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第一章 汇编语言简介 先说一点和实际编程关系不太大的东西。当然，如果你迫切的想看到更实质的内容，完全可以先跳过这一章。 那么，我想可能有一个问题对于初学汇编的人来说非常重要，那就是： 汇编语言到底是什么？ 简单地说，汇编语言就是机器语言的一种可以被人读懂的形式，只不过它更容易记忆。至于宏汇编，则是包含了宏支持的汇编语言，这可以让你编程的时候更专注于程序本身，而不是忙于计算和重写代码。 汇编语言除了机器语言之外最接近计算机硬件的编程语言。由于它如此的接近计算机硬件，因此，它可以最大限度地发挥计算机硬件的性能。用汇编语言编写的程序的速度通常要比高级语言和C/C++快很多--几倍，几十倍，甚至成百上千倍。当然，解释语言，如解释型LISP，没有采用JIT技术的Java虚机中运行的Java等等，其程序速度更无法与汇编语言程序同日而语 。 永远不要忽视汇编语言的高速。实际的应用系统中，我们往往会用汇编彻底重写某些经常调用的部分以期获得更高的性能。应用汇编也许不能提高你的程序的稳定性，但至少，如果你非常小心的话，它也不会降低稳定性；与此同时，它可以大大地提高程序的运行速度。我强烈建议所有的软件产品在最后Release之前对整个代码进行Profile，并适当地用汇编取代部分高级语言代码。至少，汇编语言的知识可以告诉你一些有用的东西，比如，你有多少个寄存器可以用。有时，手工的优化比编译器的优化更为有效，而且，你可以完全控制程序的实际行为。 我想我在罗嗦了。总之，在我们结束这一章之前，我想说，不要在优化的时候把希望完全寄托在编译器上——现实一些，再好的编译器也不可能总是产生最优的代码。 当时我学过BASIC, Fortran和Pascal，写的是一个 第二章 认识处理器 中央处理器(CPU)在微机系统处于“领导核心”的地位。汇编语言被编译成机器语言之后，将由处理器来执行。那么，首先让我们来了解一下处理器的主要作用，这将帮助你更好地驾驭它。
一般说来，处理器拥有对整个系统的所有总线的控制权。对于Intel平台而言，处理器拥有对数据、内存和控制总线的控制权，根据指令控制整个计算机的运行。在以后的章节中，我们还将讨论系统中同时存在多个处理器的情况。 处理器中有一些寄存器，这些寄存器可以保存特定长度的数据。某些寄存器中保存的数据对于系统的运行有特殊的意义。 新的处理器往往拥有更多、具有更大字长的寄存器，提供更灵活的取指、寻址方式。 寄存器 如前所述，处理器中有一些可以保存数据的地方被称作寄存器。 寄存器可以被装入数据，你也可以在不同的寄存器之间移动这些数据，或者做类似的事情。基本上，像四则运算、位运算等这些计算操作，都主要是针对寄存器进行的。 首先让我来介绍一下80386上最常用的4个通用寄存器。先瞧瞧下面的图形，试着理解一下： 上图中，数字表示的是位。我们可以看出，EAX是一个32-bit寄存器。同时，它的低16-bit又可以通过AX这个名字来访问；AX又被分为高、低8bit两部分，分别由AH和AL来表示。 对于EAX、AX、AH、AL的改变同时也会影响与被修改的那些寄存器的值。从而事实上只存在一个32-bit的寄存器EAX，而它可以通过4种不同的途径访问。 也许通过名字能够更容易地理解这些寄存器之间的关系。EAX中的E的意思是“扩展的”，整个EAX的意思是扩展的AX。X的意思Intel没有明示，我个人认为表示它是一个可变的量 。而AH、AL中的H和L分别代表高和低 。 为什么要这么做呢？主要由于历史原因。早期的计算机是8位的，8086是第一个16位处理器，其通用寄存器的名字是AX，BX等等；80386是Intel推出的第一款IA-32系列处理器，所有的寄存器都被扩充为32位。为了能够兼容以前的16位应用程序，80386不能将这些寄存器依旧命名为AX、BX，并且简单地将他们扩充为32位——这将增加处理器在处理指令方面的成本。 Intel微处理器的寄存器列表（在本章先只介绍80386的寄存器，MMX寄存器以及其他新一代处理器的新寄存器将在以后的章节介绍） 通用寄存器
上述寄存器同EAX一样包括对应的16-bit和8-bit分组。 用作内存指针的特殊寄存器
注意，这三个寄存器没有对应的8-bit分组。换言之，你可以通过SI、DI、BP作为别名访问他们的低16位，却没有办法直接访问他们的低8位。 段寄存器和选择器 实模式下的段寄存器到保护模式下摇身一变就成了选择器。不同的是，实模式下的“段寄存器”是16-bit的，而保护模式下的选择器是32-bit的。
* 注意 一定不要在初学汇编的阶段把这些寄存器弄混。他们非常重要，而一旦你掌握了他们，你就可以对他们做任意的操作了。段寄存器，或选择器，在没有指定的情况下都是使用默认的那个。这句话在现在看来可能有点稀里糊涂，不过你很快就会在后面知道如何去做。 特殊寄存器(指向到特定段或内存的偏移量)：
