第2章 x86/x64编程基础
在这一章里，我们主要了解在x86和x64平台上编写汇编程序的基础和常用的一些指令。
2.1 选择编译器
nasm？fasm？yasm？还是masm、gas或其他？
前面三个是免费开源的汇编编译器，总体上来讲都使用Intel的语法。yasm是在nasm的基础上开发的，与nasm同宗。由于使用了相同的语法，因此nasm的代码可以直接用yasm来编译。
yasm虽然更新较慢，但对nasm一些不合理的地方进行了改良。从这个角度来看，yasm比nasm更优秀些，而nasm更新快，能支持更新的指令集。在Windows平台上，fasm是另一个不错的选择，平台支持比较好，可以直接用来开发Windows上的程序，语法也比较独特。在对Windows程序结构的支持上，fasm是3个免费的编译器里做得最好的。
masm是微软发布的汇编编译器，现在已经停止单独发布，被融合在Visual Studio产品中。gas是Linux平台上的免费开源汇编编译器，使用AT&T的汇编语法，使用起来比较麻烦。
由于本书的例子是在祼机上直接运行，因此笔者使用nasm，因为它的语法比较简洁，使用方法简单，更新速度非常快。不过如果要是用nasm来写Windows程序则是比较痛苦的，这方面的文档很少。
从nasm的官网可以下载最新的版本：http：//www.nasm.us/pub/nasm/releasebuilds/？C=M；O=D，也可以浏览和下载其文档：http：//www.nasm.us/docs.php。
2.2 机器语言
一条机器指令由相应的二进制数标识，直接能被机器识别。在汇编语言出现之前，使用机器指令编写程序是直接将二进制数输入计算机中。
C语言中的c=a+b在机器语言中应该怎样表达？
这是一个很麻烦的过程，a、b和c都是变量，在机器语言中应该怎样表达？C语言不能直接转换为机器语言，要先由C编译器译出相当的assembly，然后再由assembler生成机器指令，最终再由链接器将这些变量的地址定下来。
我们来看看怎样转化机器指令。首先用相应的汇编语言表达出来。
mov eax，[a] ； 变量 a 的值放到 eax 寄存器中 add eax，[b] ； 执行 a+b mov [c]，eax ； 放到 c 中
在x86机器中，如果两个内存操作数要进行加法运算，不能直接相加，其中一方必须是寄存器，至少要将一个操作数放入寄存器中。这一表达已经是最简单形式了，实际上当然不止这么简单，还要配合程序的上下文结构。如果其中一个变量只是临时性的，C编译器可能会选择不放入内存中。那么这些变量是局部变量还是外部变量呢？编译器首先要决定变量的地址。
mov eax，[ebp-4] ； 变量 a 是局部变量 add eax，[ebp-8] ； 执行 a+b，变量b也是局部变量 mov [0x0000001c]，eax ； 放到 c 中，变量c可能是外部变量
变量a和b是在stack上。在大多数的平台下，变量c会放入到.data节，可是在进行链接之前，c的地址可能只是一个偏移量，不是真正的地址，链接器将负责用变量c的真正地址来代替这个偏移值。
上面的汇编语言译成机器语言为
8b 45 fc ； 对应于 mov eax，[ebp-4] 03 45 f8 ； 对应于 add eax，[ebp-8] a3 1c 00 00 00 ； 对应于 mov [0x0000001c]，eax
x86机器是CISC（复杂指令集计算）体系，指令的长度是不固定的，比如上述前面两条指令是3字节，最后一条指令是5字节。
x86机器指令长度最短1字节，最长15字节。
最后，假定.data节的基地址是0x00408000，那么变量c的地址就是0x00408000+0x1c=0x0040801c，经过链接后，最后一条机器指令变成
a3 1c 80 40 00 ； 原始汇编表达形式： mov [c]，eax
指令同样采用little-endian存储序列，从低到高依次存放a3 1c 80 40 00字节，其中1c 80 40 00是地址值0x0040801c的little-endian字节序排列。
2.3 Hello world
按照惯例，我们先看看“Hello，World”程序的汇编版。
实验2-1：hello world程序
下面的代码相当于C语言main（）里的代码。
代码清单2-1（topic02\ex2-1\setup.asm）：
main： ； 这是模块代码的入口点。
mov si，caller_message
call puts ； 打印信息
mov si，current_eip
mov di，caller_address
current_eip：
call get_hex_string ； 转换为 hex
mov si，caller_address
call puts
mov si，13 ； 打印回车
call putc
mov si，10 ； 打印换行
call putc
call say_hello ； 打印信息
jmp $
caller_message db 'Now：I am the caller，address is 0x'
caller_address dq 0
hello_message db 13，10，'hello，world！'，13，10 db 'This is my first assembly program...'，13，10，13，10，0
callee_message db "Now：I'm callee - say_hello（），address is 0x"
callee_address dq 0
实际上这段汇编语言相当于下面的几条C语言语句。
int main（）
{
printf（"Now：I am the caller，address is 0x%x"，get_hex_string（current_eip））；
printf（"
"）；
say_hell0（）； /* 调用 say_hello（） */
}
相比而言，汇编语言的代码量就大得多了。下面是say_hello（）的汇编代码。
代码清单2-2（topic02\ex2-1\setup.asm）：
；-------------------------------------------； say_hello（）
；-------------------------------------------
