x86 体系结构

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Intel x86 处理器使用复杂指令集计算机 (CISC) 体系结构，这意味着有少量的特殊用途寄存器，而不是大量的通用寄存器。 这也意味着复杂的特殊用途指令将占主导地位。

x86 处理器至少可追溯到 8 位 Intel 8080 处理器的遗产。 x86 指令集中的许多特点是由于该处理器 (及其 Zilog Z-80 变体) 的向后兼容性。

Microsoft Win32 在 32 位平面模式下使用 x86 处理器。 本文档仅重点介绍平面模式。

寄存 器

x86 体系结构由以下无特权整数寄存器组成。

eax

蓄电池

ebx

基寄存器

ecx

计数器寄存器

edx

数据寄存器 - 可用于 I/O 端口访问和算术函数

Esi

源索引寄存器

Edi

目标索引寄存器

Ebp

基指针寄存器

Esp

堆栈指针

所有整数寄存器均为 32 位。 但是，其中许多都有 16 位或 8 位子注册表。

ax

低 16 位 eax

bx

低 16 位 ebx

cx

低 16 位 ecx

dx

低 16 位 edx

si

低 16 位 esi

di

低 16 位 edi

Bp

低 16 位 ebp

sp

低 16 位 esp

al

低 8 位 eax

啊

高 8 位 斧头

bl

低 8 位 ebx

Bh

高 8 位 bx

Cl

低 8 位 ecx

ch

高 8 位 cx

Dl

低 8 位 edx

Dh

高 8 位 dx

在子注册表上操作仅影响子注册表，而不会影响子注册表外部的任何部分。 例如，存储到 ax 寄存器会使 eax 寄存器的高 16 位保持不变。

使用 ？ (计算表达式) 命令时，寄存器应以“at”符号为前缀， ( @ ) 。 例如，应使用 ？ @ax 而不是 ？ ax。 这可确保调试器将 ax 识别为寄存器而不是符号。

但是，r (Registers) 命令中不需要 (@) 。 例如， r ax=5 将始终正确解释。

另外两个寄存器对于处理器的当前状态很重要。

Eip

指令指针

flag

flags

指令指针是正在执行的指令的地址。

标志寄存器是单位标志的集合。 许多指令会更改标志来描述指令的结果。 然后，可以通过条件跳转指令测试这些标志。 有关详细信息 ，请参阅 x86 标志 。

调用约定

x86 体系结构具有多个不同的调用约定。 幸运的是，它们都遵循相同的寄存器保留和函数返回规则：

  • 函数必须保留所有寄存器， eax、 ecx 和 edx 除外（可以在函数调用中更改）和 esp（必须根据调用约定进行更新）。

  • 如果结果为 32 位或更小， 则 eax 寄存器接收函数返回值。 如果结果为 64 位，则结果存储在 edx：eax 对中。

下面是 x86 体系结构上使用的调用约定的列表：

  • Win32 (__stdcall)

    函数参数在堆栈上传递，从右向左推送，被调用方将清理堆栈。

  • 本机 C++ 方法调用 (也称为 thiscall)

    函数参数在堆栈上传递，从右向左推送，“this”指针在 ecx 寄存器中传递，被调用方将清理堆栈。

  • C++ 方法调用 的 COM (__stdcall)

    函数参数在堆栈上传递，从右向左推送，然后在堆栈上推送“this”指针，然后调用函数。 被调用方清理堆栈。

  • __fastcall

    前两个 DWORD 或较小的参数在 ecx 和 edx 寄存器中传递。 其余参数在堆栈上传递，从右向左推送。 被调用方清理堆栈。

  • __cdecl

    函数参数在堆栈上传递，从右向左推送，调用方将清理堆栈。 __cdecl调用约定用于具有可变长度参数的所有函数。

调试器显示寄存器和标志

下面是调试器寄存器显示示例：

eax=00000000 ebx=008b6f00 ecx=01010101 edx=ffffffff esi=00000000 edi=00465000
eip=77f9d022 esp=05cffc48 ebp=05cffc54 iopl=0         nv up ei ng nz na po nc
cs=001b  ss=0023  ds=0023  es=0023  fs=0038  gs=0000             efl=00000286

在用户模式调试中，可以忽略 iopl 和调试器显示的全部最后一行。

x86 标志

在前面的示例中，第二行末尾的两个字母代码是 标志。 这些是单位寄存器，具有多种用途。

下表列出了 x86 标志：

标记代码 标志名称 值 标志状态 说明
of 溢出标志 0 1 nvov 无溢出 - 溢出
df 方向标志 0 1 updn 向上方向 - 向下方向
if 中断标志 0 1 diei 已禁用中断 - 已启用中断
sf 签名标志 0 1 plng 正 (或零) - 负
Zf 零标志 0 1 nzzr 非零 - 零
af 辅助携带标志 0 1 naac 无辅助携带 - 辅助携带
pf 奇偶校验标志 0 1 pepo 奇偶校验奇数 - 奇偶校验偶数
cf 携带标志 0 1 nccy 无携带 - 携带
Tf 陷阱标志 如果 tf 等于 1，处理器将在执行一条指令后引发STATUS_SINGLE_STEP异常。 调试器使用此标志来实现单步跟踪。 其他应用程序不应使用它。
iopl I/O 特权级别 I/O 特权级别 这是一个两位整数，其值介于 0 和 3 之间。 操作系统使用它来控制对硬件的访问。 应用程序不应使用它。