IP: Instruction Pointer, 指令指针 好了，上面是最基本的寄存器。下面是一些其他的寄存器，你甚至可能没有听说过它们。(都是32位宽)： CR0, CR2, CR3(控制寄存器)。举一个例子，CR0的作用是切换实模式和保护模式。 还有其他一些寄存器，D0, D1, D2, D3, D6和D7(调试寄存器)。他们可以作为调试器的硬件支持来设置条件断点。 TR3, TR4, TR5, TR6 和 TR? 寄存器(测试寄存器)用于某些条件测试。 最后我们要说的是一个在程序设计中起着非常关键的作用的寄存器：标志寄存器。 本节中部份表格来自David Jurgens的HelpPC 2.10快速参考手册。在此谨表谢意。 2.2 使用寄存器在前一节中的x86基本寄存器的介绍，对于一个汇编语言编程人员来说是不可或缺的。现在你知道，寄存器是处理器内部的一些保存数据的存储单元。仅仅了解这些是不足以写出一个可用的汇编语言程序的，但你已经可以大致读懂一般汇编语言程序了（不必惊讶，因为汇编语言的祝记符和英文单词非常接近），因为你已经了解了关于基本寄存器的绝大多数知识。 在正式引入第一个汇编语言程序之前，我粗略地介绍一下汇编语言中不同进制整数的表示方法。如果你不了解十进制以外的其他进制，请把鼠标移动到这里。
需要说明的是，这些方法是针对宏汇编器（例如，MASM、TASM、NASM）说的，调试器默认使用十六进制表示整数，并且不需要特别的声明（例如，在调试器中直接用FFFF表示十进制的65535，用10表示十进制的16）。 现在我们来写一小段汇编程序，修改EAX、EBX、ECX、EDX的数值。 我们假定程序执行之前，寄存器中的数值是全0：
正如前面提到的，EAX的高16bit是没有办法直接访问的，而AX对应它的低16bit，AH、AL分别对应AX的高、低8bit。
则执行上述程序段之后，寄存器的内容变为：
那么，你已经了解了mov这个指令（mov是move的缩写）的一种用法。它可以将数送到寄存器中。我们来看看下面的代码：
则寄存器内容变为：
我们可以看到，“move”之后，数据依然保存在原来的寄存器中。不妨把mov指令理解为“送入”，或“装入”。 练习题 把寄存器恢复成都为全0的状态，然后执行下面的代码：
思考：此时，EAX的内容将是多少？[答案] 下面我们将介绍一些指令。在介绍指令之前，我们约定：
在寄存器中载入另一寄存器，或立即数的值：
例如，mov eax, 010h表示，在eax中载入00000010h。需要注意的是，如果你希望在寄存器中装入0，则有一种更快的方法，在后面我们将提到。 交换寄存器的内容：
例如，xchg ebx, ecx，则ebx与ecx的数值将被交换。由于系统提供了这个指令，因此，采用其他方法交换时，速度将会较慢，并需要占用更多的存储空间，编程时要避免这种情况，即，尽量利用系统提供的指令，因为多数情况下，这意味着更小、更快的代码，同时也杜绝了错误（如果说Intel的CPU在交换寄存器内容的时候也会出错，那么它就不用卖CPU了。而对于你来说，检查一行代码的正确性也显然比检查更多代码的正确性要容易）刚才的习题的程序用下面的代码将更有效：
递增或递减寄存器的值：
这两个指令往往用于循环中对指针的操作。需要说明的是，某些时候我们有更好的方法来处理循环，例如使用loop指令，或rep前缀。这些将在后面的章节中介绍。 将寄存器的数值与另一寄存器，或立即数的值相加，并存回此寄存器：
例如，add eax, edx，将eax+edx的值存入eax。减法指令和加法类似，只是将add换成sub。 需要说明的是，与高级语言不同，汇编语言中，如果要计算两数之和（差、积、商，或一般地说，运算结果），那么必然有一个寄存器被用来保存结果。在PASCAL中，我们可以用nA := nB + nC来让nA保存nB+nC的结果，然而，汇编语言并不提供这种方法。如果你希望保持寄存器中的结果，需要用另外的指令。这也从另一个侧面反映了“寄存器”这个名字的意义。数据只是“寄存”在那里。如果你需要保存数据，那么需要将它放到内存或其他地方。 类似的指令还有and、or、xor（与，或，异或）等等。它们进行的是逻辑运算。 我们称add、mov、sub、and等称为为指令助记符（这么叫是因为它比机器语言容易记忆，而起作用就是方便人记忆，某些资料中也称为指令、操作码、opcode[operation code]等）；后面的参数成为操作数，一个指令可以没有操作数，也可以有一两个操作数，通常有一个操作数的指令，这个操作数就是它的操作对象；而两个参数的指令，前一个操作数一般是保存操作结果的地方，而后一个是附加的参数。 我不打算在这份教程中用大量的篇幅介绍指令——很多人做得比我更好，而且指令本身并不是重点，如果你学会了如何组织语句，那么只要稍加学习就能轻易掌握其他指令。更多的指令可以参考Intel提供的资料。编写程序的时候，也可以参考一些在线参考手册。Tech!Help和HelpPC 2.10尽管已经很旧，但足以应付绝大多数需要。 聪明的读者也许已经发现，使用sub eax, eax，或者xor eax, eax，可以得到与mov eax, 0类似的效果。在高级语言中，你大概不会选择用a=a-a来给a赋值，因为测试会告诉你这么做更慢，简直就是在自找麻烦，然而在汇编语言中，你会得到相反的结论，多数情况下，以由快到慢的速度排列，这三条指令将是xor eax, eax、sub eax, eax和mov eax, 0。 为什么呢？处理器在执行指令时，需要经过几个不同的阶段：取指、译码、取数、执行。 我们反复强调，寄存器是CPU的一部分。从寄存器取数，其速度很显然要比从内存中取数快。那么，不难理解，xor eax, eax要比mov eax, 0更快一些。 那么，为什么a=a-a通常要比a=0慢一些呢？这和编译器的优化有一定关系。多数编译器会把a=a-a翻译成类似下面的代码(通常，高级语言通过ebp和偏移量来访问局部变量；程序中，x为a相对于本地堆的偏移量，在只包含一个32-bit整形变量的程序中，这个值通常是4)：
