1 引言
为了阅读Linux内核源代码，是需要一些汇编语言知识的。因为与架构相关的代码基本上都是用汇编语言编写的，所以掌握一些基本的汇编语言语法，能够更好地理解Linux内核源代码，甚至可以对各种架构的差异有一个更深入的理解。
大部分人可能认为汇编语言晦涩难懂，阅读手册又冗长乏味。但是，经过本人的经验，可能常用的指令也就是30个。许多其它的指令都是解决特定的情况而出现，比如浮点运算和多媒体指令。所以，本文就从常用指令出发，基于GNU汇编语言格式，对x86_64架构和ARM架构下的指令做了一个入门介绍。学习完这篇文章，希望可以对汇编有一个基本的理解，并能够解决大部分问题。
阅读本文需要一些硬件架构的知识。必要的时候，可以翻阅Intel Software Developer Manual和ARM Architecture Reference Manual。
2 开源汇编工具
对于相同的芯片架构，不同的芯片制造商或者其它开源工具可能会有不同的语法格式。所以，本文支持GNU编译器和汇编器，分别是gcc和as（有时候也称为gas）。
将C代码转换成汇编代码，是一种非常好的学习方式。所以，可以通过在编译选项中加入-S标志，生成汇编目标文件。在类Unix系统，汇编源代码文件使用.s的后缀标记。
比如，运行gcc -S hello.c -o hello.s编译命令，编译hello程序：
#include <stdio.h> int main( int argc, char *argv[] ) { printf("hello %s\n","world"); return 0; }
可以在hello.s文件中看到如下类似的输出：
.file "test.c" .data .LC0: .string "hello %s\n" .LC1: .string "world" .text .global main main: PUSHQ %rbp MOVQ %rsp, %rbp SUBQ $16, %rsp MOVQ %rdi, -8(%rbp) MOVQ %rsi, -16(%rbp) MOVQ $.LC0, %rax MOVQ $.LC1, %rsi MOVQ %rax, %rdi MOVQ $0, %rax CALL printf MOVQ $0, %rax LEAVE RET
从上边的汇编代码中可以看出，汇编代码大概由三部分组成：
- 伪指令
伪指令前缀一个小数点.，供汇编器、链接器或者调试器使用。比如，.file记录最初的源文件名称，这个名称对调试器有用；.data，表明该部分的内容是程序的数据段；.text，表明接下来的内容是程序代码段的内容；.string，表示一个数据段中的字符串常量；.global main，表示符号main是一个全局符号，可以被其它代码模块访问。 - 标签
标签是由编译器产生，链接器使用的一种引用符号。本质上，就是对代码段的一个作用域打上标签，方便链接器在链接阶段将所有的代码拼接在一起。所以，标签就是链接器的一种助记符。 - 汇编指令
真正的汇编代码，其实就是机器码的助记符。GNU汇编对大小写不敏感，但是为了统一，我们一般使用大写。
汇编代码编译成可执行文件，可以参考下面的代码编译示例：
% gcc hello.s -o hello % ./hello hello world
把汇编代码生成目标文件，然后可以使用nm工具显示代码中的符号，参考下面的内容：
% gcc hello.s -c -o hello.o % nm hello.o 0000000000000000 T main U printf
nm -> 是names的缩写，nm命令主要是用来列出某些文件中的符号（换句话说就是一些函数和全局变量）。
上面的代码显示的符号对于链接器都是可用的。main出现在目标文件的代码段（T），位于地址0处，也就是说位于文件的开头；printf未定义（U），因为它需要从库文件中链接。但是像.LC0之类的标签出现，因为它们没有使用.global，所以说对于链接器是无用的。
编写C代码，然后编译成汇编代码。这是学习汇编一个好的开始。