say_hello：
mov si，hello_message
call puts
mov si，callee_message
call puts
mov si，say_hello
mov di，callee_address
call get_hex_string
mov si，callee_address
call puts
ret
这个say_hello（）也仅相当于以下几条C语句。
void say_hello（）
{
printf（"hello，world
This is my first assembly program..."）；
printf（"Now：I'm callee - say_hello（），address is 0x%x"，get_hex_string（say_hello））；
}
代码清单2-1和2-2就组成了我们这个16位实模式下的汇编语言版本的hello world程序，它在VMware上的运行结果如下所示。
当然仅这两段汇编代码还远远不能达到上面的运行结果，这个例子中背后还有boot.asm和lib16.asm的支持，boot.asm用来启动机器的MBR模块，lib16.asm则是16位实模式下的库（在lib\目录下），提供类似于C库的功能。
main（）的代码被加载到内存0x8000中，lib16.asm的代码被加载到0x8a00中，作为一个共享库的形式存在。这个例子里的全部代码都在topic02\ex2-1\目录下，包括boot.asm源文件和setup.asm源文件，而lib16.asm则在x86\source\lib\目录下。main（）所在的模块是setup.asm。
16位？32位？还是64位？
在机器启动时处理器工作于16位实模式。这个hello world程序工作于16位实模式下，在编写代码时，需要给nasm指示为16位的代码编译，在代码的开头使用bits 16指示字声明。
bits 32指示编译为32位代码，bits 64指示编译为64位代码。
2.3.1 使用寄存器传递参数
C语言中的__stdcall和__cdecl调用约定会使用stack传递参数。
printf（"hello，world This is my first assembly program..."）；
C编译器大概会如下这样处理。
push hello_message call printf
在汇编程序里尽量采用寄存器传递参数，正如前面的hello world程序那样：
mov si，hello_message ； 使用 si寄存器传递参数 call puts
使用寄存器传递参数能获得更高的效率。要注意在程序中修改参数值时，是否需要参数的不变性，按照惯例传递的参数通常是volatile（可变）的，可是在某些场合下保持参数的nonvolatile（不变）能简化代码，应尽量统一风格。
2.3.2 调用过程
call指令用来调用一个过程，可以直接给出一个目标地址值作为操作数，编译器生成的机器指令如下。
e8 c2 00 ； call puts
e8是指令call的opcode操作，c200是目标地址偏移量的little-endian排列，它的值是0x00c2，因而目标地址就在地址ip+0x00c2上。ip指示出了下一条指令地址。
instruction pointer在16位下表示为ip，32位下表示为eip，64位下表示为rip。
调用过程的另外一些常用形式如下。
mov ax，puts
call ax ； 寄存器操作数
；；； 或者是：
call word [puts_pointer] ； 内存操作数
这些是near call的常用形式，[puts_pointer]存放puts过程的地址值，puts_pointer相当于C语言中的函数指针！是不是觉得很熟悉。它们的机器指令形式如下。
ff d0 ； call ax ff 16 10 80 ； call word [0x8010]
如上所示，在0x8010地址上存放着puts过程的地址。
2.3.3 定义变量
在nasm的汇编源程序里，可以使用db系列伪指令来定义初始化的变量，如下所示。
例如，我们可以这样使用db伪指令。
hello_message db 13，10，'hello，world！'，13，10
这里为hello_message定义了一个字符串变量，相当于如下C语句。
hello_message[]=“ hello，world！ ”；
十进制数字13是ASCII码中的回车符，10是换行符，当然也可以使用十六进制数0x0d和0x0a来赋初值。在nasm中可以使用单引号或双引号表达字符串常量。
callee_message db "Now：I'm callee - say_hello（），address is 0x"
2.4 16位编程、32位编程，以及64位编程
在nasm中可以在同一个源代码文件里同时指出16位代码、32位代码，以及64位代码。
bits 16 … … ； 以下是 16位代码 bits 32 … … ； 以下是 32位代码 bits 64 … … ； 以下是 64位代码
不用担心这里会有什么问题，编译器会为每部分生成正确的机器指令。关于16位机器码、32位机器码以及64位机器码，详见笔者个人网站里的《x86/x64指令系统》篇章，地址为http：//www.mouseos.com/x64/default.html。
16位编程、32位编程，以及64位编程有什么不同之处？
这确实需要简单了解一下。
2.4.1 通用寄存器
在16位和32位编程里，可以使用的通用寄存器是一样的，如下所示。
在16位编程里可以使用32位的寄存器，在32位编程里也可以使用16位的寄存器，编译器会生成正确的机器码。
bits 16 ； 为16 位代码而编译 mov eax，1 ； 机器码是：66 b8 01 00 00 00
上面这段代码为16位代码编译，使用了32位的寄存器，编译器会自动加上default operand-size override prefix（66H字节），这个66H字节用来调整为正确的操作数。
bits 32 ； 为32位代码而编译 mov eax，1 ； 机器码是：b8 01 00 00 00
这段代码的汇编语句是完全一样的，只不过是为32位代码而编译，它们的机器码就是不一样的。
在x64体系里，在原来的8个通用寄存器的基础上新增了8个寄存器，并且原来的寄存器也得到了扩展。在64位编程里可以使用的通用寄存器如下表所示。