当寄存器作为某个命令在调试器命令窗口中显示时，显示的是 标志状态 。 但是，如果要使用 r (Registers) 命令更改标志，则应通过 标志代码引用它。

在 WinDbg 的“注册”窗口中，标志代码用于查看或更改标志。 不支持标志状态。

示例如下。 在前面的寄存器显示中，将显示标志状态 ng 。 这意味着标志当前设置为 1。 若要更改此设置，请使用以下命令：

r sf=0

这会将符号标志设置为零。 如果执行其他寄存器显示，则不会显示 ng 状态代码。 相反，将显示 pl 状态代码。

标志标志、零标志和携带标志是最常用的标志。

条件

条件描述一个或多个标志的状态。 x86 上的所有条件操作都以条件条件表示。

汇编程序使用一个或两个字母缩写来表示条件。 一个条件可以由多个缩写表示。 例如，AE (“高于或等于”) 与 NB (“不低于”) 条件相同。 下表列出了一些常见条件及其含义。

条件名称 Flags 含义

Z

ZF=1

上一个操作的结果为零。

NZ

ZF=0

上次操作的结果不是零。

C

CF=1

上次操作需要携带或借入。 (对于无符号整数，这表示 overflow.)

NC

CF=0

上次操作不需要携带或借入。 (对于无符号整数，这表示 overflow.)

S

SF=1

最后一个操作的结果具有其高位集。

NS

SF=0

最后一个操作的结果具有其高位清晰。

O

OF=1

当被视为有符号整数运算时，最后一个运算会导致溢出或下溢。

是

OF=0

当被视为有符号整数运算时，最后一个操作不会导致溢出或下溢。

条件还可用于比较两个值。 cmp 指令比较其两个操作数，然后设置标志，就像从另一个操作数减去一个操作数一样。 以下条件可用于检查 cmpvalue1， value2 的结果。

条件名称 Flags CMP 操作后的含义。

E

ZF=1

value1 == value2。

NE

ZF=0

value1 ！= value2。

GE NL

SF=OF

value1>= value2。 值被视为有符号整数。

LE NG

ZF=1 或 SF！=OF

value1<= value2。 值被视为有符号整数。

G NLE

ZF=0 和 SF=OF

value1>value2。 值被视为有符号整数。

L NGE

SF！=OF

value1<value2。 值被视为有符号整数。

AE NB

CF=0

value1>= value2。 值被视为无符号整数。

BE NA

CF=1 或 ZF=1

value1<= value2。 值被视为无符号整数。

A NBE

CF=0 和 ZF=0

value1>value2。 值被视为无符号整数。

B NAE

CF=1

value1<value2。 值被视为无符号整数。

条件通常用于处理 cmp 或 测试 指令的结果。 例如，

cmp eax, 5
jz equal

通过计算 表达式 (eax - 5) 并根据结果设置标志，将 eax 寄存器与数字 5 进行比较。 如果减法的结果为零，则将设置 zr 标志， jz 条件为 true，因此将进行跳转。

数据类型

  • 字节：8 位

  • word： 16 位

  • dword：32 位

  • qword：64 位 (包括浮点双精度)

  • 第二个：80 位 (包括浮点扩展双精度)

  • oword：128 位

符号

下表指示用于描述汇编语言指令的表示法。

表示法 含义

r、 r1、 r2...

寄存器

m

内存地址 (有关详细信息，请参阅后续寻址模式部分。)

#n

即时常量

r/m

寄存器或内存

r/#n

注册或即时常量

r/m/#n

寄存器、内存或即时常量

Cc

上述条件部分中列出的条件代码。

T

“B”、“W”或“D” (字节、word 或 dword)

accT

大小 T 累加器： 如果T = “B”，则 为 ax ，如果 T = “W”，则为 eax （如果 T = “D”

寻址模式

有几种不同的寻址模式，但它们都采用 T ptr [expr] 的形式，其中 T 是某种数据类型 (请参阅前面的数据类型部分) expr 是涉及常量和寄存器的一些表达式。

大多数模式的表示法可以毫不困难地推断出来。 例如， BYTE PTR [esi+edx*8+3] 表示“获取 esi 寄存器的值，将 edx 寄存器的值加到它的 8 倍，再加 3，然后访问生成的地址处的字节。

流水线

Pentium 是双问题，这意味着它可以在一个时钟滴答声中执行最多两个操作。 但是，有关何时能够同时执行两项操作 (称为 配对) 的规则非常复杂。

由于 x86 是 CISC 处理器，因此不必担心跳转延迟槽。

同步内存访问

加载、修改和存储指令可以接收 锁 前缀，该前缀修改指令，如下所示：

  1. 在发出指令之前，CPU 将刷新所有挂起的内存操作，以确保一致性。 放弃所有数据预提取。

  2. 发出指令时，CPU 将具有对总线的独占访问权限。 这可确保加载/修改/存储操作的原子性。

每当 xchg 指令与内存交换值时，它都会自动遵守前面的规则。

所有其他指令默认为非锁定。

跳转预测

预计会无条件跳跃。

根据上一次执行时是否执行条件跳转，预测是否执行条件跳转。 用于记录跳转历史记录的缓存大小有限。

如果 CPU 没有记录条件跳转是否在上次执行时进行了条件跳转，则会将后向条件跳转预测为已执行，而前向条件跳转则预测为未执行。

对准

x86 处理器将自动更正未对齐的内存访问，但会降低性能。 不会引发异常。

如果地址是对象大小的整数倍，则内存访问被视为对齐。 例如，所有 BYTE 访问都对齐 (所有内容都是 1) 的整数倍，WORD 对偶数地址的访问是对齐的，DWORD 地址必须是 4 的倍数才能对齐。

锁前缀不应用于未对齐的内存访问。