C/C++汇编学习（三）——指令集-汇编基础
????????汇编语言是一种用于与计算机硬件直接交互的低级编程语言。它非常接近机器语言，但提供了更易于理解的符号来表示机器指令和数据。不同的处理器架构有不同的汇编语言。例如，x86架构用于大多数个人电脑，而ARM架构常见于移动设备。
目录
1. 指令集
????????指令集是一组基本操作，由特定的处理器架构定义。这些操作包括数据处理、数据传输、逻辑操作和控制流指令。每种架构都有其独特的指令集，例如x86和ARM的指令集就大不相同。
x86 指令集
x86 指令集主要用于个人电脑和服务器，是最广泛使用的指令集之一。其特点包括：
- 富含指令的集合：x86 指令集包含大量的指令，涵盖了从基本的数学运算到复杂的系统调用和硬件控制等多种操作。
- 复杂指令集计算机（CISC）：x86 属于CISC架构，意味着它包含一些执行多个低级操作的复杂指令。
- 可变长度指令：x86指令的长度不固定，这使得指令集在设计上更为灵活，但也增加了解码指令的复杂性。
- 支持多种寻址模式：x86 指令集提供多种数据寻址方式，如直接寻址、间接寻址、基址加偏移寻址等。
1. 数据处理指令
这些指令用于执行基本的数学和逻辑运算。
ADD,SUB,MUL,DIV：分别用于加法、减法、乘法和除法运算。INC,DEC：分别用于将操作数递增和递减。AND,OR,XOR,NOT：逻辑运算指令，分别执行与、或、异或和非操作。
2. 数据传输指令
用于在寄存器、内存和I/O端口之间移动数据。
MOV：将数据从一个位置移动到另一个位置。PUSH,POP：用于操作堆栈，分别是入栈和出栈操作。IN,OUT：用于与I/O端口通信。
3. 控制流指令
这些指令控制程序的执行流程。
JMP：无条件跳转到指定地址。JE,JNE,JG,JL等：条件跳转指令，根据比较结果跳转。CALL,RET：分别用于函数调用和从函数返回。
4. 字符串和重复操作指令
用于处理字符串和重复操作。
MOVS,CMPS,SCAS：用于字符串移动、比较和扫描。REP,REPE,REPNE：重复执行字符串操作指令。
5. 位操作指令
用于位级操作。
SHL,SHR：分别是逻辑左移和逻辑右移。ROL,ROR：分别是循环左移和循环右移。
6. 特殊和系统指令
INT：产生软件中断。NOP：无操作。HLT：停止处理器的执行，直到下一个外部中断。
7. SIMD指令
- 例如
SSE,SSE2,AVX系列指令，用于同时处理多个数据。
ARM 指令集
ARM 指令集广泛用于移动设备、嵌入式系统和最近的一些个人电脑。其特点包括：
- 简单指令集计算机（RISC）：ARM 属于RISC架构，指令集较为简单，每条指令通常只执行一个操作。
- 固定长度指令：大多数ARM指令长度固定，这简化了指令流的解析和执行。
- 高能效：ARM架构注重能效比，适用于电池供电的设备。
- 条件执行指令：ARM指令集支持条件执行，这可以减少分支指令的使用，提高程序的效率。
1. 数据处理指令
这些指令用于执行基本的数学和逻辑运算。
ADD,SUB：加法和减法。MUL,DIV：乘法和除法。AND,ORR,EOR,BIC：逻辑与、或、异或和位清除。
2. 数据传输指令
用于在寄存器、内存之间移动数据。
LDR,STR：加载和存储指令。LDM,STM：加载和存储多个寄存器的内容。
3. 分支指令
控制程序的流程。
B,BL：无条件分支和带链接的分支（用于函数调用）。BX,BLX：跳转到寄存器中地址的指令。
4. 条件执行指令
ARM的特色之一，可以在特定条件下执行指令。
- 指令后缀如
EQ,NE,GT,LT等，表示等于、不等于、大于、小于等条件。
5. 浮点和SIMD指令
用于浮点计算和单指令多数据操作。
VADD,VSUB,VMUL,VDIV：浮点加法、减法、乘法和除法。VMLA,VMLS：浮点乘加和乘减。
6. 特殊指令
SVC（原SWI）：用于发起软件中断。NOP：无操作。WFI,WFE：等待中断和等待事件。
7. 控制寄存器指令
用于控制程序状态寄存器。
MRS,MSR：用于读取和设置程序状态寄存器。
指令分类
无论是x86还是ARM，其指令集都可以分为以下几类：
