数据结构 第6章

1、第六章 算术运算类指令 IA32处理器的基本指令系统 加 法 指 令6.1十 进 制 调 整 指 令6.5减 法 指 令6.2除法 指 令6.4乘 法 指 令6.3算术运算类指令概论 汇编语言程序中执行数学操作的基本过程是整数运算。在本章讨论的运算都是基于整数操作。算术运算是对数据进行加减乘除，它是基本的数据处理方法。加减运算有“和”或“差”的结果外，还有进借位、溢出等状态标志，所以状态标志也是结果的一部分。6.1 加法指令 加法运算包含add、adc和inc三条指令，除inc不影响进位标志CF外，其他指令按定义影响全部状态标志位、即按照运算结果相应设置各个状态标志为0或为1，它们都和二进制数

2、值如何相加有关。1、加法指令ADD2、检测进位或溢出的情况 3、带进位的加法指令ADC 4、增量指令INC ADD指令可以将8位、16位或32位值相加。和其他GNU汇编指令一样，必须通过在ADD助记符的后面添加b（用于字节）、w（用于字）或者l（用于双字）来指定操作数的长度。 6.1.1 加法指令ADD ADD指令用于把目的操作数加上源操作数，结果送到目的操作数。 ADD指令格式如下：addx src, dest # 加法：dest=dest+src续上页下面是使用add指令的例子： addb $100,%al #立即数100和8位的寄存器al相加,结果赋给al addw %ax,%bx #1

3、6位的寄存器ax和bx相加,结果赋给bx addl dvar,%eax #32位变量dvar的值和32位寄存器eax相加,结果赋给eax addl %eax,%eax #32位寄存器eax和自己相加,结果还赋给本身例题6.1使用add指令进行操作1(addtest1.s).section .datadvar: .int 70.section .text.globl _start_start: nop movl $0, %eax 例题6.1续1movl $0, %ebx movl $0, %ecx movb $50, %aladdb $30, %al movsx %al, %eax movw $

4、300, %cx addw %cx, %bx例题6.1续2 movsx %bx, %ebx movl $500, %edx addl %edx, %edx addl dvar, %eax addl %eax, dvar movl $1, %eax movl $0, %ebx int $0 x80 例题6.2使用add指令进行操作2(addtest2.s).section .datadvar: .int -40.section .text.globl _start_start: nop movl $-10, %eax例题6.2续1 movl $-200, %ebx movl $80, %ecx

5、addl dvar, %eax addl %ecx, %eax addl %ebx, %eax addl %eax, dvar addl $210, dvar例题6.2续2 movl $1, %eax movl $0, %ebx int $0 x80经过汇编连接后，对程序进行调试，我们可以查看到运行完加法指令后的结果。(gdb) p $eax$1=-170 开始都是默认以十进制显示数值例题6.2续3(gdb) p $ebx$2=-200(gdb) p $ecx$3=80(gdb) x/d &dvar0 x80490ac : 0得出结果：ADD指令对程序里的所有带符号整数都进行了正确的运算。6.

6、1.2 检测进位或溢出的情况 当整数相加时，我们应该也必须关注EFLAG寄存器值的变化，以便确保操作过程中不会发生奇怪的事情。当对无符号数进行相加造成进位时（即结果值大于允许的最大值），进位标志位CF=1；当对有符号数进行相加造成溢出时（即结果值小于允许的最小负值，或大于允许的最大正值），溢出标志位OF=1。 OF、CF被设置为1时，说明目的操作数的长度太小，不能保存加法的结果值。续上页进位和溢出标志的设置与加法中使用的数据长度相关联。例如，在addb指令中，如果结果超过255，就会把进位标志位CF设置为1，但在addw指令中，结果超过65535，进位标志位CF才会被设置为1。例题6.3 检测

7、进位标志位CF的操作(addtest3.s) .section .text.globl _start_start: nop movl $0, %ebx movb $190, %bl movb $100, %al addb %al, %bl jc next例题6.3续1 movl $1, %eax int $0 x80next: movl $1, %eax movl $0, %ebx int $0 x80例题6.3 续3下面我们检查这个程序运行的结果： $ . /addtest3 $ echo ? 0 $其中echo $ ?命令是返回bl的值，以十进制显示。例题6.3 续4运行的结果为0，说明该

