32位x86处理器编程导入——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记08
在說正題之前，我們先看2個概念。
1.指令集架構(gòu)（ISA）
ISA 的全稱是 instruction set architecture，中文就是指令集架構(gòu)，是指對程序員實(shí)際“可見”的指令集，包含了程序員編寫一個能正確運(yùn)行的二進(jìn)制機(jī)器語言程序的所有信息，涉及到指令、 I/O 設(shè)備等。例如 Intel 的 IA-32、Intel 64、ARM 的 ARMv7、ARMv8 等等。
2.微架構(gòu)
微架構(gòu)（Microarchitecture）又稱為微體系結(jié)構(gòu)/微處理器體系結(jié)構(gòu)。是將一種給定的指令集架構(gòu)在處理器中執(zhí)行的方法。一種給定的指令集可以在不同的微架構(gòu)中執(zhí)行。 [1]
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需要說明的是：
微架構(gòu)與指令集是兩個概念：指令集是CPU選擇的語言，而微架構(gòu)是具體的實(shí)現(xiàn).[2]
ARM公司將自己研發(fā)的指令集叫做ARM指令集，同時它還研發(fā)具體的微架構(gòu)（如Cortex系列）并對外授權(quán)。但是，一款CPU使用了ARM指令集不等于它就使用了ARM研發(fā)的微架構(gòu)。Intel、高通、蘋果、Nvidia等廠商都自行開發(fā)了兼容ARM指令集的微架構(gòu)，同時還有許多廠商使用ARM開發(fā)的微架構(gòu)來制造CPU。通常，業(yè)界認(rèn)為只有具備獨(dú)立的微架構(gòu)研發(fā)能力的企業(yè)才算具備了CPU研發(fā)能力，而是否使用自行研發(fā)的指令集則無關(guān)緊要。廠商研發(fā)CPU時并不需要獲得指令集授權(quán)就可以獲得指令集的相關(guān)資料與規(guī)范，指令集本身的技術(shù)含量并不是很高。獲得授權(quán)主要是為了避免法律問題。然而微架構(gòu)的設(shè)計細(xì)節(jié)是各家廠商絕對保密的，而且由于其技術(shù)復(fù)雜，即便獲得相應(yīng)文檔也難以山寨。 [2]
如前所述，僅僅從ARM購買微架構(gòu)來組裝芯片的廠商是不能被稱作CPU研發(fā)企業(yè)的，這些芯片也不能被稱為“xx廠商研發(fā)的CPU”.典型如華為的海思920、三星Exynos 5430，只能說是“使用ARM Cortex-A15核心的芯片”。但是如果一款兼容ARM指令集的芯片使用了廠商自主研發(fā)的微架構(gòu)，情況就不同了。高通驍龍800、蘋果A7就是這樣的例子——它們分別使用了高通、蘋果自主研發(fā)的CPU. [2]
3. 32位寄存器
（1）通用寄存器
在16位處理器內(nèi)，有8個通用寄存器，分別是AX,BX,CX,DX,SI,DI,BP,SP. 其中，前4個還可以拆分成2個獨(dú)立的寄存器來用。32處理器在16位處理器的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了這8個通用寄存器的長度，使之達(dá)到32位。它們的名字分別是EAX,EBX,ECX,EDX,ESI,EDI,ESP,EBP.