在64位编程里可以使用20个8位寄存器，和16个16位、32位及64位寄存器，寄存器体系得到了完整的补充。
所有的16个寄存器都可以分割出相应的8位、16位或32位寄存器。在16位编程和32位编程里，sp、bp、si及di不能使用低8位。在64位编程里，可以使用分割出的spl、bpl、sil及dil低8位寄存器。
64位的r8～r15寄存器分割出相对应的8位、16位及32位寄存器形式为：r8b～r15b、r8w～r15w，以及r8d～r15d。
bits 64 ； 为64位代码编译 mov r8b，1 mov spl，r8b
比如上面这两条指令必须在64位下使用，r8b和spl寄存器在16位和32位下是无效的。
2.4.2 操作数大小
在16位编程和32位编程下，寄存器没有使用上的不便，32位的操作数依旧可以在16位编程里使用，而16位的操作数也可以在32位编程下使用。
bits 16 push word 1 ； 16位操作数 push dword 1 ； 32位操作数 call ax ； 16 位操作数 call eax ； 32 位操作数 bits 32 push word 1 ； 16位操作数 push dword 1 ； 32位操作数 call ax ； 16 位操作数 call eax ； 32 位操作数
上面的代码完全可以用在16编程和32位编程里。在64位编程里操作数可以扩展到64位。
bits 64 mov rax，0x1122334455667788 ； 机器码是：b8 8877665544332211
这条指令直接使用了64位立即操作数。
2.4.3 64位模式下的内存地址
在64位编程里可以使用宽达64位的地址值。
canonical地址形式
然而，在x64体系里只实现了48位的virtual address，高16位被用做符号扩展。这高16位必须要么全是0，要么全是1，这种形式的地址被称为canonical地址，如下所示。
与canonical地址形式相对的是non-canoncial地址形式，如下所示。在64位模式下non-canonical地址形式是不合法的。
在64位的线性地址空间里，
① 0x00000000_00000000到0x00007FFF_FFFFFFFF是合法的canonical地址。
② 0x00008000_00000000到0xFFFF7FFF_FFFFFFFF是非法的non-canonical地址。
③ 0xFFFF8000_00000000到0xFFFFFFFF_FFFFFFFF是合法的canonical地址。
在non-canonical地址形式里，它们的符号扩展位出现了问题。
2.4.4 内存寻址模式
在16位和32位编程里，16位和32位的寻址模式都可以使用。在64位下，32位的寻址模式被扩展为64位，而且不能使用16位的寻址模式。
16位内存寻址模式
在16位编程里，内存操作数的寻址模式如下所示。
在16位寻址模式里基址只能使用bx和bp寄存器，变址只能使用si和di寄存器，displacement值使用8位或16位的偏移量。
32位内存寻址模式
在32位编程里，内存操作数的寻址模式如下所示。
基址和变址可以是8个通用寄存器。displacement的值是8位或32位。
如以下指令中地址操作数的使用：
mov eax，[eax + ecx*4 + 0x1c]
这是典型的“基址（base）加变址（index）寻址加上偏移量寻址”。
64位内存寻址模式
64位寻址模式形式和32位寻址模式是一致的，基址和变址寄存器默认情况下使用64位的通用寄存器。
64位寻址模式新增了一个RIP-Relative寻址形式。
RIP-Relative寻址：[rip+disp32]
这个displacement值是32位宽，地址值依赖于当前的RIP（指令指针）值。可是nasm的语法并不支持直接使用rip，像下面的用法是错误的。
mov rax，[rip + 0x1c] ； error：symbol 'rip' undefined
rip是处理器内部使用的寄存器，并不是外部编程可用的资源，但在yasm语法上是支持的。nasm中的解决方案是使用rel指示字。
mov rax，[rel table] ； rel指示字后面跟上一个地址label
这样就将编译为RIP-Relative寻址模式。RIP-Relative寻址最直接的好处是很容易构造PIC代码结构。
什么是PIC？PIC是指Position-Independent Code（不依赖于位置的代码）。
假设有一条指令调用了GetStdHandle（）函数。
00073BEC FF15 DC810700 call dword ptr [__imp__GetStdHandle]
call指令从 [__imp__GetStdHandle] 里读取 Kernel32.dll 库里的 GetStdHandle（） 入口地址，这里的__imp__GetStdHandle是绝对地址，地址值为 0x000781DC。
__imp__ReadFile： 000781D4 A3 3E 4D 75 __imp__XXXX： 000781D8 2C 3F 4D 75 __imp__GetStdHandle： 000781DC 83 51 4D 75
在0x000781DC（__imp__GetStdHandle）里放着的就是GetStdHandle（）在库里的地址0x754D5183。
那么这条call指令就属于PDC（Position-Dependent Code，依赖于位置的代码）。
FF15 DC810700 call dword ptr [__imp__GetStdHandle@4 （781DCh）]
----------
依赖于这个绝对地址
由于使用了绝对地址，当__imp__GetStdHandle的位置因重定位而有可能改变时，这条call指令就会出错，这个绝对地址已经不是__imp__GetStdHandle的地址了。
在x64体系的64位环境下，使用RIP-Relative很容易得到改善。