8、程序加法运算产生了进位CF=1，发生了跳转。现在，我们改动一下寄存器的值，使加法不发生进位： movb $190, %bl movb $10, %al运行结果应该是：$ . /addtest3 $ echo $ ? 200 $这个结果表明加法结果没有产生进位，也就没发生跳转。例题6.3 续5对于无符号数进行加法时了解结果是否超出数值表达的范围，则一定要检查进位标志位是否为1。对于带符号数的加法运算则必须关注溢出标志位OF，此时CF就没有什么用处了。当结果溢出正值或负值界限范围时，OF标志都会被设置为1。例题6.4 检测溢出标志位OF的操作(addtest4.s) .section .datas

9、tring: .asciz The sum is %dn.section .text.globl _start_start: movl $-1590876934, %ebx movl $-1259230143, %eax 例题6.4 续1 addl %eax, %ebx jo next pushl %ebx pushl $string call printf add $8, %esp pushl $0 call exit例题6.4 续2 next:pushl $0pushl $stringcall printfadd $8, %esppushl $0call exit例题6.4 续3 该程序试

10、图把两个大的负数相加，则造成了溢出情况。jo指令用于检查溢出标志位并且如果OF=1则把控制传递到标号next处。因为这个程序使用了C函数printf，所以要记住把它和系统的动态连接器以及C库连接在一起。如果运行这个程序，则它的结果应该是下面的输出：$ . /addtest4 The sum is 0$例题6.4续4 这个结果表明产生了溢出。如果修改movl 两个指令，使其相加不产生溢出，就会看到相加的结果。例如： movl $-190876934, %ebx movl $-159230143, %eax则会生成如下结果： $ . /addtest4 The sum is -350107077

11、$当然在做加法运算时，除了影响进位标志和溢出标志外，也影响SF、ZF、PF、AF等标志位。 例题6.4续5 对于8位运算指令，状态标志位反映8位运算结果的状态；同样，进行16位或32位运算，状态标志（除PF）也是反映16位或32位运算结果的状态。上章介绍的数据传送类指令中，除了标志位是目的操作数的传送指令外，其他传送指令并不影响标志；也就是说，标志并不因为传送指令的执行而改变。6.1.3 带进位的加法指令ADC 带进位加法指令ADC（Add with Carry）除完成ADD加法运算外，还要加上进位CF，结果送到目的操作数，按照定义影响6个状态标志位，格式如下：adcx src,dest# 带

12、进位加法：destdestsrcCF续上页 其中src可以是立即数或8位、16位或32位寄存器或内存单元，dest可以是8位、16位或32位寄存器或内存单元。注意src和dest不能同时为内存单元。还有，和add指令一样，GNU汇编器要求助记符中用附加的字符来表明操作数的长度（b、w或l）。续上页 adc指令的设计目的是用于与add指令相结合实现多精度数的加法。IA-32处理器可以实现32位加法。但是，多于32位的数据相加就需要先将两个操作数的低32位相加（用add指令），然后再加高位部分、并将进位加到高位（需要用adc指令）。例题6.5 使用ADC指令的操作（adctest.s）.secti

13、on .dataqvar1: .quad 7252051615qvar2: .quad 5732348928string: .asciz The sum is %qdn.section .text例题6.5续1.globl _start_start: nop movl qvar1, %ebx movl qvar1+4, %eax movl qvar2, %edx movl qvar2+4, %ecx例题6.5续2 addl %ebx, %edx adcl %eax, %ecx pushl %ecx pushl %edx push $string call printf addl $12, %e

14、sp pushl $0 call exit例题6.5续3 汇编和连接后，可以直接显示其输出值，也可运行调试器GDB来监视处理过程中的各个步骤中的值。$ as gstabs o adctest.o adctest.s$ ld dynamic-link /lib/ld-linux.so.2 lc o adctest adctest.o$ gdb q adctest(gdb) b *_start+1显示设置断点的位置例题6.5续4(gdb) run 到断点处停下(gdb) s .单步执行然后可查看寄存器的值（gdb）i r 显示寄存器的值 eax 0 x1 1 ecx 0 x1 1 edx 0 x5

