第18章-x86指令集之常用指令

x86的指令集可分為以下4種：

通用指令
x87 FPU指令，浮點數運算的指令
SIMD指令，就是SSE指令
系統指令，寫OS核心時使用的特殊指令

下面介紹一些通用的指令。指令由標識命令種類的助記符（mnemonic）和作為引數的運算元（operand）組成。例如move指令：

指令	運算元	描述
movq	I/R/M,R/M	從一個記憶體位置複製1個雙字（64位，8位元組）大小的資料到另外一個記憶體位置
movl	I/R/M,R/M	從一個記憶體位置複製1個字（32位，4位元組）大小的資料到另外一個記憶體位置
movw	I/R/M, R/M	從一個記憶體位置複製2個位元組（16位）大小的資料到另外一個記憶體位置
movb	I/R/M, R/M	從一個記憶體位置複製1個位元組（8位）大小的資料到另外一個記憶體位置

movl為助記符。助記符有後綴，如movl中的字尾l表示作為運算元的物件的資料大小。l為long的縮寫，表示32位的大小，除此之外，還有b、w，q分別表示8位、16位和64位的大小。

指令的運算元如果不止1個，就將每個運算元以逗號分隔。每個運算元都會指明是否可以是立即模式值（I）、暫存器（R）或記憶體地址（M）。

另外還要提示一下，在x86的組合語言中，採用記憶體位置的運算元最多隻能出現一個，例如不可能出現mov M,M指令。

通用暫存器中每個操作都可以有一個字元的字尾，表明運算元的大小，如下表所示。

C宣告	通用暫存器字尾	大小(位元組)
char	b	1
short	w	2
(unsigned) int / long / char*	l	4
float	s	4
double	l	5
long double	t	10/12

注意：通用暫存器使用字尾“l”同時表示4位元組整數和8位元組雙精度浮點數，這不會產生歧義，因為浮點數使用的是完全不同的指令和暫存器。

我們後面只介紹call、push等指令時，如果在研究HotSpot VM虛擬機器的彙編遇到了callq，pushq等指令時，千萬別不認識，字尾就是表示了運算元的大小。

下表為運算元的格式和定址模式。

格式	運算元值	名稱	樣例（通用暫存器 = C語言）
$Imm	Imm	立即數定址	$1 = 1
Ea	R[Ea]	暫存器定址	%eax = eax
Imm	M[Imm]	絕對定址	0x104 = *0x104
（Ea）	M[R[Ea]]	間接定址	（%eax）= *eax
Imm(Ea)	M[Imm+R[Ea]]	(基址+偏移量)定址	4(%eax) = *(4+eax)
（Ea,Eb）	M[R[Ea]+R[Eb]]	變址	(%eax,%ebx) = *(eax+ebx)
Imm（Ea,Eb）	M[Imm+R[Ea]+R[Eb]]	定址	9(%eax,%ebx)= *(9+eax+ebx)
(,Ea,s)	M[R[Ea]*s]	伸縮化變址定址	(,%eax,4)= (eax4)
Imm(,Ea,s)	M[Imm+R[Ea]*s]	伸縮化變址定址	0xfc(,%eax,4)= (0xfc+eax4)
(Ea,Eb,s)	M(R[Ea]+R[Eb]*s)	伸縮化變址定址	(%eax,%ebx,4) = (eax+ebx4)
Imm(Ea,Eb,s)	M(Imm+R[Ea]+R[Eb]*s)	伸縮化變址定址	8(%eax,%ebx,4) = (8+eax+ebx4)

