计算机系统导论 · 第四讲：机器级程序基础

第四讲
Machine-Level Programming I: Basics

笔记整理自 2026 年 9 月 17 日课程

1. 本讲内容

• Intel x86 处理器与体系结构的演进；
• C、汇编代码与机器代码之间的关系；
• x86-64 的程序员可见状态：程序计数器、寄存器、条件码与内存；
• 寄存器、操作数、数据传送和内存寻址；
• leaq、算术运算、逻辑运算与移位。

2. x86 处理器与体系结构

2.1. x86 的演进

x86 从 1978 年的 8086 演进至今。其设计强调向后兼容：新处理器仍要支持许多早期软件所依赖的指令和行为。结果是指令数量多、格式不统一、历史遗留特性明显，因此通常被归为复杂指令集计算机（CISC）。不过，实际 Linux 程序只会频繁使用其中一小部分指令。

处理器演进并不只是提高时钟频率。后来还加入了多媒体与向量指令、更高效的条件操作、更宽的地址和数据通路以及更多核心。制程尺寸则从数百纳米逐渐缩小到十几纳米乃至更小；所谓制程尺寸可粗略理解为芯片中最窄互连或器件特征的尺度。

2.2. 从 IA-32 到 x86-64

Intel 曾尝试用 IA-64（Itanium）取代 IA-32，但 IA-64 与旧 x86 架构差异很大，兼容和性能表现都不理想。AMD 在 2003 年提出向后兼容的 64 位扩展 x86-64（也称 AMD64）；Intel 随后推出几乎相同的 EM64T。今天，桌面和服务器程序通常以 x86-64 模式运行，本课程也只讨论 x86-64。

例：为什么向后兼容重要？ 假设一家公司有一套十年前编译的财务软件。如果新处理器仍实现旧指令集，这套二进制程序可以直接运行；若处理器采用完全不同的指令集，就必须重新编译、模拟旧机器，甚至重写依赖旧环境的部分。

2.3. ISA 与微体系结构

• 指令集体系结构（ISA）：为了编写正确机器代码而必须知道的接口，包括指令语义、寄存器、数据类型和寻址方式等。机器代码是处理器执行的字节序列，汇编代码则是它的文本表示。
• 微体系结构（microarchitecture）：ISA 的具体实现方式，例如流水线深度、缓存大小、执行单元数量和核心频率。

同一 ISA 可以有多种微体系结构。两款处理器都能执行同一个 addq，说明它们遵循相同的 ISA；一款更快，可能是因为缓存更大或每周期能发射更多指令，而不是 addq 的含义发生了变化。常见 ISA 还包括 ARM 和开放的 RISC-V。

课前笔记中提到的 popcnt 是一个很好的例子：它统计操作数二进制表示中 1 的个数。例如 popcnt(0b10110100)=4。x86 指令很多，但编译普通程序时，真正频繁出现的只是较小子集。

3. 从 C 程序到机器代码

3.1. 程序员可见的机器状态

从汇编程序的视角，处理器和内存可以抽象为以下状态：

• 程序计数器（PC）：保存下一条将执行的指令地址；在 x86-64 中称为 %rip。
• 整数寄存器组：保存频繁使用的数据、地址和中间结果。
• 条件码：记录最近一次算术或逻辑运算的某些性质，例如结果是否为零、是否为负、是否产生进位或溢出；条件跳转会读取这些状态。
• 内存：按字节编址的数组，保存代码、全局数据、堆和栈。栈还用于支持过程调用。

3.2. 编译、汇编与链接

典型构建过程为：

C 源文件 (.c) 编译器 汇编文件 (.s) 汇编器 目标文件 (.o) 链接器 可执行文件

• 编译器把 C 语句转换成汇编指令。使用 gcc -Og -S sum.c 可以生成较适合学习和调试的汇编文件。
• 汇编器把每条汇编指令编码成机器字节，生成目标文件。目标文件已经很接近可执行映像，但跨文件引用可能尚未解析。
• 链接器解析文件之间的符号引用，并组合目标文件与库，生成可执行文件。静态库的代码可以在链接时并入；动态库的最终绑定可能延迟到程序装载或运行时。

编译器版本、优化级别和目标平台都会显著改变输出。因此，同一个 C 函数在不同机器上产生的汇编不必逐字相同，只要行为一致即可。

3.3. 一个完整例子：sumstore

long plus(long x, long y);

void sumstore(long x, long y, long *dest) {
  long t = plus(x, y);
  *dest = t;
}

一种可能的 x86-64 汇编为：

sumstore:
    pushq %rbx
    movq  %rdx, %rbx
    call  plus
    movq  %rax, (%rbx)
    popq  %rbx
    ret

