目錄

前言：

1.程序員可見狀態

?2.Y86-64指令

3.指令編碼

movq指令

整數操作指令

跳轉指令

條件傳送指令

call和ret指令?

push和pop指令?

halt和nop指令

4.Y86-64異常

5.Y86-64程序

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前言：

本章內容是筆者學習csapp的一些讀書筆記，其中大部分內容來自原書，并加入了一些自己的注釋

指令系統是計算機軟件和硬件交互的接口，由于x86指令集相對復雜，書中定義了一個簡單的指令集 “Y86-64” ，能夠滿足一個處理器對于指令集的基本需求

1.程序員可見狀態

在這里，“程序員” 既可以是用匯編代碼寫程序的人，也可以是產生機器級代碼的編譯器

程序員的可見狀態是指：Y86-64中的每條指令都會讀取或者修改處理器狀態的某些部分，如程序寄存器、條件碼、程序計數器(PC)、內存以及程序狀態等等

? 對于程序寄存器，相比于x86，%rsp也是被用作棧指針，而Y86-64指令集體系結構中少了程序寄存器%r15，這么做的目的降低編碼的復雜度，這一點會在后面提及

? 條件碼有3個，分別是ZF、SF、OF (有關條件碼的內容可以參考）條件碼、條件控制和條件傳送_七月不遠.的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/weixin_58165485/article/details/123466697?spm=1001.2014.3001.5502? 程序計數器(PC)存放當前正在執行指令的地址 (注意：是地址而并非內容)

? 程序狀態碼表明這條指令是否正常運行

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?2.Y86-64指令

相比于x86-64指令集，Y86-64指令集做了相應的簡化：

??movq指令

?x86-64中的movq指令在這里被分為四種，分別是:

	Source operand	Destination operand
irmovq	Immediate	Register
rrmovq	Register	Register
rmmovq	Register	Memory
mrmovq	Memory	Register

指令的第一個字母表示源操作數的類型，第二個字母表示目的操作數的類型，源操作數可以是立即數(i)?，寄存器(r)，內存(m)，目的操作數可以是寄存器(r)和內存(m)

• irmovq指令表示將一個立即數存進一個寄存器中?
• rrmovq指令表示將一個寄存器中的值存進一個寄存器中
• rmmovq指令表示將一個寄存器中的值存進一個內存地址所對應的內存中
• mrmovq指令表示將一個內存中的值存進一個寄存器中

值得注意的是，我們不能：

• 從一個內存地址直接傳送到另一個內存地址，形如mmmovq是不被允許的
• 將立即數直接傳送到內存，形如immovq是不被允許的?

? 整數操作指令

Y86-64定義了4個整數操作指令，分別是加(addq)，減(subq)，與(andq)，異或(xorq)?

• 只能對寄存器數據進行操作 (這點很重要，x86-64中還允許對內存進行操作)
• 會設置條件碼

? 跳轉指令?

跳轉指令形如 jXX，Y86-64定義了7個跳轉指令，分別是：

指令	跳轉條件	描述
jmp	1	直接跳轉
jle	(SF ^ OF) | ZF	小于或等于 (有符號 <=)
jl	SF ^ OF	小于 (有符號 <)
je	ZF	相等 / 零
jne	~ZF	不相等 / 非零
jge	~(SF ^ OF)	大于或等于(有符號 >=)
jg	~(SF ^ OF) & ~ZF	大于(有符號 >)

根據分支指令的類型和條件代碼的設置來選擇分支?

? 條件傳送指令?

有6個條件傳送指令，形如comvXX：cmovle，cmovl，cmove，cmovne，cmovge，cmovg?

指令格式和rrmovq一樣，但只有滿足條件碼組合時才發生傳送?

? call指令和ret指令

• call指令的作用是將返回地址入棧，然后跳到目的地址
• ret指令從這樣的調用中返回

? push指令和pop指令

分別實現入棧和出棧，依靠%rsp來實現?

? halt指令?

halt指令會停止指令的執行，導致處理器停止，并將狀態碼設置為HLT?

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3.指令編碼

對于每條指令，Y86-64規定需要1~10個字節不等的編碼長度，如ret指令只需要1個字節就能完成編碼，而irmovq需要10個字節來完成編碼

每條指令的第一個字節表明了指令的類型，它相當于我們的身份證，前六位指明了你所在的地址，而這個字節分為兩個部分，每個部分占4個比特位，高4位表示指令代碼 (icode)，第4位表示指令功能 (ifun)，下面會有詳細介紹

當指令中有寄存器類型的操作數時，會在后面附加一個字節稱為寄存器指示符字節，用來顯示地給出將要操作地寄存器ID

Y86-64對于15個程序寄存器都給了一個ID，稱為寄存器標識符(register ID)?