而把a=0翻译成
上面的翻译只是示意性的，略去了很多必要的步骤，如保护寄存器内容、恢复等等。如果你对与编译程序的实现过程感兴趣，可以参考相应的书籍。多数编译器（特别是C/C++编译器，如Microsoft Visual C++）都提供了从源代码到宏汇编语言程序的附加编译输出选项。这种情况下，你可以很方便地了解编译程序执行的输出结果；如果编译程序没有提供这样的功能也没有关系，调试器会让你看到编译器的编译结果。 如果你明确地知道编译器编译出的结果不是最优的，那就可以着手用汇编语言来重写那段代码了。怎么确认是否应该用汇编语言重写呢？
曾经在一份杂志上看到过有人用纯机器语言编写程序。不清楚到底这是不是编辑的失误，因为一个头脑正常的人恐怕不会这么做程序，即使它不长、也不复杂。首先，汇编器能够完成某些封包操作，即使不行，也可以用db伪指令来写指令；用汇编语言写程序可以防止很多错误的发生，同时，它还减轻了人的负担，很显然，“完全用机器语言写程序”是完全没有必要的，因为汇编语言可以做出完全一样的事情，并且你可以依赖它，因为计算机不会出错，而人总有出错的时候。此外，如前面所言，如果用高级语言实现程序的代价不大（例如，这段代码在程序的整个执行过程中只执行一遍，并且，这一遍的执行时间也小于一秒），那么，为什么不用高级语言实现呢？ 一些比较狂热的编程爱好者可能不太喜欢我的这种观点。比方说，他们可能希望精益求精地优化每一字节的代码。但多数情况下我们有更重要的事情，例如，你的算法是最优的吗？你已经把程序在高级语言许可的范围内优化到尽头了吗？并不是所有的人都有资格这样说。汇编语言是这样一件东西，它足够的强大，能够控制计算机，完成它能够实现的任何功能；同时，因为它的强大，也会提高开发成本，并且，难于维护。因此，我个人的建议是，如果在软件开发中使用汇编语言，则应在软件接近完成的时候使用，这样可以减少很多不必要的投入。 第二章中，我介绍了x86系列处理器的基本寄存器。这些寄存器对于x86兼容处理器仍然是有效的，如果你偏爱AMD的CPU，那么使用这些寄存器的程序同样也可以正常运行。 不过现在说用汇编语言进行优化还为时尚早——不可能写程序，而只操作这些寄存器，因为这样只能完成非常简单的操作，既然是简单的操作，那可能就会让人觉得乏味，甚至找一台足够快的机器穷举它的所有结果（如果可以穷举的话），并直接写程序调用，因为这样通常会更快。但话说回来，看完接下来的两章——内存和堆栈操作，你就可以独立完成几乎所有的任务了，配合第五章中断、第六章子程序的知识，你将知道如何驾驭处理器，并让它为你工作。 数字计算机内部只支持二进制数，因为这样计算机 与十进制类似，我们可以用下面的式子来换算出一 程序设计中常用十六进制和八进制数字代替二进制 EAX的内容为000A3412h. 第三章 操作内存在前面的章节中，我们已经了解了寄存器的基本使用方法。而正如结尾提到的那样，仅仅使用寄存器做一点运算是没有什么太大意义的，毕竟它们不能保存太多的数据，因此，对编程人员而言，他肯定迫切地希望访问内存，以保存更多的数据。 我将分别介绍如何在保护模式和实模式操作内存，然而在此之前，我们先熟悉一下这两种模式中内存的结构。 3.1 实模式事实上，在实模式中，内存比保护模式中的结构更令人困惑。内存被分割成段，并且，操作内存时，需要指定段和偏移量。不过，理解这些概念是非常容易的事情。请看下面的图： 段-寄存器这种格局是早期硬件电路限制留下的一个伤疤。地址总线在当时有20-bit。 然而20-bit的地址不能放到16-bit的寄存器里，这意味着有4-bit必须放到别的地方。因此，为了访问所有的内存，必须使用两个16-bit寄存器。 这一设计上的折衷方案导致了今天的段-偏移量格局。最初的设计中，其中一个寄存器只有4-bit有效，然而为了简化程序，两个寄存器都是16-bit有效，并在执行时求出加权和来标识20-bit地址。 偏移量是16-bit的，因此，一个段是64KB。下面的图可以帮助你理解20-bit地址是如何形成的： 段-偏移量标识的地址通常记做 段:偏移量 的形式。 由于这样的结构，一个内存有多个对应的地址。例如，0000:0010和0001:0000指的是同一内存地址。又如， 0000:1234 = 0123:0004 = 0120:0034 = 0100:0234 作为负面影响之一，在段上加1相当于在偏移量上加16，而不是一个“全新”的段。反之，在偏移量上加16也和在段上加1等价。某些时候，据此认为段的“粒度”是16字节。 练习题
稍高一些的要求是，写一个程序将段为AX、偏移量为BX的地址转换为20bit的地址，并保存于EAX中。 [上面习题的答案] 我们现在可以写一个真正的程序了。 经典程序：Hello, world