注：M[xx]表示在儲存器中xx地址的值，R[xx]表示暫存器xx的值，這種表示方法將暫存器、記憶體都看出一個大陣列的形式。

彙編根據編譯器的不同，有2種書寫格式：

（1）Intel : Windows派系
（2）AT&T: Unix派系

下面簡單介紹一下兩者的不同。

下面就來認識一下常用的指令。

下面我們以給出的是AT&T彙編的寫法，這兩種寫法有如下不同。

1、資料傳送指令

將資料從一個地方傳送到另外一個地方。

1.1 mov指令

我們在介紹mov指令時介紹的全一些，因為mov指令是出現頻率最高的指令，助記符中的字尾也比較多。

mov指令的形式有3種，如下：

mov   #普通的move指令

movs  #符號擴充套件的move指令，將源運算元進行符號擴充套件並傳送到一個64位暫存器或儲存單元中。movs就表示符號擴充套件

movz  #零擴充套件的move指令，將源運算元進行零擴充套件後傳送到一個64位暫存器或儲存單元中。movz就表示零擴充套件

mov指令後有一個字母可表示運算元大小，形式如下：

movb #完成1個位元組的複製

movw #完成2個位元組的複製

movl #完成4個位元組的複製

movq #完成8個位元組的複製

還有一個指令，如下：

movabsq  I,R

與movq有所不同，它是將一個64位的值直接存到一個64位暫存器中。　　

movs指令的形式如下：

movsbw #作符號擴充套件的1位元組複製到2位元組

movsbl #作符號擴充套件的1位元組複製到4位元組

movsbq #作符號擴充套件的1位元組複製到8位元組

movswl #作符號擴充套件的2位元組複製到4位元組

movswq #作符號擴充套件的2位元組複製到8位元組

movslq #作符號擴充套件的4位元組複製到8位元組

movz指令的形式如下：　　

movzbw #作0擴充套件的1位元組複製到2位元組

movzbl #作0擴充套件的1位元組複製到4位元組

movzbq #作0擴充套件的1位元組複製到8位元組

movzwl #作0擴充套件的2位元組複製到4位元組

movzwq #作0擴充套件的2位元組複製到8位元組

movzlq #作0擴充套件的4位元組複製到8位元組

舉個例子如下：

movl   %ecx,%eax

movl   (%ecx),%eax

第一條指令將暫存器ecx中的值複製到eax暫存器；第二條指令將ecx暫存器中的資料作為地址訪問記憶體，並將記憶體上的資料載入到eax暫存器中。

1.2 cmov指令

cmov指令的格式如下：

cmovxx

其中xx代表一個或者多個字母，這些字母表示將觸發傳送操作的條件。條件取決於 EFLAGS 暫存器的當前值。

eflags暫存器中各個們如下圖所示。

其中與cmove指令相關的eflags暫存器中的位有CF（數學表示式產生了進位或者借位）、OF（整數值無窮大或者過小）、PF（暫存器包含數學操作造成的錯誤資料）、SF（結果為正不是負）和ZF（結果為零）。

下表為無符號條件傳送指令。

指令對	描述	eflags狀態
cmova/cmovnbe	大於/不小於或等於	（CF或ZF）=0
cmovae/cmovnb	大於或者等於/不小於	CF=0
cmovnc	無進位	CF=0
cmovb/cmovnae	大於/不小於或等於	CF=1
cmovc	進位	CF=1
cmovbe/cmovna	小於或者等於/不大於	（CF或ZF）=1
cmove/cmovz	等於/零	ZF=1
cmovne/cmovnz	不等於/不為零	ZF=0
cmovp/cmovpe	奇偶校驗/偶校驗	PF=1
cmovnp/cmovpo	非奇偶校驗/奇校驗	PF=0

無符號條件傳送指令依靠進位、零和奇偶校驗標誌來確定兩個運算元之間的區別。

下表為有符號條件傳送指令。

指令對	描述	eflags狀態
cmovge/cmovnl	大於或者等於/不小於	（SF異或OF）=0
cmovl/cmovnge	大於/不大於或者等於	（SF異或OF）=1
cmovle/cmovng	小於或者等於/不大於	(（SF異或OF）或ZF)=1
cmovo	溢位	OF=1
cmovno	未溢位	OF=0
cmovs	帶符號（負）	SF=1
cmovns	無符號（非負）	SF=0

舉個例子如下：

// 將vlaue數值載入到ecx暫存器中

movl value,%ecx

// 使用cmp指令比較ecx和ebx這兩個暫存器中的值，具體就是用ecx減去ebx然後設定eflags

cmp %ebx,%ecx

// 如果ecx的值大於ebx，使用cmova指令設定ebx的值為ecx中的值

cmova %ecx,%ebx

注意AT&T彙編的第1個運算元在前，第2個運算元在後。　　

1.3 push和pop指令

push指令的形式如下表所示。

指令	運算元	描述
push	I/R/M	PUSH 指令首先減少 ESP 的值，再將源運算元複製到堆疊。運算元是 16 位的，則 ESP 減 2，運算元是 32 位的，則 ESP 減 4
pusha		指令按序（AX、CX、DX、BX、SP、BP、SI 和 DI）將 16 位通用暫存器壓入堆疊。
pushad		指令按照 EAX、ECX、EDX、EBX、ESP（執行 PUSHAD 之前的值）、 EBP、ESI 和 EDI 的順序，將所有 32 位通用暫存器壓入堆疊。

pop指令的形式如下表所示。

指令	運算元	描述
pop	R/M	指令首先把 ESP 指向的堆疊元素內容複製到一個 16 位或 32 位目的運算元中，再增加 ESP 的值。如果運算元是 16 位的，ESP 加 2，如果運算元是 32 位的，ESP 加 4
popa		指令按照相反順序將同樣的暫存器彈出堆疊
popad		指令按照相反順序將同樣的暫存器彈出堆疊

