1. 数据格式

在汇编语言层面，Intel用术语字word表示16位数据类型，双字double words表示32位数据类型，四字quad words表示64位数据类型。

这里字的概念和字长不一样，要注意区分。

下表给出了x86-64环境（64位机器+64位编译）下C语言的基本数据类型表示。

此外还有不太常用的数据类型，如long long、long double。

大多数gcc生成的汇编代码指令都有一个字符的后缀，表面操作数的大小。例如：传送字节movb、传送字movw、传送双字movl、传送四字movq。
用后缀l表示双字，因为32位数被看成是长字long word。汇编代码也使用后缀l表示8字节双精度浮点数，这不会产生歧义，因为浮点数使用的是一组完全不同的指令和寄存器。

2. 访问信息

一个x86-64的CPU包含一组16个存储64位值的通用目的寄存器。这些寄存器用来存储整数数据和指针，它们的名字都以%r开头。

最初的8086中有8个16位寄存器，即%ax ~ %sp。扩展到IA32架构时，为了兼容旧架构，这些寄存器的标号扩展为%eax ~ %esp。扩展到64位时，原来的8个寄存器标号为%rax ~ %rsp，此外还增加了8个新的寄存器%r8 ~ %r15。

指令可以对这16个寄存器的低位字节中存放的不同大小的数据进行操作。字节级操作可以访问最低的字节，16位操作可以访问最低的2个字节，32位操作可以访问最低的4个字节，64位操作可以访问整个寄存器。

对于操作小于8字节数据的指令，寄存器中剩下的字节会怎样，有以下规则：

• 仅操作最低的1字节或2字节时，寄存器中其他的字节不变。
• 仅操作低4字节时，高4字节会被置0。

在常见的程序里，不同的寄存器扮演不同的角色。如%rsp用来指明运行时栈的结束位置。
有一组标准的编程规范控制着如何使用寄存器来管理栈、传递函数参数、存储函数的返回值，存储局部和临时数据。

2.1. 操作数指示符

大多数指令有一个或多个操作数，指示执行一个操作要使用的源数据值、目的位置。源数据可以以常数形式给出，或从寄存器或内存中读出。目的位置可以是寄存器或内存。因此操作数的类型有三种：

• 立即数，用来表示常数值。在ATT格式的汇编代码中，立即数的书写方式是$后面跟一个标准C表示法表示的整数，如$-577、$0xff、$010等。不同的指令允许的立即数值范围不同，汇编器会自动选择最紧凑的方式进行数值编码。
• 寄存器，表示某个寄存器的内容。使用16个寄存器的低1、2、4或8字节作为操作数。我们使用$r_a$表示任意寄存器a，使用$R[r_a]$表示该寄存器的值。这里将寄存器集合看成数组R，寄存器标号是数组下标。
• 内存引用，它会根据计算出来的地址访问某个内存位置。将内存看成一个很大的字节数组，我们用符号$M_b[Addr]$表示对存储在内存中从地址Addr开始的b的字节的访问。通常省略下标b。

2.1.1. 练习

假设下面的值存放在指明的内存地址和寄存器中。

填写下表，给出操作数的值：

2.2. 数据传送指令

最频繁使用的指令是将数据从一个位置复制到另一个位置的指令。下表列出来的是最简单的数据传送指令——MOV类，由四条指令组成：movb、movw、movl和movq，这些指令都执行同样的操作，区别在于所操作的数据大小不同。

源操作数指定的值是一个立即数，存储在寄存器或内存中；目的操作数指定一个位置，要么是一个寄存器，要么是一个内存地址。x86-64中两个操作数不能都指向内存位置。寄存器操作数可以是16个寄存器有标号部分中的任意一个，寄存器部分的大小必须与指令最后一个字符（b、w、l或q）指定的大小匹配。通常情况下，MOV指令只会更新目的操作数指定的那些寄存器字节或内存位置。唯一例外的是movl指令以寄存器作为目的操作数时，它会把寄存器的高4字节设置为0。

下面的MOV指令示例给出了源和目的类型的5种可能的组合。第一个是源操作数，第二个是目的操作数。

movl $0x4050, %eax
movw %bp, %sp
movb (%rdi, %rcx), %al
movb $-17, (%rsp)
movq %rax, -12(%rbp)

movabsq指令是处理64位立即数的。常规的movq指令只能以表示为32位补码数字的立即数作为源操作数，然后把这个值符号扩展到64位，放到目的位置。movabsq指令能够以任意64位立即数作为源操作数，且目的操作数只能是寄存器。

在将较小的源值复制到较大的目的时，需要使用MOVZ和MOVS做数据扩展。MOVZ类中的指令把目的中剩余的字节填充为0，MOVS类中的指令通过符号扩展填充。每条指令名字的最后两个字符分别表示源大小和目的大小。如：

movzbw S, R  // 将做了零扩展的字节传送到字
movsbw S, R  // 将做了符号扩展的字节传送到字
cltq  // 把%eax符号扩展到%rax

MOVZ和MOVS只能以寄存器或内存地址作为源，以寄存器作为目的。
movl %ebx, %rax中movl默认做了4字节传送到8字节的零扩展，等价于movzlq %ebx, %rax。

