概要

在對學習Go的過程中，涉及到了匯編，因此對X86系列CPU的背景、寄存器、匯編指令做了一番了解，僅以本文作為總結，便于后續查看。

x86架構始于Intel在1978年推出的8086 CPU(典中典)，它是從Intel 8008處理器中發展而來的，而8008則是發展自Intel 4004的。8086在三年后為IBM PC所選用，之后x86便成為了電腦的標配（當然，現在有些電腦采用ARM架構的CPU,比如mac m1），成為了非常成功的CPU架構。

除了Intel公司，其他公司也有制造x86架構的CPU，比如IBM、IDT以及Transmeta，但Intel以外最成功的制造商要數AMD了，其早先產品Athlon系列處理器的市場份額僅次于Intel的Pentium。

值得注意的是8086是16位處理器，直到1985年32位的80386(IA-32)才被開發，接著推出了一系列針對32位架構細微改進的CPU型號，直到2003年AMD對于這個架構進行了64位的擴展，并命名為AMD64，后來英特爾也推出了與之兼容的處理器，并命名為Intel 64。兩者一般被統稱為x86-64或x64，開創了x86的64位時代。

一、寄存器

正如概要中所說，x86系列發展從16、32到64位，寄存器也隨之發展。

1.1、8086寄存器

8086中寄存器總共為 14 個，且均為 16 位。

• 通用寄存器

寄存器	含義
AX、BX、CX、DX 也稱為數據寄存器	AX (Accumulator)：累加寄存器，也稱之為累加器； BX (Base)：基地址寄存器； CX (Count)：計數器寄存器； DX (Data)：數據寄存器；
SP、BP 也稱為指針寄存器	SP (Stack Pointer)：堆棧指針寄存器，存放棧頂偏移地址，與SS配合使用，即棧頂地址=SS給出的棧段首地址+SP中偏移地址； BP (Base Pointer)：基指針寄存器，一般存放函數棧幀起始指針；
SI、DI 也稱為變址寄存器	SI (Source Index)：源變址寄存器； DI (Destination Index)：目的變址寄存器；

ps:AX可以通過AH操作其高8位，AL操作其低8位（這樣可以當做兩個8位寄存器使用了），BX、CX、DX同理。

• 控制寄存器

寄存器	含義
IP	IP (Instruction Pointer)：指令指針寄存器；存放下一條指令的偏移地址，搭配CS使用，即下一條指令的地址=CS給出代碼段基址<<4+IP中偏移地址
FLAG	標志寄存器

ps:偏移地址也稱偏移量，就是計算機里的內存分段后,在段內某一地址相對于段首地址(段地址)的偏移量。

• 段寄存器

寄存器	含義
CS	CS (Code Segment)：代碼段寄存器；
DS	DS (Data Segment)：數據段寄存器；
SS	SS (Stack Segment)：堆棧段寄存器；
ES	ES (Extra Segment)：附加段寄存器；

DS 寄存器和 ES 寄存器都屬于段寄存器，其實它們和 CS 寄存器以及 SS 寄存器用起來區別不大，既然是段寄存器的話，自然它們存放的就是某個段地址了 。我們已經知道，如果 CPU 要訪問一個內存單元時，我們必須要提供一個指向這個內存單元的物理地址給 CPU ，而我們也知道在 8086 CPU 中，物理地址是由段地址左移 4 位，然后加上偏移地址形成的，所以，我們也就只需要提供段地址和偏移地址即 OK 。8086 CPU 呢，提供了一個 DS 寄存器，并且通常都是通過這個 DS 段寄存器來存放要訪問的數據的段地址 。DS（Data Segment）：很顯然，DS 中存放的是數據段的段地址 。但是這里不得不再點一下，那就是我們對段的支持是在 CPU 上體現的，而不是在內存中實現了段，所以事實上我們使用的段其實是一個邏輯概念，即是我們自己定義的，再說白了，我定義一個段，我說它是數據段那它就是數據段，我說它是代碼段那么它就是代碼段，它們其實都是一塊連續的內存而已，我們只要能定位不同段即可，至于為什么要區分為數據段和代碼段，很明顯，是用來給我們編程提供方便的，即我們在自己的思想上或者說是編碼習慣上規定，數據放數據段中，代碼放代碼段中 。而我們在使用數據段的時候，為了方便或者說是代碼的編寫方便起見，我們一般把數據段的段地址放在 DS 寄存器中，當然，如果你硬要覺得 DS 不順眼，那你可以換個 ES 也是一樣的，至于 ES（Extra Segment） 段寄存器的話，自然，是一個附加段寄存器，如果再說得過分點，就當它是個擴展吧，當你發現，你幾個段寄存器不夠用的時候，你可以考慮使用 ES 段寄存器，在使用方式上，則和其他的段寄存器沒什么區別 。