00073BEC 48 8d 85 e1 45 00 00 lea rbx，[rip + 0x45e1] ； 得到 __IMP_FUNCTION_TABLE的地址 00073BF3 48 03 1c c3 add rbx，[rbx + rax * 8] ； 得到 __imp_GetStdHandle 的地址 00073BF7 ff 13 call [rbx] ； call [__imp_GetStdHandle] ... ... __IMP_FUNCTION_TABLE： ； 函数表地址在 0x000781D4 000781D4 A3 3E 4D 75 000781D8 2C 3F 4D 75 000781DC 83 51 4D 75 ； GetStdHandle（）的入口地址
在nasm里应该是lea rbx，[rel__IMP_FUNCTION_TABLE]，这里使用rip是为了便于理解。使用lea指令配合RIP-Relative寻址得到的__IMP_FUNCTION_TABLE的地址不会因为重定位改变而改变，因为这里使用基于RIP的相对地址，没什么绝对地址，而这个代码的相对地址是不会变的。
内存寻址模式的使用
在16位编程和32位编程下依旧可以使用16位地址模式和32位地址模式。
bits 16 mov ax，[bx+si] ； 使用 16 位地址模式 mov eax，[eax+ecx*4] ； 使用 32 位地址模式 bits 32 mov ax，[bx+si] ； 使用 16 位地址模式 mov eax，[eax+ecx*4] ； 使用 32 位地址模式
指令的默认地址（16位或32位）依赖于CS.D标志位（在保护模式章节会有详细的描述），CS.D=1时使用32位的寻址模式，CS.L=0使用16位的寻址模式。
上面的代码中，编译器会生成正确的机器指令，当改变default address-size（默认的地址尺寸）时，生成的机器指令会相应地插入67H（address-size override prefix）这个前缀值。
在64位模式下，也可以使用67H改变默认的64位寻址模式，改变为32位的寻址模式。
2.4.5 内存寻址范围
在正常的情况下，16位实模式编程里，虽然可以使用32位的寻址模式，可是依然逃不过64K内存空间的限制（实际上可以改变地址值大小，在后面实模式的章节里进行探讨）。
假如在16位实模式下写出如下代码。
mov eax，0x200000 ； 2M 地址 mov eax，[eax] ； 错误：> 64K mov eax，0x2000 mov ecx，1 mov eax，[eax + ecx * 4] ； 正确：<= 64K
在32位保护模式下，可以寻址4G的线性空间，OS通常的做法会使用最大的4G寻址空间；而在64位环境，寻址空间增加到了64位，这个空间大小是不会改变的。
2.4.6 使用的指令限制
有些指令在64位环境里是不可用的，在编程过程中应避免，典型的如push cs/ds/es/ss指令和pop ds/es/ss指令，这些在16位和32位下常用的指令在64位模式下是无效的。
call 0x0018：0x00100000 ； 无效 jmp 0x0018：0x00100000 ； 无效
这些常用的direct far call/jmp（直接的远程call/jmp）也是无效的。此外还需要注意是否有权限去执行指令，像cli/sti这类指令需要0级的执行权限，in/out指令需要高于eflags.IOPL的执行权限。这里不再一一列举。
2.5 编程基础
在x86/x64平台上，大多数汇编语言（如：nasm）源程序的一行可以组织为
label： instruction-expression ； comment
一行有效的汇编代码主体是instruction expression（指令表达式），label（标签）定义了一个地址，汇编语言的comment（注释）以“；”号开始，以行结束为止。
最前面是指令的mnemonic（助记符），在通用编程里x86指令支持最多3个operand（操作数），以逗号分隔。前面的操作数被称为first operand（第1个操作数）或者目标操作数，接下来是second operand（第2个操作数）或源操作数。
有的时候，first operand会被称为first source operand（第1个源操作数），second operand会被称为second source operand（第2个源操作数）：
两个操作数都是源操作数，并且第1个源操作数是目标操作数，可是还有另外一些情况。
在一些指令中并没有显式的目标操作数，甚至也没有显式的源操作数。而在AVX指令中first source operand也可能不是destination operand。
例如mul指令的目标操作数是隐含的，lodsb系列指令也不需要提供源操作数和目标操作数，它的操作数也是隐式提供的。使用source和destination来描述操作数，有时会产生迷惑。使用first operand（第1个操作数）、second operand（第2个操作数）、third operand（第3个操作数），以及fourth operand（第4个操作数）这些序数来描述操作数更清晰。
2.5.1 操作数寻址
数据可以存放在寄存器和内存里，还可以从外部端口读取。操作数寻址（operand addressing）是一个寻找数据的过程。
寄存器寻址
register addressing：在寄存器里存/取数据。
x86编程可用的寄存器操作数有GPR（通用寄存器）、flags（标志寄存器）、segment register（段寄存器）、system segment register（系统段寄存器）、control register（控制寄存器）、debug register（调试寄存器），还有SSE指令使用的MMX寄存器和XMM寄存器，AVX指令使用的YMM寄存器，以及一些配置管理用的MSR。
系统段寄存器：GDTR（全局描述符表寄存器），LDTR（局部描述符表寄存器），IDTR（中断描述符表寄存器），以及TR（任务寄存器）。使用在系统编程里，是保护模式编程里的重要系统数据资源。
系统段寄存器操作数是隐式提供的，没有明确的字面助记符，这和IP（Instruction Pointer）有异曲同工之处。
LGDT [GDT_BASE] ； 从内存 [GDT_BASE] 处加载GDT的base和limit值到 GDTR
x86体系里还有更多的隐式寄存器，MSR（Model Specific Register）能提供对处理器更多的配置和管理。每个MSR有相应的编址。在ecx寄存器里放入MSR的地址，由rdmsr指令进行读，wdmsr指令进行写。