那么，我们需要解释很多东西。 首先，作为汇编语言的抽象，C语言拥有“指针”这个数据类型。在汇编语言中，几乎所有对内存的操作都是由对给定地址的内存进行访问来完成的。这样，在汇编语言中，绝大多数操作都要和指针产生或多或少的联系。 这里我想强调的是，由于这一特性，汇编语言中同样会出现C程序中常见的缓冲区溢出问题。如果你正在设计一个与安全有关的系统，那么最好是仔细检查你用到的每一个串，例如，它们是否一定能够以你预期的方式结束，以及（如果使用的话）你的缓冲区是否能保证实际可能输入的数据不被写入到它以外的地方。作为一个汇编语言程序员，你有义务检查每一行代码的可用性。 程序中的equ伪指令是宏汇编特有的，它的意思接近于C或Pascal中的const（常量）。多数情况下，equ伪指令并不为符号分配空间。 此外，汇编程序执行一项操作是非常繁琐的，通常，在对与效率要求不高的地方，我们习惯使用系统提供的中断服务来完成任务。例如本例中的中断21h，它是DOS时代的中断服务，在Windows中，它也被认为是Windows API的一部分（这一点可以在Microsoft的文档中查到）。中断可以被理解为高级语言中的子程序，但又不完全一样——中断使用系统栈来保存当前的机器状态，可以由硬件发起，通过修改机器状态字来反馈信息，等等。 那么，最后一段通过DB存放的数据到底保存在哪里了呢？答案是紧挨着代码存放。在汇编语言中，DB和普通的指令的地位是相同的。如果你的汇编程序并不知道新的助记符（例如，新的处理器上的CPUID指令），而你很清楚，那么可以用DB 机器码的方式强行写下指令。这意味着，你可以超越汇编器的能力撰写汇编程序，然而，直接用机器码编程是几乎肯定是一件费力不讨好的事——汇编器厂商会经常更新它所支持的指令集以适应市场需要，而且，你可以期待你的汇编其能够产生正确的代码，因为机器查表是不会出错的。既然机器能够帮我们做将程序转换为代码这件事情，那么为什么不让它来做呢？ 细心的读者不难发现，在程序中我们没有对DS进行赋值。那么，这是否意味着程序的结果将是不可预测的呢？答案是否定的。DOS（或Windows中的MS-DOS VM）在加载.com文件的时候，会对寄存器进行很多初始化。.com文件被限制为小于64KB，这样，它的代码段、数据段都被装入同样的数值（即，初始状态下DS=CS）。 也许会有人说，“嘿，这听起来不太好，一个64KB的程序能做得了什么呢？还有，你吹得天花乱坠的堆栈段在什么地方？”那么，我们来看看下面这个新的Hello world程序，它是一个EXE文件，在DOS实模式下运行。
561字节？实现相同功能的程序大了这么多！为什么呢？我们看到，程序拥有了完整的堆栈段、数据段、代码段，其中堆栈段足足占掉了512字节，其余的基本上没什么变化。 分成多个段有什么好处呢？首先，它让程序显得更加清晰——你肯定更愿意看一个结构清楚的程序，代码中hard-coded的字符串、数据让人觉得费解。比如，mov dx, 0152h肯定不如mov dx, offset Message来的亲切。此外，通过分段你可以使用更多的内存，比如，代码段腾出的空间可以做更多的事情。exe文件另一个吸引人的地方是它能够实现“重定位”。现在你不需要指定程序入口点的地址了，因为系统会找到你的程序入口点，而不是死板的100h。 程序中的符号也会在系统加载的时候重新赋予新的地址。exe程序能够保证你的设计容易地被实现，不需要考虑太多的细节。 当然，我们的主要目的是将汇编语言作为高级语言的一个有用的补充。如我在开始提到的那样，真正完全用汇编语言实现的程序不一定就好，因为它不便于维护，而且，由于结构的原因，你也不太容易确保它是正确的；汇编语言是一种非结构化的语言，调试一个精心设计的汇编语言程序，即使对于一个老手来说也不啻是一场恶梦，因为你很可能掉到别人预设的“陷阱”中——这些技巧确实提高了代码性能，然而你很可能不理解它，于是你把它改掉，接着就发现程序彻底败掉了。使用汇编语言加强高级语言程序时，你要做的通常只是使用汇编指令，而不必搭建完整的汇编程序。绝大多数（也是目前我遇到的全部）C/C++编译器都支持内嵌汇编，即在程序中使用汇编语言，而不必撰写单独的汇编语言程序——这可以节省你的不少精力，因为前面讲述的那些伪指令，如equ等，都可以用你熟悉的高级语言方式来编写，编译器会把它转换为适当的形式。 需要说明的是，在高级语言中一定要注意编译结果。编译器会对你的汇编程序做一些修改，这不一定符合你的要求（附带说一句，有时编译器会很聪明地调整指令顺序来提高性能，这种情况下最好测试一下哪种写法的效果更好），此时需要做一些更深入的修改，或者用db来强制编码。 3.2 保护模式实模式的东西说得太多了，尽管我已经删掉了许多东西，并把一些原则性的问题拿到了这一节讨论。这样做不是没有理由的——保护模式才是现在的程序（除了操作系统的底层启动代码）最常用的CPU模式。保护模式提供了很多令人耳目一新的功能，包括内存保护（这是保护模式这个名字的来源）、进程支持、更大的内存支持，等等。 对于一个编程人员来说，能“偷懒”是一件令人愉快的事情。这里“偷懒”是说把“应该”由系统做的事情做的事情全都交给系统。为什么呢？这出自一个基本思想——人总有犯错误的时候，然而规则不会，正确地了解规则之后，你可以期待它像你所了解的那样执行。对于C程序来说，你自己用C语言写的实现相同功能的函数通常没有系统提供的函数性能好（除非你用了比函数库好很多的算法），因为系统的函数往往使用了更好的优化，甚至可能不是用C语言直接编写的。 当然，“偷懒”的意思是说，把那些应该让机器做的事情交给计算机来做，因为它做得更好。我们应该把精力集中到设计算法，而不是编写源代码本身上，因为编译器几乎只能做等价优化，而实现相同功能，但使用更好算法的程序实现，则几乎只能由人自己完成。 举个例子，这样一个函数：
在某种编译模式[DEBUG]下被编译为
而在另一种模式[RELEASE/MINSIZE]下却被编译为
如果让我来写，多半会写成