注意：
- 在使用這些寄存器的時候，指令的源操作數(shù)和目的操作數(shù)必須具有相同的長度（個別特殊用途的指令除外）。如果目的操作數(shù)是32位寄存器，源操作數(shù)是立即數(shù)，那么立即數(shù)被視為是32位的。
- 32位通用寄存器的高16位是不能獨(dú)立使用的，但是低16位保持同16位處理器的兼容性（可以拆成8位的來用）。
- 可以在32位的處理器上運(yùn)行16位處理器上的軟件。
（2）指令指針寄存器
在32位模式下，為了生成32位物理地址，處理器需要使用32位的指令指針寄存器，也就是說之前的16位的IP擴(kuò)展成為32位的EIP。當(dāng)處理器工作在16位模式下時，依然使用16位的IP；工作在32位模式下時，使用32位的EIP。
注意：和之前一樣，EIP也只能由處理器自己使用，程序員無法直接訪問。 對IP和EIP的修改通常是通過某些隱式的指令進(jìn)行的，比如JMP,CALL,RET,IRET等等。
（3）標(biāo)志寄存器
在32位處理器中，標(biāo)志寄存器由之前16位的FLAGS擴(kuò)展為32位的EFLAGS，低16位的每個字段和原先保持一致。
下圖摘自《 The Intel Architecture Software Developer’s Manual——Volume 3 》
（4）段寄存器
在32位模式下，對內(nèi)存的訪問從理論上來說不需要分段，因為有32根地址線，可以直接尋址4G的內(nèi)存。但是，IA-32結(jié)構(gòu)的處理器是基于分段模型的，因此，32位處理器依然需要以段為單位訪問內(nèi)存，即使它工作在32位模式下。
不過，可以采取一個變通的方案，即只分一個段。也就是說段的基地址是0x0000_0000,段的長度是4GB。在這種情況下，相當(dāng)于不分段，即平坦模型（Flat Mode）。
在32位模式下，處理器要求在加載程序時，先定義該程序擁有的段，然后才可以使用這些段。定義段時，除了起始地址外，還附加了段界限、特權(quán)級別、類型等屬性。當(dāng)程序訪問一個段時，處理器將通過固件進(jìn)行各種檢查工作，以防止對內(nèi)存的違規(guī)訪問。
在32位模式下，傳統(tǒng)的段寄存器，如CS,SS,DS,ES保存的不再是16位的段基地址，而是段選擇子（到底什么是段選擇子，我們以后再說）。另外，32位處理器還增加了兩個額外的段寄存器，分別是FS和GS。
4.實(shí)模式與保護(hù)模式
8086是16位的處理器，可以通過分段來訪問1M的內(nèi)存，段的最大長度是64KB。8086只有一種工作模式，就是我們現(xiàn)在所說的“實(shí)模式”。1985年，Intel公司推出了80386，獲得了極大的成功。80386以及后續(xù)的處理器，都向前兼容，可以運(yùn)行實(shí)模式下的8086程序。而且，在加電時，這些處理器都自動處于實(shí)模式下。只有在一番設(shè)置之后，才能運(yùn)行在保護(hù)模式下。
5.邏輯地址和線性地址
在8086，我們把“段地址：段內(nèi)偏移地址”稱為邏輯地址。8086CPU內(nèi)部有一個地址加法器，用來把邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址。轉(zhuǎn)換規(guī)則是：物理地址=段地址×10H＋段內(nèi)偏移量
但是在80386中，情況就不同了。80386的邏輯地址（也叫虛擬地址）構(gòu)成是“段選擇子：段內(nèi)偏移量”。邏輯地址經(jīng)過80386CPU內(nèi)部的分段部件轉(zhuǎn)換后成為線性地址。線性地址再經(jīng)過分頁部件轉(zhuǎn)換就成為物理地址。如果禁用分頁機(jī)制，那么線性地址就是物理地址。
6.處理器的尋址方式
在16位處理器上，內(nèi)存尋址方式為:
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在32位處理器上，內(nèi)存尋址方式為：
也是就是說，在指定有效地址的時候，可以使用所有的32位通用寄存器作為基址寄存器。同時，還可以再加上一個除ESP之外的32位通用寄存器作為變址寄存器。另外，變址寄存器還允許乘以一個比例因子（1或2或4或8）。最后，還可以加上一個8位或者32位的偏移量。
舉例：
add eax,[0x2008]
sub eax,[eax+0x04]
mov ecx,[edx+esi*8+0x02]
7.匯編器指令 BITS
相同的機(jī)器指令，在16位模式和32位模式下的解釋和執(zhí)行效果是不同的。舉例來說：
8B5022，這條機(jī)器碼，在16位模式下，對應(yīng)的匯編指令是：mov dx,[bx+si+0x02]; 但是，在32位模式下，對應(yīng)的匯編指令卻是 mov edx,[eax+0x02];
NASM匯編器中有一個偽指令——BITS.
'BITS'指令指定 NASM 產(chǎn)生的代碼是被設(shè)計運(yùn)行在 16 位模式的處理器上還是運(yùn)行在32位模式的處理器上。語法是'BITS 16'或'BITS 32'. NASM以.bin格式輸出時，默認(rèn)是16位模式。如果我們需要編譯成32位的，則需要加上[bits 32]（方括號可以有，也可以沒有。）
8.一般指令的擴(kuò)展
（1）loop指令
在16位處理器上，loop指令的循環(huán)次數(shù)在寄存器CX中。在32位處理器上，如果當(dāng)前模式是16位的，那么loop指令執(zhí)行時，仍然使用CX寄存器；如果運(yùn)行在32位模式下，則使用ECX；
（2）mul指令
在16位處理器上，無符號數(shù)乘法指令mul的格式為
mul r/m8???? ; AX <- AL * r/m8
mul r/m16? ; DX:AX <- AX * r/m16
說明：這里的r/m8表示8位的通用寄存器或內(nèi)存單元， r/m16表示16位的通用寄存器或內(nèi)存單元,下面的r/m32表示32位的通用寄存器或內(nèi)存單元
在32位處理器上，除了依然支持上面的的操作，另外還支持以下擴(kuò)展格式：
mul r/m32? ;EDX:EAX <- EAX * r/m32
有符號數(shù)乘法指令imul與此相同。
（3）div指令
在16位處理器上，無符號除法指令div的格式為：
div r/m8? ; AX? ÷? r/m8?? = AL …… AH
div r/m16 ; DX:AX ÷ r/m16? = AX ……DX
在32位處理器上，除了依然支持上面的操作，還支持以下擴(kuò)展格式：
div r/m32 ; EDX:EAX ÷ r/m32 = EAX……EDX
有符號數(shù)除法指令idiv于此相同；
（4）push和pop指令
操作數(shù)是立即數(shù)的情況
32處理器的棧操作指令push和pop也有所擴(kuò)展，允許壓入雙字操作數(shù)。特別是，它支持立即數(shù)的壓棧操作。指令格式為（imm8/16/32表示8位或16位或32位立即數(shù)）：
push imm8? ；操作碼為6A
push imm16 ; 操作碼為68
push imm32; 操作碼也為68
還是舉書上的例子吧：
- 例1：壓入一個字節(jié)
push byte 0x55;?