- 数据处理指令：用于算术运算（如加、减）、逻辑运算（如与、或、非）等。
- 数据传输指令：用于在寄存器、内存和I/O设备之间传输数据。
- 控制流指令：改变程序执行顺序的指令，如跳转（JMP）、条件分支（如IF-THEN）等。
- 特殊指令：用于系统调用、中断处理等特殊操作。
1. 数据处理指令
这些指令用于执行各种算术和逻辑运算。
- 算术指令：如
ADD（加法），SUB（减法），MUL（乘法），DIV（除法）。 - 逻辑指令：如
AND（与），OR（或），XOR（异或），NOT（非）。 - 移位指令：如
SHL（左移），SHR（右移），ROR（循环右移），ROL（循环左移）。
2. 数据传输指令
用于在不同位置之间传输数据。
- 寄存器间传输：如
MOV，PUSH，POP。 - 内存访问：如
LDR，STR（ARM），LOAD，STORE（x86）。 - I/O操作：如
IN，OUT（x86特有）。
3. 控制流指令
控制程序执行的流程。
- 跳转指令：如
JMP，CALL，RET。 - 条件分支：如
JE（如果等于则跳转），JNE（如果不等于则跳转）等。 - 循环控制：如
LOOP，JLE（如果小于或等于则跳转）。
4. 特殊指令
用于特定的操作和处理器控制。
- 系统调用和中断：如
INT，SYSCALL。 - 特权指令：如用于控制处理器状态的
STI（设置中断标志），CLI（清除中断标志）。 - 无操作指令：如
NOP。
5. SIMD和浮点指令
处理向量和浮点数。
- 单指令多数据（SIMD）操作：如
SSE，AVX指令集（x86）；NEON（ARM）。 - 浮点运算：如
FADD，FSUB，FMUL。
6. 状态和控制寄存器操作
用于管理处理器状态。
- 标志和控制寄存器操作：如
MSR，MRS（ARM），LIDT（x86）。
7. 字符串和重复操作指令
针对字符串和重复数据的高效处理。
- 字符串操作：如
MOVS，CMPS。 - 循环和重复操作：如
REP，REPE。
2. 寄存器
寄存器是处理器内部的小容量存储位置，用于快速访问重要的数据和指令。每个架构都有一组特定的寄存器，常见的寄存器包括：
- 通用寄存器：用于存储临时数据和地址。
- 指令指针寄存器：存储下一条执行指令的地址。
- 栈指针寄存器：指向当前栈顶的位置。
- 标志寄存器：包含执行结果的状态信息，如零位、进位位等。
1. 通用寄存器
通用寄存器可用于多种目的，如存储中间计算结果、地址等。在不同的架构中，通用寄存器的数量和用途可能有所不同。
- x86架构：包括AX, BX, CX, DX等。这些寄存器可以进一步分为高低两部分（如AH和AL是AX的高位和低位）。随着架构的发展，引入了更多的扩展寄存器，如EAX, EBX, ECX, EDX（32位），RAX, RBX, RCX, RDX（64位）。
- ARM架构：通常有R0到R15等寄存器，其中R13通常用作栈指针（SP），R14作为链接寄存器（LR），R15作为程序计数器（PC）。
2. 指令指针寄存器
指令指针寄存器（Program Counter, PC）存储下一条要执行的指令的地址。
- x86架构：称为程序计数器（PC）或指令指针（IP）。
- ARM架构：R15寄存器充当程序计数器。
3. 栈指针寄存器
栈指针寄存器（Stack Pointer, SP）指向当前栈顶的位置。它在函数调用和返回过程中起着重要作用，用于管理函数的调用栈。
- x86架构：ESP（32位）和RSP（64位）寄存器用作栈指针。
- ARM架构：R13寄存器通常用作栈指针。
4. 标志寄存器
标志寄存器（Flag Register）用于存储处理器状态、指示指令执行的结果。
- x86架构：EFLAGS（32位）和RFLAGS（64位）寄存器包含多个标志位，如零标志（ZF）、进位标志（CF）、溢出标志（OF）等。
- ARM架构：程序状态寄存器（Program Status Registers, PSRs）包括应用程序状态寄存器（APSR）中的标志位，如N（负），Z（零），C（进位），V（溢出）。
5. 特殊寄存器
除了上述常见类型，还有一些特殊用途的寄存器。