为什么这样写呢？我们看到，i是一个外界不能影响、也无法获知的内部状态量。作为这段程序来说，对它的计算对于结果并没有直接的影响——它的存在不过是方便算法描述而已。并且我们看到的，这段程序实际上无论执行多少次，其结果都不会发生变化，因此，直接返回计算结果就可以了，计算是多余的（如果说一定要算，那么应该是编译器在编译过程中完成它）。 更进一步，我们甚至希望编译器能够直接把这个函数变成一个符号常量，这样连操作堆栈的过程也省掉了。 第三种结果属于“等效”代码，而不是“等价”代码。作为用户，很多时候是希望编译器这样做的，然而由于目前的技术尚不成熟，有时这种做法会造成一些问题（gcc和g++的顶级优化可以造成编译出的FreeBSD内核行为异常，这是我在FreeBSD上遇到的唯一一次软件原因的kernel panic），因此，并不是所有的编译器都这样做（另一方面的原因是，如果编译器在这方面做的太过火，例如自动求解全部“固定”问题，那么如果你的程序是解决固定的问题“很大”，如求解迷宫，那么在编译过程中你就会找锤子来砸计算机了）。然而，作为编译器制造商，为了提高自己的产品的竞争力，往往会使用第三种代码来做函数库。正如前面所提到的那样，这种优化往往不是编译器本身的作用，尽管现代编译程序拥有编译执行、循环代码外提、无用代码去除等诸多优化功能，但它都不能保证程序最优。最后一种代码恐怕很少有编译器能够做到，不信你可以用自己常用的编译器加上各种优化选项试试:) 发现什么了吗？三种代码中，对于内存的访问一个比一个少。这样做的理由是，尽可能地利用寄存器并减少对内存的访问，可以提高代码性能。在某些情况下，使代码既小又快是可能的。 书归正传，我们来说说保护模式的内存模型。保护模式的内存和实模式有很多共同之处。 毫无疑问，以'protected mode'(保护模式), 'global descriptor table'(全局描述符表), 'local descriptor table'(本地描述符表)和'selector'(选择器)搜索，你会得到完整介绍它们的大量信息。 保护模式与实模式的内存类似，然而，它们之间最大的区别就是保护模式的内存是“线性”的。 新的计算机上，32-bit的寄存器已经不是什么新鲜事（如果你哪天听说你的CPU的寄存器不是32-bit的，那么它——简直可以肯定地说——的字长要比32-bit还要多。新的个人机上已经开始逐步采用64-bit的CPU了），换言之，实际上段/偏移量这一格局已经不再需要了。尽管如此，在继续看保护模式内存结构时，仍请记住段/偏移量的概念。不妨把段寄存器看作对于保护模式中的选择器的一个模拟。选择器是全局描述符表(Global Descriptor Table, GDT)或本地描述符表(Local Descriptor Table, LDT)的一个指针。 如图所示，GDT和LDT的每一个项目都描述一块内存。例如，一个项目中包含了某块被描述的内存的物理的基地址、长度，以及其他一些相关信息。 保护模式是一个非常重要的概念，同时也是目前撰写应用程序时，最常用的CPU模式（运行在新的计算机上的操作系统很少有在实模式下运行的）。 为什么叫保护模式呢？它“保护”了什么？答案是进程的内存。保护模式的主要目的在于允许多个进程同时运行，并保护它们的内存不受其他进程的侵犯。这有点类似于C++中的机制，然而它的强制力要大得多。如果你的进程在保护模式下以不恰当的方式访问了内存（例如，写了“只读”内存，或读了不可读的内存，等等），那么CPU就会产生一个异常。这个异常将交给操作系统处理，而这种处理，假如你的程序没有特别说明操作系统该如何处理的话，一般就是杀掉做错了事情的进程。 我像这样的对话框大家一定非常熟悉（临时写了一个程序故意造成的错误）： 好的，只是一个程序崩溃了，而操作系统的其他进程照常运行（同样的程序在DOS中几乎是板上钉钉的死机，因为NULL指针的位置恰好是中断向量表），你甚至还可以调试它。 保护模式还有其他很多好处，在此就不一一赘述了。实模式和保护模式之间的切换问题我打算放在后面的“高级技巧”一章来讲，因为多数程序并不涉及这个。 了解了内存的格局，我们就可以进入下一节——操作内存了。 3.3 操作内存前两节中，我们介绍了实模式和保护模式中使用的不同的内存格局。现在开始解释如何使用这些知识。 回忆一下前面我们说过的，寄存器可以用作内存指针。现在，是他们发挥作用的时候了。 可以将内存想象为一个顺序的字节流。使用指针，可以任意地操作（读写）内存。 现在我们需要一些其他的指令格式来描述对于内存的操作。操作内存时，首先需要的就是它的地址。 让我们来看看下面的代码：
方括号表示，里面的表达式指定的不是立即数，而是偏移量。在实模式中，DS:0中的那个字（16-bit长）将被装入AX。 然而0是一个常数，如果需要在运行的时候加以改变，就需要一些特殊的技巧，比如程序自修改。汇编支持这个特性，然而我个人并不推荐这种方法——自修改大大降低程序的可读性，并且还降低稳定性，性能还不一定好。我们需要另外的技术。
看起来舒服了一些，不是吗？BX寄存器的内容可以随时更改，而不需要用冗长的代码去修改自身，更不用担心由此带来的不稳定问题。 同样的，mov指令也可以把数据保存到内存中：
在存储器与寄存器之间交换数据应该足够清楚了。 有些时候我们会需要操作符来描述内存数据的宽度：
例如，在DS:100h处保存1234h，以字存放：
于是我们将mov指令扩展为：
需要说明的是，加减同样也可以在[]中使用，例如：
