x86汇编语言基础

考情分析

程序的机器级代码表示是 2022 年大纲新增的一条，但相关知识在此之前就已经以综合题的形式出现过了——只是当时挂在别的条目下。统考主要考查 x86 指令（Intel 格式），偶尔涉及 MIPS（会附功能说明）。

大纲定位

考纲第四章（六）「高级语言程序与机器级代码之间的对应」第 1 条：编译器、汇编器和链接器的基本概念。

本篇讲的汇编语言正是这条工具链的中间产物，所以先把工具链交代清楚，再看汇编本身长什么样。第 2～4 条（选择/循环/过程调用的机器级表示）见《程序的机器级表示》。

从 C 源码到可执行文件：四个工具

汇编代码不是凭空出现的——它是编译器的输出、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：

图 4.16 可重定位目标文件与静态库的链接

工具	吃什么	吐什么
预处理器（cpp）	源程序 .c	展开宏和 #include 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（机器码）
链接器（ld）	若干 .o + 库文件（libc.a 等）	可执行目标文件

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，最后产出完整链接的可执行文件。

编者注（口径）：考研题里常用两级简化模型——"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。gcc 的细粒度划分里编译只到 .s，汇编器才产生机器码。两种口径都有人用，判题时看题目问的是哪一层：问"输入是高级语言、输出是目标代码的是谁"，答编译程序；问"谁把汇编语言翻成机器语言"，答汇编程序。

三个易混点：汇编程序（assembler，一个翻译工具）≠ 汇编语言程序（用汇编语言写的源代码）；解释程序逐句解释执行、不产生目标代码文件；链接器的输入已经是机器码，它只做符号解析和地址重定位，不做翻译。

工具链的更完整介绍见《计算机系统层次结构》。

x86 通用寄存器

x86 有 8 个 32 位通用寄存器：

寄存器	低16位	高/低8位	常见用途
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，乘除法扩展
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）

EBP 和 ESP 有专用功能，其余寄存器用途较灵活。

图 3.2 IA-32 的定点寄存器组

图里的位刻度说明了子寄存器是怎么嵌套的：EAX 是 32 位，其低 16 位叫 AX，AX 再拆成高 8 位 AH 和低 8 位 AL。所以 mov al, 5 只改 EAX 的最低字节，其余 24 位不动——反汇编里看到 8 位/16 位寄存器名时要意识到这一点。

图下方还有两组本篇不展开但要认得的寄存器：EIP（指令指针，即 PC）、EFLAGS（标志寄存器，CF/ZF/SF/OF 就在里面），以及 6 个段寄存器。

操作数标记

• <reg>：寄存器（如 eax、ebx）
• <mem>：内存地址（如 [eax]、[ebp-8]、dword ptr [eax+ebx*4+8]）

dword ptr 是什么：内存操作数只给了地址，没说要按几个字节访问，所以要加一个长度前缀说明宽度。

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

真题的反汇编里几乎行行都有它，如 cmp dword ptr [ebp-0Ch], ecx 就是"把 [ebp-0Ch] 处的 4 字节和 ecx 比较"。当另一个操作数是寄存器时宽度已经确定，前缀可省。

• <con>：立即数/常数

两个操作数不能同时为内存。

怎么读一行反汇编

真题给的不是光秃秃的汇编，而是三列格式——这三道大题的格式完全一致，先认清每列是什么：

序号   虚拟地址      机器码                          汇编
 19   004010AE   C7 84 82 00 20 42 00 0A 00 00 00   mov [ecx+edx*4+00422000h], 0Ah
 20   004010B9   8B 45 F8                           mov eax, [ebp-8]

列	是什么	能拿来算什么
序号	题目给的行号	定位用
虚拟地址	该指令首字节的地址	相对寻址的基准
机器码	该指令的字节序列	数它有几个字节 = 指令长度
汇编	助记符 + 操作数	语义

机器码那一列是最容易被浪费的信息，两条规则从它推出来：

$$\text{下一条指令地址}=\text{本条地址}+\text{本条机器码字节数}$$$$\text{函数代码长度}=\text{末指令地址}-\text{首指令地址}+\text{末指令长度}$$

验证一下上面的例子：第 19 条机器码 C7 84 82 00 20 42 00 0A 00 00 00 共 11 字节，$\mathtt{\text{004010AE}}+11=\mathtt{\text{004010B9}}$ ✓ 正是第 20 条的地址。

编者注（易错）：第二条公式末尾那个"$+$ 末指令长度"常被漏成 $+1$ 或干脆不加。末指令通常是 ret（机器码 C3，1 字节），这时才恰好等于 $\mathrm{末}-\mathrm{首}+1$。若末指令不是 ret，就要按它自己的字节数加。

常用指令

以下使用 Intel 格式（目的操作数在前，源操作数在后）。

数据传送指令

指令	语法	功能
mov	mov dst, src	将 src 复制到 dst
push	push src	ESP-4，再将 src 压入栈顶
pop	pop dst	弹出栈顶到 dst，ESP+4
lea	lea dst, [addr]	将有效地址（非内存内容）加载到 dst