數字	寄存器名稱		數字	寄存器名稱
0	%rax		8	%r8
1	%rcx		9	%r9
2	%rdx		A	%r10
3	%rbx		B	%r11
4	%rsp		C	%r12
5	%rbp		D	%r13
6	%rsi		E	%r14
7	%rdi		F	無寄存器

相比于x86-64省略掉寄存器%r15，是為了滿足編碼地簡便性，我們可以用4個比特位來描述所有寄存器類型，從0000~1111剛好16個數，而不需要再多用一個比特位來保存17種情況

下面介紹每種指令的編碼形式：?

movq指令

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以rrmovq為例，rrmovq指令是將一個寄存器的值傳送到另一個寄存器中，其編碼有兩個字節長度

第一個字節是 2 0 ，2表示指令代碼，0表示指令功能，當處理器拿到的指令形式為2 0 rA rB時，首先讀到 2 0，處理器知道了這是兩個寄存器之間傳送指令，寄存器指示符字節給出了 rA，rB，指明了即將用到地兩個寄存器ID，因此處理器就會根據這條編碼，將 rA 的值傳送到 rB 中

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對于irmovq，它表示將一個立即數傳送到寄存器中，其編碼長度有10個字節?

3 0代表的是irmovq，處理器讀到3 0便知道要將一個立即數傳到寄存器，但是在這個過程中只有1個寄存器作為目的操作數被用到，因此在寄存器指示符字節源操作數中是F，表明不需要寄存器，而在后面的8字節中保存的就是這個立即數V，處理器將V傳送到寄存器 rB 中

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rmmovq和mrmovq中的8字節常數字是一個地址偏移量，表明將內存引用的地址是rB內的地址+偏移量D?

整數操作指令

之前已經說過，整數操作指令只能對兩個寄存器中的數據進行操作，因此，只需要2個字節就能完成編碼

• 第一個字節 6 fn?，前4位 (6) 指出這是一個整數操作符，后4位(fn)則是指令功能位

? ? ? fn = 0 1 2 3分別對應四種規定的整數運算?

• 第二個字節是寄存器指示符字節，指明了即將操作的兩個寄存器ID

因此，類似 6 1 2 3這種編碼意思就是將寄存器 %rdx 中的值減去寄存器 %rbx 中的值，并把返回結果保存到?%rdx中

跳轉指令

和整數操作指令類似，跳轉指令也有功能之分，ifun部分分為0~7：

?后面的Dest指明了要跳轉的地址，如果滿足條件，則下一條指令跳轉到這個絕對地址執行

注意：分支指令和調用指令的目的一定是一個絕對地址，而不像IA32中那樣使用PC相對尋址?

條件傳送指令

和跳轉指令類似，條件傳送指令的fn分為0~6：

當fn = 0時，代表無條件傳送，也就是我們之前提到的rrmovq

其余的fn都是需要條件碼滿足條件時，才更新目的寄存器的值?

call和ret指令?

call和ret指令分別實現函數調用和返回，其中

• call指令需要9個字節來編碼，除了第一個字節外，剩下部分是一個絕對地址指向調用函數的地址?
• ret指令返回的地址存儲在棧上，故不需要在指令中給出

push和pop指令?

push和pop指令分別實現入棧和出棧的操作，注意的是即使編碼中只有rA一個目的操作數，但實際上這兩條指令也同時調用了%rsp(棧指針)?

halt和nop指令

• halt：停止指令的執行
• nop：執行一個空操作?

練習：rmmovq %rsp，0x123456789abcd(%rdx)?進行編碼?

rmmovq的第一個字節是40，%rsp的編號是4，%rdx編號是2，因此前兩個字節編碼是4042，而rmmovq的編碼規則將地址偏移量放在后8字節的常數字中，故在小端機器上的編碼為：

4042cdab896745230100?

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4.Y86-64異常

對于Y86-64來說，程序員可見狀態包括了狀態碼Stat，其可能的值如下：

值	名稱	含義
1	AOK	正常操作
2	HLT	遇到器執行halt指令
3	ADR	遇到非法地址
4	INS	遇到非法指令

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5.Y86-64程序

對于下面代碼，用sum函數計算一個整數數組的和：

long sum(long* start, long count) {long sum = 0;while (count) {sum += *start;start++;count--;}return sum; }

x86-64(由GCC產生)和Y86-64匯編代碼如下：?

我們可以很清楚地看到一些差別：

• Y86-64在第2~3行將兩個數加載到兩個寄存器中，因為不允許在整數操作中使用立即數，只能使用寄存器
• Y86-64在第8~9行先將一個數從內存中取到寄存器中，再完成加法，因為不允許在內存的數與寄存器的數相加

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Y86-64指令集体系结构的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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