目錄

前言：

1.程序員可見狀態(tài)

?2.Y86-64指令

3.指令編碼

movq指令

整數(shù)操作指令

跳轉(zhuǎn)指令

條件傳送指令

call和ret指令?

push和pop指令?

halt和nop指令

4.Y86-64異常

5.Y86-64程序

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前言：

本章內(nèi)容是筆者學(xué)習(xí)csapp的一些讀書筆記，其中大部分內(nèi)容來(lái)自原書，并加入了一些自己的注釋

指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)軟件和硬件交互的接口，由于x86指令集相對(duì)復(fù)雜，書中定義了一個(gè)簡(jiǎn)單的指令集 “Y86-64” ，能夠滿足一個(gè)處理器對(duì)于指令集的基本需求

1.程序員可見狀態(tài)

在這里，“程序員” 既可以是用匯編代碼寫程序的人，也可以是產(chǎn)生機(jī)器級(jí)代碼的編譯器

程序員的可見狀態(tài)是指：Y86-64中的每條指令都會(huì)讀取或者修改處理器狀態(tài)的某些部分，如程序寄存器、條件碼、程序計(jì)數(shù)器(PC)、內(nèi)存以及程序狀態(tài)等等

? 對(duì)于程序寄存器，相比于x86，%rsp也是被用作棧指針，而Y86-64指令集體系結(jié)構(gòu)中少了程序寄存器%r15，這么做的目的降低編碼的復(fù)雜度，這一點(diǎn)會(huì)在后面提及

? 條件碼有3個(gè)，分別是ZF、SF、OF (有關(guān)條件碼的內(nèi)容可以參考）條件碼、條件控制和條件傳送_七月不遠(yuǎn).的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/weixin_58165485/article/details/123466697?spm=1001.2014.3001.5502? 程序計(jì)數(shù)器(PC)存放當(dāng)前正在執(zhí)行指令的地址 (注意：是地址而并非內(nèi)容)

? 程序狀態(tài)碼表明這條指令是否正常運(yùn)行

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?2.Y86-64指令

相比于x86-64指令集，Y86-64指令集做了相應(yīng)的簡(jiǎn)化：

??movq指令

?x86-64中的movq指令在這里被分為四種，分別是:

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

指令的第一個(gè)字母表示源操作數(shù)的類型，第二個(gè)字母表示目的操作數(shù)的類型，源操作數(shù)可以是立即數(shù)(i)?，寄存器(r)，內(nèi)存(m)，目的操作數(shù)可以是寄存器(r)和內(nèi)存(m)

• irmovq指令表示將一個(gè)立即數(shù)存進(jìn)一個(gè)寄存器中?
• rrmovq指令表示將一個(gè)寄存器中的值存進(jìn)一個(gè)寄存器中
• rmmovq指令表示將一個(gè)寄存器中的值存進(jìn)一個(gè)內(nèi)存地址所對(duì)應(yīng)的內(nèi)存中
• mrmovq指令表示將一個(gè)內(nèi)存中的值存進(jìn)一個(gè)寄存器中

值得注意的是，我們不能：

• 從一個(gè)內(nèi)存地址直接傳送到另一個(gè)內(nèi)存地址，形如mmmovq是不被允許的
• 將立即數(shù)直接傳送到內(nèi)存，形如immovq是不被允許的?

? 整數(shù)操作指令

Y86-64定義了4個(gè)整數(shù)操作指令，分別是加(addq)，減(subq)，與(andq)，異或(xorq)?

• 只能對(duì)寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行操作 (這點(diǎn)很重要，x86-64中還允許對(duì)內(nèi)存進(jìn)行操作)
• 會(huì)設(shè)置條件碼

? 跳轉(zhuǎn)指令?