1.2、通用寄存器

通用寄存器在匯編指令中是最多用到了，所以這里多說一嘴。

最初的8086有8個16位通用寄存器從%ax~%sp，等開發出32位時，這8個寄存器也被擴展成32位寄存器，標號命名以%e(Extense)開頭從%eax ~ %esp，后來又了64位的，這8個寄存器也被擴展成64位寄存器，標號命名以%r(Register)開頭從%rax ~ %rsp，另外還增加了8個寄存器，它們的標號命名規則為%r8 ~%r15。

x64通用寄存器：

64位寄存器	操作低32位	操作低16位	操作低8位
rax	eax	ax	al
…	…	…	rax與rsp之間的寄存器同理
rsp	esp	sp	spl
r8	r8d	r8w	r8b
…	…	…	r8與r15之間的同理
r15	r15d	r15w	r15b

另外rax、rbx、rcx 和 rdx 的高 8 位仍可通過 ah、bh、ch、dh訪問。

1.3、擴展寄存器

Intel為了增強CPU對多媒體信息的處理能力，提高CPU處理3D圖形、視頻和音頻信息的能力，在1996年推出了多媒體擴展指令集MMX(Multi-Media Extension)，為了支持該指令集，增加了[MM0,MM7]8個64位的寄存器。

由于MMX指令集只局限于整數的運算，反響并不好。在1999年Intel推出SSE指令集(Streaming SIMD Extension)，支持整數和浮點數運算，從此多了[XMM0,XMM15]共16個128位的寄存器。后續又接連推出了SSE2到SSE4.2作為補充的SSE家族，還有AVX、AVX-512、AMX等指令指令集家族，相應的也增加了[YMM0,YMM15]16個256位的寄存器和[ZMM0,ZMM31]32個512位的寄存器

ps:當然，x86系列寄存器肯定不止這些，本文只介紹了相對常用的，有興趣的可到Intel官網了解傳送門

二、指令集

指令集，就是CPU中用來計算和控制計算機系統的一套指令的集合，而每一種新型的CPU在設計時就規定了一系列與其他硬件電路相配合的指令系統。而指令集的先進與否，也關系到CPU的性能發揮，它也是CPU性能體現的一個重要標志。

通俗的理解，指令集就是CPU能認識的語言，指令集運行于一定的微架構之上，不同的微架構可以支持相同的指令集，比如Intel和AMD的CPU的微架構是不同的，但是同樣支持X86指令集，這很容易理解，指令集只是一套指令集合，一套指令規范，具體的實現，仍然依賴于CPU的翻譯和執行。

指令集一般分為RISC（精簡指令集 Reduced Instruction Set Computer）和CISC（復雜指令集Complex Instruction Set Computer）。Intel X86的第一個CPU定義了第一套指令集，后來一些公司發現很多指令并不常用，所以決定設計一套簡潔高效的指令集，稱之為RICS指令集(ARM指令集)，從而將原來的Intel X86指令集定義為CISC指令集。兩者的使用場合不一樣，對于復雜的系統，CISC更合適，否則，RICS更合適，且低功耗。

1. X86指令集
   X86指令集是Intel為其第一塊16位CPU(i8086)專門開發的，IBM1981年推出的世界第一臺PC機中的CPU—i8088(i8086簡化版)使用的也是X86指令，同時電腦中為提高浮點數據處理能力而增加的X87芯片系列數學協處理器則另外使用X87指令，以后就將X86指令集和X87指令集統稱為X86指令集。常見的如mov、add、sub、pop、push等.

2. MMX指令集
   1996年Intel的MMX（AMD認為這是矩陣數學擴展Matrix Math Extensions的縮寫，但大多數時候都被當成Multi-Media Extension，而Intel從來沒有官方宣布過詞源）技術出現。盡管這項新的科技得到廣泛宣傳，但它的精髓是非常簡單的：MMX定義了八個64位SIMD寄存器，與Intel Pentium處理器的FPU堆棧有相重疊。不幸的是，這些指令無法非常簡單地對應到由原來C編譯器所產生的腳本中。MMX也只局限于整數的運算。這項技術的缺點導致MMX在它早期的存在有輕微的影響。現今，MMX通常是用在某些2D影片應用程序中。