這里的關(guān)鍵字byte是給編譯器看的，告訴它壓入的是字節(jié)（畢竟0x55可以解釋為字0x0055或者雙字0x0000_0055）.這條指令的16位形式（用bits 16 編譯）和32位形式（用bits 32 編譯）是一樣的，機(jī)器碼都是
6A 55
但是，執(zhí)行的時候就不同了。注意，無論什么時候，處理器都不會壓入一個字節(jié)。它要么壓入字，要么壓入雙字。
在16位模式下，默認(rèn)的操作數(shù)是16位。于是處理器將0x55作符號擴(kuò)展，擴(kuò)展成16位的0x0055，然后壓入棧。（壓棧時用sp寄存器，且先將sp減去2）；
在32位模式下，處理器將0x55擴(kuò)展成32位的0x0000_0055,然后壓入。（壓棧時用esp寄存器，且先將esp減去4）
- 例2：壓入一個字
壓入一個字，必須用word關(guān)鍵字來修飾，如
push word 0xfffb
在16位模式下，默認(rèn)的操作數(shù)是16位的。處理器直接壓入該字（壓棧時用sp寄存器，且先將sp減去2）；
在32位模式下，處理器將0xfffb擴(kuò)展成32位的0xffff_fffb,然后壓入。（壓棧時用esp寄存器，且先將esp減去4）
- 例3：壓入一個雙字
如果壓入雙字，則必須用關(guān)鍵字dword來修飾。如
push dword 0xfb
在16位模式下，壓入的是0x0000_00fb（壓棧時用sp寄存器，且先將sp減去4）；
在32位模式下，壓入的也是0x0000_00fb（壓棧時用esp寄存器，且先將esp減去4）.
操作數(shù)位于通用寄存器或者內(nèi)存單元的情況
對于操作數(shù)位于通用寄存器或者內(nèi)存單元的情況，只能壓入字或者雙字。指令格式為：
push r/m16
push r/m32
比如：
push ax
push edx
如果操作數(shù)位于內(nèi)存單元中，則必須用關(guān)鍵字word或者dword修飾,如：
push word [0x2000]
push dword [ecx+esi*2+0x02]
無論操作數(shù)位于寄存器還是內(nèi)存單元，
在16位模式下，壓入字的時候，將sp的內(nèi)容減去2；壓入雙字的時候，將sp的內(nèi)容減去4；
在32位模式下，壓入字的時候，將esp的內(nèi)容減去2；壓入雙字的時候，將esp的內(nèi)容減去4.
操作數(shù)是段寄存器的情況
指令格式為：
push cs/ds/es/fs/gs/ss
在16位模式下，將sp的內(nèi)容減去2，然后直接壓入段寄存器的內(nèi)容；
在32位模式下，先將段寄存器的內(nèi)容擴(kuò)展為32位（高16位全為0），然后將esp的內(nèi)容減去4，再壓入擴(kuò)展后的32位的值。
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今天就說到這里，下次我們開啟保護(hù)模式之旅
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參考資料：
[1]百度百科：http://baike.baidu.com/link?url=I1wsXUAGa541Pn8h1XVgSnR6GmUsfWK8VOjpALlzmE7vOccJVOpxkQfKjYYHODUe2BxqOw2q5KAB6pS4ZQjD9K
[2]知乎：王強(qiáng)，http://zhuanlan.zhihu.com/xpenrynidea/19893066
與50位技術(shù)專家面對面20年技術(shù)見證，附贈技術(shù)全景圖總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的32位x86处理器编程导入——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记08的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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