15、5acb400 1437381632 ebx 0 xb041869f -1337882977例题6.5续5 程序中把64位整数赋值给了4个寄存器，GDB假设寄存器的值是带符号整数，所以第三列的值是没有意义的。执行完加法指令后，再查看寄存器的值：（gdb）i r 显示寄存器的值 eax 0 x1 1 ecx 0 x3 3 edx 0 x5ee3a9f 99498655 ebx 0 xb041869f -1337882977例题6.5续6 最后ecx：edx寄存器对包含了最后的结果，执行程序可以显示结果： $ ./adctest The sum is 12984400543 $6.1.4 增量指令

16、INC 增量指令INC（Increment）只有一个操作数，对操作数加1（增量）再将结果返回原处。 操作数是寄存器或存储单元，格式如下：incx reg/mem# 加1：reg/memreg/mem1x可以是b、w或l。设计增量指令的目的，主要用于对计数器和地址指针的调整，所以它不影响进位CF标志，但影响其他状态标志位。6.2 减法指令 减法指令SUB 减法操作中的借位和溢出 带借位的减法指令SBB减量指令DEC 求补指令NEG 比较指令CMP 6.2.1 减法指令SUB 减法指令SUB（Subtract）使目的操作数减去源操作数，差的结果送到目的操作数，格式如下：subx src,dest#

17、 减法：destdestsrc像add指令一样，sub指令支持寄存器与立即数、寄存器、存储单元，以及存储单元与立即数、寄存器间的减法运算，按照定义影响6个状态标志位。和add指令一样，GNU汇编器需要在助记符后面加上长度符号。长度符号x仍然是通常使用的b、w或l。例题6.6使用sub指令进行操作(subtest1.s) .section .datadvar: .int 20.section .text.globl _start_start: nop movl $0, %eax 例题6.6续1 movl %eax, %ebx movl %eax, %ecx movb $20, %al subb

18、$10, %al movsx %al, %eax movw $100, %cx subw %cx, %bx movsx %bx, %ebx 例题6.6续2 movl $100, %edx subl %eax, %edx subl dvar, %eax subl %eax, dvar movl $1, %eax movl $0, %ebx int $0 x80例题6.6续3 $ as gstabs o subtest1.o subtest1.s $ ld o subtest1 subtest1.o$ gdb q subtest1 (gdb) b *_start+1 显示设置断点的位置(gdb)

19、run (gdb) s例题6.6续4直到最后倒数第二条SUB指令执行完毕，查看：(gdb) p $eax $1=-10(gdb) x/d &dvar 0 x80490ac : 20(gdb) s 例题6.6续 5(gdb) x/d &dvar 0 x80490ac : 30(gdb) 20减去-10，得到结果的确是30，正确。GNU汇编器的SUB指令中的操作数的顺序，和Intel语法是相反的，这点非常重要。6.2.2 减法操作中的借位和溢出 和ADD指令类似，执行减法操作之后，SUB指令会改变EFLAG标志位。如果最高位发生了借位，则进位/借位标志位CF=1；如果加法操作使得结果超过了正数最大

20、值或负数最大值，则溢出标志位OF=1。 当然对OF是否设置为1的判断取决于加法的判断原则：正正得负，负负得正，则OF=1；否则其他情况都不溢出。另外减法操作也对其他标志位影响：ZF、PF、SP和AF。例题6.7 检测进位标志位CF的操作(subtest2.s) .section .text.globl _start_start: nop movl $34, %eax movl $23, %ebx subl %eax, %ebx 例题6.7续1 jc next movl $1, %eax int $0 x80next: movl $1, %eax movl $0, %ebx int $0 x80

21、例题6.7续2对该程序进行汇编之后运行它： $ . /subtest2 $ echo $ ? 0 $ 说明发生了跳转，即CF=1，产生了借位，和我们分析的一致。 试考虑如果将该程序中的jc改为jo会是什么样子呢？请大家修改执行。例题6.8检测溢出标志位OF的操作(subtest3.s) .section .datastring: .asciz The sum is %dn.section .text.globl _start_start: movl $-1590876934, %ebx movl $1234567890, %eax例题6.8续1 subl %eax, %ebx jo next

22、pushl %ebx pushl $string call printf add $8, %esp pushl $0 call exit例题6.8续2 next: pushl $0 pushl $string call printf add $8, %esp pushl $0 call exit例题6.8续3 汇编连接后执行结果如下： $ . /subtest3The sum is 0$ 说明该程序的执行发生了跳转，产生了溢出，即OF=1。现在将其中第2条指令修改如下： movl $-1259230143, %eax 例题6.8续4再次运行程序： $ . /subtest3 The sum i