3. SSE指令集
   由于MMX指令并沒有帶來3D游戲性能的顯著提升，所以，1999年Inter公司在Pentium III CPU產品中推出了數據流單指令序列擴展指令（SSE），兼容MMX指令。SSE為Streaming SIMD Extensions的縮寫，如同其名稱所表示的，是一種SSE指令包括了四個主要的部份：單精確度浮點數運算指令、整數運算指令（此為MMX之延伸，并和MMX使用同樣的寄存器）、Cache控制指令、和狀態控制指令。
   在Pentium 4 CPU中，Inter公司開發了新指令集SSE2。SSE2指令一共144條，包括浮點SIMD指令、整形SIMD指令、SIMD浮點和整形數據之間轉換、數據在MMX寄存器中轉換等幾大部分。其中重要的改進包括引入新的數據格式，如：128位SIMD整數運算和64位雙精度浮點運算等。相對于SSE2，SSE3又新增加了13條新指令，此前它們被統稱為pni(prescott new instructions)。13條指令中，一條用于視頻解碼，兩條用于線程同步，其余用于復雜的數學運算、浮點到整數轉換和SIMD浮點運算。SSE4增加了50條新的增加性能的指令，這些指令有助于編譯、媒體、字符/文本處理和程序指向加速。

這里說下 SIMD（Single Instruction Multiple Data），單指令多數據，其不是指令集，而是一種思想，MMX、SSE、AVX等指令集就是這種思想的具體實現。它的精髓就是要通過一條指令，實現對寄存器上多組數據并行操作。比如arr:=[]int64{1,2,3,4},計算下標1與下標3之和，下標2與下標4之和，如果使用x86指令集，就要執行add rax,rbx兩次，而SSE指令直接addpd xmm0,xmm1就搞定了。

ps:AVX、AVX-512、AMX等指令集，就不一一介紹了。傳送門

三、x86指令集常見指令使用說明

x86指令大全傳送門。

本章節最好結合實戰文章來看1和2。

匯編語法有很多，主流如Intel 語法（源操作數在后，目標操作數在前）、AT&T 語法（源操作數在前，目標操作數在后）、本節解釋指令示例用Intel 語法，x86-64環境

• mov
  mov指令將源操作數（可以是寄存器的內容、內存中的內容或立即數）復制到目的操作數（寄存器中或內存上）。mov不能用于直接從內存復制到內存。

語法如下：
mov <reg>,<reg>
mov <reg>,<mem>
mov <mem>,<reg>
mov <reg>,<const>
mov <mem>,<const>
示例如下：
mov rax, rbx; 將rbx的值拷貝到rax
mov rax, 0x5; 將立即數5加載到rax寄存器
mov qword ptr [rsp+0x18], 0x1；將立即數1（qword ptr表示占8字節）加載到地址rsp+0x18到rsp+0x20之間的內存區域
mov qword ptr [rsp+0x18], rax； 將rax寄存器的內容（qword ptr表示大小為8字節）加載到地址rsp+0x18到rsp+0x20之間的內存區域

• lea - Load effective address
  lea是一個載入有效地址的指令，將源操作數表示的地址載入到目的操作數（寄存器）中。

語法如下：
lea <reg>,<mem>
示例如下：
lea rbp, ptr [rsp-0x10]; 將地址rsp-0x10到rsp-0x8之間內存區域存儲的8字節地址（指針）加載到rbp寄存器

• push
  push指令擴棧后將操作數壓入棧頂。通過第一章寄存器可知，一般棧頂由rsp寄存器確定。棧一般從高地址向低地址擴張。

語法如下：
push <reg>
push <mem>
push <const>
示例如下：
push rbp; 將rbp寄存器的內容壓入棧，x86-64下等價于sub rsp 0x8; mov rsp, rbp，也就是說push指令改變棧大小，減8字節

• pop
  pop指令與push指令相反，將棧頂內容彈出，并縮棧。

語法如下：
pop <reg>
pop <mem>
示例如下：
pop rbp; 將棧頂內容寫入rbp寄存器，x86-64下等價于 mov rbp,rsp; add rsp 0x8 也就是說pop指令改變棧大小，增8字節

• call
  call指令跳轉到標簽處，其主要工作是擴棧（字節數為指針大小）后將call下一條指令地址寫入棧頂(下一條指令由rip寄存器會自動裝載的)，并跳轉到標簽。

語法如下：
call <label>
示例如下：
call $main.sub; 調用sub函數，等價于push rip,jmp <label>; 也就是說call指令也會改變棧大小，x86-64下減8字節

• ret
  ret指令指令實現子程序的返回機制， 其主要工作是將棧頂內容寫入rip寄存器，并縮棧，后續cpu繼續執行rip的指令。這樣就和call實現的函數的調用與返回。

ret; 等價于pop rip;也就是說ret指令也會改變棧大小，x86-64下增加8字節

• cmp
  cmp指令比較源操作數與目的操作數大小，比較結果設置到FLAG寄存器中。
• jxx條件跳轉，根據FLAG寄存器特定標志位來決定是否跳轉

je或jz 如果相等(等于零)跳轉；
jne或jnz 如果不相等(等于零)跳轉；
js 如果為負值跳轉；
jns 如果不為負值跳轉；
jg 如果大于跳轉；
jge 如果大于等于跳轉；
jl 如果小于跳轉；
jle 如果小于等于跳轉；
…