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3 X86汇编语言
X86是一个通用术语，指从最初的IBM-PC中使用的Intel-8088处理器派生（或兼容）的一系列微处理器，包括8086、80286、386、486以及其它许多处理器。每一代cpu都增加了新的指令和寻址模式（从8位到16位再到32位）。同时还保留了与旧代码的向后兼容性。各种竞争对手(如AMD)生产的兼容芯片也实现了相同的指令集。
但是，到了64位架构的时候，Intel打破了这个传统，引入了新的架构（IA64）和名称（Itanium），不再向后兼容。它还实现了一种新的技术-超长指令字（VLIW），在一个Word中实现多个并发操作。因为指令级的并发操作可以显著提升速度。
AMD还是坚持老方法，实现的64位架构（AMD64）向后兼容Intel和AMD芯片。不论两种技术的优劣，AMD的方法首先赢得了市场，随后Intel也生产自己的64位架构Intel64，并与AMD64和它自己之前的产品兼容。所以，X86-64是一个通用术语，包含AMD64和Intel64架构。
X86-64是复杂指令集CISC的代表。
3.1 寄存器和数据类型
X86-64具有16个通用目的64位寄存器：
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| rax | rbx | rcx | rdx | rsi | rdi | rbp | rsp |
| 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| r8 | r9 | r10 | r11 | r12 | r13 | r14 | r15 |
说它们是通用寄存器是不完全正确的，因为早期的CPU设计寄存器是专用的，不是所有的指令都能用到每一个寄存器。从名称上就可以看出来，前八个寄存器的作用，比如rax就是一个累加器。
AT&T语法-Intel语法
GNU使用传统的AT&T语法，许多类Unix操作系统使用这种风格，与DOS和Windows上用的Intel语法是不同的。下面一条指令是符合AT&T语法：
MOVQ %RSP, %RBP
MOVQ是指令，%表明RSP和RBP是寄存器。AT&T语法，源地址在前，目的地址在后。
Intel语法省略掉%，参数顺序正好相反。同样的指令，如下所示：
MOVQ RBP, RSP
所以，看%就能区分是AT&T语法，还是Intel语法。
随着设计的发展，新的指令和寻址模式被添加进来，使得这些寄存器几乎一样了。其余的指令，尤其是和字符串处理相关的指令，要求使用rsi和rdi寄存器。另外，还有两个寄存器专门为栈指针寄存器（rsp）和基址指针寄存器（rbp）保留。最后的8个寄存器没有特殊的限制。
随着处理器从8位一直扩展到64位，有一些寄存器还能拆分使用。rax的低八位是一个8位寄存器al，接下来的8位称为ah。如果把rax的低16位组合起来就是ax寄存器，低32位就是累加器eax，整个64位才是rax寄存器。这样设计的目的是向前兼容，具体可以参考下图：
图1: X86 寄存器结构
r8-r15，这8个寄存器具有相同的结构，就是命名机制不同。
图2: X86 寄存器结构
为了简化描述，我们还是着重讲64位寄存器。但是，大多数编译器支持混合模式：一个字节可以表示一个布尔型；32位对于整数运算就足够了，因为大多数程序不需要大于2^32以上的整数值；64位类型常用于内存寻址，能够使虚拟地址的空间理论上可以达到1800万TB（1TB=1024GB）。
3.2 寻址模式
MOV指令可以使用不同的寻址模式，在寄存器和内存之间搬运数据。使用B、W、L和Q作为后缀，添加在指令后面，决定操作的数据的位数：
| 后缀 | 名称 | 大小 |
| B | BYTE | 1 字节（8位） |
| W | WORD | 2 字节（16位） |
| L | LONG | 4 字节（32位） |
| Q | QUADWORD | 8 字节（64位） |