23、s -33164791 $ 说明该程序在修改之后没有发生跳转，没有产生溢出，即OF=0。因为负数减去了一个负数，相当于加上一个正数，负数加上一个正数，怎么都不会产生溢出。6.2.3 带借位的减法指令SBB 带借位减法指令SBB（Subtract with Borrow）除完成SUB减法运算外，还要减去借位CF，结果送到目的操作数，按照定义影响6个状态标志位，格式如下：sbbx src,dest # 带借位减法： destdestsrcCF续上页 其中src可以是立即数或8位、16位或32位寄存器或内存单元，dest可以是8位、16位或32位寄存器或内存单元。注意src和dest不能同时为内存单

24、元。还有，和add指令一样，GNU汇编器要求助记符中用附加的字符来表明操作数的长度（b、w或l）。 续上页 sbb指令主要用于与sub指令相结合实现多精度数的减法。多于32位数据的减法需要先将两个操作数的低32位相减（用sub指令），然后再减高位部分、并从高位减去借位（需要用sbb指令）。例题6.9 使用SBB指令的操作(sbbtest.s).section .dataqvar1: .quad 7252051615qvar2: .quad 5732348928string: .asciz The result is %qdn.section .text 例题6.9续1.globl _start

25、_start: nop movl qvar1, %ebx movl qvar1+4, %eax movl qvar2, %edx movl qvar2+4, %ecx subl %ebx, %edx例题6.9续2 sbbl %eax, %ecx pushl %ecx pushl %edx push $string call printf add $12, %esp pushl $0 call exit例题6.9续3 对程序进行汇编连接之后执行，结果如下： $ . /sbbtest The result is -1519702687 $6.2.4 减量指令DEC 减量指令DEC（Decremen

26、t）对操作数减1（减量）再将结果返回原处，格式如下： decx reg/mem # 减1：reg/memreg/mem1 x可以是b、w或l。 DEC指令对应INC指令， 也主要用于对计数器和地址指针的调整， 不影响进位CF标志，但影响其他状态标志位。例题6.10大小写字母转换程序(invert.s).section .datamsg:.asciz “welcomen” len =.-msg .section .text.globl _start_start: nop movl $len,%ecx # ecx等于字符串长度例题6.10续1 movl $0,%ebx # ebx0指向头一个字母a

27、gain:subb $0 x20,msg(%ebx)# 小写字母减0 x20转换为大写 incl %ebx # 指向下一个字母 loop again # 循环 pushl $msgcall printf #显示转换过的字符串 addl $4,%esp pushl $0 call exit6.2.5 求补指令NEG 求补指令NEG（Negative）也是一个单操作数指令，它对操作数执行求补运算，即用零减去操作数，然后结果返回操作数。negx reg/mem# 用0作减法：reg/mem0reg/mem neg指令对标志的影响与用零作减法的sub指令一样，可用于求补码或由补码求其绝对值。续上页mo

28、vw $0 xff64,%axnegb %al # ax=0 xff9c， OF=0，SF=1，ZF=0， PF=1，CF=1subb $0 x9d,%al # ax=0 xffff， OF=0，SF=1， ZF=0，PF=1，CF=1negw %ax # ax=0 x0001，OF=0，SF=0，ZF=0， PF=0，CF=1decb %al # ax=0 x0000，OF=0，SF=0，ZF=1， PF=1，CF=1negw %ax # ax=0 x0000，OF=0，SF=0，ZF=1， PF=1，CF=06.2.6 比较指令CMP 比较指令CMP（Compare）将目的操作数减去源操作

29、数，差值不回送目的操作数，即不会修改这两个操作数，但按照减法结果影响状态标志，格式如下：cmpx src,dest# 减法运算：destsrccmp指令通过减法运算影响状态标志，根据标志状态可以获知两个操作数的大小关系。它主要给条件转移等指令使用其形成的状态标志。例题6.11使用CMP指令操作（cmptest.s） .section .text.globl _start_start: nop movl $55, %eax movl $30, %ebx cmp %eax, %ebx jae next movl $1, %eax 例题6.11续1int $0 x80next: movl $20,