mov ecx，1bH ； APIC_BASE 寄存器地址 rdmsr ； 读入APIC_BASE寄存器的64位值到edx：eax mov ecx，C0000080h ； EFER 地址 rdmsr ； 读入EFER原值 bts eax，8 ； EFER.LME=1 wdmsr ； 开启 long mode
用户编程中几乎只使用GPR（通用寄存器），sp/esp/rsp寄存器被用做stack top pointer（栈顶指针），bp/ebp/rbp寄存器通常被用做维护过程的stack frame结构。可是它们都可以被用户代码直接读/写，维护stack结构的正确和完整性，职责在于程序员。
内存操作数寻址
memory addressing：在内存里存/取数据。
内存操作数由一对[]括号进行标识，而在AT&T的汇编语法中使用（）括号进行标识。x86支持的内存操作数寻址多种多样，参见前面所述内存寻址模式。
内存操作数的寻址如何提供地址值？
直接寻址是memory的地址值明确提供的，是个绝对地址。
mov eax，[0x00400000] ； 明确提供一个地址值
直接寻址的对立面是间接寻址，memory的地址值放在寄存器里，或者需要进行求值。
mov eax，[ebx] ； 地址值放在ebx寄存器里mov eax，[base_address + ecx * 2] ； 通过求值得到地址值
地址值的产生有多种形式，x86支持的最复杂形式如下。
在最复杂的形式里，额外提供了一个段值，用于改变原来默认的DS段，这个地址值提供了base寄存器加上index寄存器，并且还提供了偏移量。
上面的内存地址值是一个对有效地址进行求值的过程。那么怎么得到这个地址值呢？如下所示。
lea eax，[ebx + ecx*8 + 0x1c]
使用lea指令可以很容易获得这个求出来的值，lea指令的目的是load effective address（加载有效地址）。
立即数寻址
immediate：立即数无须进行额外的寻址，immediate值将从机器指令中获取。
在机器指令序列里可以包括immediate值，这个immediate值属于机器指令的一部分。
b8 01 00 00 00 ； 对应 mov eax，1
在处理器进行fetch instruction（取指）阶段，这个操作数的值已经确定。
I/O端口寻址
x86/x64体系实现了独立的64K I/O地址空间（从0000H到FFFFH），IN和OUT指令用来访问这个I/O地址。
一些数据也可能来自外部port。
in指令读取外部端口数据，out指令往外部端口写数据。
in al，20H ； 从端口20H里读取一个 byte
in和out指令是CPU和外部接口进行通信的工具。许多设备的底层驱动还是要靠in/out指令。端口的寻址是通过immediate形式，还可以通过DX寄存器提供port值。immediate只能提供8位的port值，在x86上提供了64K范围的port，访问0xff以上的port必须使用DX寄存器提供。
在x86/x64体系中device（设备）还可以使用memory I/O（I/O内存映射）方式映射到物理地址空间中，典型的如VGA设备的buffer被映射到物理地址中。
内存地址形式
在x86/x64体系里，常见的有下面几种地址形式。
① logical address（逻辑地址）。
② linear address（线性地址）。
③ physical address（物理地址）。
virtual address（虚拟地址）
virtual address并不是独立的，非特指哪一种地址形式，而是泛指某一类地址形式。physical address的对立面是virtual address，实际上，logical address和linear address（非real模式下）都是virtual address的形式。
logical address（逻辑地址）
逻辑地址是我们的程序代码中使用的地址，逻辑地址最终会被处理器转换为linear address（线性地址），这个linear address在real模式以及非分页的保护模式下就是物理地址。
逻辑地址包括两部分：segment和offset（segment：offset），这个offset值就是段内的effective address（有效地址值）。
segment值可以是显式或隐式的（或者称为默认的）。逻辑地址在real模式下会经常使用到，保护模式下在使用far pointer进行控制权的切换时显式使用segment值。
在高级语言层面上（典型的如C语言）我们实际上使用的是逻辑地址中的effective address（有效地址）部分，例如：变量的地址或者指针都是有效地址值。因此，在我们的程序中使用的地址值可以称为逻辑地址或虚拟地址。
effective address（有效地址）
如前面所述，effective address是logical address的一部分，它的意义是段内的有效地址偏移量。
logic addres（逻辑地址）：Segment：Offset。Offset值是在一个Segment内提供的有效偏移量（displacement）。
这种地址形式来自早期的8086/8088系列处理器，Offset值基于一个段内，它必须在段的有效范围内，例如实模式下是64K的限制。因此，effective address就是指这个Offset值。
如上所示，这条lea指令就是获取内存操作数中的effective address（有效地址），在这个内存操作数里，提供了显式的segment段选择子寄存器，而最终的有效地址值为
effective_address=ebx + ecx * 8 + 0x1c
因此，目标操作数eax寄存器的值就是它们计算出来的结果值。
linear address（线性地址）
有时linear address（线性地址）会被直接称为virtual address（虚拟地址），因为linear address在之后会被转化为physical address（物理地址）。线性地址是不被程序代码中直接使用的。因为linear address由处理器负责从logical address中转换而来（由段base+段内offset而来）。实际上线性地址的求值中重要的一步就是：得到段base值的过程。
