汇编基础和函数调用ABI

内容：简单总结 x86 汇编基础和函数调用的过程，但只涉及可用指令和汇编指令的一小部分，但非常有用。主要采用 GNU 汇编器(GAS) 的 AT&T 语法进行说明。

补充的资料：

• x86 and amd64 instruction reference
• CMPT 295 Lecture Notes
• CS107 Computer Organization & Systems  CSAPP
  • CS107 reader 补充阅读
• CMU 15-213/15-513 Introduction to Computer Systems  CSAPP
• Compiler Explorer - godbolt.org

1.寄存器

x86 寄存器

x86 处理器有 8 个通用寄存器，如下图，其中 EAX 过去被称为累加器，因为它被许多算术运算使用；ECX 被称为计数器，因为它被用来保存循环索引，然而现在基本上失去了其专有目的，成为通用寄存器。但是 EBP 通常用于栈基指针，ESP 用于栈顶指针。

• x86 处理器，通用寄存器是 32 位的，寄存器 EAX、EBX、ECX、EDX 还可以分别访问其低地址的 16 位，和其中的高低字节。如下图中所示。
• 汇编语言中，寄存器名称是不区分大小写的。

• 32 位系统中，调用者需要保存的寄存器 caller-saved 有 EAX、ECX、EDX，被调用者 callee-saved 需要保存的寄存器有 EBP、EBX、EDI、ESI。

x86-64 寄存器

x86-64 处理器扩展了上述通用寄存器到 64 位，并增加了一些新的寄存器，如 R8～R15，所以有 16 个 64 位寄存器。但是，为了向后兼容，32 位寄存器仍然可以使用。

• 所有的 64 位寄存器使用 R 前缀访问，如 RAX、RBX、RCX、RDX 如上图。
• 如图，寄存器 %rbp, %rbx, 和 %r12-%r15 是被调用者 callee 需要保存的（换句话说，它们属于调用者 caller，调用者假定它们的值不会被修改）。当然，是按照实际使用情况进行保存，如果被调用者使用了这些寄存器，那么需要在函数序幕保存这些寄存器的值，然后在函数结束时恢复这些寄存器的值。
  剩余的寄存器，调用者负责保存。

SIMD: MMX, SSE, AVX, AVX-512

此外，还提供了 16 个 SSE 寄存器（xmm0~xmm15），每个寄存器宽度 128 位，以及 8 个 x87 指令浮点寄存器（st(0)~st(7)），每个寄存器宽度 80 位（主要用于早期的浮点计算, 以及 MMX 指令会共享该寄存器）。

Intel AVX(高级向量扩展)提供了 16 个 256 位的 YMM 寄存器（ymm0~ymm15），其低 128 位即对应的 128 位 SSE 寄存器（别名）；AVX-512 扩展提供了 32 个 512 位的 ZMM 寄存器（zmm0~zmm31），其低 256 位对应于 256 位 YMM 寄存器，低 128 位对于 128 位 XMM 寄存器。（因此 xmm16 - %xmm31 / ymm16 - ymm31 只在 AVX-512 扩展中有效）

我们将使用这些寄存器和 SIMD 指令进行浮点运算：

2.汇编语法

https://sourceware.org/binutils/docs/as/index.html
GNU 汇编快速入门

这里主要使用 AT&T 语法，它是 GNU 汇编器(GAS) 的默认语法。AT&T 语法的特点是源操作数在前，目的操作数在后，操作数之间用逗号分隔。如下所示：

pushq %rbp
movq %rsp, %rbp
movl %edi, -20(%rbp)
movl %esi, -24(%rbp)
movl %edx, -28(%rbp)
movl -20(%rbp), %eax
movl %eax, -4(%rbp)
......
popq %rbp
ret

与 Intel 汇编语法的主要区别有：全面的差异

指令后缀

多数指令使用后缀来表示操作数的大小，如：

• b：byte 表示字节操作，如 movb、addb。
• w：word(2 bytes) 表示字操作，如 movw、addw。
• l：long/doubleword(4 bytes) 表示双字操作，如 movl、addl。
• q：quadword(8 bytes) 表示四字操作，如 movq、addq。

如果可以从操作数中推断出操作数的大小，可省略后缀。如 movq %rsp, %rbp 可以写成 mov %rsp, %rbp，操作数 %rsp 暗示 q，%eax 暗示 l，以此类推。