- 段寄存器（x86特有）：如CS（代码段寄存器）、DS（数据段寄存器）等，用于支持x86的内存分段机制。
- 链接寄存器（ARM特有）：R14寄存器，用于存储函数调用的返回地址。
3. 基本的汇编指令
汇编语言中常见的基本指令包括：
MOV：数据传输指令，用于将数据从一个位置移动到另一个位置。ADD：算术加法指令，用于将两个数值相加。SUB：算术减法指令，用于从一个数值中减去另一个数值。
????????汇编语言确实提供了对硬件的直接控制能力，特别是在需要精确控制硬件行为或优化性能的场景中。下面是x86架构中MOV, ADD, 和 SUB 指令的详细介绍和示例。
1. MOV 指令
??MOV 指令用于将数据从一个位置移动到另一个位置。它不进行任何算术或逻辑操作，仅仅是数据传输。
MOV AX, 5 ; 将立即数 5 移动到 AX 寄存器
MOV BX, AX ; 将 AX 寄存器中的值复制到 BX 寄存器
2. ADD 指令
??ADD 指令用于将两个数值相加。它是最基本的算术运算指令之一。
MOV AX, 5 ; 将 5 移动到 AX 寄存器
ADD AX, 3 ; 将 AX 寄存器中的值与 3 相加，结果存回 AX
3. SUB 指令
? ?SUB 指令用于从一个数值中减去另一个数值。
MOV AX, 10 ; 将 10 移动到 AX 寄存器
SUB AX, 4 ; 将 AX 寄存器中的值与 4 相减，结果存回 AX
4. 分支和循环
????????在汇编语言中，控制流的操作通常涉及条件分支和循环。这个例子中，CMP 指令用于比较两个寄存器的值，JE 和 JNE 是条件跳转指令，它们根据比较的结果跳转到不同的代码段。
CMP AX, BX ; 比较 AX 和 BX 的值
JE equal ; 如果 AX 等于 BX，则跳转到标签 'equal'
JNE notequal ; 如果 AX 不等于 BX，则跳转到标签 'notequal'
equal:
; 在这里编写 AX 等于 BX 时的代码
JMP end
notequal:
; 在这里编写 AX 不等于 BX 时的代码
end:????????这里，LOOP 指令用于实现循环。它每次迭代都会减少 CX 寄存器的值，并且当 CX 不为 0 时跳回到循环的开始
MOV CX, 5 ; 初始化计数器
loop_start:
; 循环体的代码
LOOP loop_start ; 减少 CX 的值，如果 CX 不为 0，则跳回到 loop_start
5. 栈操作
????????栈是一种重要的数据结构，用于实现函数调用、参数传递等。
PUSH AX ; 将 AX 寄存器的值压入栈中
PUSH BX ; 将 BX 寄存器的值压入栈中
POP CX ; 将栈顶的值弹出到 CX 寄存器
6. 函数调用和返回
????????在汇编中，函数调用涉及将参数放入寄存器或栈中，然后使用 CALL 指令调用函数。
CALL myFunction ; 调用函数
myFunction:
; 函数体
RET ; 返回
??CALL 指令用于调用函数，RET 指令用于从函数返回。
7. 内联汇编
????????在高级语言（如C或C++）中，内联汇编允许将汇编指令直接嵌入到源代码中。这种方法结合了高级语言的易用性和汇编语言的强大能力。
int a = 10, b = 20, sum;
asm ("MOV %1, %%eax\n\t"
"ADD %2, %%eax\n\t"
"MOV %%eax, %0"
: "=r" (sum) /* 输出 */
: "r" (a), "r" (b) /* 输入 */
: "%eax" /* 被改变的寄存器 */
);
????????在这个例子中，asm 关键字用于嵌入汇编代码。该代码将 a 和 b 的值相加，并将结果存储在 sum 中。?
总结
????????汇编语言允许程序员直接操控硬件，理解和操作处理器的内部机制。这在系统编程、嵌入式系统、操作系统开发等领域非常重要。不过，由于汇编语言高度依赖于具体的硬件架构，因此通常不如高级语言（如C++或Python）那样具有可移植性。
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