運算指令

add rax,rbx;加法，rbx+rax,并將結果保存到rax中。
sub rax,rbx;減法，rbx-rax并將結果保存到rax中。
inc rax; 自增，rax=rax+1;
dex rax;自減，rax=rax-1
imul rax,rbx;乘法
idiv rax,rbx;除法
and、or、xor、not、neg 都是位運算，依次是與、或、異或、非、求補

四、匯編

提到匯編，不得不說匯編器和匯編語法。

4.1、匯編語法

匯編器	默認語法	典型應用場景?
NASM	Intel	Windows/Linux 跨平臺
GNU Assembler(GAS、AS)	AT&T	Linux 內核及 GCC 工具鏈
MASM	Intel	Windows 平臺開發
YASM	Intel	跨平臺優化
go tool asm?	plan9	go編譯過渡階段

匯編語法也各有特色，簡單說下其核心差異：

差異\語法	Intel	AT&T	plan9
操作數順序?	目標在前，源在后	源在前，目標在后	源在前，目標在后
寄存器前綴	無前綴	前綴 %，如%eax	無前綴
立即數前綴	無前綴	前綴 $，如$0x5	前綴 $，如$0x5
指令后綴?	無，但通過byte ptr(1字節)、word ptr(2字節)、 dword ptr(4字節)、qword ptr(8字節)修飾符表示多少字節， 如mov qword ptr [rsp+0x10], 0x2	b（1字節）、w(2字節)、l(4字節)、q(8字節) 如movq $0x2 %rax	同AT&T，如SUBQ $48, SP
尋址方式	[]作為修飾符，如[rsp+0x8]，定位棧偏移 0x8 處的內存地址	()作為修飾符，如8(%ebp),定位棧偏移 0x8 處的內存地址	同AT&T
寄存器抽象	不支持	不支持	支持，也叫偽寄存器，如SB、SP、FP、PC,用于簡化內存尋址
函數聲明	無專用指令，通過標簽和棧操作實現	無專用指令，通過標簽和棧操作實現	TEXT func(SB), flags, $size

4.2、nsam匯編

匯編語言程序由三種類型的語句組成：

• 可執行指令：直接告訴處理器要執行的操作，如mov、add等；
• 匯編器指令：指導匯編器如何處理源代碼及其生成的輸出，如section、global _start、db、dw、resb等；
• 宏：在源代碼級別進行文本替換。
• 匯編程序一般分成3個區域：
• data section: 用于聲明初始化的數據或者常量，運行時不會更改；
• bss section: 用于聲明全局變量；
• text section: 用于保存實際的代碼。這個部分必須以聲明global _start開始，它告訴內核程序從哪里開始執行。
  這里著重說下section匯編指令。

section 指令用于定義或切換段；
section .my_data progbits alloc write ; 定義可讀寫的初始化數據段
section .my_code progbits alloc exec ; 定義可執行的代碼段
section .my_rodata progbits alloc ; 定義只讀數據段（不可寫）

section .my_data progbits alloc writemy_var: dd 0x12345678  ; 定義可寫數據section .text
global _start
_start:mov eax, [my_var]      ; 正常讀取mov dword [my_var], 0  ; 允許寫入

我們一般給程序內存分為代碼段、數據段、堆、棧等、其中代碼段和數據段的內容在匯編中就由section 指令定義：

section .data 存放已初始化全局變量
section .bss 存放未初始化全局變量
section .text 存放可執行代碼，特別注意。這個部分必須以聲明global _start開始，它告訴內核程序從哪里開始執行。
section .rodata 存放只讀數據（如字符串，常量等）
這幾種段無需設置讀寫權限，nsam匯編器會自動追加上，比如還會在.bss后追加nobits alloc write，表示未初始化且可寫，因為一般程序會這么分，約定俗成了。

一個輸出hello world的匯編程序：

#hello.asm 文件
section .datahello db 'Hello, World!',0xA  ; 定義字符串并以換行符結束len equ $ - hello             ; 計算字符串長度section .textglobal _start                 ; 指定入口點_start:; 寫字符串到標準輸出mov eax, 4                    ; 系統調用號 (sys_write)mov ebx, 1                    ; 文件描述符 (stdout)mov ecx, hello                ; 要寫入的緩沖區地址mov edx, len                  ; 緩沖區長度int 0x80                      ; 觸發中斷; 退出程序mov eax, 1                    ; 系統調用號 (sys_exit)xor ebx, ebx                  ; 返回狀態碼 0int 0x80                      ; 觸發中斷

x86-64下yum安裝下nasm匯編器

nasm -f elf64 hello.asm -o hello.o
ld hello.o -o hello
./hello  # Hello, World!

五、參考

1]：維基百科Intel_8086
2]：維基百科x86發展
3]：x86匯編指令
4]：Intel官網SSE
5]：x64 體系結構
6]：nasm官網