1.4 xchg與xchgl

這個指令用於交換運算元的值，交換指令XCHG是兩個暫存器，暫存器和記憶體變數之間內容的交換指令，兩個運算元的資料型別要相同，可以是一個位元組，也可以是一個字，也可以是雙字。格式如下：

xchg    R/M,R/M

xchgl   I/R,I/R、

兩個運算元不能同時為記憶體變數。xchgl指令是一條古老的x86指令，作用是交換兩個暫存器或者記憶體地址裡的4位元組值，兩個值不能都是記憶體地址，他不會設定條件碼。

1.5 lea

lea計算源運算元的實際地址，並把結果儲存到目標運算元，而目標運算元必須為通用暫存器。格式如下：

lea M,R

lea（Load Effective Address）指令將地址載入到暫存器。

舉例如下：

movl  4(%ebx),%eax

leal  4(%ebx),%eax

第一條指令表示將ebx暫存器中儲存的值加4後得到的結果作為記憶體地址進行訪問，並將記憶體地址中儲存的資料載入到eax暫存器中。

第二條指令表示將ebx暫存器中儲存的值加4後得到的結果作為記憶體地址存放到eax暫存器中。

再舉個例子，如下：

leaq a(b, c, d), %rax

計算地址a + b + c * d，然後把最終地址載到暫存器rax中。可以看到只是簡單的計算，不引用源運算元裡的暫存器。這樣的完全可以把它當作乘法指令使用。　　

2、算術運算指令

下面介紹對有符號整數和無符號整數進行操作的基本運算指令。

2.1 add與adc指令

指令的格式如下：

add  I/R/M,R/M

adc  I/R/M,R/M

指令將兩個運算元相加，結果儲存在第2個運算元中。

對於第1條指令來說，由於暫存器和儲存器都有位寬限制，因此在進行加法運算時就有可能發生溢位。運算如果溢位的話，標誌暫存器eflags中的進位標誌（Carry Flag，CF）就會被置為1。

對於第2條指令來說，利用adc指令再加上進位標誌eflags.CF，就能在32位的機器上進行64位資料的加法運算。

常規的算術邏輯運算指令只要將原來IA-32中的指令擴充套件到64位即可。如addq就是四字相加。　

2.2 sub與sbb指令

指令的格式如下：

sub I/R/M,R/M

sbb I/R/M,R/M

指令將用第2個運算元減去第1個運算元，結果儲存在第2個運算元中。

2.3 imul與mul指令

指令的格式如下：

imul I/R/M,R

mul  I/R/M,R

將第1個運算元和第2個運算元相乘，並將結果寫入第2個運算元中，如果第2個運算元空缺，預設為eax暫存器，最終完整的結果將儲存到edx:eax中。

第1條指令執行有符號乘法，第2條指令執行無符號乘法。

2.4 idiv與div指令

指令的格式如下：

div   R/M

idiv  R/M

第1條指令執行無符號除法，第2條指令執行有符號除法。被除數由edx暫存器和eax暫存器拼接而成，除數由指令的第1個運算元指定，計算得到的商存入eax暫存器，餘數存入edx暫存器。如下圖所示。

    edx:eax

------------ = eax（商）... edx（餘數）

    暫存器

運算時被除數、商和除數的資料的位寬是不一樣的，如下表表示了idiv指令和div指令使用的暫存器的情況。

資料的位寬	被除數	除數	商	餘數
8位	ax	指令第1個運算元	al	ah
16位	dx:ax	指令第1個運算元	ax	dx
32位	edx:eax	指令第1個運算元	eax	edx

idiv指令和div指令通常是對位寬2倍於除數的被除數進行除法運算的。例如對於x86-32機器來說，通用暫存器的倍數為32位，1個暫存器無法容納64位的資料，所以 edx存放被除數的高32位，而eax暫存器存放被除數的低32位。

