计算机底层逻辑

最新推荐文章于 2025-05-10 16:58:26 发布

嗨起飞了

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分类专栏：计算机原理文章标签：汇编笔记

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/CFXcf/article/details/145951288

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机器语言运算逻辑深度解析

一、机器语言运算基础架构

1.1 运算器核心组件

; 寄存器结构示例（Intel x86）
EAX -> 累加寄存器（32位）
AX  -> 累加器低16位
AL  -> 累加器低8位
EBX -> 基址寄存器
ECX -> 计数器
EDX -> 数据寄存器
EFLAGS -> 状态寄存器（存储进位/溢出等标志）

1.2 运算指令格式

; 通用指令格式（ModR/M字节解析）
操作码 | Mod | Reg | R/M
8位    | 2位 | 3位 | 3位

示例：ADD指令编码
000000dw | mod reg r/m
（d=方向位，w=字长位）

二、算术运算实现原理

2.1 加法运算

; 8位加法机器码示例
B0 0A       mov al, 0x0A    ; 将0x0A装入AL
04 05       add al, 0x05    ; AL = 0x0A + 0x05
; 结果：AL=0x0F，CF=0

; 32位带进位加法
01 D8       add eax, ebx    ; EAX = EAX + EBX
13 45 FC    adc eax, [ebp-4] ; EAX = EAX + [ebp-4] + CF

2.2 减法运算

; 16位减法示例
66 B8 00F0  mov ax, 0xF000
66 2D 0100  sub ax, 0x0001  ; AX = 0xF000 - 0x0001
; 结果：AX=0xEFFF，CF=0（无借位）

; 带借位减法
29 D8       sub eax, ebx    ; EAX = EAX - EBX
1B 45 F8    sbb eax, [ebp-8] ; EAX = EAX - [ebp-8] - CF

三、逻辑运算与位移操作

3.1 位逻辑运算

; AND运算（机器码 20-23）
22 C3       and al, bl      ; AL = AL & BL
21 D9       and ecx, ebx    ; ECX = ECX & EBX

; OR运算（机器码 08-0B）
08 D8       or al, bl       ; AL = AL | BL
09 CB       or ebx, ecx     ; EBX = EBX | ECX

; XOR运算（机器码 30-33）
30 E4       xor ah, ah      ; 清零AH
31 C0       xor eax, eax    ; 清零EAX

3.2 位移操作

; 逻辑左移（SHL）
C0 E0 02    shl al, 2       ; AL左移2位
C1 E1 04    shl ecx, 4      ; ECX左移4位

; 算术右移（SAR）
D0 F8       sar al, 1       ; AL带符号右移1位
C1 FF 03    sar edi, 3      ; EDI带符号右移3位

; 循环移位（ROL）
C0 C0 03    rol al, 3       ; AL循环左移3位
C1 C1 07    rol ecx, 7      ; ECX循环左移7位

四、浮点运算协处理器

4.1 FPU指令集示例

D9 05 00000000 fld dword [x]    ; 加载浮点数到ST0
D8 0D 00000000 fmul dword [y]  ; ST0 = ST0 * y
D8 45 F8       fadd dword [ebp-8] ; ST0 = ST0 + [ebp-8]
D9 1D 00000000 fstp dword [result] ; 存储结果

4.2 SIMD运算（SSE指令）

66 0F 58 C1   addpd xmm0, xmm1    ; 双精度浮点加法
66 0F 59 D2   mulps xmm2, xmm0    ; 单精度浮点乘法
66 0F EB C3   por xmm0, xmm3      ; 按位或操作

五、运算优化实战案例

5.1 快速幂算法优化

; 计算a^b（EAX=a，ECX=b）
31 D2          xor edx, edx
89 C8          mov eax, ecx
B1 01          mov cl, 1
loop_start:
D1 E8          shr eax, 1
73 04          jnc no_multiply
0F AF D1       imul edx, ecx
no_multiply:
0F AF C9       imul ecx, ecx
75 F4          jnz loop_start

5.2 矩阵乘法优化

; SSE3优化矩阵乘法
movaps xmm0, [esi]      ; 加载4个单精度浮点
movaps xmm1, [edi] 
mulps xmm0, xmm1        ; 并行乘法
haddps xmm0, xmm0       ; 水平相加
haddps xmm0, xmm0
movss [eax], xmm0       ; 存储结果

六、机器代码生成示例

6.1 C语言内联汇编

// 执行CPUID指令
void get_cpu_id(char *buf) {
    __asm__ volatile (
        "xorl %%eax, %%eax\n\t"
        "cpuid\n\t"
        "movl %%ebx, %0\n\t"
        "movl %%edx, %1\n\t"
        : "=m"(*(uint32_t*)buf), 
          "=m"(*(uint32_t*)(buf+4))
        : 
        : "%eax", "%ebx", "%ecx", "%edx"
    );
}

6.2 直接机器码注入

# 生成自修改代码
import mmap
code = b"\x55\x89\xE5\x8B\x45\x0C\x03\x45\x08\x5D\xC3"
exec_mem = mmap.mmap(-1, len(code), prot=mmap.PROT_READ | mmap.PROT_WRITE | mmap.PROT_EXEC)
exec_mem.write(code)
sum_func = ctypes.CFUNCTYPE(ctypes.c_int, ctypes.c_int, ctypes.c_int)(ctypes.addressof(ctypes.c_void_p.from_buffer(exec_mem)))
print(sum_func(2,3))  # 输出5