用高级语言编写的程序可以在很多不同的机器上编译和执行，而汇编代码则是与特定机器密切相关的。

unix>gcc -o1 -o p p1.c p2.c

-o1:告诉编译器使用第一级优化；通常，提高优化级别会使最终程序运行得更快，但是编译时间可能会变长，用调试工具对代码进行调试会更困难。正如我们会看到的，使用更高级别的优化产生的代码会严重改变形式，以至于产生的机器代码和出事源代码之间的关系非常难以理解。因此我们会使用第一级优化作为学习工具，然后当我们增加优化级别时，在看会发生什么。实际中，从得到的程序性能方面考虑，第二级优化被认为是较好的选择。

对于机器级编程来说，其中两种抽象很重要，第一种是机器级程序的格式和行为，定义为指令集体系结构(Instruction set architecture,ISA)，它定义了处理器状态、指令的格式，以及每条指令对状态的影响。第二种是机器级程序使用的存储器地址是虚拟地址，提供的存储器模型看上去是一个非常大的字节数组。存储器系统的实际实现是将多个硬件存储器和操作系统软件组合起来。

一些通常对C语言程序员隐藏的处理器状态是可见的：

程序计数器指示将要执行的下一条指令在存储器中的地址；

整数寄存器文件包含8个命名的位置，分别存储32位的值，这些存储器可以存储地址（对应于C的指针）或整数数据。有的寄存器被用来记录某些重要的程序状态，而其他则用来保存临时数据，例如过程的局部变量和函数的返回值；

条件码寄存器保存着最近执行的算术或逻辑指令的状态信息。它们用来实现控制或数据流中的条件变化，比如用来实现if和while语句；

一组浮点寄存器存放浮点数据。

程序存储器(program memory)包含：程序的可执行机器代码，操作系统需要的一些信息，用来管理过程调用和返回的运行时栈，以及用户分配的存储器快(比如用malloc库函数分配的)。程序存储器用虚拟地址来寻址，操作系统负责管理虚拟地址空间，将虚拟地址翻译成实际处理器存储器中的物理地址。

1 int accum = 0; 2 3 int sum(int x, int y) 4 { 5 int t = x + y; 6 accum += t; 7 return t; 8 } unix> gcc -O2 -S code.c

C语言编译器产生的汇编代码 sum: pushl %ebp movl %esp,%ebp movl 12(%ebp),%eax addl 8(%ebp),%eax addl %eax,accum movl %ebp,%esp popl %ebp ret

设计指令格式的方式是，从某个给定位置开始，可以将字节唯一地解码成机器指令。例如，只有指令pushl %ebp是以字节值55开头的。

生成实际可执行的代码需要对一组目标代码文件运行链接器，链接器将代码的地址移到了一段不同的地址范围中，并确定了存储全局变量的地址。P109

一个IA32中央处理单元（CPU）包含一组8个存储32位值的寄存器。

如图，字节操作指令可以独立地读或者写前四个寄存器的2个低位字节。

源数据值可以以常数的形式给出，或是从寄存器或存储器中读出，结果可以存放在寄存器或存储器中。

因此，各种不同的操作数的可能性被分为三种类型：

1)立即数(immediate)，也就是常数值。用$后面跟一个标准C表示法表示的整数，例如$-377或$0x1F。任何能放入32位的字里的数值都可以用作立即数，不过汇编器在可能时会使用一个或两个字节的编码。（会拆开存在不同的寄存器中？）

2)寄存器(regiser)，表示某个寄存器的内容。Ea表示任意寄存器a，Reg[Ea]表示它的值，这是将寄存器集合看成一个数组Reg，用寄存器标识符作为索引。

3)存储器(memory)引用，它会根据计算出来的地址（通常称为有效地址）访问某个存储器位置。Mb[Addr]表示对存储在存储器中从地址Addr开始的b个字节值的引用。

int exchange（int *xp,int y) {    int x = *xp;    *xp = y;    return x; }

xp at %ebp+8,y at %ebp+12 1. movl 8(%ebp),%edx     Get xp By copying to %eax below,x becomes the return value 2. movl (%edx),%eax      Get x at xp 3. movl 12(%ebp),%ecx    Get y 4. movl %ecx,(%edx)      Store y at xp