这里暂时只需把它理解为：保存 %rbx；把指针 dest 暂存到 %rbx；调用 plus；从 %rax 取得返回值；把它写到 dest 指向的内存；恢复 %rbx 并返回。函数参数和寄存器的严格约定将在过程调用一讲中讨论。

真实的 .s 文件还包含 .globl、.type、.cfi_startproc 等以句点开头的内容。这些通常是给汇编器、链接器或调试器看的伪指令（directive），不是处理器实际执行的机器指令。

3.4. 机器代码与反汇编

上例中的

movq %rax, (%rbx)

可编码为 3 个字节 48 89 03。其中 %rax 保存 t，%rbx 保存 dest，(%rbx) 表示地址 %rbx 指向的内存位置，因此它对应 C 语句 *dest = t。

反汇编器从字节模式重建近似的汇编表示。常用命令是 objdump -d program；在 GDB 中可以用 disassemble function 查看函数，用 x/14xb address 查看从指定地址开始的 14 个字节。

4. 汇编语言基础

4.1. 汇编层的数据与操作

汇编语言中的数据类型比 C 简单得多：

• 整数数据通常为 1、2、4 或 8 字节；地址也只是无类型的整数位模式；
• 浮点数据常见为 4、8 或 10 字节；向量数据可更宽；
• 数组和结构体不会作为独立的机器类型出现，它们只是内存中的连续字节；
• 指令本身也是一串字节。

基本操作可以归纳为三类：在寄存器与内存之间传送数据；对寄存器或内存数据做算术/逻辑运算；通过调用、返回和条件/无条件跳转转移控制。

例： C 语言结构体 struct Point { long x; long y; }; 在汇编看来只是连续的 16 字节。若结构体首地址在 %rdi 中，那么 x 位于 (%rdi)，y 位于 8(%rdi)；“这是一个 Point”属于编译器和程序员的解释，而不是内存自身携带的标签。

4.2. x86-64 整数寄存器

x86-64 有 16 个通用整数寄存器。寄存器的不同名称可以访问同一寄存器的不同低位部分。

其余寄存器为 %r8 至 %r15，相应的低 32 位写作 %r8d 至 %r15d，低 16 位写作 %r8w 至 %r15w，低 8 位写作 %r8b 至 %r15b。%rsp 有专门的栈语义，不能像普通索引寄存器一样随意使用。

写入 32 位寄存器会自动把对应 64 位寄存器的高 32 位清零。例如执行 movl $1, %eax 后，%rax 的值是 64 位的 1。写入 8 位或 16 位子寄存器则不会自动清除其余高位。

4.3. movq 与三类操作数

movq Source, Dest 传送 8 字节（quad word）。操作数可分为：

• 立即数：写在指令中的常量，如 $0x400、$-533；
• 寄存器：如 %rax、%r13；
• 内存：由地址表达式指定的位置，如 (%rax) 表示从 %rax 中的地址开始的 8 个字节。

x86 不允许用一条普通 movq 完成内存到内存的传送；必须先读入寄存器，再写回内存。

例： 若 %rax=0x100，且内存地址 0x100 开始的 8 字节表示整数 42，则 movq (%rax), %rdx 执行后 %rdx=42。注意 %rax 保存的是地址，(%rax) 才是该地址处的内容。

4.4. 简单内存寻址

最简单的两种地址形式为：

• (R)：有效地址为 ，对应 C 中的指针解引用；
• D(R)：有效地址为 ，其中 是常量偏移量。

例如 movq (%rcx), %rax 从 %rcx 指向的位置读取 8 字节；movq 8(%rbp), %rdx 从地址 %rbp+8 读取 8 字节。

4.5. swap：从 C 到汇编

void swap(long *xp, long *yp) {
  long t0 = *xp;
  long t1 = *yp;
  *xp = t1;
  *yp = t0;
}

swap:
    movq (%rdi), %rax    # t0 = *xp
    movq (%rsi), %rdx    # t1 = *yp
    movq %rdx, (%rdi)    # *xp = t1
    movq %rax, (%rsi)    # *yp = t0
    ret

假设 %rdi=0x120、%rsi=0x100，初始时 M[0x120]=123、M[0x100]=456：

两个临时值都先保存在寄存器中，所以第一次写内存不会丢失原来的 123。

4.6. 完整内存寻址

最一般的地址形式是

D(Rb,Ri,S)

其中：

• 是 1、2 或 4 字节编码的常量位移；
• 是基址寄存器；
• 是索引寄存器，但不能是 %rsp；
• 是比例因子，只能取 1、2、4 或 8。

比例因子的取值恰好适合常见元素大小。若 long a[] 的首地址在 %rdi、下标 i 在 %rsi，由于每个 long 占 8 字节，a[i] 的地址就是 (%rdi,%rsi,8)。