所以在進行除法運算時，必須將設定在eax暫存器中的32位資料擴充套件到包含edx暫存器在內的64位，即有符號進行符號擴充套件，無符號數進行零擴充套件。

對edx進行符號擴充套件時可以使用cltd（AT&T風格寫法）或cdq（Intel風格寫法）。指令的格式如下：

cltd  // 將eax暫存器中的資料符號擴充套件到edx:eax

cltd將eax暫存器中的資料符號擴充套件到edx:eax。

2.5 incl與decl指令

指令的格式如下：

inc  R/M

dec  R/M

將指令第1個運算元指定的暫存器或記憶體位置儲存的資料加1或減1。

2.6 negl指令

指令的格式如下：

neg R/M

neg指令將第1個運算元的符號進行反轉。　

3、位運算指令

3.1 andl、orl與xorl指令

指令的格式如下：

and  I/R/M,R/M

or   I/R/M,R/M

xor  I/R/M,R/M

and指令將第2個運算元與第1個運算元進行按位與運算，並將結果寫入第2個運算元；

or指令將第2個運算元與第1個運算元進行按位或運算，並將結果寫入第2個運算元；

xor指令將第2個運算元與第1個運算元進行按位異或運算，並將結果寫入第2個運算元；　

3.2 not指令

指令的格式如下：

not R/M

將運算元按位取反，並將結果寫入運算元中。

3.3 sal、sar、shr指令

指令的格式如下：

sal  I/%cl,R/M  #算術左移

sar  I/%cl,R/M  #算術右移

shl  I/%cl,R/M  #邏輯左移

shr  I/%cl,R/M  #邏輯右移

sal指令將第2個運算元按照第1個運算元指定的位數進行左移操作，並將結果寫入第2個運算元中。移位之後空出的低位補0。指令的第1個運算元只能是8位的立即數或cl暫存器，並且都是隻有低5位的資料才有意義，高於或等於6位數將導致暫存器中的所有資料被移走而變得沒有意義。

sar指令將第2個運算元按照第1個運算元指定的位數進行右移操作，並將結果寫入第2個運算元中。移位之後的空出進行符號擴充套件。和sal指令一樣，sar指令的第1個運算元也必須為8位的立即數或cl暫存器，並且都是隻有低5位的資料才有意義。

shl指令和sall指令的動作完全相同，沒有必要區分。

shr令將第2個運算元按照第1個運算元指定的位數進行右移操作，並將結果寫入第2個運算元中。移位之後的空出進行零擴充套件。和sal指令一樣，shr指令的第1個運算元也必須為8位的立即數或cl暫存器，並且都是隻有低5位的資料才有意義。

4、流程控制指令

4.1 jmp指令

指令的格式如下：

jmp I/R

jmp指令將程式無條件跳轉到運算元指定的目的地址。jmp指令可以視作設定指令指標（eip暫存器）的指令。目的地址也可以是星號後跟暫存器的棧，這種方式為間接函式呼叫。例如：

jmp *%eax

將程式跳轉至eax所含地址。

4.2 條件跳轉指令

條件跳轉指令的格式如下：

Jcc  目的地址

其中cc指跳轉條件，如果為真，則程式跳轉到目的地址；否則執行下一條指令。相關的條件跳轉指令如下表所示。

指令	跳轉條件	描述	指令	跳轉條件	描述
jz	ZF=1	為0時跳轉	jbe	CF=1或ZF=1	大於或等於時跳轉
jnz	ZF=0	不為0時跳轉	jnbe	CF=0且ZF=0	小於或等於時跳轉
je	ZF=1	相等時跳轉	jg	ZF=0且SF=OF	大於時跳轉
jne	ZF=0	不相等時跳轉	jng	ZF=1或SF!=OF	不大於時跳轉
ja	CF=0且ZF=0	大於時跳轉	jge	SF=OF	大於或等於時跳轉
jna	CF=1或ZF=1	不大於時跳轉	jnge	SF!=OF	小於或等於時跳轉
jae	CF=0	大於或等於時跳轉	jl	SF!=OF	小於時跳轉
jnae	CF=1	小於或等於時跳轉	jnl	SF=OF	不小於時跳轉
jb	CF=1	大於時跳轉	jle	ZF=1或SF!=OF	小於或等於時跳轉
jnb	CF=0	不大於時跳轉	jnle	ZF=0且SF=OF	大於或等於時跳轉

