深入理解计算机系统（3.3）------操作数指示符和数据传送指令

　　在上一篇博客 程序编码以及数据格式 中我们给出了一个简单的C程序，然后编译成了汇编代码。大家看不懂没关系，后面的博客我们将逐渐揭开一些汇编指令的神秘面纱。本篇博客我们将对操作数指示符和数据传送指令进行详细的介绍。

1、整数寄存器

　　上一篇博客我们讲了在汇编语言中，如下的几个处理器状态是可见的：

　　一、程序计数器（在 IA32 中通常称为 PC，用 %eip 表示）：指示将要执行的下一条指令在存储器中的地址。

　　二、整数寄存器文件：包含8个命名的位置，可以存储一些地址或者整数的数据。有的用来记录某些重要的程序状态，有的则用来保存临时数据。

　　三、条件码寄存器：保存最近执行的算数或逻辑指令的状态信息，它们用来实现控制或数据流中的条件变化，比如用来实现 if 和 while 语句。

　　四、浮点寄存器：存储浮点数。

　　这里我们要讲的就是第三个整数寄存器，在 32 位 CPU 中包含一组 8 个存储 32 位值的寄存器。这些寄存器用来存储整数数据或指针。下图是 IA32 的整数寄存器：

　　

　　上述八个寄存器主要功能如下：

%eax，可存放一般数据，而且可作为累加器使用；
%ebx，可存放一般数据，而且可用来存放数据的指针（偏移地址）；
%ecx，可存放一般数据，而且可用来做计数器，常常将循环次数用它来存放；
%edx，可存放一般数据，而且可用来存放乘法运算产生的部分积，或用来存放输入输出的端口地址（指针）；
%esi，可存放一般数据，还可用于串操作中，存放源地址，对一串数据访问；
%edi，可存放一般数据，还可用于串操作中，存放目的地址，对一串数据访问；
%esp，用于寻址一个称为堆栈的存储区，通过它来访问堆栈数据；
%ebp，可存放一般数据，用来存放访问堆栈段的一个数据区，作为基地址；

　　在大多数情况下，%eax、%ecx、%edx、%ebx、%esi、%edi等6个寄存器可以看做通用寄存器，对它们的使用没有限制；%esp、%ebp两个寄存器保存着指向程序栈中重要位置的指针，只有根据栈管理的标准惯例才能修改这两个寄存器中的值。

　　这8个寄存器都可以作为16位（字）或32位（双字）来访问。字节操作指令可以独立的读或者写%eax、%ecx、%edx、%ebx等4个寄存器的2个低位字节，因为%ax、%cx、%dx、%bx这4个16位寄存器又可分别分成ah，al ；bh，bl；ch，cl；dh，dl的8位寄存器。

　　这里大家也只需要有个眼熟就好了，后面我们将对这个8个寄存器进行详细讲解。

2、操作数指示符

　　我们知道大多数指令都有一个或多个操作数（operand），指示出执行一个操作中要引用的源数据值，以及放置结果的目标位置。下图是 IA32 支持的多种操作数格式：

　　

　　上图我们可以看出源数据值可以是常数形式给出，或者是从寄存器或存储器中读出。而结果可以存放在寄存器或存储器中。我们将不同的操作数分为如下三种类型：

　　①、立即数（immediate）：书写方式是$符号后跟一个标准C表示的整数，比如$52，$0x1F等等。任何能放进一个32位的字里面的数值都可以做立即数。

　　②、寄存器（register）:它表示某个寄存器的内容，可以是8个32位寄存器中的一个（比如%eax），也可以是8个16位寄存器中的一个（比如%ax）,还可以是8个单字节寄存器寄存器（比如%al）。上图是用Ea来表示任意寄存器a,用引用 R[Ea]来表示它的值。

　　③、存储器（memory）:它会根据计算出来的地址（通常称为有效地址）来访问某个存储器位置。我们将存储器看成一个很大的字节数组，用符号Mb[Addr] 表示对存储在存储器中从地址 Addr 开始的 b 个字节值的引用。上图省略了下方的 b.

 　　从上图我们知道，第一行是立即数，第二行则是寄存器，剩下的全部是存储器。其中最后一行存储器语法 Imm(Eb,Ei,s)，表示的是最常用的形式，分为四个部分，

　　一、Imm 是立即偏移数

　　二、Eb 是基址寄存器

　　三、Ei 是变址寄存器

　　四、s 是比例因子，必须是 1、2、4或8

　　然后有效地址计算公式为： Imm + R[Eb]+R[Ei]*s。比如对于2(%esp,%eax,4)这个操作数来讲，它代表的是内存地址为2+%esp+4*%eax的存储器区域的值。

3、数据传送指令

　　数据传送指令：将数据从一个位置复制到另一个位置的指令。简单来说就是复制指令。

　　将源操作数的值复制到目的操作数中并覆盖。源操作数指定的值是一个立即数，存储在寄存器或存储器中。目的操作数指定一个位置，要么是一个寄存器，要么是一个存储器地址。在 IA32 中还有一条限制，传送指令的两个操作数不能都执行存储器位置。