设 %rdx=0xf000、%rcx=0x0100：

5. 算术与逻辑运算

5.1. leaq：只计算地址，不访问内存

leaq Src, Dst 把地址表达式 Src 计算出的有效地址写入寄存器 Dst，但不会读取该地址处的内存。它有两类常见用途：

• 计算指针，如 C 中的 p = &x[i]；
• 利用地址计算硬件完成 ，其中 。

例如：

long m12(long x) {
  return x * 12;
}

可编译为：

leaq (%rdi,%rdi,2), %rax   # %rax = x + 2x = 3x
salq $2, %rax              # %rax = 3x << 2 = 12x

这里 (%rdi,%rdi,2) 看起来像内存操作数，但 leaq 只取它算出的数值 ，不会访问地址 。

5.2. 双操作数指令

AT&T 语法中的一般形式为 opq Src, Dest，结果写回 Dest。

incq、decq、negq、notq 是单操作数指令，分别执行加一、减一、取负和按位取反。

例：算术右移与逻辑右移。 用 8 位补码演示，1111 0000 表示有符号数 ，也可表示无符号数 240。右移两位时，算术右移补 1，得到 1111 1100（）；逻辑右移补 0，得到 0011 1100（60）。位模式相同，但解释方式决定应选哪种右移。

对固定宽度整数而言，加法、减法、按位操作和低位乘积只处理位模式，通常不需要区分有符号或无符号；差别体现在比较、右移、高位乘积以及如何解释条件码等操作中。

5.3. 算术表达式翻译示例

long arith(long x, long y, long z) {
  long t1 = x + y;
  long t2 = z + t1;
  long t3 = x + 4;
  long t4 = y * 48;
  long t5 = t3 + t4;
  return t2 * t5;
}

一种编译结果为：

arith:
    leaq  (%rdi,%rsi), %rax       # t1 = x + y
    addq  %rdx, %rax              # t2 = z + t1
    leaq  (%rsi,%rsi,2), %rdx     # 3y
    salq  $4, %rdx                # t4 = 3y * 16 = 48y
    leaq  4(%rdi,%rdx), %rcx      # t5 = x + 4 + 48y
    imulq %rcx, %rax              # return t2 * t5
    ret

这个例子体现了三点：

• 一个寄存器可以在不同时刻保存不同的 C 临时变量，例如 %rdx 先保存参数 z，后保存 t4；
• 编译器不必逐句保留 C 的临时变量，而会直接形成更紧凑的数据流；
• 常数乘法常被拆成 leaq 与移位，因为左移 位等价于乘 。这里 ，因此只在最后使用一次真正的乘法指令。

6. 易错点与自测

6.1. 常见易错点

• 混淆 AT&T 与 Intel 语法的源、目的顺序；
• 把 %rax（寄存器中的值）与 (%rax)（该值作为地址所指向的内存）混为一谈；
• 误以为 leaq 一定访问内存；它只计算地址表达式；
• 尝试用一条 movq 在两个内存位置之间直接复制；
• 忘记比例因子只允许 1、2、4、8；
• 把算术右移 sarq 与逻辑右移 shrq 混用；
• 从一段汇编中强行恢复唯一的 C 源码。编译优化会删除变量、合并表达式，因此通常只能恢复等价逻辑。

6.2. 自测题

1. 若 %rax=0x100、M[0x100]=7，说明 %rax 与 (%rax) 各表示什么。
2. 若 %rbx=0x200、%rcx=3，求 16(%rbx,%rcx,8) 的有效地址。
3. 写出把内存 (%rdi) 的 8 字节复制到内存 (%rsi) 所需的两条 movq。
4. 解释为什么 leaq (%rdi,%rdi,4), %rax 可以计算 。
5. 对位模式 0xfffffffffffffff0，分别说明 sarq $2 与 shrq $2 的结果有何不同。

7. 总结

• x86 通过长期演进和向后兼容形成了复杂但成功的 ISA；当前课程关注 x86-64。
• ISA 规定程序可见的行为，微体系结构决定这些行为如何由硬件实现。
• C 源码经过编译、汇编和链接成为可执行机器代码；汇编是机器代码的文本表示。
• 程序员可见状态包括 %rip、整数寄存器、条件码和按字节编址的内存。
• movq 在立即数、寄存器和内存之间传送 8 字节，但不能直接完成内存到内存复制。
• 地址表达式 D(Rb,Ri,S) 对应基址、索引、比例和位移；它既可用于访存，也可由 leaq 当作普通算术表达式使用。
• 阅读双操作数指令时要始终记住 AT&T 顺序：opq Src, Dest，结果写回目的操作数。

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