MOVB移动一个字节，MOVW移动2个字节，MOVL移动4个字节，MOVQ移动8个字节。在某些情况下，可以省略掉这个后缀，编译器可以推断正确的大小。但还是建议加上后缀。
MOV指令可以使用下面几种寻址模式：
- 全局符号
一般给其定义一个简单的名称，通过这个名称来引用，比如x、printf之类的。编译器会将其翻译成绝对地址或用于地址计算。 - 立即数
使用美元符号$标记，比如$56。但是立即数的使用是有限制范围的。 - 寄存器
使用寄存器寻址，比如%rbx。 - 间接引用
通过寄存器中包含的地址进行寻址，比如(%rsp)，表示引用%rsp指向的那个值。 - 基址变址寻址
在间接引用的基础上再加上一个常数作为地址进行寻址。比如-16(%rcx)，就是寄存器rcx中的地址再减去16个字节的地址处的内容。这种模式对于操作堆栈，局部变量和函数参数非常重要。 - 复杂地址寻址
比如，D(RA,RB,C)，就是引用*RA + RB * C + D*计算后的地址处的值。RA和RB是通用目的寄存器，C可以是1、2、4或8，D是一个整数位移。这种模式一般用于查找数组中的某一项的时候，RA给出数组的首地址，RB计算数组的索引，C作为数组元素的大小，D作为相对于那一项的偏移量。
下表是不同寻址方式下加载一个64位值到%rax寄存器的示例:
| 寻址模式 | 示例 |
| 全局符号 | MOVQ x, %rax |
| 立即数 | MOVQ $56, %rax |
| 寄存器 | MOVQ %rbx, %rax |
| 间接引用 | MOVQ (%rsp), %rax |
| 基址变址寻址 | MOVQ -8(%rbp), %rax |
| 复杂地址寻址 | MOVQ -16(%rbx,%rcx,8), %rax |
大部分时候，目的操作数和源操作数都可以使用相同的寻址模式，但是也有例外，比如MOVQ -8(%rbx), -8(%rbx)，源和目的都使用基址变址寻址方式就是不可能的。具体的就需要查看手册了。
有时候，你可能需要加载变量的地址而不是其值，这对于使用字符串或数组是非常方便的。为了这个目的，可以使用LEA指令（加载有效地址），示例如下：
| 寻址模式 | 示例 |
| 全局符号 | LEAQ x, %rax |
| 基址变址寻址 | LEAQ -8(%rbp), %rax |
| 复杂地址寻址 | LEAQ -16(%rbx,%rcx,8), %rax |
3.3 基本算术运算
你需要为你的编译器提供四种基本的算术指令：整数加法、减法、乘法和除法。
ADD和SUB指令有两个操作数：源操作目标和既作源又作目的的操作目标。比如：
ADDQ %rbx, %rax
将%rbx加到%rax上，把结果存入%rax。这必须要小心，以免破坏后面可能还用到的值。比如：c = a+b+b这样的语句，转换成汇编语言大概是下面这样：
MOVQ a, %rax MOVQ b, %rbx ADDQ %rbx, %rax ADDQ %rbx, %rax MOVQ %rax, c
IMUL乘法指令有点不一样，因为通常情况下，两个64位的整数会产生一个128位的整数。IMUL指令将第一个操作数乘以rax寄存器中的内容，然后把结果的低64位存入rax寄存器中，高64位存入rdx寄存器。（这里有一个隐含操作，rdx寄存器在指令中并没有提到）
比如，假设这样的表达式c = b*(b+a)，将其转换成汇编语言；在这儿，a、b、c都是全局整数。
MOVQ a, %rax MOVQ b, %rbx ADDQ %rbx, %rax IMULQ %rbx MOVQ %rax, c
IDIV指令做相同的操作，除了最后的处理：它把128位整数的低64位存入rax寄存器，高64位存入rdx寄存器，然后除以指令中的第一个操作数。商存入rax寄存器，余数存入rdx寄存器。（如果想要取模指令，只要rdx寄存器的值即可。）
为了正确使用除法，必须保证两个寄存器有必要的符号位。如果被除数低64位就可以表示，但是是负数，那么高64位必须都是1，才能完成二进制补码操作。CQO指令可以实现这个特殊目的，将rax寄存器的值的符号位扩展到rdx寄存器中。
