原創(chuàng)：司徒彥南
2.2 使用寄存器
在前一節(jié)中的x86基本寄存器的介紹，對(duì)于一個(gè)匯編語言編程人員來說是不可或缺的。現(xiàn)在你知道，寄存器是處理器內(nèi)部的一些保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元。僅僅了解這些是不足以寫出一個(gè)可用的匯編語言程序的，但你已經(jīng)可以大致讀懂一般匯編語言程序了（不必驚訝，因?yàn)閰R編語言的祝記符和英文單詞非常接近），因?yàn)槟阋呀?jīng)了解了關(guān)于基本寄存器的絕大多數(shù)知識(shí)。
在正式引入第一個(gè)匯編語言程序之前，我粗略地介紹一下匯編語言中不同進(jìn)制整數(shù)的表示方法。如果你不了解十進(jìn)制以外的其他進(jìn)制，請(qǐng)把鼠標(biāo)移動(dòng)到這里。
數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)部只支持二進(jìn)制數(shù)，因?yàn)檫@樣計(jì)算機(jī)只需要表示兩種(某些情況是3種，這一內(nèi)容超過了這份教程的范圍，如果您感興趣，可以參考數(shù)字邏輯電路的相關(guān)書籍)狀態(tài).? 對(duì)于電路而言，這表現(xiàn)為高、低電平，或者開、關(guān)，分別非常明顯，因而工作比較穩(wěn)定；另一方面，由于只有兩種狀態(tài)，設(shè)計(jì)起來也比較簡單。這樣，使用二進(jìn)制意味著低成本、穩(wěn)定，多數(shù)情況下，這也意味著快速。
與十進(jìn)制類似，我們可以用下面的式子來換算出一個(gè)任意形如am-1……a3a2a1a0 的m位r進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)值n：
程序設(shè)計(jì)中常用十六進(jìn)制和八進(jìn)制數(shù)字代替二進(jìn)制數(shù)，其原因在于，16和8是2的整次方冪，這樣，一位十六或八進(jìn)制數(shù)可以表示整數(shù)個(gè)二進(jìn)制位。十六進(jìn)制中， 使用字母A、B、C、D、E、F表示10-15，而十六進(jìn)制或八進(jìn)制數(shù)制表示的的數(shù)字比二進(jìn)制數(shù)更短一些。
匯編語言中的整數(shù)常量表示- 十進(jìn)制整數(shù)
這是匯編器默認(rèn)的數(shù)制。直接用我們熟悉的表示方式表示即可。例如，1234表示十進(jìn)制的1234。不過，如果你指定了使用其他數(shù)制，或者有凡事都進(jìn)行完整定義的小愛好，也可以寫成[十進(jìn)制數(shù)]d或[十進(jìn)制數(shù)]D的形式。
- 十六進(jìn)制數(shù)
這是匯編程序中最常用的數(shù)制，我個(gè)人比較偏愛使用十六進(jìn)制表示數(shù)據(jù)，至于為什么，以后我會(huì)作說明。十六進(jìn)制數(shù)表示為0[十六進(jìn)制數(shù)]h或0[十六進(jìn)制數(shù)]H，其中，如果十六進(jìn)制數(shù)的第一位是數(shù)字，則開頭的0可以省略。例如，7fffh, 0ffffh，等等。
- 二進(jìn)制數(shù)
這也是一種常用的數(shù)制。二進(jìn)制數(shù)表示為[二進(jìn)制數(shù)]b或[二進(jìn)制數(shù)]B。一般程序中用二進(jìn)制數(shù)表示掩碼（mask code）等數(shù)據(jù)非常的直觀，但需要些很長的數(shù)據(jù)（4位二進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于一位十六進(jìn)制數(shù)）。例如，1010110b。
- 八進(jìn)制數(shù)
八進(jìn)制數(shù)現(xiàn)在已經(jīng)不是很常用了（確實(shí)還在用，一個(gè)典型的例子是Unix的文件屬性）。八進(jìn)制數(shù)的形式是[八進(jìn)制數(shù)]q、[八進(jìn)制數(shù)]Q、[八進(jìn)制數(shù)]o、[八進(jìn)制數(shù)]O。例如，777Q。