为什么 push 是 ESP $-4$：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。统计栈深度或算某个局部变量地址时，这几个 $\pm 4$ 一个都不能漏。

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（计算地址，不访存）

lea 是"取地址"指令，常被编译器用来做加法运算（如 lea eax, [edx+eax] 等价于 add eax, edx）。

算术与逻辑运算指令

指令	功能	示例
add	加法，结果存入第一操作数	add eax, 10
sub	减法	sub eax, ebx
inc/dec	自增/自减 1	inc 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
neg	取负（补码）	neg eax

edx:eax 是什么：两个 32 位寄存器拼成一个 64 位数，EDX 存高 32 位、EAX 存低 32 位。乘除法都要用到它。

imul 的两种形式——真题考过这个区别：

形式	写法	结果去哪
单操作数	imul ebx	完整 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

道理很简单：$n$ 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 和 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 cdq 指令——把 EAX 的符号位扩展填满 EDX。 | 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 |

编者注（易错）：编译器常用 shl eax, 1 代替乘 2、sar eax, 2 代替除以 4，但"移位 = 乘除 2 的幂"只对整数（补码/无符号）成立。IEEE 754 浮点数是"符号位 + 阶码 + 尾数"三段结构，整体移位会破坏这个结构——浮点乘 2 要改的是阶码字段，不是把整个位串左移。看到题目在浮点数上做移位，先怀疑它是不是在设陷阱。

xor edx, edx      ; 将 edx 清零（常见技巧）
imul esi, edi, 25  ; R[esi] <- R[edi] * 25
idiv ebx           ; eax <- edx:eax / ebx（商），edx <- 余数

控制流指令

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，不保存结果
test a, b	按 $a\text{AND}b$ 置 ZF/SF（CF、OF 清零），不保存结果
call label	将返回地址压栈（ESP $-4$），转移到 label
ret	弹出返回地址（ESP $+4$），转移回调用点

条件转移的标志条件（真题会直接问"jle 的转移条件是什么"）：

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）	$SF\ne OF$
jle	小于等于（有符号）	$ZF=1$ 或 $SF\ne OF$
jg	大于（有符号）	$ZF=0$ 且 $SF=OF$
jge	大于等于（有符号）	$SF=OF$
jb	低于（无符号）	$CF=1$
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）	$CF=0$

编者注（速记）：有符号看 $SF$ 和 $OF$，无符号看 $CF$。有符号的判据是"$SF$ 与 $OF$ 是否一致"——因为溢出会把结果的符号位翻转，$SF\ne OF$ 恰好说明"真实结果为负"。带"等于"的再或上一个 $ZF=1$。

$x86$ 减法的 $CF$ 是借位（无符号 $a<b$ 时 $CF=1$），不是加法器的进位输出 $C_{out}$，两者是取反关系。推导见《ALU 与运算电路》。

cmp eax, ebx
jle done        ; 若 eax <= ebx，转移到 done
test eax, eax
jz xxxx         ; 若 eax == 0，转移到 xxxx

AT&T 格式 vs Intel 格式

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]
长度后缀	movl(32位) / movw(16位) / movb(8位)	dword ptr / word ptr / byte ptr
复杂寻址	8(%edx, %eax, 2)	[edx+eax*2+8]

统考通常使用 Intel 格式。

对比示例：

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	$\text{R[eax]}\to \text{M[R[ebp]-8]}$

考点清单

• x86 有 8 个 32 位通用寄存器，EBP 为栈帧基址，ESP 为栈顶指针
• 两个操作数不能同时为内存
• lea 是取有效地址，不访存，常被用作加法/乘法
• call = push 返回地址 + jmp 目标；ret = pop 返回地址 + jmp
• cmp 和 test 只设标志位不保存结果，配合 jcondition 使用
• 有符号比较用 jg/jl/jge/jle，无符号比较用 ja/jb/jae/jbe
• 条件转移的标志条件：有符号看 $SF$ 与 $OF$ 是否一致，无符号看 $CF$；带"等于"再或上 $ZF=1$
• edx:eax = EDX 高 32 位 + EAX 低 32 位拼成 64 位；imul 单操作数形式结果落这里，双操作数形式只留低 32 位
• 栈向低地址增长：push / call 让 ESP $-4$，pop / ret 让 ESP $+4$
• 机器码字节数 = 指令长度，下一条地址 = 本条地址 + 该字节数
• 移位代替乘除 2 的幂只对整数成立，浮点要改阶码字段
• 工具链顺序：预处理 $\to$ 编译（出 .s）$\to$ 汇编（出 .o）$\to$ 链接（出可执行文件），每步输入是上步输出

教材出处

• 袁春风《计算机系统基础（第 2 版）》§3.1 程序转换概述：图 3.2（p97）；§4.3 链接：图 4.16（p201）

真题练习

相关真题（5题）

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