x86 汇编语言基础

2026 大纲 四（六）1 编译器、汇编器和链接器的基本概念。

四步里，只有第三步在产生机器码

从一份 .c 到一个能双击运行的文件，中间经过四个工具，很多人记得住这四个名字，却说不准机器码是在哪一步出现的。看一眼四步的产物就清楚了：

$$\mathtt{\text{.c}}\stackrel{\text{预处理}}{\to }\mathtt{\text{.i}}(\text{仍是文本})\stackrel{\text{编译}}{\to }\mathtt{\text{.s}}(\text{汇编语言，仍是文本})\stackrel{\text{汇编}}{\to }\mathtt{\text{.o}}(\mathbf{\text{机器码}})\stackrel{\text{链接}}{\to }\text{可执行文件}$$

前两步的输出都还是人能读的文本，真正把助记符翻译成二进制的是汇编器。链接器的输入已经是机器码了，它一个字都不翻译，只做两件事：把各模块里互相引用的符号对上号（符号解析），把地址填成最终值（重定位）。

四步的顺序也不是可以随便调的，每一步的输入恰好是上一步的输出：预处理是纯文本替换，必须最先做；编译要做语法分析与代码生成，是最重的一步；汇编是助记符到二进制的机械翻译；链接要跨模块解析符号，必须等所有模块都编译完才可能开始。

弄清这条链的位置感之后，这一篇余下的部分处理的是它中间那一段产物——汇编代码本身长什么样：x86 有哪些寄存器、操作数怎么写、常用指令分几类、同一份机器码在 AT&T 与 Intel 两种格式下的写法差在哪。这些是读懂机器级表示那一篇里那些反汇编片段的前提。

一、从源程序到可执行文件：四个工具

汇编代码是编译器的输出、汇编器的输入。四步流水线，每一步的输入必须是上一步的输出，顺序不能换：

工具	输入	输出
预处理器（cpp）	源程序 .c	展开宏与 #include 之后的 .i
编译器（cc1）	预处理后的源程序	汇编语言程序 .s
汇编器（as）	汇编语言程序 .s	可重定位目标文件 .o（已是机器码）
链接器（ld）	若干 .o $+$ 库文件	可执行目标文件

分四步各有理由：预处理是纯文本替换；编译要做语法分析与代码生成，是最重的一步；汇编是助记符到二进制的机械翻译；链接要跨模块解析符号并重定位地址，必须等所有模块都编译完才能做。

图 4.16 可重定位目标文件与静态库的链接

图里 main.c 经"翻译器（cpp、cc1、as）"变成 main.o，再和自定义静态库 mylib.a、标准库 libc.a 里取出的模块一起送进静态链接器 ld，产出可执行文件。

编者注（口径）：另有一种更粗的两级模型——"编译程序：高级语言 $\to$ 机器目标代码"，把编译和汇编合起来说，区别只在粒度。

三个名字长得像，指的却是三样东西：汇编程序（assembler）是把 .s 翻译成 .o 的那个工具；汇编语言程序是用汇编语言写的那份源代码；解释程序则既不是这两者中的任何一个——它逐句解释执行高级语言语句，根本不产生目标代码文件。

二、x86 通用寄存器

x86（IA-32）有 8 个 32 位通用寄存器：

寄存器	低 16 位	高/低 8 位	习惯用途
EAX	AX	AH / AL	累加器，函数返回值
EBX	BX	BH / BL	基址寄存器
ECX	CX	CH / CL	计数器（循环、移位）
EDX	DX	DH / DL	数据寄存器，乘除法的高半部分
ESI	SI	—	源变址寄存器
EDI	DI	—	目的变址寄存器
EBP	BP	—	基址指针（栈帧底部）
ESP	SP	—	栈指针（栈顶）

名字里的用途是历史习惯而非硬性限制——除 EBP、ESP 外其余可自由使用；习惯还活着，是因为乘除法、串操作等指令确实隐含指定了特定寄存器。

图 3.2 IA-32 的定点寄存器组

位刻度说明子寄存器怎么嵌套，这是为兼容早期代码保留的。图下方还有 EIP（指令指针，即 PC）、EFLAGS（CF/ZF/SF/OF 住在里面）与 6 个段寄存器。

