2024-6-12-CSAPP3_程序的机器级表示

2024-06-12

注意：系统导论里面的汇编代码格式是ATT格式，而计组是Intel格式，注意二者区分

基础

体系结构(又称ISA：指令集体系结构) 要进行处理器设计，需要理解或者写汇编/机器代码，ISA定义了处理器状态、指令的格式，以及每条指令对状态的影响

image.png 程序员可见的状态Programmer-Visible State ▪ PC程序计数器PC: Program counter ▪ 下条指令地址Address of next instruction ▪ 称为RIP Called “RIP” (x86-64) ▪ 寄存器堆Register file ▪ 程序频繁使用的数据Heavily used program data ▪ 条件码Condition codes ▪ 存储有关最近的算术和逻辑运算的状态信息 Store status information about most recent arithmetic or logical operation ▪ 用于条件分支Used for conditional branching ▪内存Memory ▪ 字节可寻址的数组Byte addressable array ▪ 代码和用户数据Code and user data ▪ 栈用于支持过程、函数Stack to support procedures

addq %rbx, %rax

相当于 rax += rbx 这些是64位寄存器，因此我们认为这是64位加法

访问信息

x86-64 寄存器 image.png image.png 可以通过不同的指令访问不同字节，如16位访问最低2个字节，32位访问最低的4个字节，64位访问全部字节

操作：

  • 传送数据
    • 从内存装载数据到寄存器
    • 存储寄存器数据到内存
  • 算术运算
    • 对寄存器或内存数据执行算术运算
  • 传递控制
    • 无条件跳转到/从过程
    • 条件分支
    • 间接分支

传送数据

movq Source, Dest

将Source传送到Dest中，为64位数据

操作数类型

  • 立即数：常量整数 ▪ 例如：Example: $0x400, $-533 ▪ 类似C常量，$前缀 ▪ 编码1，2或4字节
  • 寄存器：16个整数寄存器之一 ▪ 例如：Example: %rax, %r13 ▪ 但%rsp保留有特殊用处 ▪ 其它对特定指令有特殊用途
  • 内存：因为是movq，所以是8个连续字节，需要给出内存地址
    • 最简单的例子：Simplest example: (%rax)
    • 各种其它“寻址方式”

movq操作数组合： image.png 注意，单条指令中不能进行内存到内存的传送

内存寻址方式

image.png

在函数调用中，第一个参数存放在rdi寄存器，第二个在rsi寄存器

  • 简单的swap函数，由于不能直接进行内存到内存的传送，因此要通过寄存器执行

image.png 数据先传送到rax和rdx寄存器中： image.png 随后再传送回对应的内存位置： image.png

复杂地址的寻址

image.png D: 立即数偏移 Ri: 索引寄存器，表示第几个元素 S: 比例因子，1，2，4，8作为字节数 image.png

数据传送指令类型

image.png movl 以寄存器作为目的时，会把该寄存器的高位4字节设置为0，原因是x86惯例，任何为寄存器生成32位值得指令都会把寄存器高位置为0 image.png

零扩展和符号扩展

将较小的源值复制到较大的目的时使用 movz将目的中剩余的字节填充为0，movs将通过符号填充 image.png image.png 注意一个cltq，这个指令不需要source和dest，直接填充，且为符号填充

这个例子很好显示出了mov, movz, movs区别： image.png

算数与逻辑运算

leaq 指令

leaq Scr, Dst

Src是寻址方式表达式 设置Dst成为表达式指示的地址

  • 用法
    • 计算地址不访问内存，p=&x[i]
    • 计算x + k *i

image.png

leaq只是一个根据公式进行计算的指令，内部内容不一定需要是地址

[!queation]为什么倾向使用lea? CPU设计师倾向使用：计算一个对象的指针 例如：数组元素image.png 编译器设计人员喜欢用它实现普通计算

  • 可以在一条指令中做复杂的计算
  • x86仅有的几个三操作数指令之一
  • 并不影响条件码（我们后面再讨论）image.png

算数运算

image.png 移位：左移sal, shl，算数右移sar, 逻辑右移shr 注意移位要么存在cl，要么用立即数 image.png image.png

特殊的算数运算

注意imulq，有两种算术运算，如果单操作数，对R[rax]内容乘S(补码乘法)，再把内容分配到两个寄存器中，其中rdx存放高64位，rax存放低64位 image.png cqto隐含操作数，效果是将rax内容转化为8个字，进行符号扩展后分到rdx和rax寄存器 对于除法，商存在rax，而余数存在rdx

控制

C语言的控制流： image.png 汇编语言： image.png

处理器状态

image.png

条件码

单个比特位寄存器

设置时与有无符号无关，只看二进制位的情况即可

  • CF 进位标志Carry Flag (对无符号数for unsigned)
  • SF 符号标志Sign Flag (对有符号数for signed)
  • ZF 零标志Zero Flag
  • OF 溢出标志Overflow Flag (对有符号数for signed)