典型地，对于在real模式下一个逻辑地址segment：offset，有
linear_address=segment << 4 + offset
这个real模式的线性地址转换规则是segment*16+offset，实际上段的base值就是segment<<4。在protected-mode（保护模式）下，线性地址的转化为
linear_address=segment_base + offset
段的base值加上offset值，这个段的base值由段描述符的base域加载而来。而在64位模式下，线性地址为
linear_address=offset ； base 被强制为0值
在64位模式下，除了FS与GS段可以使用非0值的base外，其余的ES、CS、DS及SS段的base值强制为0值。因此，实际上线性地址就等于代码中的offset值。
physical address（物理地址）
linear address（或称virtual address）在开启分页机制的情况下，经过处理器的分页映射管理转换为最终的物理地址，输出到address bus。物理地址应该从以下两个地址空间来阐述。
① 内存地址空间。
② I/O地址空间。
在这些地址空间内的地址都属于物理地址。在x86/x64体系里，支持64K的I/O地址空间，从0000H到FFFFH。使用IN/OUT指令来访问I/O地址，address bus的解码逻辑将访问外部的硬件。
物理内存地址空间将容纳各种物理设备，包括：VGA设备，ROM设备，DRAM设备，PCI设备，APIC设备等。这些设备在物理内存地址空间里共存，这个DRAM设备就是机器上的主存设备。
在物理内存地址空间里，这些物理设备是以memory I/O的内存映射形式存在。典型地local APIC设置被映射到0FEE00000H物理地址上。
在Intel上，使用MAXPHYADDR这个值来表达物理地址空间的宽度。AMD和Intel的机器上可以使用CPUID的80000008 leaf来查询“最大的物理地址”值。
2.5.2 传送数据指令
x86提供了非常多的data-transfer指令，在这些传送操作中包括了：load（加载），store（存储），move（移动）。其中，mov指令是最常用的。
2.5.2.1 mov指令
mov指令形式如下。
目标操作数只能是register或者memory，源操作数则可以是register、memory或者immediate。x86/x64上不支持memory到memory之间的直接存取操作，只能借助第三方进行。
mov eax，[mem1] mov [mem2]，eax ； [mem2] <- [mem1]
还要注意的是将immediate操作数存入memory操作数时，需要明确指出operand size（操作数大小）。
这是错误的！编译器不知道立即数1的宽度是多少字节，同样也不知道[mem]操作数到底是多少字节。两个操作数的size都不知道，因此无法生成相应的机器码。
mov eax，[mem1] ； OK！ 目标操作数的 size 是 DWORD
编译器知道目标操作数的size是DWORD大小，[mem1]操作数无须明确指示它的大小。
mov dword [mem1]，1 ； OK！ 给目标操作数指示 DWORD 大小 mov [mem1]，dword 1 ； OK！ 给源操作数指示 DWORD 大小
nasm编译器支持给立即数提供size的指示，在有些编译器上是不支持的，例如：masm编译器。
mov dword ptr [mem1]，1 ； OK！ 只能给 [mem1] 提供 size 指示
微软的masm编译器使用dword ptr进行指示，这也是Intel与AMD所使用的形式。
什么是move、load、store、load-and-store操作？
在传送指令中有4种操作：move，load，store，以及load-and-store。下面我们来了解这些操作的不同。
move操作
在处理器的寄存器内部进行数据传送时，属于move操作，如下所示。
这种操作是最快的数据传送方法，无须经过bus上的访问。
load操作
当从内存传送数据到寄存器时，属于load操作，如下所示。
内存中的数据经过bus从内存中加载到处理器内部的寄存器。
store操作
当将处理器的数据存储到内存中时，属于store操作，如下所示。
MOV指令的目标操作数是内存。同样，数据经过bus送往存储器。
load-and-store操作
在有些指令里，产生了先load（加载）然后再store（存）回去的操作，如下所示。
这条ADD指令的目标操作数是内存操作数（同时也是源操作数之一）。它产生了两次内存访问，第1次读源操作数（第1个源操作数），第2次写目标操作数，这种属于load-and-store操作。
注意：这种操作是non-atomic（非原子）的，在多处理器系统里为了保证指令执行的原子性，需要在指令前加上lock前缀，如下所示。
lock add dword [mem]，eax ； 保证 atomic
2.5.2.2 load/store段寄存器
有几组指令可以执行load/store段寄存器。
load段寄存器
下面的指令进行load段寄存器。
MOV sReg，reg/mem POP sReg LES/LSS/LDS/LFS/LGS reg
store段寄存器
下面的指令进行store段寄存器。
MOV reg/mem，sReg PUSH sReg
CS寄存器可以作为源操作数，但不能作为目标操作数。对于CS寄存器的加载，只能通过使用call/jmp和int指令，以及ret/iret返回等指令。call/jmp指令需要使用far pointer形式提供明确的segment值，这个segment会被加载到CS寄存器。
mov cs，ax ； 无效opcode，运行错误 #UD 异常 mov ax，cs ； OK！
pop指令不支持CS寄存器编码。
push cs ； OK！ pop cs ； 编译错误，无此opcode！
les系列指令的目标操作数是register，分别从memory里加载far pointer到segment寄存器和目标寄存器操作数。far pointer是32位（16：16）、48位（16：32），以及80位（16：64）形式。