嵌套关系要读准一件事：写子寄存器只改自己那几位，其余位原封不动。mov al, 5 只改 EAX 的最低字节，高 24 位保持原值；mov ax, 5 只改低 16 位。把它当成"给 EAX 赋值 5"，追踪寄存器内容时会整段错下去。

三、操作数与长度前缀

操作数分三类：<reg> 寄存器、<mem> 内存地址（如 [ebp-8]、[eax+ebx*4+8]）、<con> 立即数。内存操作数只给地址、没说按几个字节访问，所以要加长度前缀：

前缀	访问宽度
byte ptr	1 字节
word ptr	2 字节
dword ptr	4 字节（双字）
qword ptr	8 字节

cmp dword ptr [ebp-0Ch], ecx 即"把 [ebp-0Ch] 处的 4 个字节和 ecx 比较"。另一个操作数是寄存器时宽度已定，前缀可省；只有两边都无法确定宽度时（如内存与立即数）才必需。

还有一条硬性限制：两个操作数不能同时是内存。原因在数据通路上——一个指令周期内只安排了一次数据访存，要在两个内存单元之间搬数据，必须先 mov 进寄存器再 mov 出去。看到一条汇编写着两个 [...]，那一定是抄错了。

四、常用指令

下面一律用 Intel 格式：目的在前、源在后。

数据传送

指令	语法	功能
mov	mov dst, src	把 src 复制到 dst
push	push src	ESP $-4$，再把 src 写入栈顶
pop	pop dst	从栈顶读出送 dst，ESP $+4$
lea	lea dst, [addr]	把有效地址（而非该地址处的内容）送入 dst

lea 值得单独说一句：它只算地址、不访存、也不改标志位，因此编译器常拿它当加法乘法用——lea eax, [edx+eax] 的效果与 add eax, edx 相同，却不会破坏后面还要用的标志位。对照着记最清楚：lea eax, [ebx] 得到的是 ebx 的值，mov eax, [ebx] 得到的是 M[ebx] 的内容。

六条传送指令的传送语句写法，以及栈为什么向低地址增长（对不上 ESP 该加还是该减、或想核对 lea 与 mov 的写法差别时展开）

mov eax, ebx           ; R[eax] ← R[ebx]
mov eax, [ebp+8]       ; R[eax] ← M[R[ebp]+8]
mov [ebp-4], eax       ; M[R[ebp]-4] ← R[eax]
push eax               ; ESP−4；M[ESP] ← R[eax]
pop ebx                ; R[ebx] ← M[ESP]；ESP+4
lea eax, [edx+eax*2+8] ; R[eax] ← R[edx]+R[eax]*2+8（只算地址，不访存）

x86 的栈向低地址增长。栈底在高地址，压栈时栈顶指针往下走：

高地址  ┌──────────────┐
        │   已入栈数据   │
        ├──────────────┤
        │  ← 压栈前 ESP  │
        ├──────────────┤
        │  新压入的 4B   │  push：ESP 先 −4，再写入
        ├──────────────┤
        │  ← 压栈后 ESP  │
低地址  └──────────────┘

弹栈相反：先从 ESP 处读出，再 ESP $+4$。call 压入返回地址、ret 弹出返回地址，同样各让 ESP 变化 4。

算术与逻辑运算

指令	功能	示例
add / sub	加 / 减，结果存回第一操作数	add eax, 10
inc / dec	自增 / 自减 1	inc eax
neg	取负（补码）	neg eax
imul	有符号乘法（两种形式，见下）	imul eax, ebx
idiv	有符号除法，被除数为 edx:eax	idiv ecx
and / or / xor	按位与 / 或 / 异或	and eax, 0FH
not	按位取反	not eax
shl / shr	逻辑左移 / 右移	shl eax, 1
sal / sar	算术左移 / 右移	sar eax, 2

乘除法为什么牵扯 edx:eax：imul 两种形式的结果去向与 cdq 的作用（算不清高低 32 位落在哪时展开）

edx:eax 是两个 32 位寄存器拼成的一个 64 位数，EDX 存高 32 位、EAX 存低 32 位。乘除法都要用到它。

形式	写法	结果去哪
单操作数	imul ebx	完整的 64 位积落在 edx:eax
双 / 三操作数	imul eax, ebx	只保留低 32 位存回目的寄存器，高半截丢弃