比如，一个数被5整除：
MOVQ a, %rax # 设置被除数的低64位 CQO # 符号位扩展到%rdx IDIVQ $5 # %rdx:%rax除以5,结果保存到%rax
自增和自减指令INC、DEC，操作数必须是一个寄存器的值。例如，表达式a = ++b转换成汇编语句后：
MOVQ b, %rax INCQ %rax MOVQ %rax, b MOVQ %rax, a
指令AND、OR和XOR，提供按位操作。按位操作意味着把操作应用到操作数的每一位，然后保存结果。
所以，AND $0101B $0110B就会产生结果$0100B。同样，NOT指令对操作数的每一位执行取反操作。比如，表达式c = (a & ˜b)，可以转换成下面这样的汇编代码：
MOVQ a, %rax MOVQ b, %rbx NOTQ %rbx ANDQ %rax, %rbx MOVQ %rbx, c
这里需要注意的是，算术位操作与逻辑bool操作是不一样的。比如，如果你定义false为整数0，true为非0。在这种情况下，$0001是true，而NOT $0001B的结果也是true！要想实现逻辑bool操作，需要使用CMP比较指令。
与MOV指令一样，各种算术指令能在不同寻址模式下工作。但是，对于一个编译器项目，使用MOV指令搬运寄存器之间或者寄存器与立即数之间的值，然后仅使用寄存器操作，会更加方便。
3.4 比较和跳转
使用JMP跳转指令，我们就可以创建一个简单的无限循环，使用rax累加器从0开始计数，代码如下：
MOVQ $0, %rax
loop: INCQ %rax JMP loop
但是，我们大部分时候需要的是一个有限的循环或者if-then-else这样的语句，所以必须提供计算比较值并改变程序执行流的指令。大部分汇编语言都提供2个指令：比较和跳转。
CMP指令完成比较。比较两个不同的寄存器，然后设置EFLAGS寄存器中对应的位，记录比较的值是相等、大于还是小于。使用带有条件跳转的指令自动检查EFLAGS寄存器并跳转到正确的位置。
| 指令 | 意义 |
| JE | 如果相等跳转 |
| JNE | 如果不相等跳转 |
| JL | 小于跳转 |
| JLE | 小于等于跳转 |
| JG | 大于跳转 |
| JGE | 大于等于跳转 |
下面是使用%rax寄存器计算0到5累加值的示例：
MOVQ $0, %rax
loop: INCQ %rax CMPQ $5, %rax JLE loop
下面是一个条件赋值语句，如果全局变量x大于0，则全局变量y=10，否则等于20：
MOVQ x, %rax CMPQ $0, %rax JLE .L1 .L0: MOVQ $10, $rbx JMP .L2 .L1: MOVQ $20, $rbx .L2: MOVQ %rbx, y
注意，跳转指令要求编译器定义标签。这些标签在汇编文件内容必须是唯一且私有的，对文件外是不可见的，除非使用.global伪指令。标签像.L0、.L1等是由编译器根据需要生成的。
3.5 栈
栈是记录函数调用过程和局部变量的一种数据结构，也可以说，如果没有栈，C语言的函数是无法工作的。%rsp寄存器称为栈指针寄存器，永远指向栈顶元素（栈的增长方向是向下的）。
为了把%rax寄存器的内容压入栈中，我们必须把%rsp寄存器减去8（%rax寄存器的大小），然后再把%rax寄存器内容写入到%rsp寄存器指向的地址处：
SUBQ $8, %rsp MOVQ %rax, (%rsp)
从栈中弹出数据，正好相反：
MOVQ (%rsp), %rax ADDQ $8, %rsp
如果仅仅是抛弃栈中最近的值，可以只移动栈指针正确的字节数即可：
ADDQ $8, %rsp
当然了，压栈和出栈是常用的操作，所以有专门的指令：
PUSHQ %rax POPQ %rax
需要注意的是，64位系统中，PUSH和POP指令被限制只能使用64位值，所以，如果需要压栈、出栈比这小的数必须使用MOV和ADD实现。
3.6 函数调用