等等。我们看到，对于内存的操作，即使使用MOV指令，也有许多种可能的方式。下一节中，我们将介绍如何操作串。 3.4 串操作我们前面已经提到，内存可以和寄存器交换数据，也可以被赋予立即数。问题是，如果我们需要把内存的某部分内容复制到另一个地址，又怎么做呢？ 设想将DS:SI处的连续512字节内容复制到ES:DI（先不考虑可能的重叠）。也许会有人写出这样的代码：
我不喜欢上面的代码。它的确能达到作用，但是，效率不好。如果你是在做优化，那么写出这样的代码意味着赔了夫人又折兵。 Intel的CPU的强项是串操作。所谓串操作就是由CPU去完成某一数量的、重复的内存操作。需要说明的是，我们常用的KMP算法（用于匹配字符串中的模式）的改进——Boyer算法，由于没有利用串操作，因此在Intel的CPU上的效率并非最优。好的编译器往往可以利用Intel CPU的这一特性优化代码，然而，并非所有的时候它都能产生最好的代码。 某些指令可以加上REP前缀（repeat, 反复之意），这些指令通常被叫做串操作指令。 举例来说，STOSD指令将EAX的内容保存到ES:DI，同时在DI上加或减四。类似的，STOSB和STOSW分别作1字节或1字的上述操作，在DI上加或减的数是1或2。 计算机语言通常是不允许二义性的。为什么我要说“加或减”呢？没错，孤立地看STOS?指令，并不能知道到底是加还是减，因为这取决于“方向”标志(DF, Direction Flag)。如果DF被复位，则加；反之则减。 置位、复位的指令分别是STD和CLD。 当然，REP只是几种可用前缀之一。常用的还包括REPNE，这个前缀通常被用来比较两个串，或搜索某个特定字符（字、双字）。REPZ、REPE、REPNZ也是非常常用的指令前缀，分别代表ZF(Zero Flag)在不同状态时重复执行。 下面说三个可以复制数据的指令：
于是上面的程序改写为
第一句cld很多时候是多余的，因为实际写程序时，很少会出现置DF的情况。不过在正式决定删掉它之前，建议你仔细地调试自己的程序，并确认每一个能够走到这里的路径中都不会将DF置位。 错误（非预期的）的DF是危险的。它很可能断送掉你的程序，因为这直接造成缓冲区溢出问题。 什么是缓冲区溢出呢？缓冲区溢出分为两类，一类是写入缓冲区以外的内容，一类是读取缓冲区以外的内容。后一种往往更隐蔽，但随便哪一个都有可能断送掉你的程序。 缓冲区溢出对于一个网络服务来说很可能更加危险。怀有恶意的用户能够利用它执行自己希望的指令。服务通常拥有更高的特权，而这很可能会造成特权提升；即使不能提升攻击者拥有的特权，他也可以利用这种问题使服务崩溃，从而形成一次成功的DoS（拒绝服务）攻击。每年CERT的安全公告中，都有6成左右的问题是由于缓冲区溢出造成的。 在使用汇编语言，或C语言编写程序时，很容易在无意中引入缓冲区溢出。然而并不是所有的语言都会引入缓冲区溢出问题，Java和C#，由于没有指针，并且缓冲区采取动态分配的方式，有效地消除了造成缓冲区溢出的土壤。 汇编语言中，由于REP*前缀都用CX作为计数器，因此情况会好一些（当然，有时也会更糟糕，因为由于CX的限制，很可能使原本可能改变程序行为的缓冲区溢出的范围缩小，从而更为隐蔽）。避免缓冲区溢出的一个主要方法就是仔细检查，这包括两方面：设置合理的缓冲区大小，和根据大小编写程序。除此之外，非常重要的一点就是，在汇编语言这个级别写程序，你肯定希望去掉所有的无用指令，然而再去掉之前，一定要进行严格的测试；更进一步，如果能加上注释，并通过善用宏来做调试模式检查，往往能够达到更好的效果。 3.5 关于保护模式中内存操作的一点说明正如3.2节提到到的那样，保护模式中，你可以使用32位的线性地址，这意味着直接访问4GB的内存。由于这个原因，选择器不用像实模式中段寄存器那样频繁地修改。顺便提一句，这份教程中所说的保护模式指的是386以上的保护模式，或者，Microsoft通常称为“增强模式”的那种。 在为选择器装入数值的时候一定要非常小心。错误的数值往往会导致无效页面错误(在Windows中经常出现:)。同时，也不要忘记你的地址是32位的，这也是保护模式的主要优势之一。 现在假设存在一个描述符描述从物理的0:0开始的全部内存，并已经加载进DS(数据选择器)，则我们可以通过下面的程序来操作VGA的VRAM：
很明显，这比实模式下的程序
看上去要舒服一些。 3.6 堆栈到目前为止，您已经了解了基本的寄存器以及内存的操作知识。事实上，您现在已经可以写出很多的底层数据处理程序了。 下面我来说说堆栈。堆栈实在不是一个让人陌生的数据结构，它是一个先进后出(FILO)的线性表，能够帮助你完成很多很好的工作。 先进后出(FILO)是这样一个概念：最后放进表中 对于堆栈而言，最后放入的数据在取出时最先出 一个铁杆的汇编语言程序员有时会发现系统提供的寄存器不够。很显然，你可以使用普通的内存操作来完成这个工作，就像C/C++中所做的那样。 没错，没错，可是，如果数据段（数据选择器）以及偏移量发生变化怎么办？更进一步，如果希望保存某些在这种操作中可能受到影响的寄存器的时候怎么办？确实，你可以把他们也存到自己的那片内存中，自己实现堆栈。 太麻烦了…… 既然系统提供了堆栈，并且性能比自己写一份更好，那么为什么不直接加以利用呢？ 系统堆栈不仅仅是一段内存。由于CPU对它实施管理，因此你不需要考虑堆栈指针的修正问题。可以把寄存器内容，甚至一个立即数直接放到堆栈里，并在需要的时候将其取出。同时，系统并不要求取出的数据仍然回到原来的位置。 除了显式地操作堆栈（使用PUSH和POP指令）之外，很多指令也需要使用堆栈，如INT、CALL、LEAVE、RET、RETF、IRET等等。配对使用上述指令并不会造成什么问题，然而，如果你打算使用LEAVE、RET、RETF、IRET这样的指令实现跳转(比JMP更为麻烦，然而有时，例如在加密软件中，或者需要修改调用者状态时，这是必要的)的话，那么我的建议是，先搞清楚它们做的到底是什么，并且，精确地了解自己要做什么。 正如前面所说的，有两个显式地操作堆栈的指令：
