (32 bits)  ;e开头表示32位寄存器 e是扩展的意思 extend
              ====  ax (16 bits)  ;默认ax表示16位寄存器 
              ==    ah (8 bits)
                ==  al (8 bits)

e是扩展的意思，在386以前，CPU的寄存器的16位的，用AX，BX等表示， 386及以后的CPU，它们的寄存器的32位的，所以就用多一个E来表示

在ARM架构中,不同精度cpu 通用寄存器名称同样有所区分:

0x1122334455667788
  ================ xN (64 bits)  ;x开头表示64位寄存器 从x0到x30  
  		  ======== WN (64 bits)  ;WN表示64位寄存器中的低32位 64位cpu中才有 32位中没有W这种命名
  		  
          ======== RN (32 bits)  ;字母R开头表示32位寄存器     不一定是大写也有小写

在64位cpu中WN是XN的低32位, 属于xN的一部分, WN数据改了,xN也会跟着一块改, 也就是说WN无法独立存在, 同时ARM中并没有提供16位和8位寄存器的访问和使用

汇编代码初探

工具: https://godbolt.org/

进制转换基础

1. 计算机只识别二进制, 汇编中一般使用十六进制表示数据, 使用十六进制是为了方便程序员阅读和开发
2. 二进制和十六进制转换

0101 1100 1001 0010  //二进制
 
 5    C    9    2    //每四位二进制数对应一位十六进制数

在x86汇编代码中,十六进制写法为如下:

mov ax,2000H  ;h结尾表示十六进制, h不区分大小写

在ARM汇编代码中,十六进制写法为如下:

mov R0,#0x2020202A ;使用0x开头表示  #是固定写法,暂不用理会

数据单位

• 位 :一个二进制位
• 字节 :8个二进制位表示一个字节

由于八个二进制位转换成十六进制后是两位十六进制数, 所以两个十六进制数占用一个字节:

0x20   ;占用一个字节
或者 
20H    ;占用一个字节

在计算机中最小的数据单位是位,但在内存中,最小的数据单位是字节,一个内存单元占用一个字节, 内存单元就是一个存放数据的容器,可以比喻为一栋公寓里面的小单间, 每个单间住着一对夫妻

内存单元和地址

内存单元相当于一栋公寓里的小单间, 每个单间里面住着一个字节(一对夫妻) , 一对夫妻是两个人, 形容两个十六进制数

地址就相当于这个房间的门牌号, 通常使用十六进制表示(也叫物理地址)

cpu想要读写内存中的数据, 需要通过地址来需要对应的内存单元,也叫寻址

那么问题来了, 一栋公寓里一共有多少个单间呢, 或者说单间的数量跟什么有关呢?

• 内存条容量: 既然每个内存单元占的空间是固定的, 那么内存容量越大,房间自然就越多

给房间贴门牌号

0x1
0x2
0x3
...
0x10
0x20
...
0x100
0x200   
...
0x1000
0x2000
...
    
0xFFFF 65535
    0xFFFFA

现实中门牌编号最大值和什么有关?

• 装修师傅的计算能力
• 门牌金属板的宽度(字体大小不变的前提)

在计算机的世界中

• 装修师傅的计算能力—–>cpu运算能力
• 门牌金属板的宽度——->地址总线宽度(地址总线数量)

如果对应的cpu是16位的, 同时地址总线也是16位,那么最大只能运算表示16位数也就是0xFFFF ,

如果对应的cpu是32位的, 同时地址总线也是32位,那么最大只能表示32位数也就是0xFFFFFFFF

如果对应的cpu是64位的, 同时地址总线也是64位,那么最大只能表示64位数也就是0xFFFFFFFFFFFFFFFF

在8086cpu中 cpu是16位 但是地址总线却是20位, 本来最大只能表示16位地址值, cpu设计者为了让其能表示20位地址,使用了段地址*16+偏移地址的形式来表示20位地址

物理地址=段地址*16+偏移地址

如果要表示一个20位物理地址0xFFFFA,可以有一下四种写法:

0xFFFFA=0xFFFF*16+0x000A //FFFF0   10*10=100   

0xFFFFA=0xFFF0*16+0x00FA

0xFFFFA=0xFF00*16+0x0FFA

0xFFFFA=0xF000*16+0xFFFA

因此计算机的寻址能力不单单和cpu有关还和地址总线有关, 32位操作系统对应32位地址总线, 这也就是为什么即便你用的是64位cpu,如果只装了32位操作系统,无法完全发挥cpu和内存的性能

栈和队列

栈和队列都是数据存储结构,数据结构大致包含以下几种存储结构：

1. 线性表，还可细分为顺序表,链表、栈和队列；

• 树结构，包括普通树,二叉树,线索二叉树；
• 图存储结构
• 队列结构 :先进先出, 和排队一样
• 栈存储结构 : 先进后出, 类似于往往杯子里放饼干, 第一个放的最后一个取出