|
需要說明的是，這些方法是針對(duì)宏匯編器（例如，MASM、TASM、NASM）說的，調(diào)試器默認(rèn)使用十六進(jìn)制表示整數(shù)，并且不需要特別的聲明（例如，在調(diào)試器中直接用FFFF表示十進(jìn)制的65535，用10表示十進(jìn)制的16）。
現(xiàn)在我們來寫一小段匯編程序，修改EAX、EBX、ECX、EDX的數(shù)值。
我們假定程序執(zhí)行之前，寄存器中的數(shù)值是全0：
| | ? | X |
| H | L |
| EAX | 0000 | 00 | 00 |
| EBX | 0000 | 00 | 00 |
| ECX | 0000 | 00 | 00 |
| EDX | 0000 | 00 | 00 |
正如前面提到的，EAX的高16bit是沒有辦法直接訪問的，而AX對(duì)應(yīng)它的低16bit，AH、AL分別對(duì)應(yīng)AX的高、低8bit。
mov eax, 012345678h
mov ebx, 0abcdeffeh
mov ecx, 1
mov edx, 2 | ; 將012345678h送入eax
; 將0abcdeffeh送入ebx
; 將000000001h送入ecx
; 將000000002h送入edx |
則執(zhí)行上述程序段之后，寄存器的內(nèi)容變?yōu)椋?/p>
| | ? | X |
| H | L |
| EAX | 1234 | 56 | 78 |
| EBX | abcd | ef | fe |
| ECX | 0000 | 00 | 01 |
| EDX | 0000 | 00 | 02 |
那么，你已經(jīng)了解了mov這個(gè)指令（mov是move的縮寫）的一種用法。它可以將數(shù)送到寄存器中。我們來看看下面的代碼：
mov eax, ebx
mov ecx, edx | ; ebx內(nèi)容送入eax
; edx內(nèi)容送入ecx |
則寄存器內(nèi)容變?yōu)椋?/p>
| | ? | X |
| H | L |
| EAX | abcd | ef | fe |
| EBX | abcd | ef | fe |
| ECX | 0000 | 00 | 02 |
| EDX | 0000 | 00 | 02 |
我們可以看到，“move”之后，數(shù)據(jù)依然保存在原來的寄存器中。不妨把mov指令理解為“送入”，或“裝入”。
練習(xí)題
把寄存器恢復(fù)成都為全0的狀態(tài)，然后執(zhí)行下面的代碼：
mov eax, 0a1234h
mov bx, ax
mov ah, bl
mov al, bh | ; 將0a1234h送入eax
; 將ax的內(nèi)容送入bx
; 將bl內(nèi)容送入ah
; 將bh內(nèi)容送入al |
思考：此時(shí)，EAX的內(nèi)容將是多少？[答案]
EAX的內(nèi)容為000A3412h.
下面我們將介紹一些指令。在介紹指令之前，我們約定：
使用Intel文檔中的寄存器表示方式
- reg32 32-bit寄存器（表示EAX、EBX等）
- reg16 16-bit寄存器（在32位處理器中，這AX、BX等）
- reg8? 8-bit寄存器（表示AL、BH等）
- imm32 32-bit立即數(shù)（可以理解為常數(shù)）
- imm16 16-bit立即數(shù)
- imm8? 8-bit立即數(shù)
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在寄存器中載入另一寄存器，或立即數(shù)的值：
mov reg32, (reg32 | imm8 | imm16 | imm32)
mov reg32, (reg16 | imm8 | imm16)
mov reg8, (reg8 | imm8) |
例如，mov eax, 010h表示，在eax中載入00000010h。需要注意的是，如果你希望在寄存器中裝入0，則有一種更快的方法，在后面我們將提到。