道理很直接：$n$ 位 $\times$ $n$ 位最多产生 $2n$ 位，硬件永远算满 64 位，只是双操作数形式把高 32 位扔了。扔掉的部分是否含有效信息，由 OF/CF 报告——当高 32 位不是低 32 位符号位的符号扩展时（即结果放不进 32 位），OF 与 CF 被置 1。

除法反过来：idiv ecx 用 edx:eax 这个 64 位数作被除数，商放 EAX、余数放 EDX。所以除法前常见一条 cdq 指令——把 EAX 的符号位扩展填满 EDX，先把被除数补成正确的 64 位。

编译器还常用 shl eax, 1 代替乘 2、sar eax, 2 代替除以 4，但这一招只对整数成立：IEEE 754 是"符号位 $+$ 阶码 $+$ 尾数"的三段结构，整体移位会跨越字段边界，把阶码的低位挤进尾数——浮点数乘 2 要改的是阶码字段，不是整体左移。

控制流

指令	功能
jmp label	无条件转移到 label
cmp a, b	按 $a-b$ 置 ZF/SF/CF/OF 四位，不保存差值
test a, b	按 $a\text{AND}b$ 置 ZF/SF（CF、OF 清零），不保存结果
call label	把返回地址压栈（ESP $-4$），转移到 label
ret	弹出返回地址（ESP $+4$），转移回调用点

条件转移分有符号、无符号两套，十条助记符背后其实只有两条规则：有符号看 SF 与 OF 是否一致（$SF=OF$ 即"大于等于"），无符号看 CF（减法里的借位，有借位说明被减数小）；带"等于"的再并上 $ZF=1$。

有符号那条为什么不能简化成"只看 SF"，值得多想一层：溢出会把符号位翻转。两个大正数相减若发生溢出，真实差值明明是正的，SF 却是 1；此时 $OF=1$，$SF\ne OF$ 恰好把这种情况排除掉。所以 $SF$ 与 $OF$ 是否一致才是可靠判据。另一处口径是 减法里的 CF 是借位，它与加法器的进位输出 $C_{out}$ 是取反关系，不是同一个量——$a-b$ 在机器里做的是 $a+\bar{b}+1$，加法器不产生进位（$C_{out}=0$）才意味着"不够减"、要借位（$CF=1$）。

助记符	含义	标志条件
je / jz	相等	$ZF=1$
jne / jnz	不等	$ZF=0$
jl	小于（有符号）	$SF\ne OF$ 且 $ZF=0$
jle	小于等于（有符号）	$SF\ne OF$ 或 $ZF=1$
jg	大于（有符号）	$SF=OF$ 且 $ZF=0$
jge	大于等于（有符号）	$SF=OF$ 或 $ZF=1$
jb	低于（无符号）	$CF=1$ 且 $ZF=0$
jbe	低于等于（无符号）	$CF=1$ 或 $ZF=1$
ja	高于（无符号）	$CF=0$ 且 $ZF=0$
jae	高于等于（无符号）	$CF=0$ 或 $ZF=1$

cmp  eax, ebx
jle  done        ; 若 eax <= ebx（有符号），转移到 done
test eax, eax
jz   zero_case   ; 若 eax == 0，转移

五、AT&T 格式与 Intel 格式

同一条机器指令的两套书写约定：

区别	AT&T	Intel
操作数顺序	源, 目的	目的, 源
寄存器	%eax	eax
立即数	$100	100
内存引用	(%eax)	[eax]
长度标注	指令后缀 movl / movw / movb	操作数前缀 dword ptr / word ptr / byte ptr
复合寻址	8(%edx, %eax, 2)	[edx+eax*2+8]

对照几条：

AT&T	Intel	含义
movl $100, %eax	mov eax, 100	$100\to \text{R[eax]}$
movl %eax, (%ebx)	mov [ebx], eax	$\text{R[eax]}\to \text{M[R[ebx]]}$
movl %eax, -8(%ebp)	mov [ebp-8], eax	$\text{R[eax]}\to \text{M[R[ebp]}-8]$