2.2.1. 练习1

对于下面汇编代码的每一行，根据操作数，确定适当的指令后缀。

movl %eax, (%rsp)
movw (%rax), %dx
movb $0xFF, %bl
movb (%rsp, %rdx, 4), %dl
movq (%rdx), %rax
movw %dx, (%rax)

2.2.2. 练习2

请解释一下如下的每行代码分别有什么问题。

movb $0xF, (%ebx)  // x86-64环境下，内存地址是64位而不是32位，应该使用(%rbx)而不是(%ebx)
movl %rax, (%rsp)  // 传送8字节数据应该使用movq
movw (%rax), 4(%rsp)  // 两个操作数不能都为内存地址
movb %al, %sl  // 不存在寄存器%sl
movq %rax, $0x123  // 立即数不能作为目的操作数
movl %eax, %rdx  // 目的操作数大小大于源操作数大小，逻辑上应该使用`movzlq`或`movslq`
movb %si, 8(%rbp)  // %si是2字节大小，应该用movw

不存在movzlq这个指令，movzlq %eax, %rdx等价于movl %eax, %edx，%rdx的高4字节会被自动置0。

2.3. 数据传送示例

有如下C代码，exchange.c

long exchange(long *xp, long y)
{
    long x = *xp;
    *xp = y;
    return x;
}

使用gcc产生的汇编代码：

[root@localhost2 3]# gcc -Og -S exchange.c
[root@localhost2 3]# cat exchange.s
	.file	"exchange.c"
	.text
	.globl	exchange
	.type	exchange, @function
exchange:
.LFB0:
	.cfi_startproc
	movq	(%rdi), %rax
	movq	%rsi, (%rdi)
	ret
	.cfi_endproc
.LFE0:
	.size	exchange, .-exchange
	.ident	"GCC: (GNU) 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-44)"
	.section	.note.GNU-stack,"",@progbits

核心部分代码是：

exchange:
	movq	(%rdi), %rax  // long x = *xp;
	movq	%rsi, (%rdi)  // *xp = y;
	ret  // return x;

函数调用的参数通过寄存器传递，第一个参数xp保存在%rdi，第二个参数y保存在%rsi。%rax保存函数的返回值。

可以看到C语言中所谓的“指针”其实就是地址，引用指针就是将该指针放在一个寄存器中，然后在内存引用中使用这个寄存器。像x这样的局部变量通常保存在寄存器，而不是内存中。CPU访问寄存器比访问内存快得多。如果程序中有对x取地址的操作&x，那一定要在内存中为x分配空间。

2.3.1. 练习

假设变量sp和dp的声明如下：

src_t *sp;
dest_t *dp;

这里的src_t和dest_t是用typedef声明的数据类型。我们想使用适当的数据传送指令来实现下面的操作：

*dp = (dest_t)*sp;

假设sp和dp的值分别存储在寄存器%rdi和%rsi中。对于下表中每个表项，给出实现指定数据传送的两条指令。其中第一条指令应该从内存中读数，做适当的转换，并设置寄存器%rax的适当部分。第二条指令要把%rax的适当部分写到内存，在这两种情况中，寄存器的部分可以是%rax、%eax、%ax或%al。

当执行强制类型转换既涉及大小变化又涉及C语言中符号变化时，操作应该先改变大小。

数据扩展时，第一条指令读源数据并扩展，第二条指令存放数据。（带扩展的mov指令只能以寄存器为目的操作数）
数据截断时，第一条指令读完整的源数据，第二条指令获取低位字节。

数据截断时，能不能把截断操作放在第一条指令，即从内存中只读低几个字节的数据？跟上述方案有啥区别？

2.3.2. 练习

已知某个函数的原型如下：

void decode1(long *xp, long *yp, long *zp);

它的编码代码表示如下：

decode1:
	movq	(%rdi), %r8
	movq	(%rsi), %rcx
	movq	(%rdx), %rax
	movq	%r8, (%rsi)
	movq	%rcx, (%rdx)
	movq	%rax, (%rdi)
	ret

其中xp、yp、zp分别存储在%rdi、%rsi和%rdx中。
请写出等价于上面汇编代码的decode1的C代码。

void decode1(long *xp, long *yp, long *zp)
{
        long x = *xp;
        long y = *yp;
        long z = *zp;
        *yp = x;
        *zp = y;
        *xp = z;
}

2.4. 压入和弹出栈数据

栈是一种数据结构，可以添加或者删除值，不过要遵循“后进先出”的原则。通过push操作把数据压入栈中，通过pop操作删除数据。它具有一个属性：弹出的值永远是最近被压入而且仍然在栈中的值。栈可以实现为一个数组，总是从数组的一端插入和删除元素，这一端被称为栈顶。

在x86-64中，程序栈存放在内存中某个区域，栈向下增长，栈顶元素的地址是所有栈中元素地址中最低的。栈指针%rsp保存着栈顶元素的地址。

pushq %rbp等价于

subq $8, %rsp
movq %rbp, (%rsp)

popq %rax等价于

movq (%rsp), %rax
add $8, %rsp

pop时不会主动清理原来栈顶位置的数据。