交換寄存器的內(nèi)容：
xchg reg32, reg32
xchg reg16, reg16
xchg reg8, reg8 |
例如，xchg ebx, ecx，則ebx與ecx的數(shù)值將被交換。由于系統(tǒng)提供了這個(gè)指令，因此，采用其他方法交換時(shí)，速度將會(huì)較慢，并需要占用更多的存儲(chǔ)空間，編程時(shí)要避免這種情況，即，盡量利用系統(tǒng)提供的指令，因?yàn)槎鄶?shù)情況下，這意味著更小、更快的代碼，同時(shí)也杜絕了錯(cuò)誤（如果說Intel的CPU在交換寄存器內(nèi)容的時(shí)候也會(huì)出錯(cuò)，那么它就不用賣CPU了。而對(duì)于你來說，檢查一行代碼的正確性也顯然比檢查更多代碼的正確性要容易）剛才的習(xí)題的程序用下面的代碼將更有效：
mov eax, 0a1234h
mov bx, ax
xchg ah, al | ; 將0a1234h送入eax
; 將ax內(nèi)容送入bx
; 交換ah, al的內(nèi)容 |
遞增或遞減寄存器的值：
inc reg(8,16,32)
dec reg(8,16,32) |
這兩個(gè)指令往往用于循環(huán)中對(duì)指針的操作。需要說明的是，某些時(shí)候我們有更好的方法來處理循環(huán)，例如使用loop指令，或rep前綴。這些將在后面的章節(jié)中介紹。
將寄存器的數(shù)值與另一寄存器，或立即數(shù)的值相加，并存回此寄存器：
add reg32, reg32 / imm(8,16,32)
add reg16, reg16 / imm(8,16)
add reg8, reg8 / imm(8) |
例如，add eax, edx，將eax+edx的值存入eax。減法指令和加法類似，只是將add換成sub。
需要說明的是，與高級(jí)語言不同，匯編語言中，如果要計(jì)算兩數(shù)之和（差、積、商，或一般地說，運(yùn)算結(jié)果），那么必然有一個(gè)寄存器被用來保存結(jié)果。在PASCAL中，我們可以用nA := nB + nC來讓nA保存nB+nC的結(jié)果，然而，匯編語言并不提供這種方法。如果你希望保持寄存器中的結(jié)果，需要用另外的指令。這也從另一個(gè)側(cè)面反映了“寄存器”這個(gè)名字的意義。數(shù)據(jù)只是“寄存”在那里。如果你需要保存數(shù)據(jù)，那么需要將它放到內(nèi)存或其他地方。
類似的指令還有and、or、xor（與，或，異或）等等。它們進(jìn)行的是邏輯運(yùn)算。
我們稱add、mov、sub、and等稱為為指令助記符（這么叫是因?yàn)樗葯C(jī)器語言容易記憶，而起作用就是方便人記憶，某些資料中也稱為指令、操作碼、opcode[operation code]等）；后面的參數(shù)成為操作數(shù)，一個(gè)指令可以沒有操作數(shù)，也可以有一兩個(gè)操作數(shù)，通常有一個(gè)操作數(shù)的指令，這個(gè)操作數(shù)就是它的操作對(duì)象；而兩個(gè)參數(shù)的指令，前一個(gè)操作數(shù)一般是保存操作結(jié)果的地方，而后一個(gè)是附加的參數(shù)。
我不打算在這份教程中用大量的篇幅介紹指令——很多人做得比我更好，而且指令本身并不是重點(diǎn)，如果你學(xué)會(huì)了如何組織語句，那么只要稍加學(xué)習(xí)就能輕易掌握其他指令。更多的指令可以參考Intel提供的資料。編寫程序的時(shí)候，也可以參考一些在線參考手冊(cè)。Tech!Help和HelpPC 2.10盡管已經(jīng)很舊，但足以應(yīng)付絕大多數(shù)需要。
聰明的讀者也許已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用sub eax, eax，或者xor eax, eax，可以得到與mov eax, 0類似的效果。在高級(jí)語言中，你大概不會(huì)選擇用a=a-a來給a賦值，因?yàn)闇y(cè)試會(huì)告訴你這么做更慢，簡直就是在自找麻煩，然而在匯編語言中，你會(huì)得到相反的結(jié)論，多數(shù)情況下，以由快到慢的速度排列，這三條指令將是xor eax, eax、sub eax, eax和mov eax, 0。