我们现在来看看堆栈的操作。 执行之前 执行代码
之后，堆栈的状态为 之后，再执行
堆栈的状态成为 当然，cx、dx中的内容将是000ah和1234h。 注意，最后这张图中，我没有抹去1234h和000ah，因为POP指令并不从内存中抹去数值。不过尽管如此，我个人仍然非常反对继续使用这两个数（你可以通过修改SP来再次POP它们），然而这很容易导致错误。 一定要保证堆栈段有足够的空间来执行中断，以及其他一些隐式的堆栈操作。仅仅统计PUSH的数量并据此计算堆栈所需的大小很可能造成问题。 CALL指令将返回地址放到堆栈中。绝大多数C/C++编译器提供了“堆栈检查”这个编译选项，其作用在于保证C程序段中没有忘记对堆栈中多余的数据进行清理，从而保证返回地址有效。 本章小结本章中介绍了内存的操作的一些入门知识。限于篇幅，我不打算展开细讲指令，如cmps*，lods*，stos*，等等。这些指令的用法和前面介绍的movs*基本一样，只是有不同的作用而已。 4.0 利用子程序与中断已经掌握了汇编语言？没错，你现在已经可以去破译别人代码中的秘密。然而，我们还有一件重要的东西没有提到，那就是自程序和中断。这两件东西是如此的重要，以至于你的程序几乎不可能离开它们。 4.1 子程序在高级语言中我们经常要用到子程序。高级语言中，子程序是如此的神奇，我们能够定义和主程序，或其他子程序一样的变量名，而访问不同的变量，并且，还不和程序的其他部分相冲突。 然而遗憾的是，这种“优势”在汇编语言中是不存在的。 汇编语言并不注重如何减轻程序员的负担；相反，汇编语言依赖程序员的良好设计，以期发挥CPU的最佳性能。汇编语言不是结构化的语言，因此，它不提供直接的“局部变量”。如果需要“局部变量”，只能通过堆或栈自行实现。 从这个意义上讲，汇编语言的子程序更像GWBASIC中的GOSUB调用的那些“子程序”。所有的“变量”(本质上，属于进程的内存和寄存器)为整个程序所共享，高级语言编译器所做的，将局部变量放到堆或栈中的操作，只能自行实现。 参数的传递是靠寄存器和堆栈来完成的。高级语言中，子程序(函数、过程，或类似概念的东西)依赖于堆和栈来传递。 让我们来简单地分析一下一般高级语言的子程序的执行过程。无论C、C++、BASIC、Pascal，这一部分基本都是一致的。
毋庸置疑，堆栈在整个过程中发挥着非常重要的作用。不过，本质上对子程序最重要的还是返回地址。如果子程序不知道这个地址，那么系统将会崩溃。 调用子程序的指令是CALL，对应的返回指令是RET。此外，还有一组指令，即ENTER和LEAVE，它们可以帮助进行堆栈的维护。 CALL指令的参数是被调用子程序的地址。使用宏汇编的时候，这通常是一个标号。CALL和RET，以及ENTER和LEAVE配对，可以实现对于堆栈的自动操作，而不需要程序员进行PUSH/POP，以及跳转的操作，从而提高了效率。 作为一个编译器的实现实例，我用Visual C++编译了一段C++程序代码，这段汇编代码是使用特定的编译选项得到的结果，正常的RELEASE代码会比它精简得多。包含源代码的部分反汇编结果如下(取自Visual C++调试器的运行结果，我删除了10条int 3指令，并加上了一些注释，除此之外，没有做任何修改)：
上述代码确实做了一些无用功，当然，这是因为编译器没有对这段代码进行优化。让我们来关注一下这段代码中，是如何调用子程序的。不考虑myTransform这个函数实际进行的数值运算，最让我感兴趣的是这一行代码：
这里nInput是一个简简单单的变量符号吗？Visual C++的调试器显然不能告诉我们答案——它的设计目标是为了方便程序调试，而不是向你揭示编译器生成的代码的实际构造。我用另外一个反汇编器得到的结果是：
这和我们在main()中看到的压栈顺序是完全吻合的(注意，程序运行到这个地方的时候，EBP=ESP)。main()最终将i的值通过堆栈传递给了myTransform()。 剖析上面的程序只是说明了我前面所提到的子程序的一部分用法。对于汇编语言来说，完全没有必要拘泥于结构化程序设计的框架(在今天，使用汇编的主要目的在于提高执行效率，而不是方便程序的维护和调试，因为汇编不可能在这一点上做得比C++更好)。考虑下面的程序：
很容易看出，这两个函数包含了公共部分，即
目前，还没有编译器能够做到将这两部分合并。依然沿用刚才的编译选项，得到的反汇编结果是(同样地删除了int 3)：
非常明显地，0040103d-0040106e和00401074-004010a5这两段代码存在少量的差别，但很显然只是对寄存器的偏好不同(编译器在优化时，这可能会减少堆栈操作，从而提高性能，但在这里只是使用了不同的寄存器而已) 对代码进行合并的好处是非常明显的。新的操作系统往往使用页式内存管理。当内存不足时，程序往往会频繁引发页面失效(Page faults)，从而引发操作系统从磁盘中读取一些东西。磁盘的速度赶不上内存的速度，因此，这一行为将导致性能的下降。通过合并一部分代码，可以减少程序的大nbsp; Ｕ庖馕蹲偶跎僖趁媸У目赡苄裕佣砑男阅芑嵊兴岣摺/p> 当然，这样做的代价也不算低——你的程序将变得难懂，并且难于维护。因此，再进行这样的优化之前，一定要注意：