栈作用 :

• 用于存储临时数据,
• 对数据进行暂时性保护,不被复写
• 寄存器不够用时,使用栈临时代替中转

寄存器和栈同样用于存放临时数据, 那么它们两者有什么区别呢? 寄存器类似于全局变量,是个公共容器,可以被所有函数读写,寄存器中的数据容易被覆盖, 常用于短周期使用 栈空间是累加型结构: 如果想要复写第一个放入的数据,必须先将后面存放的数据丢弃, 类似于递归, 适合嵌套数据,这也是为什么函数和函数中的局部变量都存放在栈中的原因

总线

存在的意义, 内存中的数据不能直接运算,必须将其读取到寄存器中进行处理, cpu运算完毕后,将其保存至内存中, 那么这一系列过程中,涉及到数据传输, 那么这三条线就是干这个用的

x86汇编语法

1. 注释

;我是注释

了解: arm汇编注释同为; 而mips汇编注释为#

1. 变量取值和赋值(传送指令)

;赋值
mov ax,2000H ;将十六进制2000赋值给十六位寄存器ax  相当于ax=2000H


;取值
mov bx,ax ;将ax中的值取出赋值给bx  相当于bx=ax

无论是x86还是arm传送指令都是mov 存放的数据大小根据使用的寄存器而定, 比如ax是16位寄存器,最大只能存放16位数据,也就是4位十六进制数据

1. 函数声明

结构如下:

函数名:
	函数体
	ret   ;结尾标记

示例:

print:	;函数名
		mov dx,offset str
		mov ah 9ch 
		int 21h
		
		ret ;函数结尾标记

1. 函数调用

x86架构中使用关键指令call, ARM架构中使用关键指令bl

x86架构汇编示例:

		call print ;调用print函数
		
		;退出程序
		mov ah 4ch 
		int 21h
		
print:	;函数名
		mov dx,offset str;获取别名对应数据的偏移地址
		mov ah 9ch ;9h表示调用显存 从dx总读取偏移地址对应的数据
		int 21h
		ret

ARM架构汇编代码示例:

.text 
.global _A,_B ;定义两个全局函数 A和B

_A:
	mov x0 ,#0xa0 ;arm汇编中数据用#开头
	bl _B ;调用函数B
	mov x1 ,#0x00
	add x1 ,x0,#0x14 ;x1=x0+0x14
	ret  
	
_B:
	add x0, x0,#0x10
	ret ;返回到bl指令所对应的下一条指令

C语言内嵌汇编代码(GCC内联汇编)

格式

asm volatile(   ;asm也可写成 __asm__ 或者__asm
"汇编指令"
:"=限制符"(输出参数) ,"=限制符"(输出参数)
:"限制符"(输入参数)
:保留列表
)

;volatile是可选关键字,表示禁止编译器对汇编代码进行优化
;汇编指令之间使用\n进行分隔
;限制符用于和c语言交互,属于可选,多个参数使用逗号进行分隔

代码示例:

//将input的值赋值给result 
int main()
{
    int result = 0;
    int input = 1;
  asm volatile (
        "movl %1, %0\n" // 通过占位符指定交互的变量  %1赋值给%0
        : "=r"(result)      // 输出变量，与汇编交互
        : "r"(input)            // 输入变量，与汇编交互
// 这里的r指示编译器自动将通用寄存器关联到变量
        );
     printf("result = %d\n", result);
    printf("input = %d\n", input);
 
 
}

我们看到，movl指令的操作数（operand）中，出现了%1、%0，这往往让新手摸不着头脑。其实只要知道下面的规则就不会产生疑惑了： 在内联汇编中，操作数通常用数字来引用，具体的编号规则为：若命令共涉及n个操作数，则第1个输出操作数（the first output operand）被编号为0，第2个output operand编号为1，依次类推，最后1个输入操作数（the last input operand）则被编号为n-1。 具体到上面的示例代码中，根据上下文，涉及到2个操作数变量a、b，这段汇编代码的作用是将a的值赋给b，可见，a是input operand，而b是output operand，那么根据操作数的引用规则，不难推出，a应该用%1来引用，b应该用%0来引用。

常用限制符参照:

为什么有些汇编语法不一致

C语言外链汇编

新建一个汇编原文件, linux平台.s结尾 ,windows平台.asm结尾

;外链汇编
;以下使用的是AT&T的汇编语法

.text ;声明为代码段
.global _sum  ;定义为全局函数, 否则无法被外界访问
_sum:  ;函数名称必须_开头
    movq %rdi,%rax  ;方法参数存放在di和di寄存器中
    addq %rsi,%rax
    retq

然后在C中进行相应调用即可