30、%ebx movl $1, %eax int $0 x80 该例题使用cmp和jae条件跳转指令来判断程序的走向。55赋值给eax，30赋值给ebx，比较ebx是否比eax大或等于，如果成立则跳转，否则不进行分支操作。例题6.11续2汇编连接执行：$ ./cmptest$ echo $?30$ 显然结果表明：没有发生跳转，符合我们预期的设想。例题6.11续3下面是cmp指令其他的一些例子：cmp $200,%ebx #寄存器和立即数的比较cmp dvar,%ebx #寄存器和变量的比较cmp (%esi),%ebx #寄存器和esi指向的内存里的数据比较6.3 乘法指令 无符号数整数乘法MUL

31、 带符号整数乘法IMUL检查溢出情况乘法总结 在整数运算中比较复杂的功能之一是乘法。与加减法不同，对于无符号数和有符号数的乘法操作需要不同的指令 6.3.1 无符号数整数乘法MUL 基本的乘法指令指出源操作数src（寄存器或存储单元），隐含目的操作数dest（al/ax/eax）。 MUL指令格式如下： mulx src # ax=alr8/m8 # dx:ax=axr16/m16 # edx:eax=eaxr32/m32例题6.12使用MUL指令操作（multest.s） .section .datadvar1: .int 315814dvar2: .int 165432value: .qu

32、ad 0output:.asciz The value is %qdn 例题6.12续1.section .text.globl _start_start: nop movl dvar1, %eax mull dvar2 movl %eax, value例题6.12续2 movl %edx, value+4 pushl %edx pushl %eax pushl $output call printf add $12, %esp pushl $0 call exit例题6.12续3$ as gstabs o multest.o multest.s$ ld dynamic-link /lib/l

33、d-linux.so.2 lc o multest multest.o例题6.12续4$ gdb q multest(gdb) b *_start+1 显示设置断点的位置(gdb) run (gdb) s直到mul指令执行完毕，查看：(gdb) p/x $eax例题6.12续5$1=0 x2a16c050(gdb) p/x $edx$2=0 xc(gdb) s(gdb) s(gdb) x/gd &value 以十进制显示value变量指示内存的八个存储单元的内容例题6.12续60 x80491c4 : 52245741648(gdb) x/8b &value 以十六进制显示value变量指示内

34、存的八个存储单元的内容0 x80491c4 : 0 x50 0 xc0 0 x16 0 x2a 0 x0c 0 x00 0 x00 0 x00(gdb)$ ./ multestThe value is 52245741648$显然显示结果和调试器里观察到的结果是一致的。6.3.2 带符号整数乘法IMUL 和无符号整数乘法类似，基本的带符号乘法指令指出源操作数src（寄存器或存储单元），隐含目的操作数dest（al/ax/eax）。 IMUL指令格式如下： imulx src # ax=alr8/m8 # dx:ax=axr16/m16 #edx:eax=eaxr32/m32续上页 需要特别说明

35、的 IMUL指令可以用于无符号数和有符号数的乘法，但必须小心结果不使用目标的最高有效位（因最高做符号位使用）。对于较大的值，IMUL指令只对带符号数是合法的。为了应付比较复杂的情况，IMUL指令有3种不同的格式。 续上页 除了上面基本格式外，imul的第二种格式允许指定eax寄存器之外的目标操作数： imulx src, dest # dest=destsrc 其中src可以是立即数、r16、r32、m16或m32，dest必须是r16或r32。这种格式允许指定把乘法的结果存放在哪个位置（而不是一定存放在ax和dx寄存器中）。 续上页 这种格式的缺陷在于乘法操作的结果被限制为单一的目标寄存器的

36、长度（不能是64位）。使用这种格式必须非常小心，不要溢出目标寄存器。imul的第三种格式允许指定3个操作数： imulx imm, src, dest # dest=srcimm续上页 imm立即数，可以是i8、i16或i32；src可以是16位或32位的寄存器或内存值，dest必须是16位或32位的通用寄存器。这种格式允许把一个值（src）和一个带符号数（imm）的快速乘法操作，并把结果存储到通用寄存器（dest）中。使用GNU汇编器时，必须在助记符后面加上x，x取b、w或l。 例题6.13使用IMUL指令操作（imultest1.s） .section .datadvar1: .int 1