4.2 中断中断应该说是一个陈旧的话题。在新的系统中，它的作用正在逐渐被削弱，而变成操作系统专用的东西。并不是所有的计算机系统都提供中断，然而在x86系统中，它的作用是不可替代的。 中断实际上是一类特殊的子程序。它通常由系统调用，以响应突发事件。 例如，进行磁盘操作时，为了提高性能，可能会使用DMA方式进行操作。CPU向DMA控制器发出指令，要求外设和内存直接交换数据，而不通过CPU。然后，CPU转去进行起他的操作；当数据交换结束时，CPU可能需要进行一些后续操作，但此时它如何才能知道DMA已经完成了操作呢？ 很显然不是依靠CPU去查询状态——这样DMA的优势就不明显了。为了尽可能地利用DMA的优势，在完成DMA操作的时候，DMA会告诉CPU“这事儿我办完了”，然后CPU会根据需要进行处理。 这种处理可能很复杂，需要若干条指令来完成。子程序是一个不错的主意，不过，CALL指令需要指定地址，让外设强迫CPU执行一条CALL指令也违背了CPU作为核心控制单元的设计初衷。考虑到这些，在x86系统中引入了中断向量的概念。 中断向量表是保存在系统数据区(实模式下，是0:0开始的一段区域)的一组指针。这组指针指向每一个中断服务程序的地址。整个中断向量表的结构是一个线性表。 每一个中断服务有自己的唯一的编号，我们通常称之为中断号。每一个中断号对应中断向量表中的一项，也就是一个中断向量。外设向CPU发出中断请求，而CPU自己将根据当前的程序状态决定是否中断当前程序并调用相应的中断服务。 不难根据造成中断的原因将中断分为两类：硬件中断和软件中断。硬件中断有很多分类方法，如根据是否可以屏蔽分类、根据优先级高低分类，等等。考虑到这些分类并不一定科学，并且对于我们介绍中断的使用没有太大的帮助，因此我并不打算太详细地介绍它(在本教程的高级篇中，关于加密解密的部分会提到某些硬件中断的利用，但那是后话)。 在设计操作系统时，中断向量的概念曾经带来过很大的便利。操作系统随时可能升级，这样，通过CALL来调用操作系统的服务(如果说每个程序都包含对于文件系统、进程表这些应该由操作系统管理的数据的直接操作的话，不仅会造成程序的臃肿，而且不利于系统的安全)就显得不太合适了——没人能知道，以后的操作系统的服务程序入口点会不会是那儿。软件中断的存在为解决这个问题提供了方便。 对于一台包含了BIOS的计算机来说，启动的时候系统已经提供了一部分服务，例如显示服务。无论你的BIOS、显示卡有多么的“个性”，只要他们和IBM PC兼容，那么此时你肯定可以通过调用16(10h)号中断来使用显示服务。调用中断的指令是
这将引发CPU去调用一个中断。CPU将保存当前的程序状态字，清除Trap和Interrupt两个标志，将即将执行的指令地址压入堆栈，并调用中断服务(根据中断向量表)。 编写中断服务程序不是一件容易的事情。很多时候，中断服务程序必须写成可重入代码(或纯代码，pure code)。所谓可重入代码是指，程序的运行过程中可以被打断，并由开始处再次执行，并且在合理的范围内(多次重入，而不造成堆栈溢出等其他问题)，程序可以在被打断处继续执行，并且执行结果不受影响。 由于在多线程环境中等其他一些地方进行程序设计时也需要考虑这个因素，因此这里着重讲一下可重入代码的编写。 可重入代码最主要的要求就是，程序不应使用某个指定的内存地址的内存(对于高级语言来说，这通常是全局变量，或对象的成员)。如果可能的话，应使用寄存器，或其他方式来解决。如果不能做到这一点，则必须在开始、结束的时候分别禁止和启用中断，并且，运行时间不能太长。 下面用C语言分别举一个可重入函数，和两个非可重入函数的例子(注. 这些例子应该是在某本多线程或操作系统的书上看到的，遗憾的是我想不起来是哪本书了，在这里先感谢那位作者提供的范例)： 可重入函数：
非可重入函数
非可重入函数
中断利用的是系统的栈。栈操作是可重入的(因为栈可以保证“先进后出”)，因此，我们并不需要考虑栈操作的重入问题。使用宏汇编器写出可重入的汇编代码需要注意一些问题。简单地说，干脆不要用标号作为变量是一个不错的主意。 使用高级语言编写可重入程序相对来讲轻松一些。把持住不访问那些全局(或当前对象的)变量，不使用静态局部变量，坚持只适用局部变量，写出的程序就将是可重入的。 书归正传，调用软件中断时，通常都是通过寄存器传进、传出参数。这意味着你的int指令周围也许会存在一些“帮手”，比如下面的代码：
就是通过调用DOS中断服务返回父进程，并带回错误反馈码0。其中，ax中的数据4c00h就是传递给DOS中断服务的参数。 到这里，x86汇编语言的基础部分就基本上讲完了，《简明x86汇编语言教程》的初级篇——汇编语言基础也就到此告一段落。当然，目前为止，我只是蜻蜓点水一般提到了一些学习x86汇编语言中我认为需要注意的重要概念。许多东西，包括全部汇编语句的时序特性(指令执行周期数，以及指令周期中各个阶段的节拍数等)、功能、参数等等，限于个人水平和篇幅我都没有作详细介绍。如果您对这些内容感兴趣，请参考Intel和AMD两大CPU供应商网站上提供的开发人员参考。 在以后的简明x86汇编语言教程中级篇和高级篇中，我将着重介绍汇编语言的调试技术、优化，以及一些具体的应用技巧，包括反跟踪、反反跟踪、加密解密、病毒与反病毒等等。 |
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