注意：在64位模式下，push es/cs/ss/ds指令、pop es/ss/ds指令及les/lds指令是无效的。而push fs/gs指令和pop fs/gs指令，以及lss/lfs/lgs指令是有效的。
实验2-2：测试les指令
在这个实验里，使用les指令来获得far pointer值，下面是主体代码。
代码清单2-3（topic02\ex2-2\protected.asm）：
les ax，[far_pointer] ； get far pointer（16：16）
current_eip：
mov si，ax
mov di，address
call get_hex_string
mov si，message
call puts
jmp $
far_pointer：
dw current_eip ； offset 16
dw 0 ； segment 16
message db 'current ip is 0x'，
address dd 0，0
在Bochs里的运行结果如下。
2.5.2.3 符号扩展与零扩展指令
sign-extend（符号扩展）传送指令有两大类：movsx系列和cbw系列。
在movsx指令里8位的寄存器和内存操作数可以符号扩展到16位、32位及64位寄存器。而16位的寄存器和内存操作数可以符号扩展到32位和64位的寄存器。
movsxd指令将32位的寄存器和内存操作数符号扩展到64位的寄存器，形成了x64体系的全系列符号扩展指令集。
cbw指令族实现了对al/ax/eax/rax寄存器的符号扩展。而cwd指令族将符号扩展到了dx/edx/rdx寄存器上。
int a； /* signed DWORD size */ short b； /* signed WORD size */ a=b； /* sign-extend */
像上面这样的代码，编译器会使用movsx指令进行符号扩展。
movsx eax，word ptr [b] ； WORD sign-extend to DWORD mov [a]，eax
zero-extend（零扩展）传送指令movzx在规格上和符号扩展movsx是一样的。
mov ax，0xb06a movsx ebx，ax ； ebx=0xffffb06a movzx ebx，ax ； ebx=0x0000b06a
2.5.2.4 条件mov指令
CMOVcc指令族依据flags寄存器的标志位做相应的传送。
在x86中，flags寄存器标志位可以产生16个条件。
signed数运算结果
G （greater） ：大于 L （less） ：小于 GE （greater or equal） ：大于或等于 LE （less or equal） ：小于或等于
于是就有了4个基于signed数条件CMOVcc指令：cmovg，cmovl，cmovge，以及cmovle，这些指令在mnemonic（助记符）上还可以产生另一些形式。
G => NLE（不小于等于） L => NGE（不大小等于） GE => NL（不小于） LE => NG（不大于）
因此，cmovg等价于cmovnle，在汇编语言上使用这两个助记符效果是一样的。
unsigned数运算结果
A （above） ：高于 B （below） ：低于 AE （above or equal） ：高于或等于 BE （below or equal） ：低于或等于
于是就有了4个基于unsigned数条件的CMOVcc指令：cmova，cmovb，cmovae，以及cmovbe，同样每个条件也可以产生否定式的表达：NBE（不低于等于），NAE（不高于等于），NB（不低于），以及NA（不高于）。
标志位条件码
另外还有与下面的标志位相关的条件。
① O（Overflow）：溢出标志。
② Z（Zero）：零标志。
③ S（Sign）：符号标志。
④ P（Parity）：奇偶标志。
当它们被置位时，对应的COMVcc指令形式为：cmovo，cmovz，cmovs，以及cmovp。实际上，OF标志、ZF标志和SF标志，它们配合CF标志用于产生signed数条件和unsigned数条件。
当它们被清位时，CMOVcc指令对应的指令形式是：cmovno，cmovnz，cmovns，以及cmovnp。
CMOVcc指令能改进程序的结构和性能，如对于下面的C语言代码。
printf（"%s "，b == TRUE ？ "yes" ："no"）；
这是一个典型的条件选择分支，在不使用CMOVcc指令时如下。
mov ebx，yes ； ebx=OFFSET "yes"
mov ecx，no ； ecx=OFFSET "no"
mov eax，[b]
test eax，eax ； b == TRUE ？
jnz continue
mov ebx，ecx ； FALSE：ebx=OFFSET "no"
continue：
push ebx
push OFFSET（"%s
"）
call printf
使用CMOVcc指令可以去掉条件跳转指令。
mov ebx，yes ； ebx=OFFSET "yes" mov ecx，no ； ecx=OFFSET "no" mov eax，[b] test eax，eax ； b == TRUE ？ cmovz ebx，ecx ； FALSE：ebx=OFFSET "no" push ebx push OFFSET（"%s "） call printf
2.5.2.5 stack数据传送指令
栈上的数据通过push和pop指令进行传送。
stack的一个重要的作用是保存数据，在过程里需要修改寄存器值时，通过压入stack中保存原来的值。
push ebp ； 保存原stack-frame基址 mov ebp，esp ... mov esp，ebp pop ebp ； 恢复原stack-frame基址
像C语言，大多数情况下的函数参数是通过stack传递的。
printf（"hello，world "）； /*C中调用函数 */ push OFFSET（"hello，world"） ； 压入字符串 “hello，word” 的地址 call printf
如上所见stack具有不可替代的地位，因此push和pop指令有着举足轻重的作用。
2.5.3 位操作指令
x86也提供了几类位操作指令，包括：逻辑指令，位指令，位查询指令，位移指令。
2.5.3.1 逻辑指令