　　将一个值从一个存储器位置复制到另一个存储器位置需要两条指令：（就和宋丹丹把大象送进冰箱的步骤一样）

　　①、第一条指令将源值加载到寄存器中

　　②、第二条指令将该寄存器值写入到目的位置。

　　下图是许多不同的指令类：

　　

 4、MOV 指令

　　MOV 类由三条指令组成：movb，movw和 movl。指令格式为 [movx S D],表示将源操作数S中的数据复制到目的操作数D中。三种指令的区别是它们分别是在大小为 1,2和4个字节的数据上进行操作。

　　这里举一个简单的例子，比如我们有一条指令为movl %edx %eax。那么它的执行过程就如下图所示。

　　

　　上图引用至：深入理解计算机系统（3.3）---数据传送（或者说复制）指令详解 - 左潇龙 - 博客园

　　在指令执行之后，%edx寄存器当中的内容会被复制到%eax寄存器。数据格式则为四个字节，也就是双字。我们还可以使用movb和movw去复制一个字节或者两个字节。

5、MOVS指令　　

　　MOVS指令格式为 [movsxy S D],其中x、y为数据格式，S为源操作数，D为目的操作数。x、y的组合有三种，分别是bw，bl，wl,分别表示字节（8位）传送到字（16位），字节（16位）传送到双字（32位），字（16位）传送到双字（32位）。

　　将较小的源数据复制到一个较大的数据位置。高位用符号位扩展，即目的位置的所有高位用源值的最高位数值进行填充。

　　比如对于指令movswl %dx %eax来讲，它的作用如下图所示。

　　

　　上图引用至：深入理解计算机系统（3.3）---数据传送（或者说复制）指令详解 - 左潇龙 - 博客园

　　这里使用了十六进制的整数表示方式。可以看到，movs指令将0x8FFF扩展以后存入%eax寄存器，其中%dx为寄存器%edx的后16位表示。

6、MOVZ 指令

　　MOVZ 指令和上面的MOVS 指令十分相似。指令格式为 [movzxy S D],其中x、y为数据格式，S为源操作数，D为目的操作数。x、y的组合有三种，分别是bw，bl，wl,分别表示字节（8位）传送到字（16位），字节（16位）传送到双字（32位），字（16位）传送到双字（32位）。

　　将较小的源数据复制到一个较大的数据位置。高位用0扩展，即目的位置的所有高位用0进行填充。

　　比如对于指令movzwl %dx %eax来讲，它的作用如下图所示。

　　

　　上图引用至：深入理解计算机系统（3.3）---数据传送（或者说复制）指令详解 - 左潇龙 - 博客园

　　扩展后，目标寄存器%eax的前16位为0而不再是1。

7、push 和 pop 指令

　　我们知道 栈 是一个数据结构，可以添加或删除值，遵循“后进先出”的原则。

　　push：把数据压入栈中，添加数据。

　　pop:把数据移出栈，删除数据。注意移出的值总是最近被压入而仍然在栈中的值。

　　栈可以实现为一个数组，总是从数组的一端插入或删除元素。而这一端称为栈顶，在 IA32 中，程序栈存放在存储器某个区域，如下图所示：

　　

　　注意由于操作数字节的不同，pushl 是将双字（32位）压入栈中；popl 是移出双字。

　　将一个双字值压入栈中，首先要将栈指针减4，然后将值写到新的栈顶地址。因此指令 pushl %ebp 等价于下面两条指令：

　　subl  $4,%esp

　　movl %ebp,(%esp)

　　上图所示，当 %esp 为0x108,%eax为0x123时，执行指令 pushl %ebp 的效果。首先 %esp 会减4，得到0x104，然后会将 0x123 存放到存储器地址 0x104处。

　　将一个双字值从栈顶移出，首先要从栈顶位置读出数据，然后将栈指针加4。因此指令 popl %eax 等价于下面两条指令：

　　movl (%esp),%eax

　　addl $4,%esp

　　上图所示，先从存储器中读取值 0x123，再写到寄存器 %edx中，然后寄存器%esp的值将增加回到0x108。

　　注意值0x123仍然会保存在存储器0x104中，直到被覆盖（比如被另一条入栈操作覆盖）。无论如何，%esp 指向的地址总是栈顶，任何存储在栈顶之外的数据都认为是无效的。

8、总结

　　本章主要介绍了操作数指示符，需要我们理解几种表达式的计算方法。接着介绍了几种数据传送指令，包括MOV,MOVS,MOVZ,PUSH和POP等，总体上来看不难理解，我们在了解这些指令后，再回头看那些汇编代码，应该会理解很多了。下一篇博客我们将进一步介绍汇编指令——算术和逻辑操作。