少数指令例如 movs（符号扩展）、movz（零填充）有两个后缀，第一个表示源操作数位宽，第二个表示目的操作数位宽，例如 movzbl 移动一个字节长度源操作数到一个双字长度目的操作数，高位用 0 填充。

Note: 当目标寄存器是子寄存器时，只有子寄存器范围的字节会被写入更新，但有一个例外：32 位的指令写入时，会将目标寄存器的高 32 位清零，例如 mov $ebx, %ebx 这种看似冗余的指令会进行将 rbx 的高 32 位清零。这里等效 movzlq %ebx, %rbx。

内存寻址（访问）

指令中访问内存的一般形式是： $displacement(base, index, scale)$

• displacement：立即数，表示偏移量。
• base：基址寄存器，表示基址。
• index：索引寄存器，表示索引。
• scale：比例因子，表示索引寄存器的倍数。

例如，$-16(\%rbp, \%rdx, 8) = \%rbp + (\%rdx * 8) -16$。

以写立即数 1 为例说明多种寻址模式：

movl $1, 0x604892 # 直接寻址，地址 0x604892
movl $1, (%rax)   # 间接寻址，地址为 rax 寄存器的值

movl $1, -24(%rbp)        # 基址+偏移，地址为 rbp 寄存器的值减去 24
movl $1, 8(%rsp, %rdi, 4) # 基址+索引*比例+偏移，地址为 rsp + rdi * 4 + 8
movl $1, 0x8(, $rdx, 4)   # 索引*比例+偏移，地址为 rdx * 4 + 8
movl $1, 0x4(%rax, %rcx)  # 比例假定为1，地址为 rax + rcx + 4

常用指令

常用的指令和寻址方式可以参考：Common instructions and Addressing modes - cheatsheet

主要有数据移动、算术运算/逻辑运算、控制流等。

数据移动

• mov：数据传送指令，如 movl %eax, %ebx。
• movz: 0 填充(小位宽赋值到大位宽)，如 movzbl (%rdi), %eax, 其中后缀 b 表示字节操作，l 表示双字（双指令后缀）。
• movs: 符号扩展(小位宽赋值到大位宽)，如 movsbl (%rdi), %eax, 其中后缀 b 表示字节操作，l 表示双字。
• cltq: movs 指令对 rax 寄存器特化指令，将其低 32 位符号扩展到 64 位。
• push：将数据压入栈，如 pushq %rbp。具体操作：栈顶指针减去 8，然后将数据写入栈顶。
• pop：将数据弹出栈，如 popq %rbp。具体操作：读取栈顶数据，然后栈顶指针加 8。
• lea: 取操作数的有效地址，不进行地址解引用，如 lea 8(%rsp), %rax。

算术运算/逻辑运算

许多算术指令同时适用于有符号和无符号类型。例如 add、sub 等。通过操作后设置的标志位可以检测不同类型的溢出。

• add：加法，如 addl %eax, %ebx。
• sub：减法，如 subl %eax, %ebx。
• inc/dec: 自增/自减，如 incl %eax。
• neg：取负数，如 negl %eax。
• imul：整型有符号乘法，如 imull %eax, %ebx。结果保存在 [EDX:EAX] 中，高 32 位在 EDX 中，低 32 位在 EAX 中。
• idiv：整型有符号除法，如 idivl %eax。使用 idiv 之前，需要将被除数放在 EDX:EAX 中。结果的商保存在 EAX 中，余数保存在 EDX 中。
• mulss/divss: 标量单精度浮点数乘法/除法 scalar single-precision，如 mulss %xmm1, %xmm2。
• mulsd/divsd: 标量多精度浮点数乘法/除法 scalar double-precision，如 mulsd %xmm1, %xmm2。
• and/or/xor：按位与/或/异或，如 andl %eax, %ebx。
• not：按位取反，如 notl %eax。
• shl/shr：逻辑左移/右移,省略源操作数则默认为 1，如 shll $2, %eax。
• sal/sar：算术左移/右移，省略源操作数则默认为 1，如 sarl $2, %eax。

控制流指令

eflags 标志寄存器用于存储条件码，条件码是由上一条指令设置的，并且大多数算数指令会更新这些标志。条件码用于控制条件跳转指令。常用的标志位有：ZF（零标志位）、SF（符号标志位）、OF（溢出标志位）、CF（进位标志位）。

• OF：溢出标志位，针对有符号数，当结果超出有符号数的表示范围时设置。包括正溢出和负溢出。
• CF：进位/借位标志位，针对无符号数，当结果超出无符号数的表示范围时设置。包括无符号加法进位和无符号减法借位。

