X86組合語言/X86架構及暫存器解釋

X86架構

x86架構有8個通用暫存器（GPR）、6段暫存器、1個標誌暫存器和指令指標。 64位元的x86有附加的暫存器。

通用暫存器（GPR） - 32位元命名約定

8個GPR是：

累加器暫存器（AX）。用在算術運算。
基址暫存器（BX）。作為一個指向資料的指標（在分段模式下，位於段暫存器DS）。
計數器暫存器（CX）。用於移位/迴圈指令和迴圈。
資料暫存器（DX）。用在算術運算和I/O操作。
堆疊指標暫存器（SP）。用於指向堆疊的頂部。
棧基址指標暫存器（BP）。用於指向堆疊的底部。
源變址暫存器（SI）。在流操作中用作源的一個指標。
目標索引暫存器（DI）。用作在流操作中指向目標的指標。

將它們以這樣的順序列出是有原因的：這個順序和堆疊操作中推入棧中的次序相同，我們以後會講到。

所有暫存器都可以在16位元和32位元模式下被存取。在16位元模式下，通過上面的列表中兩個字母的縮寫來確定該暫存器。在32位元模式下，這兩個字母的縮寫名字前有「E」（extended，延伸）。例如，「EAX'是累加器暫存器作為一個32位元的值。

類似地，在64位元的版本，「E」被替換為「R」，所以在64位元版本「EAX'被稱為'RAX'。

暫存器	累加器				計數器				資料				基址				堆疊指標			棧基址指標			源變址			目標索引
64-bit	RAX				RCX				RDX				RBX				RSP			RBP			RSI			RDI
32-bit		EAX				ECX				EDX				EBX				ESP			EBP			ESI			EDI
16-bit			AX				CX				DX				BX				SP			BP			SI			DI
8-bit			AH	AL			CH	CL			DH	DL			BH	BL

指標暫存器

暫存器別名

暫存器

預設的
區段暫存器

暫存器示意圖

來源索引暫存器

ESI = 32 bits
SI = 16 bits

31

16

15

0

ESI
	SI

目的索引暫存器

EDI = 32 bits
DI = 16 bits

31

16

15

0

EDI
	DI

堆疊指標暫存器

ESP = 32 bits
SP = 16 bits

SS

31

16

15

0

ESP
	SP

基底指標暫存器

EBP = 32 bits
BP = 16 bits

31

16

15

0

EBP
	BP

程式指標暫存器

EIP = 32 bits
IP = 16 bits

CS

31

16

15

0

EIP
	IP

區段暫存器

暫存器別名

暫存器

暫存器示意圖

程式區段暫存器

CS = 16 bits

15

0

CS

資料區段暫存器

DS = 16 bits

15

0

DS

堆疊區段暫存器

SS = 16 bits

15

0

SS

額外區段暫存器

ES = 16 bits

15

0

ES

額外區段暫存器
(80386以後出現)

FS = 16 bits

15

0

FS

額外區段暫存器
(80386以後出現)

GS = 16 bits

15

0

GS

在真實模式或虛擬86模式時，『區段暫存器』用來擴展定址的範圍由 64 KByte 到 1 MByte 。
在保護模式時，『區段暫存器』將變成『選擇子暫存器』，用為對於程式與記憶體存取權限的控管的索引。

大多現代作業系統（如FreeBSD、Linux或Windows）的大多應用程式使用將幾乎所有段暫存器都指向同一位置（並使用頁面），從而便捷地停用這些暫存器。

EFLAGS暫存器

EFLAGS暫存器，在台灣也稱為「旗標暫存器」，是用一系列表示布林值的位來儲存操作的結果和處理器狀態的32位元暫存器。

這些位的名稱是：


31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	ID	VIP	VIF	AC	VM	RF

15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
0	NT	IOPL		OF	DF	IF	TF	SF	ZF	0	AF	0	PF	1	CF