两种格式描述的是完全相同的机器码，差别纯属书写习惯。最易错的是操作数顺序恰好相反：movl %eax, %ebx 的目的是 ebx，mov eax, ebx 的目的是 eax。

地址推算的数字锚点：11 字节的指令，下一条落在哪（想给速查最后一行的两条换算关系找个具体数时展开）

某指令位于 004010AE，机器码为 C7 84 82 00 20 42 00 0A 00 00 00，共 11 字节，那么下一条指令的地址就是

$$\mathtt{\text{004010AE}}+11=\mathtt{\text{004010B9}}$$

反过来，相邻两条指令地址相减，得到的就是前一条指令的长度——这是在只知道地址、看不到机器码时推算指令长度的办法。定长指令机器（如 MIPS）里这个差值恒为 4，变长指令机器里则参差不齐，这正是《CISC 与 RISC》最外显的一处差异。

考点速记

1. 预处理 $\to$ 编译 $\to$ 汇编 $\to$ 链接，每步输入是上一步输出；汇编器才是产生机器码的那一步，链接器的输入已是机器码，只做符号解析与地址重定位。
2. 8 个通用寄存器里只有 EBP、ESP 有专用功能；写 AL 只改最低字节；两个操作数不能同时是内存，宽度不明时靠长度前缀补上；lea 只算地址、不访存、不改标志位。
3. 条件转移只有两条规则：有符号看 SF 与 OF 是否一致，无符号看 CF；AT&T 与 Intel 是同一份机器码的两种写法，操作数顺序恰好相反。

这一节在真题里被考过的形式：

• 问四步流水线的顺序（2022-20）。答案是预处理 $\to$ 编译 $\to$ 汇编 $\to$ 链接。四个选项都以预处理开头，区别全在后三步怎么排——判据是"每一步的输入必须是上一步的输出"：编译的输入是预处理后的源程序，汇编的输入是汇编语言程序，链接的输入是可重定位目标文件。把汇编排在编译前面（错项 B、D）就等于说汇编器能读 C 源程序，把链接排在汇编前面（错项 C）则等于说链接器能处理还没变成机器码的东西。
• 问哪个程序把高级语言源程序转换为机器目标代码（2016-12）。答编译程序——这里用的是上面那条编者注说的两级粗口径（编译 = 高级语言 $\to$ 机器目标代码），而不是四步细口径。另三个选项恰好把三个易混对象摆齐了：汇编程序的输入是汇编语言而不是高级语言；链接程序的输入已经是目标代码，它不做翻译；解释程序逐句解释执行、根本不产生目标代码文件。答这类题先看题干问的是"输入是什么、输出是什么"，按输入输出对号，不要按名字的字面意思猜。

复习优先级：这一篇的真题产出集中在第一节那四步流水线上，两道都是 1 分档的概念题。后面四节（寄存器、操作数、常用指令、两种汇编格式）本身不单独成题，它们的价值是让你读得懂机器级表示里那些反汇编片段——真正的分数在那一篇。

易错：以为链接器还要做翻译。它的输入已是机器码，只做符号解析与地址重定位。

易错：把汇编程序、汇编语言程序、解释程序三个名字混用。前者是工具，中间是源代码，后者不产生目标文件。

易错：把 mov al, 5 当成给 EAX 赋值。它只改最低字节，高 24 位不动。

易错：把有符号比较的判据简化成"只看 SF"。溢出会翻转符号位，$SF$ 与 $OF$ 是否一致才可靠。

教材出处

• 袁春风《计算机组成与系统结构（第 3 版）》§4.2.6 标志信息的生成与使用：表 4.1 IA-32 部分条件转移指令的转移条件，以及 $SF=OF$ 反映"大于"关系、$CF=1$ 说明有借位的推理（印刷页 p99）
• 袁春风《计算机系统基础（第 2 版）》§3.1 程序转换概述：图 3.2 IA-32 的定点寄存器组（印刷页 p97）；§4.3 链接：图 4.16 可重定位目标文件与静态库的链接（印刷页 p201）

相关知识

程序的机器级表示｜计算机系统层次结构｜ALU 与运算电路｜CISC 与 RISC

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