条件码是隐式设置的，通过算数或者逻辑运算进行设置

addq %edx, %eax
  • set CF 如果从最高有效位进位（无符号溢出）
  • set ZF 如果结果为零
  • set SF 如果结果小于零（有符号数）
  • set OF 如果补码（有符号数）溢出

leaq指令不设置条件码 image.png image.png image.png image.png

设置条件码的指令

cmp

image.png

test

image.png test两个相同的寄存器可以用来检查寄存器值为0，负数还是正数

读取条件码 SetX指令

  • 根据条件码组合设置目的操作数低字节成0或1
  • 不要改变剩余的7个字节

image.png

setl

image.png 这里对最后一种情况解释下：当SF为1的时候，说明最高位为1，但是同时出现了overflow溢出，说明要么上溢，要么下溢，但是下溢出不应该出现最高位为1，所以应该为上溢，又因为这里是减法，说明是减去了一个负数，而且结果还超了，那么a应该为一个正数，那b是负数，说明没有小于

设置了以后通常用movzbl(零扩展从字节到双字)来完成工作 image.png

[!note] setl 和movzbl不会改变条件码 image.png

使用控制的条件分支

跳转指令jx： jmp为无条件跳转 image.png

示例： 在函数中，返回值存储在%rax，第一个参数%rdi, 第二个参数在%rsi image.png 为了更好提前汇编的分支，这里用goto表达：

long absdiff_j
(long x, long y)
{
	long result;
	int ntest = x <= y;
	if (ntest) goto Else;
	result = x-y;
	goto Done;
	
	Else:
	result = y-x;
	
	Done:
	return result;
}

抽象结果：把测试条件反过来，如果没有满足测试，那么进入else，反之直接进入done

通常的代码格式：image.png

使用条件传送指令实现条件分支

val = Test ? Then_Expr : Else_Expr;

goto版本：

result = Then_Expr;
eval = Else_Expr;
// 先让结果为then的结果，再通过判断是否要让result为else
nt = !Test;

if(nt)
	result = eval;

return result;

image.png 使用条件传送：

/*对原本绝对值作差函数的改写*/
long cmovdiff(long x, long y){
	long rval = y - x;  // 计算出了两个作差值，看结果是什么就用哪个
	long eval = x - y;
	long ntest = x >= y;

	if(ntest) rval = eval;
	return rval;
}

对应的汇编代码： 注意一开始x - y 是放在rax寄存器的，这样可以少用一个，同时后面传送的时候直接覆盖就好

absdiff:
	movq %rdi, %rax  # x
	subq %rsi, %rax  # result = x-y 放在rax
	movq %rsi, %rdx
	subq %rdi, %rdx  # eval = y-x 放在rdx
	cmpq %rsi, %rdi  # x-y
	cmovle %rdx, %rax  
	# if <=, result = eval 如果rdi小于rsi，说明结果是y>x那么就把rdx的值给到rax
	ret

优点：有利于CPU流水线运行 缺点： - 需要大量计算 - 同时算了两个值，而条件控制只需要计算一个值image.png - 计算存在风险 - 当遇到空指针的时候可能会有空指针引用image.png - 计算可能有副作用 - 因为同时算了两个值，如果两个值对一个变量进行了改变，那么可能会导致计算出现问题image.png

循环

do-while

image.png 这里的jne实际上是看的是shrq的结果，因为移位运算也会修改条件码

while

由于while在第一次执行body-statement之前，会对test-expr求值，可能会在这个阶段就终止循环，因此，需要使用特别的方法：跳转到中间和guarded-to

跳转到中间

image.png 跳转到中间就是第一次先跳转到test，经过条件判断后再跳转回到loop

do-while转换

先判断，然后后面的跟do-while一样 image.png image.png

For

#define WSIZE 8*sizeof(int)
long pcount_for
(unsigned long x)
{
	size_t i;
	long result = 0;
	for (i = 0; i < WSIZE; i++)
	{
		unsigned bit =
		(x >> i) & 0x1;
		result += bit;
	}
	return result;
}

对于for循环，实际上可以将其优化为while循环： image.png

long pcount_for_while
(unsigned long x)
{
	size_t i;
	long result = 0;
	i = 0;
	while (i < WSIZE)
	{
		unsigned bit =
		(x >> i) & 0x1;
		result += bit;
		i++;
	}
	return result;
}

switch语句

image.png switch语句有特殊的跳转表结构： 跳转表是一个数组，表项i是一个代码段的地址，实现当开关索引值等于i时程序采用的动作。 image.png 跳转表：

  • 最开始是L4
  • 对于多情况标签，将指向同一个L字段
  • 对于default的所有缺失情况，也将指向同一个L字段
  • 对于落入其他情况标签， image.png image.png image.png 注意，w不一定需要在外面初始化，因为有的跳转可能不需要w，但是在内部设置w的时候注意可能会把w的计算写在两个L字段中： image.png

image.png