跳轉(zhuǎn)指令形如 jXX，Y86-64定義了7個(gè)跳轉(zhuǎn)指令，分別是：

指令	跳轉(zhuǎn)條件	描述
jmp	1	直接跳轉(zhuǎn)
jle	(SF ^ OF) | ZF	小于或等于 (有符號(hào) <=)
jl	SF ^ OF	小于 (有符號(hào) <)
je	ZF	相等 / 零
jne	~ZF	不相等 / 非零
jge	~(SF ^ OF)	大于或等于(有符號(hào) >=)
jg	~(SF ^ OF) & ~ZF	大于(有符號(hào) >)

根據(jù)分支指令的類型和條件代碼的設(shè)置來(lái)選擇分支?

? 條件傳送指令?

有6個(gè)條件傳送指令，形如comvXX：cmovle，cmovl，cmove，cmovne，cmovge，cmovg?

指令格式和rrmovq一樣，但只有滿足條件碼組合時(shí)才發(fā)生傳送?

? call指令和ret指令

• call指令的作用是將返回地址入棧，然后跳到目的地址
• ret指令從這樣的調(diào)用中返回

? push指令和pop指令

分別實(shí)現(xiàn)入棧和出棧，依靠%rsp來(lái)實(shí)現(xiàn)?

? halt指令?

halt指令會(huì)停止指令的執(zhí)行，導(dǎo)致處理器停止，并將狀態(tài)碼設(shè)置為HLT?

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3.指令編碼

對(duì)于每條指令，Y86-64規(guī)定需要1~10個(gè)字節(jié)不等的編碼長(zhǎng)度，如ret指令只需要1個(gè)字節(jié)就能完成編碼，而irmovq需要10個(gè)字節(jié)來(lái)完成編碼

每條指令的第一個(gè)字節(jié)表明了指令的類型，它相當(dāng)于我們的身份證，前六位指明了你所在的地址，而這個(gè)字節(jié)分為兩個(gè)部分，每個(gè)部分占4個(gè)比特位，高4位表示指令代碼 (icode)，第4位表示指令功能 (ifun)，下面會(huì)有詳細(xì)介紹

當(dāng)指令中有寄存器類型的操作數(shù)時(shí)，會(huì)在后面附加一個(gè)字節(jié)稱為寄存器指示符字節(jié)，用來(lái)顯示地給出將要操作地寄存器ID

Y86-64對(duì)于15個(gè)程序寄存器都給了一個(gè)ID，稱為寄存器標(biāo)識(shí)符(register ID)?

數(shù)字	寄存器名稱		數(shù)字	寄存器名稱
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	無(wú)寄存器

相比于x86-64省略掉寄存器%r15，是為了滿足編碼地簡(jiǎn)便性，我們可以用4個(gè)比特位來(lái)描述所有寄存器類型，從0000~1111剛好16個(gè)數(shù)，而不需要再多用一個(gè)比特位來(lái)保存17種情況

下面介紹每種指令的編碼形式：?

movq指令

🔰

以rrmovq為例，rrmovq指令是將一個(gè)寄存器的值傳送到另一個(gè)寄存器中，其編碼有兩個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度

第一個(gè)字節(jié)是 2 0 ，2表示指令代碼，0表示指令功能，當(dāng)處理器拿到的指令形式為2 0 rA rB時(shí)，首先讀到 2 0，處理器知道了這是兩個(gè)寄存器之間傳送指令，寄存器指示符字節(jié)給出了 rA，rB，指明了即將用到地兩個(gè)寄存器ID，因此處理器就會(huì)根據(jù)這條編碼，將 rA 的值傳送到 rB 中

?🔰

對(duì)于irmovq，它表示將一個(gè)立即數(shù)傳送到寄存器中，其編碼長(zhǎng)度有10個(gè)字節(jié)?

3 0代表的是irmovq，處理器讀到3 0便知道要將一個(gè)立即數(shù)傳到寄存器，但是在這個(gè)過(guò)程中只有1個(gè)寄存器作為目的操作數(shù)被用到，因此在寄存器指示符字節(jié)源操作數(shù)中是F，表明不需要寄存器，而在后面的8字節(jié)中保存的就是這個(gè)立即數(shù)V，處理器將V傳送到寄存器 rB 中

🔰

rmmovq和mrmovq中的8字節(jié)常數(shù)字是一個(gè)地址偏移量，表明將內(nèi)存引用的地址是rB內(nèi)的地址+偏移量D?