常用的包括and、or、xor，以及not指令。and指令做按位与操作，常用于清某位的操作；or指令做按位或操作，常用于置某位的操作。
and eax，0xFFFFFFF7 ； 清eax寄存器的Bit3位 or eax，8 ； 置eax寄存器的Bit3位
xor指令做按位异或操作，用1值异或可以取反，用0值异或可以保持不变，常用于快速清寄存器的操作。
xor eax，eax ； 清eax寄存器，代替 mov eax，0 xor eax，0 ； 效果等同于 and eax，eax xor eax，0xFFFFFFFF ； 效果类似于 not eax（不改变eflags标志）
not指令做取反操作，但是并不影响eflags标志位。
2.5.3.2 位指令
x86有专门对位进行操作的指令：bt，bts，btr，以及btc，它们共同的行为是将某位值复制到CF标志位中，除此而外，bts用于置位，btr用于清位，btc用于位取反。
bt eax，0 ； 取Bit0值到CF bts eax，0 ； 取Bit0值到CF，并将Bit0置位 btr eax，0 ； 取Bit0值到CF，并将Bit0清位 btc eax，0 ； 取Bit0值到CF，并将Bit0取反
这些指令可以通过查看CF标志来测试某位的值，很实用。
lock bts DWORD [spinlock]，0 ； test-and-set，不断地进行测试并上锁
如果不想使用烦人的and与or指令，就可以使用它们（缺点是只能对1个位进行操作）。第1个operand可以是reg和mem，第2个operand可以是reg与imm值。
2.5.3.3 位查询指令
bsf指令用于向前（forward），从LSB位向MSB位查询，找出第1个被置位的位置。bsr指令用于反方向（reverse）操作，从MSB往LSB位查询，找出第1个被置位的位置。
mov eax，70000003H bsf ecx，eax ； ecx=0（Bit0为1） bsr ecx，eax ； ecx=30（Bit30为1）
它们根据ZF标志查看是否找到，上例中如果eax寄存器的值为0（没有被置位），则ZF=1，目标操作数不会改变。找到时ZF=0，当然可能出现bsf与bsr指令的结果一样的情况（只有一个位被置位）。
2.5.3.4 位移指令
x86上提供了多种位移指令，还有循环位移，并且可以带CF位移。
① 左移：shl/sal
② 右移：shr
③ 符号位扩展右移：sar
④ 循环左移：rol
⑤ 循环右移：ror
⑥ 带进位循环左移：rcl
⑦ 带进位循环右移：rcr
⑧ double左移：shld
⑨ double右移：shrd
SHL/SAL指令在移位时LSB位补0，SHR右移时MSB补0，而SAR指令右移时MSB位保持不变。
ROL移位时，MSB移出到CF的同时补到LSB位上。ROR指令移位时，LSB移出CF的同时补到MSB位上。
如上所示，RCL与RCR都是带进位标志的循环移位，CF值会分别补到LSB和MSB。
SHLD和SHRD指令比较独特，可以移动的操作数宽度增加一倍，改变operand 1，但operand 2并不改变。
mov eax，11223344H mov ebx，55667788H ； shld ebx，eax，8 ； ebx=66778811H，eax不变
2.5.4 算术指令
① 加法运算：ADD，ADC，以及INC指令。
② 减法运算：SUB，SBB，以及DEC指令。
③ 乘法运算：MUL和IMUL指令。
④ 除法运算：DIV和IDIV指令。
⑤ 取反运算：NEG指令。
加减运算是二进制运算，不区别unsigned与signed数，乘除运算按unsigned和signed区分指令。neg指令是对singed进行取负运算。ADC是带进位的加法，SBB是带借进的减法，用来构造大数的加减运算。
add eax，ebx ； edx：eax + ecx：ebx adc edx，ecx ； edx：eax=（edx：eax + ecx：ebx） sub eax，ebx ； edx：eax – ecx：ebx sbb edx，ecx ； edx：eax=（edx：eax – ecx：ebx）
2.5.5 CALL与RET指令
CALL调用子过程，在汇编语言里，它的操作数可以是地址（立即数）、寄存器或内存操作数。call指令的目的是要装入目标代码的IP（Instruction Pointer）值。
目标地址放在register里时，EIP从寄存器里取；放在memory里时，从memory里获得EIP值。在汇编语言表达里，直接给出目标地址作为call操作数的情况下，编译器会计算出目标地址的offset值（基于EIP偏移量），这个offset值作为immediate操作数。
为了返回到调用者，call指令会在stack中压入返回地址，ret指令返回时从stack里取出返回值重新装载到EIP里然后返回到调用者。
2.5.6 跳转指令
跳转指令分为无条件跳转指令JMP和条件跳转指令Jcc（cc是条件码助记符），这个cc条件码和前面CMOVcc指令的条件码是同样的意义。
jmp系列指令与call指令最大的区别是：jmp指令并不需要返回，因此不需要进行压stack操作。
2.6 编辑与编译、运行
选择一个自己习惯的编辑器编写源代码。有许多免费的编辑器可供选择，其中Notepad++就非常不错。然后使用编译器对源码进行编译。
nasm t.asm ； 输出t.o在当前目录下 nasm t.asm –oe：\test\t.o ； 提供输出文件 nasm t.asm –fbin ； 提供输出文件 nasm t.asm –Ie：\source\ ； 提供编译器的当前工作目录 nasm t.asm –dTEST ； 预先定义一个符号（宏名）
-I<目录>参数似乎是提供include文件路径，实际上，对于nasm来说理解为提供当前工作目录更为适合，如果t.asm文件里有
%include “..\inc\support.inc” ； include类似C的头文件
inc目录在source目录下，如果当前的目录为source\topic01\，那么你应该选择的命令是
e：\x86\source\topic01>nasm –Ie：\x86\source\ t.asm
或者
e：\x86\source\topic01>nasm –I..\ t.asm
关于nasm的详细资料请查阅nasm的帮助文档。关于运行编译出来的程序，请参考下一章。