使用寄存器 - 我的太学

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。

汇编语言中的整数常量表示

十进制整数
这是汇编器默认的数制。直接用我们熟悉的表示方式表示即可。例如，1234表示十进制的1234。不过，如果你指定了使用其他数制，或者有凡事都进行完整定义的小爱好，也可以写成[十进制数]d或[十进制数]D的形式。
十六进制数
这是汇编程序中最常用的数制，我个人比较偏爱使用十六进制表示数据，至于为什么，以后我会作说明。十六进制数表示为0[十六进制数]h或0[十六进制数]H，其中，如果十六进制数的第一位是数字，则开头的0可以省略。例如，7fffh, 0ffffh，等等。
二进制数
这也是一种常用的数制。二进制数表示为[二进制数]b或[二进制数]B。一般程序中用二进制数表示掩码（mask code）等数据非常的直观，但需要些很长的数据（4位二进制数相当于一位十六进制数）。例如，1010110b。
八进制数
八进制数现在已经不是很常用了（确实还在用，一个典型的例子是Unix的文件属性）。八进制数的形式是[八进制数]q、[八进制数]Q、[八进制数]o、[八进制数]O。例如，777Q。

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：

	?	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。

mov eax, 012345678h
    mov ebx, 0abcdeffeh
    mov ecx, 1
    mov edx, 2

; 将012345678h送入eax
    ; 将0abcdeffeh送入ebx
    ; 将000000001h送入ecx
    ; 将000000002h送入edx

则执行上述程序段之后，寄存器的内容变为：

	?	X
	?	H	L
EAX	1234	56	78
EBX	abcd	ef	fe
ECX	0000	00	01
EDX	0000	00	02

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：

mov eax, ebx
mov ecx, edx

; ebx内容送入eax
; edx内容送入ecx

则寄存器内容变为：

	?	X
	?	H	L
EAX	abcd	ef	fe
EBX	abcd	ef	fe
ECX	0000	00	02
EDX	0000	00	02

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：

mov eax, 0a1234h
    mov bx, ax
    mov ah, bl
    mov al, bh

; 将0a1234h送入eax
    ; 将ax的内容送入bx
    ; 将bl内容送入ah
    ; 将bh内容送入al

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：

使用Intel文档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位处理器中，这AX、BX等）
reg8? 8-bit寄存器（表示AL、BH等）
imm32 32-bit立即数（可以理解为常数）
imm16 16-bit立即数
imm8? 8-bit立即数

在寄存器中载入另一寄存器，或立即数的值：

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：

xchg reg32, reg32
xchg reg16, reg16
xchg reg8, reg8

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：

mov eax, 0a1234h
mov bx, ax
xchg ah, al

; 将0a1234h送入eax
; 将ax内容送入bx
; 交换ah, al的内容

递增或递减寄存器的值：

inc reg(8,16,32)
dec reg(8,16,32)

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：

add reg32, reg32 / imm(8,16,32)
    add reg16, reg16 / imm(8,16)
    add reg8, reg8 / imm(8)

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[operationcode]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)：

mov eax, dword ptr [ebp-x]
    sub eax, dword ptr [ebp-x]
    mov dword ptr [ebp-x],eax

而把a=0翻译成

mov dword ptr [ebp-x], 0

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 VisualC ）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？

使用汇编语言重写代码之前需要确认的几件事情

首先，这种优化最好有明显的效果。比如，一段循环中的计算，等等。一条语句的执行时间是很短的，现在新的CPU的指令周期都在0.000000001s以下，Intel甚至已经做出了4GHz主频（主频的倒数是时钟周期）的CPU，如果你的代码自始至终只执行一次，并且你只是减少了几个时钟周期的执行时间，那么改变将是无法让人察觉的；很多情况下，这种“优化”并不被提倡，尽管它确实减少了执行时间，但为此需要付出大量的时间、人力，多数情况下得不偿失（极端情况，比如你的设备内存价格非常昂贵的时候，这种优化也许会有意义）。
其次，确认你已经使用了最好的算法，并且，你优化的程序的实现是正确的。汇编语言能够提供同样算法的最快实现，然而，它并不是万金油，更不是解决一切的灵丹妙药。用高级语言实现一种好的算法，不一定会比汇编语言实现一种差的算法更慢。不过需要注意的是，时间、空间复杂度最小的算法不一定就是解决某一特定问题的最佳算法。举例说，快速排序在完全逆序的情况下等价于冒泡排序，这时其他方法就比它快。同时，用汇编语言优化一个不正确的算法实现，将给调试带来很大的麻烦。
最后，确认你已经将高级语言编译器的性能发挥到极致。Microsoft的编译器在RELEASE模式和DEBUG模式会有差异相当大的输出，而对于GNU系列的编译器而言，不同级别的优化也会生成几乎完全不同的代码。此外，在编程时对于问题的严格定义，可以极大地帮助编译器的优化过程。如何优化高级语言代码，使其编译结果最优超出了本教程的范围，但如果你不能确认已经发挥了编译器的最大效能，用汇编语言往往是一种更为费力的方法。
还有一点非常重要，那就是你明白自己做的是什么。好的高级语言编译器有时会有一些让人难以理解的行为，比如，重新排列指令顺序，等等。如果你发现这种情况，那么优化的时候就应该小心——编译器很可能比你拥有更多的关于处理器的知识，例如，对于一个超标量处理器，编译器会对指令序列进行“封包”，使他们尽可能的并行执行；此外，宏汇编器有时会自动插入一些nop指令，其作用是将指令凑成整数字长（32-bit，对于16-bit处理器，是16-bit）。这些都是提高代码性能的必要措施，如果你不了解处理器，那么最好不要改动编译器生成的代码，因为这种情况下，盲目的修改往往不会得到预期的效果。

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。

附加题目