先介绍一个简单的栈调用习惯：参数按照相反的顺序被压入栈，然后使用CALL调用函数。被调用函数使用栈上的参数，完成函数的功能，然后返回结果到eax寄存器中。调用者删除栈上的参数。
但是，64位代码为了尽可能多的利用X86-64架构中的寄存器，使用了新的调用习惯。称之为System V ABI，详细的细节可以参考ABI接口规范文档。这儿，我们总结如下：
- 前6个参数（包括指针和其它可以存储为整形的类型）依次保存在寄存器
%rdi、%rsi、%rdx、%rcx、%r8和%r9。 - 前8个浮点型参数依次存储在寄存器%xmm0-%xmm7。
- 超过这些寄存器个数的参数才被压栈。
- 如果函数接受可变数量的参数(如printf)，则必须将
%rax寄存器设置为浮动参数的数量。 - 函数的返回值存储在
%rax。
另外，我们也需要知道其余的寄存器是如何处理的。有一些是调用者保存，意味着函数在调用其它函数之前必须保存这些值。另外一些则由被调用者保存，也就是说，这些寄存器可能会在被调用函数中修改，所以被调用函数需要保存调用者的这些寄存器的值，然后从被调用函数返回时，恢复这些寄存器的值。保存参数和结果的寄存器根本不需要保存。下表详细地展示了这些细节：
表-System V ABI寄存器分配表
| 寄存器 | 目的 | 谁保存 |
| %rax | 结果 | 不保存 |
| %rbx | 临时 | 被调用者保存 |
| %rcx | 参数4 | 不保存 |
| %rdx | 参数3 | 不保存 |
| %rsi | 参数2 | 不保存 |
| %rdi | 参数1 | 不保存 |
| %rbp | 基址指针 | 被调用者保存 |
| %rsp | 栈指针 | 被调用者保存 |
| %r8 | 参数5 | 不保存 |
| %r9 | 参数6 | 不保存 |
| %r10 | 临时 | 调用者保存 |
| %r11 | 临时 | 调用者保存 |
| %r12 | 临时 | 被调用者保存 |
| %r13 | 临时 | 被调用者保存 |
| %r14 | 临时 | 被调用者保存 |
| %r15 | 临时 | 被调用者保存 |
为了调用函数，首先必须计算参数，并把它们放置到对应的寄存器中。然后把2个寄存器%r10和%r11压栈，保存它们的值。然后发出CALL指令，它会把当前的指令指针压入栈，然后跳转到被调函数的代码位置。当从函数返回时，从栈中弹出%r10和%r11的内容，然后就可以利用%rax寄存器的返回结果了。
这是一个C代码示例：
int x=0; int y=10; int main() { x = printf("value: %d\n",y); }
翻译成汇编语言大概是：
.data x: .quad 0 y: .quad 10 str: .string "value: %d\n" .text .global main main: MOVQ $str, %rdi # 第一个参数保存到%rdi中，是字符串类型 MOVQ y, %rsi # 第二个参数保存到%rsi中，是y MOVQ $0, %rax # 0个浮动参数 PUSHQ %r10 # 保存调用者保存的寄存器 PUSHQ %r11 CALL printf # 调用printf POPQ %r11 # 恢复调用者保存的寄存器 POPQ %r10 MOVQ %rax, x # 保存结果到x RET # 从main函数返回
3.7 定义叶子函数
因为函数参数保存到寄存器中，所以写一个不调用其它函数的叶子函数是非常简单的。比如，下面的代码：
square: function integer ( x: integer ) = { return x*x; }
可以简化为：
.global square square: MOVQ %rdi, %rax # 拷贝第一个参数到%rax IMULQ %rax # 自己相乘 # 结果保存到%rax RET # 返回到调用函数中
不幸的是，这对于还要调用其它函数的函数是不可行的，因为我们没有为其建立正确的栈。所以，需要一个复杂方法实现通用函数。
