计算机系统基础(一)笔记——Week5 IA-32指令系统

Week5 IA-32指令系统

5.1 程序转换概述

机器级指令

• 机器指令和汇编指令一一对应，都是机器级指令
• 机器指令是0/1序列，由若干字段组成

100010 DW mod reg r/m disp8

100010 0 0 01 001 001 11111010

操作码 寻址方式 寄存器编号 立即数（位移量）

• 汇编指令是机器指令的符号表示（==可以有不同格式==）

  mov [bx+di-6],cl表示功能M[R[bx]+R[di]-6] <- R[cl]

  后面的是寄存器传送语言RTL，R寄存器内容，M存储单元内容

两种目标文件

test.o可重定位目标文件，test可执行目标文件

objdump -d test.o反汇编后查看

ISA规定了一台机器的指令系统涉及到的所有方面

• 所有指令的指令格式、功能
• 通用寄存器的个数、位数、编号和功能
• 存储地址空间大小、编址方式、大/小端
• 指令寻址方式

5.2 IA-32指令系统

IA-32/x64指令系统概述

• x86是Intel开发的一类处理器体系结构的泛称

​ 包括Intel 8086、80286等，由于数字不能作为商标，改为了Pentium、Core 2、Core i7等

​ 现在Intel把32位x86架构的名称x86-32改为IA-32（Intel Architecture）

• AMD首先提出了兼容IA-32指令集的64位版本

  扩充了指令和寄存器长度和个数等

  AMD称为AMD64，Intel称其为Intl64

  命名为x86-64（x64）

IA-32

• 8个GPR(0-7)，一个EFLAGs，PC是EIP

• 可寻址空间4GB（0-0xFFFFFFFF）

• 指令格式变长、操作码变长、指令由若干字段（OP、Mod、SIB等）组成

IA-32支持的数据类型和格式

C语言声明	Intel操作数类型	汇编指令长度后缀	存储长度（位）
(unsigned) char	整数/字节	b	8
(unsigned) short	整数/字	w	16
(unsigned) int	整数/双字	l	32
(unsigned) long int	整数/双字	l	32
(unsigned) long long int	-	-	2×32
char *	整数/双字	l	32
float	单精度浮点数	s	32
double	双精度浮点数	l	64
long double	扩展精度浮点数	t	80/96

IA-32由16位架构发展而来，因此虽然字长为32位，但一个字为16位，长度后缀为w；32位为双字，长度后缀为l，long double实际长度为80位，但分配96位=12B（按4B对齐）

IA-32的寄存器组织

反映了体系结构发展的轨迹，字长不断扩充，指令一直适配

IA-32的标志寄存器EFLAGS

• 6个条件标志

  AF：辅助进位标志

  PF：奇偶标志

• 3个控制标志

  DF（Direction Flag）：方向标志

  IF（Interrupt Flag）：中断允许标志

  TF（Trap Flag）：陷阱标志

IA-32的寻址方式

• 操作数所在位置：

  指令中	寄存器中	存储单元中
  立即寻址	寄存器寻址	（存储器操作数）其他寻址方式

  存储器操作数的寻址方式和微处理器的工作模式有关

  • 实地址模式（基本用不到）

    为8086/8088兼容设置，加电或复位时

    寻址空间1MB，20位地址：(CS)<<4+(IP)

  • 保护模式（需要掌握）

    加电后进入，采用虚拟存储管理，多任务情况下隔离、保护

    80286以上微处理器的工作模式

    存执空间2^32B(4G)，32位线性地址分段

• 保护模式下：

  对于存储器操作数

  LA（线性地址）=SR（段寄存器）+A（给定地址段的位移量）+X（根据不同情况分别设置）

  涉及==分段虚拟管理方式==，后续会详细讨论…

  相对寻址

  LA=(PC)+A，跳转目标指令地址

高级语言中寻址举例

int x;
float a[100];
short b[4][4];
char c;
double d[10];
//linux下double按4B对齐，windows下double按8B对齐
//windows下d[0]的地址必须是8的倍数

各变量的寻址方式?

x c：位移/基址

a[i]：104+i×4，比例变址+位移

d[i]：544+i×8，比例变址+位移

b[i][j]：504+i×8+j×2，基址+比例变址+位移

将b[i][j]取到AX中的指令可以是：movw 504(%ebp,%esi,2),%ax，其中i×8在EBP中，j在ESI中，2是比例因子

IA-32机器指令格式

指令段	操作码		寻址方式			SIB		位移	直接数据
字节数	1或2		0或1			0或1		1、2、4	立即数
		Mod(2)	Reg/OP(3)	R/M(3)	SS(2)	Index(3)	Base(3)

• 3位移量和立即数都可以是1B、2B、4B
• SIB中基址B和变址I都可以是8个GRS中任一个；SS给出比例因子
• 操作码：opcode;W与机器模式（16、32位）一起确定寄存器位数（AL、AX、EAX）；D:操作方向（确定源和目标）
• 寻址方式：mod、r/m、reg/op三个字段与w字段和机器模式（16/32）一起确定操作数所在的寄存器编号或有效地址计算方式

8d 04 02 leal (%edx,%eax,1),%eax

1000 1101 00 000 100 00 000 010

操作码 寻址方式 SIB

总结

IA-32是典型的CISC（复杂指令集计算机）风格ISA

• 8个GPRs（8位、16位、32位）

• 2个专用寄存器：EIP(PC)、EFLAGS

• 6个段寄存器（间接给出段基址）

• 存储空间4GB，按字节编址，小段方式

• 寻址方式：立即、寄存器、存储器、相对寻址

  变长指令字、变长操作码