整數(shù)操作指令

之前已經(jīng)說(shuō)過(guò)，整數(shù)操作指令只能對(duì)兩個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，因此，只需要2個(gè)字節(jié)就能完成編碼

• 第一個(gè)字節(jié) 6 fn?，前4位 (6) 指出這是一個(gè)整數(shù)操作符，后4位(fn)則是指令功能位

? ? ? fn = 0 1 2 3分別對(duì)應(yīng)四種規(guī)定的整數(shù)運(yùn)算?

• 第二個(gè)字節(jié)是寄存器指示符字節(jié)，指明了即將操作的兩個(gè)寄存器ID

因此，類似 6 1 2 3這種編碼意思就是將寄存器 %rdx 中的值減去寄存器 %rbx 中的值，并把返回結(jié)果保存到?%rdx中

跳轉(zhuǎn)指令

和整數(shù)操作指令類似，跳轉(zhuǎn)指令也有功能之分，ifun部分分為0~7：

?后面的Dest指明了要跳轉(zhuǎn)的地址，如果滿足條件，則下一條指令跳轉(zhuǎn)到這個(gè)絕對(duì)地址執(zhí)行

注意：分支指令和調(diào)用指令的目的一定是一個(gè)絕對(duì)地址，而不像IA32中那樣使用PC相對(duì)尋址?

條件傳送指令

和跳轉(zhuǎn)指令類似，條件傳送指令的fn分為0~6：

當(dāng)fn = 0時(shí)，代表無(wú)條件傳送，也就是我們之前提到的rrmovq

其余的fn都是需要條件碼滿足條件時(shí)，才更新目的寄存器的值?

call和ret指令?

call和ret指令分別實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用和返回，其中

• call指令需要9個(gè)字節(jié)來(lái)編碼，除了第一個(gè)字節(jié)外，剩下部分是一個(gè)絕對(duì)地址指向調(diào)用函數(shù)的地址?
• ret指令返回的地址存儲(chǔ)在棧上，故不需要在指令中給出

push和pop指令?

push和pop指令分別實(shí)現(xiàn)入棧和出棧的操作，注意的是即使編碼中只有rA一個(gè)目的操作數(shù)，但實(shí)際上這兩條指令也同時(shí)調(diào)用了%rsp(棧指針)?

halt和nop指令

• halt：停止指令的執(zhí)行
• nop：執(zhí)行一個(gè)空操作?

練習(xí)：rmmovq %rsp，0x123456789abcd(%rdx)?進(jìn)行編碼?

rmmovq的第一個(gè)字節(jié)是40，%rsp的編號(hào)是4，%rdx編號(hào)是2，因此前兩個(gè)字節(jié)編碼是4042，而rmmovq的編碼規(guī)則將地址偏移量放在后8字節(jié)的常數(shù)字中，故在小端機(jī)器上的編碼為：

4042cdab896745230100?

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4.Y86-64異常

對(duì)于Y86-64來(lái)說(shuō)，程序員可見狀態(tài)包括了狀態(tài)碼Stat，其可能的值如下：

值	名稱	含義
1	AOK	正常操作
2	HLT	遇到器執(zhí)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

對(duì)于下面代碼，用sum函數(shù)計(jì)算一個(gè)整數(shù)數(shù)組的和：

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

x86-64(由GCC產(chǎn)生)和Y86-64匯編代碼如下：?

我們可以很清楚地看到一些差別：

• Y86-64在第2~3行將兩個(gè)數(shù)加載到兩個(gè)寄存器中，因?yàn)椴辉试S在整數(shù)操作中使用立即數(shù)，只能使用寄存器
• Y86-64在第8~9行先將一個(gè)數(shù)從內(nèi)存中取到寄存器中，再完成加法，因?yàn)椴辉试S在內(nèi)存的數(shù)與寄存器的數(shù)相加

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Y86-64指令集体系结构的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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