条件跳转指令和使用的标志位对应如下：

• TEST 指令：与 AND 指令类似，但是不保存结果，只设置标志寄存器，如 testl %eax, %eax。
• CMP 指令：与 SUB 指令类似，但是不保存结果，只设置标志寄存器，如 cmpl %eax, %ebx。与分支指令配合使用。
• jmp：无条件跳转，如 jmp label。
• call 指令：调用函数，如 call func, 其操作是：将下一条指令的地址压入栈，然后跳转到函数的入口地址。
• ret 指令：返回，如 ret。其操作是：将弹出的返回地址加载到指令指针寄存器（RIP）中，从而跳转到函数调用后的下一条指令，继续执行。
• leave 指令：恢复栈帧，如 leave。其操作是：将栈帧指针 rbp 的值赋给栈顶指针 rsp(清空当前栈帧)，然后弹出栈帧指针 rbp(恢复原始 rbp, 还原上一个栈帧)。

和标志寄存器相关的指令：有两种常见指令可以读取/响应当前标志寄存器的值

• setx：x 是条件占位符，根据条件(x)设置一个字节寄存器为 0 或 1，如 sete %al。
• cmovx：条件移动指令，x 是条件占位符，根据条件(x)将源寄存器复制到目的寄存器，如 cmovle %eax, %ebx。
  上面命令中的 x 是条件占位符，值及其含义与上图中的条件跳转指令相同。

3.函数调用

为了允许共享代码并简化子程序的使用，程序员通常采用一种通用的调用约定。调用约定是一种关于如何调用和返回例程的协议。例如，给定一组调用约定规则，程序员不需要检查子程序的定义来确定如何将参数传递给该子程序。此外，给定一组调用约定规则，高级语言编译器可以按照这些规则进行编译，从而允许手动编写的汇编语言例程和高级语言例程相互调用。

MacOSX 和 Linux 的 x86-64 调用协议都遵循 SystemV ABI (见参考资料)。

函数参数

ABI 将参数/返回值定义了多种类别，依据寄存器的种类定义为：INTEGER(整型，能够适应于通用寄存器 8B)、SSE(能够适应于单个向量寄存器 8B)、SSEUP（继续利用上次使用的向量寄存器中的高字节部分>8B）、MEMORY（通过栈传递的类型）和其他类型。

函数调用的前 6 个（整型，包括指针）参数通过寄存器传递，传递顺序为 %rdi,%rsi,%rdx,%rcx,%r8,%r9（如图所示 arg1~arg6）。超出部分的参数通过函数栈帧传递。

如果函数有返回值（整型），%rax 用作第一个函数返回值，%rdx 用作第二个函数返回值。浮点数使用 xmm0 作为返回值。

其他一些规则：

• 如果参数大于 64 字节对象，对应于 MEMORY 类型，通过栈传递。
• 注意如果返回值是 MEMORY 类型，调用者会自己为返回值分配空间，并使用 %rdi 隐式传递该内存指针作为第一个参数。被调用函数对该内存赋值后，直接返回该指针。

函数栈帧

每个函数在运行时堆栈上都有一个帧。函数栈帧从高地址往低地址方向增长，System V ABI 使用两个寄存器访问函数栈帧：帧指针 %rbp 和栈指针 %rsp。 帧指针 %rbp 指向当前函数栈帧基址(栈底)，栈指针 %rsp 指向当前函数栈帧栈顶。

函数调用的栈帧结构图如下所示：

• 帧指针 %rbp 用来存取函数栈帧上的数据，例如传递进来的函数参数，或者函数的本地局部变量。 System V ABI 要求最后一个压入栈的函数参数（argument 0）地址需要 16 字节边界对齐，如果有 __m256 类型的参数使用栈传递，则需要 32 字节边界对齐。
• 可以看出，通过栈传递的其他参数，第一个参数的位置在 %rbp+16, 中间隔着 8 字节的返回地址。在 32 位系统中，第一个参数的位置在 %ebp+8。(只是 32 位系统在参数传递和寄存器保存上有所不同)

栈红区（red zone）优化：红区是栈上 rsp 指向位置之后的 128 字节区域。该区域在函数调用时被认为是保留的，期间不被信号处理程序和中断处理程序修改，从而保护了函数栈的完整性。所以函数可以安全地使用这个区域来存储临时数据。