AF：輔助進位旗標
CF：進位旗標
OF：溢位旗標
SF：符號(負號)旗標
PF：奇偶旗標
ZF：零值旗標
DF：方向旗標
IF：中斷旗標
TF：單步旗標

指令指標

如果沒有建立過分支，EIP暫存器包含下一條將要執行的指令的位址。

EIP只能在一個call指令後從堆疊讀出。

記憶體中字的儲存

x86架構是小端序的，即多位元組數值的最低位位元組首先寫入。(這隻針對位元組的排序，不對於位。)

所以x86上的32位元數值B3B2B1B0₁₆在記憶體中會表示為：

**小端序表示法**
`B0`	`B1`	`B2`	`B3`

例如，32位元的雙字0x1BA583D4 (0x表示十六進制)在記憶體中寫為：

**小端序例子**
`D4`	`83`	`A5`	`1B`

執行記憶體轉儲時會把其視為0xD4 0x83 0xA5 0x1B。

二補數表示

二補數是以二進制表示負整數的標準方式。符號是由對所有的位取反並加一來改變的。

**二補數例子**
開始:	`0001`
取反:	`1110`
加一:	`1111`

0001表示十進制的1

1111表示十進制的-1

尋址方式

尋址方式給出了運算元給出的方式。

暫存器尋址: (運算元位址R所在位址欄位)

mov ax, bx  ; moves contents of register bx into ax

Immediate: (實際位址所在欄位)

mov ax, 1   ; moves value of 1 into register ax

或

mov ax, 010Ch ; moves value of 0x010C into register ax

直接記憶體尋址: (運算元位址所在位址欄位)

.data
my_var dw 0abcdh ; my_var = 0xabcd
.code
mov ax, my_var ; copy my_var content in ax (ax=0xabcd)
mov ax, [my_var] ; copy the content of memory that my_var pointed at to ax

直接偏移尋址: (通過算數改變位址)

byte_tbl db 12,15,16,22,..... ; Table of bytes
mov al,[byte_tbl+2]
mov al,byte_tbl[2] ; same as the former

暫存器間接尋址: (field points to a register that contains the operand address)

mov ax,[di]

The registers used for indirect addressing are BX, BP, SI, DI

基址

mov ax,[bx + di]

例如，如果我們是在討論一個陣列，BX包含陣列的起始位址和DI包含陣列的索引。

基址變址：

mov ax,[bx + di + 10]

棧

棧是一個後進先出(LIFO)的資料結構，資料被壓到棧頂並會以逆序出棧。

 mov ax, 006Ah
 mov bx, F79Ah
 mov cx, 1124h
 push ax

你將AX中的數值壓入棧頂，它現在的數值為$006A。

push bx

你對BX中的數值做相同的操作，現在棧中有$006A和$F79A。

push cx

如今棧中有$006A、$F79A和$1124。

call do_stuff

Do some stuff. The function is not forced to save the registers it uses, hence us saving them.

pop cx

取出最後一個壓入棧中的元素到CX，即$1124；現在棧中有$006A和$F79A.

pop bx

取出最後一個壓入棧中的元素到BX，即$F79A；現在棧中只有$006A。

pop ax

取出最後一個壓入棧中的元素到AX，即$006A；現在棧是空的。

棧通常用來向函式或過程傳遞參數，並用來記錄call指令使用時的控制流。棧的另一個常見的用途是臨時儲存暫存器。

CPU的工作模式

真實模式 (Real mode)

參照: 真實模式 (維基百科)
特性:
- 記憶體定址限制: 1 MByte (每一個記憶體區段限定 64 Kbyte, 使用區段暫存器擴展可存取的記憶體範圍到 1 MByte)
- 暫存器與資料操作寬度: 16 bits 與 8 bits

保護模式 (Protected Mode）

參照: 保護模式 (維基百科)

16位元保護模式 (16-bit protected mode）

特性:
- 記憶體定址限制: 16 MByte
- 暫存器與資料操作寬度: 16 bits 與 8 bits

32位元保護模式 (32-bit protected mode）

特性:
- 記憶體定址限制: 4 GByte
- 暫存器與資料操作寬度: 32 bits 與 16 bits 與 8 bits

虛擬86模式