37、0dvar2: .int -35dvar3: .int 400例题6.13续1.section .text.globl _start_start: nop movl dvar1, %ebx movl dvar2, %ecx imull %ebx, %ecx 例题6.13续2movl dvar3, %edx imull $2, %edx, %eaxmovl $1, %eax movl $0, %ebx int $0 x80 例题6.13续3 汇编和连接之后，使用调试器监视程序执行过程中的寄存器的值，单步执行IMUL指令之后，寄存器里的值应该如下：（gdb） i r eax 0 x320 800

38、ecx 0 xfffffea2 -350 edx 0 x190 400 ebx 0 xa 10读者分析结果是否和自己预期的一致。6.3.3 检查溢出情况 当使用带符号数进行IMUL指令运算时，特别要注意运算结果是否溢出，这个工作是使用jo来完成的。 例题6.14使用IMUL指令检查是否溢出的操作（imultest2.s）.section .text.globl _start_start: nop movw $900, %ax movw $120, %cx imulw %cx 例题6.14续1jo nextmovl $1, %eax movl $0, %ebx int $0 x80next: m

39、ovl $1, %eax movl $1, %ebx int $0 x80例题6.14续2 经过汇编连接后，直接执行程序，通过观察返回bl的值来判定是否溢出，即是否跳转到标号next处。然后再修改ax的输入值，使得运行结果和上面不同，分析原因。6.3.4 乘法总结 乘法指令分成无符号数乘法指令MUL和有符号数乘法指令IMUL。因为同一个二进制编码表示无符号数和有符号数时，真值可能不同。例如：计算二进制数乘法：0 xa50 x64。如果把它们当作无符号数，用mul指令结果为0 x4074（16500）0 xa5（165）0 x64（100）。如果采用imul指令，则结果为0 xdc74（9100

40、）0 xa5（91）0 x64（100）。注意：加减指令只进行无符号数运算，程序员利用 CF和OF区别结果。续上页基本的乘法指令按如下规则影响标志OF和CF。若乘积的高一半是低一半的符号位扩展，说明高一半不含有效数值，则OFCF0；乘积高一半有效，则用OFCF1表示。但是，乘法指令对其他状态标志没有定义，也就是成为任意，不可预测。注意，这一点是与数据传送类指令对标志没有影响是不同的，没有影响是指不改变原来的状态。关于乘法指令的使用情况总结在表6-1中。表6-1 乘法指令 指令类型指令操作数组合及功能举例无符数乘法mulx srcaxalr8/m8dx:axaxr16/m16edx:eaxeax

41、r32/m32mulb %bl mulw %bxmull %ebximull dvar有符数乘法imulx src双操数乘法imulx src,destr16r16i8/i16/r16/m16r32r32i8/i16/i32/r32/m32imulw $10,%cximull %ebx,%ecx三操数乘法imulx imm,src.destr16r16/m16i8/i16r32r32/m32i8/i16/i32imulw $2,%ax,%bx,imul $5,%esi,%eax6.4 除法指令概论 和乘法类似，根据使用的是无符号数还是有符号数，除法操作分别需要特定指令。整数除法的难点是答案不总

42、是精确的整数，比如9除以2，就会生成两部分答案：商和余数。这样对这两部分答案就需要两个地方来存放。6.4 除法指令无符号数除法 div有符号数的除法 idiv检查除法错误 除法总结 6.4.1 无符号数除法 DIV指令用于无符号数除法操作。 其格式如下： divx divisor 除法操作的结果是两个单独的值：商和余数。这两个值都被存放在与被除数使用的相同寄存器中。具体情况见表6-2。 在执行DIV指令之前，被除数（隐含）必须已经被存储到了AX寄存器（对于8位除数）、dx：ax寄存器对中（对于16位除数）或edx：eax寄存器对中（对于32位除数）。例题6.15使用DIV指令的操作（divte

43、st.s）.section .datadividend: .quad 123456789divisor: .int 123quotient: .int 0remainder: .int 0例题6.15续1msg: .asciz “The quotient is %d, and the remainder is %dn”.section .text.globl _start_start: nop movl dividend, %eax movl dividend+4, %edx divl divisor 例题6.15续2 movl %eax, quotient movl %edx, remainder pushl remainder pushl quotient pushl $msg call printf add $12, %esp pu