為什么呢？處理器在執(zhí)行指令時(shí)，需要經(jīng)過幾個(gè)不同的階段：取指、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行。
我們反復(fù)強(qiáng)調(diào)，寄存器是CPU的一部分。從寄存器取數(shù)，其速度很顯然要比從內(nèi)存中取數(shù)快。那么，不難理解，xor eax, eax要比mov eax, 0更快一些。
那么，為什么a=a-a通常要比a=0慢一些呢？這和編譯器的優(yōu)化有一定關(guān)系。多數(shù)編譯器會(huì)把a(bǔ)=a-a翻譯成類似下面的代碼(通常，高級(jí)語言通過ebp和偏移量來訪問局部變量；程序中，x為a相對(duì)于本地堆的偏移量，在只包含一個(gè)32-bit整形變量的程序中，這個(gè)值通常是4)：
mov eax, dword ptr [ebp-x]
sub eax, dword ptr [ebp-x]
mov dword ptr [ebp-x],eax |
而把a(bǔ)=0翻譯成
上面的翻譯只是示意性的，略去了很多必要的步驟，如保護(hù)寄存器內(nèi)容、恢復(fù)等等。如果你對(duì)與編譯程序的實(shí)現(xiàn)過程感興趣，可以參考相應(yīng)的書籍。多數(shù)編譯器（特別是C/C++編譯器，如Microsoft Visual C++）都提供了從源代碼到宏匯編語言程序的附加編譯輸出選項(xiàng)。這種情況下，你可以很方便地了解編譯程序執(zhí)行的輸出結(jié)果；如果編譯程序沒有提供這樣的功能也沒有關(guān)系，調(diào)試器會(huì)讓你看到編譯器的編譯結(jié)果。
如果你明確地知道編譯器編譯出的結(jié)果不是最優(yōu)的，那就可以著手用匯編語言來重寫那段代碼了。怎么確認(rèn)是否應(yīng)該用匯編語言重寫呢？
使用匯編語言重寫代碼之前需要確認(rèn)的幾件事情- 首先，這種優(yōu)化最好有明顯的效果。比如，一段循環(huán)中的計(jì)算，等等。一條語句的執(zhí)行時(shí)間是很短的，現(xiàn)在新的CPU的指令周期都在0.000000001s以下，Intel甚至已經(jīng)做出了4GHz主頻（主頻的倒數(shù)是時(shí)鐘周期）的CPU，如果你的代碼自始至終只執(zhí)行一次，并且你只是減少了幾個(gè)時(shí)鐘周期的執(zhí)行時(shí)間，那么改變將是無法讓人察覺的；很多情況下，這種“優(yōu)化”并不被提倡，盡管它確實(shí)減少了執(zhí)行時(shí)間，但為此需要付出大量的時(shí)間、人力，多數(shù)情況下得不償失（極端情況，比如你的設(shè)備內(nèi)存價(jià)格非常昂貴的時(shí)候，這種優(yōu)化也許會(huì)有意義）。
- 其次，確認(rèn)你已經(jīng)使用了最好的算法，并且，你優(yōu)化的程序的實(shí)現(xiàn)是正確的。匯編語言能夠提供同樣算法的最快實(shí)現(xiàn)，然而，它并不是萬金油，更不是解決一切的靈丹妙藥。用高級(jí)語言實(shí)現(xiàn)一種好的算法，不一定會(huì)比匯編語言實(shí)現(xiàn)一種差的算法更慢。不過需要注意的是，時(shí)間、空間復(fù)雜度最小的算法不一定就是解決某一特定問題的最佳算法。舉例說，快速排序在完全逆序的情況下等價(jià)于冒泡排序，這時(shí)其他方法就比它快。同時(shí)，用匯編語言優(yōu)化一個(gè)不正確的算法實(shí)現(xiàn)，將給調(diào)試帶來很大的麻煩。