可用于优化函数调用：叶函数（即不调用其他函数的函数）可以利用红区作为整个栈帧的一部分，而不必在函数入口/序言和退出/结尾时调整栈指针（直接使用 rsp 寻址，并且不显示地调用 subq $N, %rsp 分配空间，直接使用栈红区作为整个栈帧）。这可以减少栈操作的开销，提高函数调用的性能。

函数调用协议

函数调用协议分为 caller 端和 callee 端，每端各有两个重要步骤：

1）caller 调用者：

• 【保存 caller-save 寄存器到函数栈上（按需保存）】；
• 将函数参数存储到规定的寄存器中，并将超出约定的参数按顺序压入栈中；(32 位系统中，通常仅用栈传递参数，参数按照从右到左的顺序依次压栈)
• 调用 call 指令。（先压入返回地址，再跳转执行）

2）callee 被调用者，函数序言：

• pushq %rbp 压入 rbp 寄存器，用来保存前一个栈帧基址；
• movq %rsp, %rbp 初始化 rbp 寄存器，用来指向当前栈帧基址；（新的 rbp 常用于寻址参数/局部变量）
• 为局部变量分配空间，subq $N, %rsp；
• 【保存 callee-save 寄存器到函数栈上（按需保存）】

3） callee 被调用者，函数尾声：
函数体执行完毕后，需要执行以下步骤：

• 将函数返回值置入 rax 中（浮点数置入 xmm0）；
• 【如果保存了 callee-save 寄存器，使用 popq 倒序从栈帧中恢复寄存器 】；
• 释放当前函数的栈帧空间，movq %rbp %rsp 先回退栈顶指针 %rsp，popq %rbp 再恢复原基址指针 %rbp。（两个操作，合并等效为 leave 指令）；
• ret 指令，弹出返回地址，执行流回到 caller 。

4）caller 调用者：

• 如果为函数参数额外分配了栈空间，则在此时需要释放这些空间。
• 【如果保存了 caller-save 寄存器，popq 倒序从栈帧中恢复，释放这些空间】；

至此，一个完整的函数调用过程完成。函数执行的结果一般位于寄存器 rax 中，如果是浮点数，位于在 xmm0 中。

说明：

• 浮点数，使用浮点寄存器 xmm0~xmm7 传递参数，返回值使用 xmm0~xmm1。
• 如果是对象作为返回值(对应为 MEMORY 类型时)，会隐式传递其指针作为第一个参数。函数内直接修改这个指针指向的内存。

4.GDB

• GDB Quick Reference - cheatsheet
• GDB 常用基础命令

参考资料

• x86 Assembly Guide
• Guide to x86-64
• System V Application Binary Interface #PDF
• 在线编译器 GodBot

MIPS

MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种精简指令集计算（RISC）架构，广泛应用于嵌入式系统、网络设备以及教育领域。它的设计强调简洁性和高效性，所有指令的长度固定为 32 位（部分版本支持 16 位压缩指令）。
MIPS 有32个通用寄存器：

函数调用：

• 参数传递：通过 $a0-$a3（MIPS32）或 $a0-$a7（MIPS64）传递前 4 或 8 个参数，更多参数通过栈传递。
• 返回值：通过 $v0 和 $v1 返回函数结果。
• 调用者 Caller 保存寄存器：$t0-$t9
• 被调用者 Callee 保存寄存器：$s0-$s7

mips assembly lecture - by nju

RISCV

RISC-V 是一种基于精简指令集（RISC）的开源指令集架构（ISA），其设计具有模块化、灵活性和跨平台支持的特点。基础指令集（如 RV32I、RV64I）只提供最基本的操作，其他功能通过扩展模块实现，例如：

• M 扩展（整数乘除法）：支持整数的乘法和除法操作。
• F 扩展（单精度浮点数）：支持浮点运算。
• D 扩展（双精度浮点数）：扩展浮点运算到双精度。
• C 扩展（压缩指令集）：减少指令长度，提高代码密度。
• V 扩展（向量处理）：支持高效的数据并行计算。

RV32I 有32个通用寄存器:

• 由调用者 Caller 负责保存和恢复，临时寄存器：t0-t6
• 由被调用者 Callee 负责保存和恢复，保存寄存器：s0-s11
• 参数寄存器: a0-a7

阅读

• riscv progrmming book
• riscv 手册中文版v2

模拟器

• MIPS32 | RV32 | ARMv7 - https://cpulator.01xz.net
• x86_64 Assembly