4.3 cmp指令

cmp指令的格式如下：

cmp I/R/M,R/M

cmp指令通過比較第2個運算元減去第1個運算元的差，根據結果設定標誌暫存器eflags中的標誌位。cmp指令和sub指令類似，不過cmp指令不會改變運算元的值。

運算元和所設定的標誌位之間的關係如表所示。

運算元的關係	CF	ZF	OF
第1個運算元小於第2個運算元	0	0	SF
第1個運算元等於第2個運算元	0	1	0
第1個運算元大於第2個運算元	1	0	not SF

4.4 test指令

指令的格式如下：

test I/R/M,R/M

指令通過比較第1個運算元與第2個運算元的邏輯與，根據結果設定標誌暫存器eflags中的標誌位。test指令本質上和and指令相同，只是test指令不會改變運算元的值。

test指令執行後CF與OF通常會被清零，並根據運算結果設定ZF和SF。運算結果為零時ZF被置為1，SF和最高位的值相同。

舉個例子如下：

test指令同時能夠檢查幾個位。假設想要知道 AL 暫存器的位 0 和位 3 是否置 1，可以使用如下指令：

test al,00001001b    #掩碼為0000 1001，測試第0和位3位是否為1

從下面的資料集例子中，可以推斷只有當所有測試位都清 0 時，零標誌位才置 1：

0  0  1  0  0  1  0  1    <- 輸入值

0  0  0  0  1  0  0  1    <- 測試值

0  0  0  0  0  0  0  1    <- 結果：ZF=0

0  0  1  0  0  1  0  0    <- 輸入值

0  0  0  0  1  0  0  1    <- 測試值

0  0  0  0  0  0  0  0    <- 結果：ZF=1

test指令總是清除溢位和進位標誌位，其修改符號標誌位、零標誌位和奇偶標誌位的方法與 AND 指令相同。

4.5 sete指令

根據eflags中的狀態標誌（CF,SF,OF,ZF和PF）將目標運算元設定為0或1。這裡的目標運算元指向一個位元組暫存器（也就是８位暫存器，如AL，BL，CL）或記憶體中的一個位元組。狀態碼字尾（cc）指明瞭將要測試的條件。

獲取標誌位的指令的格式如下：

setcc R/M

指令根據標誌暫存器eflags的值，將運算元設定為0或1。

setcc中的cc和Jcc中的cc類似，可參考表。

4.6 call指令

指令的格式如下：

call I/R/M

call指令會呼叫由運算元指定的函式。call指令會將指令的下一條指令的地址壓棧，再跳轉到運算元指定的地址，這樣函式就能通過跳轉到棧上的地址從子函式返回了。相當於

push %eip

jmp addr

先壓入指令的下一個地址，然後跳轉到目標地址addr。　　　　

4.7 ret指令

指令的格式如下：

ret

ret指令用於從子函式中返回。X86架構的Linux中是將函式的返回值設定到eax暫存器並返回的。相當於如下指令：

popl %eip

將call指令壓棧的“call指令下一條指令的地址”彈出棧，並設定到指令指標中。這樣程式就能正確地返回子函式的地方。

從物理上來說，CALL 指令將其返回地址壓入堆疊，再把被呼叫過程的地址複製到指令指標暫存器。當過程準備返回時，它的 RET 指令從堆疊把返回地址彈回到指令指標暫存器。

4.8 enter指令

enter指令通過初始化ebp和esp暫存器來為函式建立函式引數和區域性變數所需要的棧幀。相當於

push   %rbp

mov    %rsp,%rbp

4.9 leave指令

leave通過恢復ebp與esp暫存器來移除使用enter指令建立的棧幀。相當於

mov %rbp, %rsp

pop %rbp

將棧指標指向幀指標，然後pop備份的原幀指標到%ebp　　

5.0 int指令

指令的格式如下：

int I

引起給定數字的中斷。這通常用於系統呼叫以及其他核心介面。

5、標誌操作

eflags暫存器的各個標誌位如下圖所示。

操作eflags暫存器標誌的一些指令如下表所示。

指令	運算元	描述
pushfd	R	PUSHFD 指令把 32 位 EFLAGS 暫存器內容壓入堆疊
popfd	R	POPFD 指令則把棧頂單元內容彈出到 EFLAGS 暫存器
cld		將eflags.df設定為0

第18章-x86指令集之常用指令