- 最后，確認(rèn)你已經(jīng)將高級(jí)語言編譯器的性能發(fā)揮到極致。Microsoft的編譯器在RELEASE模式和DEBUG模式會(huì)有差異相當(dāng)大的輸出，而對(duì)于GNU系列的編譯器而言，不同級(jí)別的優(yōu)化也會(huì)生成幾乎完全不同的代碼。此外，在編程時(shí)對(duì)于問題的嚴(yán)格定義，可以極大地幫助編譯器的優(yōu)化過程。如何優(yōu)化高級(jí)語言代碼，使其編譯結(jié)果最優(yōu)超出了本教程的范圍，但如果你不能確認(rèn)已經(jīng)發(fā)揮了編譯器的最大效能，用匯編語言往往是一種更為費(fèi)力的方法。
- 還有一點(diǎn)非常重要，那就是你明白自己做的是什么。好的高級(jí)語言編譯器有時(shí)會(huì)有一些讓人難以理解的行為，比如，重新排列指令順序，等等。如果你發(fā)現(xiàn)這種情況，那么優(yōu)化的時(shí)候就應(yīng)該小心——編譯器很可能比你擁有更多的關(guān)于處理器的知識(shí)，例如，對(duì)于一個(gè)超標(biāo)量處理器，編譯器會(huì)對(duì)指令序列進(jìn)行“封包”，使他們盡可能的并行執(zhí)行；此外，宏匯編器有時(shí)會(huì)自動(dòng)插入一些nop指令，其作用是將指令湊成整數(shù)字長（32-bit，對(duì)于16-bit處理器，是16-bit）。這些都是提高代碼性能的必要措施，如果你不了解處理器，那么最好不要改動(dòng)編譯器生成的代碼，因?yàn)檫@種情況下，盲目的修改往往不會(huì)得到預(yù)期的效果。
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曾經(jīng)在一份雜志上看到過有人用純機(jī)器語言編寫程序。不清楚到底這是不是編輯的失誤，因?yàn)橐粋€(gè)頭腦正常的人恐怕不會(huì)這么做程序，即使它不長、也不復(fù)雜。首先，匯編器能夠完成某些封包操作，即使不行，也可以用db偽指令來寫指令；用匯編語言寫程序可以防止很多錯(cuò)誤的發(fā)生，同時(shí)，它還減輕了人的負(fù)擔(dān)，很顯然，“完全用機(jī)器語言寫程序”是完全沒有必要的，因?yàn)閰R編語言可以做出完全一樣的事情，并且你可以依賴它，因?yàn)橛?jì)算機(jī)不會(huì)出錯(cuò)，而人總有出錯(cuò)的時(shí)候。此外，如前面所言，如果用高級(jí)語言實(shí)現(xiàn)程序的代價(jià)不大（例如，這段代碼在程序的整個(gè)執(zhí)行過程中只執(zhí)行一遍，并且，這一遍的執(zhí)行時(shí)間也小于一秒），那么，為什么不用高級(jí)語言實(shí)現(xiàn)呢？
一些比較狂熱的編程愛好者可能不太喜歡我的這種觀點(diǎn)。比方說，他們可能希望精益求精地優(yōu)化每一字節(jié)的代碼。但多數(shù)情況下我們有更重要的事情，例如，你的算法是最優(yōu)的嗎？你已經(jīng)把程序在高級(jí)語言許可的范圍內(nèi)優(yōu)化到盡頭了嗎？并不是所有的人都有資格這樣說。匯編語言是這樣一件東西，它足夠的強(qiáng)大，能夠控制計(jì)算機(jī)，完成它能夠?qū)崿F(xiàn)的任何功能；同時(shí)，因?yàn)樗膹?qiáng)大，也會(huì)提高開發(fā)成本，并且，難于維護(hù)。因此，我個(gè)人的建議是，如果在軟件開發(fā)中使用匯編語言，則應(yīng)在軟件接近完成的時(shí)候使用，這樣可以減少很多不必要的投入。
第二章中，我介紹了x86系列處理器的基本寄存器。這些寄存器對(duì)于x86兼容處理器仍然是有效的，如果你偏愛AMD的CPU，那么使用這些寄存器的程序同樣也可以正常運(yùn)行。
不過現(xiàn)在說用匯編語言進(jìn)行優(yōu)化還為時(shí)尚早——不可能寫程序，而只操作這些寄存器，因?yàn)檫@樣只能完成非常簡單的操作，既然是簡單的操作，那可能就會(huì)讓人覺得乏味，甚至找一臺(tái)足夠快的機(jī)器窮舉它的所有結(jié)果（如果可以窮舉的話），并直接寫程序調(diào)用，因?yàn)檫@樣通常會(huì)更快。但話說回來，看完接下來的兩章——內(nèi)存和堆棧操作，你就可以獨(dú)立完成幾乎所有的任務(wù)了，配合第五章中斷、第六章子程序的知識(shí)，你將知道如何駕馭處理器，并讓它為你工作。