1）加载有效地址(load effective address)

指令leal实际上是movl指令的变形。它的指令形式是从存储器读数据到寄存器，但实际上它根本就没有引用存储器。

leal S, D   D <–&S Load Effective Address

二元操作，源操作数是第一个，目的操作数是第二个，subl %eax,%edx是使寄存器%edx的值减去%eax中的值。第一个操作数可以是立即数、寄存器或是存储器位置，第二个操作数可以是寄存器或是存储器位置，不过同movl指令一样，两个操作数不能同时是存储器位置。

3)移位操作

先给出移位量，然后第二项给出的是要移位的数值。它可以进行算术和逻辑右移。移位量用单个字节编码，因为只允许进行0到31位的移位（只考虑移位量的低5位）。移位量可以是一个立即数，或者存放在单字节寄存器元素%cl中。（这些指令很特别，因为只允许以这个特定的寄存器作为操作数）。

左移指令：SAL和SHL，两者效果是一样的，都是将右边填上0.

右移指令：SAR执行算术移位（填上符号位）>>A，SHR执行逻辑移位>>L（填上0）。

条件码(condition code)寄存器描述了最近的算术或逻辑操作的属性，可以检测这些寄存器来执行条件分支指令。

最常用的条件码有：

比较和测试指令CMP和TEST不修改任何寄存器的值，只设置条件码。

jmp指令是无条件跳转，它可以是直接跳转，即跳转目标是作为指令的一部分编码的；也可以是间接跳转，即跳转目标是从寄存器或存储器位置中读出的。汇编语言中，直接跳转是给出一个标号作为跳转目标的，例如”jmp .L1″。间接跳转的写法是”*”后面跟一个操作数指示符，例如jmp *%eax用寄存器%eax中的值作为跳转目标，而指令jmp *(%eax)以%eax中的值作为读地址，从存储器中读出跳转目标。

其他跳转指令都是有条件的——根据条件码的某个组合，或者跳转，或者继续执行代码序列中的下一条指令。

C语言中提供了多种循环结构，即do-while、while和for，汇编中没有相应的指令存在，可以用条件测试和跳转组合起来实现循环的效果。

do-while循环：

while循环：

for循环：

for (init-expr; test-expr; update-expr)

swith语句：

可以根据一个整数索引值进行多重分支，处理具有多种可能结果的测试时，这种语句特别有用。

它们不仅提高了C代码的可读性，而且通过使用跳转表这种数据结构使得实现更加高效。跳转表是一个数组，表项i是一个代码段的地址，这个代码段实现当开关索引值i时程序应该采取的动作。程序代码用开关索引值来执行一个跳转表内的数组引用，确定跳转指令的目标。和使用一组很长的if-else语句相比，使用跳转表的优点是执行开关语句的时间与开关情况的数量无关。GCC根据开关情况的数量和开关情况值的稀少程度来翻译开关语句，当开关情况数量比较多，并且值的范围跨度比较小时，就会使用跳转表。

栈帧结构：

机器用栈来传递过程参数、存储返回信息、保存寄存器用于以后恢复，以及本地存储。

为单个过程分配的那部分栈称为栈帧(stack frame)。

寄存器使用惯例：

程序寄存器组是唯一能被所有过程共享的资源。

需要保证被调用者不会覆盖某个调用者稍后会使用的寄存器的值，所以使用惯例，所有的程序必须遵守。

寄存器%eax，%edx和%ecx被划分为调用者保存寄存器。当P调用Q时，Q可以覆盖这些寄存器，而不会破坏任何P所需要的数据。

寄存器%ebx，%esi和%edi被划分为被调用者保存寄存器。Q必须在覆盖这些寄存器的值之前，先把它们保存到栈中，并在返回前恢复它们。

此外，必须保持寄存器%ebp和%esp。

1 int P(int x)

2 {

3 int y = x*x;

4 int z = Q(y);

6 return y + z;

7 }

 第四章 处理器体系结构