[译]优化汇编例程（2）

3. 汇编编程基础

3.1. 可用的汇编器

X86指令集有几个汇编器可用，但目前它们没有一个好到被一致推荐。汇编 程序员 处在x86汇编没有统一语法的不幸境地之中。不同的汇编器使用不同的语法变体。最常用的汇编器有如下。

MASM

这个Microsoft汇编器包括在Microsoft C++编译器中。有时可以通过下载Microsoft Windows驱动套装（WDK），或平台软件开发套装（SDK），或作为免费Visual C++精简版的扩展，获得免费版本。在Windows世界里，MASM已经成为事实上的标准许多年，大多数Windows编译器的汇编输出使用MASM语法。MASM有许多先进的语言特性。由于继承自用于8086处理器的最早期汇编器，语法有点凌乱且不一致。Microsoft仍然在维护MASM，以对Windows提供一套完整的开发工具，但这显然无利可图，MASM的维护被保持在最低限度。新指令集仍然被定期添加，但64位版本有几个缺陷。更新的版本仅在安装了编译器时可以运行，且仅在Windows XP或更新系统上。版本6与更早的版本可以运行在任何系统上，包括使用Windows模拟器的Linux。这样的版本在网上流传。

GAS

Gnu汇编器是包括在大多数Linux，BSD及Mac OS X发布的Gnu Binutils包的部分。Gnu编译器产生的汇编输出，在链接前经过Gnu汇编器。传统上，Gnu汇编器使用对机器生成代码工作良好的AT&T语法，但它产生的汇编对人非常不方便。AT&T语法中操作数的次序，与所有其他x86汇编器，以及Intel与AMD公布的指令文档给出的，都不一样。它使用各种前缀，像%与$来说明操作数类型。Gnu汇编器对所有x86平台都可用。

幸运地，更新版本的Gnu汇编器有一个使用Intel语法的选项。Gnu-Intel语法几乎与MASM语法完全相同。Gnu-Intel语法仅定义了指令代码的语法，没有指示、函数、宏等。指示仍然使用旧的Gnu-AT&T语法。指定.intel_syntax noprefix来使用Intel语法。在离开C或C++代码中的内联汇编时，指定.att_syntax prefix返回AT&T语法。

NASM

NASM是一个免费、开源的汇编器，支持多个平台与目标文件格式。相比MASM语法，其语法更清晰、更一贯。NASM定期更新指令集。NASM比MASM有更少的高级特性，但对大多数目的，它已足够。我将推荐NASM作为一个非常好的多平台汇编器。

YASM

YASM非常类似于NASM，使用完全相同的语法。在某些时期，YASM是第一个支持新指令集的，在其他时期是NASM。YASM与NASM可互换使用。

FASM

FASM汇编器是另一个开源的多平台汇编器。其语法不与其他汇编器兼容。FASM本身以汇编写就——一个诱人的想法，但不幸的是，这使得它的开发与维护不那么有效率。

WASM

WASM汇编器包含在Open Watcom C++编译器中。其语法类似MASM，但有些不同。没有紧跟时代。

JWASM

JWASM是WASM的进一步开发。它完全与MASM语法兼容，包括先进的宏与高级指示。如果要求MASM语法，JWASM是一个好的选择。JWASM可用一个称为Easy Code的集成开发环境（IDE）。

TASM

Borland Turbo汇编器包含在CodeGear C++ Builder里。它与MASM语法兼容，除了一些较新的语法补充。TASM不再维护，但仍然可用。它过时了，不支持当前的指令集。

GOASM

GoAsm是用于32与64位Windows的免费汇编器，包括资源编译器，链接器与调试器。其语法类似于MASM，但不完全兼容。目前，它没有支持最新的指令集。一个称为Easy Code的集成开发环境（IDE）也是可用的。

HLA

High Level Assembler实际上是一个支持类似汇编语句，产生汇编输出的高级语言编译器。在发明它的时候，这可能是一个好主意，但今天最好的C++编译器都支持固有函数，我相信不再需要HLA。

内联汇编

Microsoft与Intel C++编译器支持使用MASM语法子集的内联汇编。只要在汇编代码中插入名字，访问C++变量、函数及标签是可能的。这很容易，但不支持C++寄存器变量。参考第29页。

Gnu编译器支持可访问所有指令以及Gnu汇编器Intel与AT&T语法形式指示的内联汇编。从汇编访问C++变量，使用相当复杂的方法。

用于 Linux 与Mac系统的Intel编译器支持Microsoft与Gnu形式的内联汇编。

C++ 中的固有函数

这是组合低级代码与高级代码最新以及最便利的方式。固有函数是机器指令的高级语言表示。例如，可以通过调用等效于向量加法汇编指令的固有函数，在C++中进行一个向量加法。另外，定义一个带有重载+操作符的向量类，使只要通过写+就能进行向量加法，是可能的。Microsoft，Intel，Gnu与Clang编译器都支持固有函数。参考第27页与手册1《优化C++软件》。

选择哪个汇编器？

在大多数情形里，最简单的解决方案是在C++代码中使用固有函数。编译器可以负责大部分优化，使程序员可以集中精力在选择最好的算法，并把数据组织为向量。系统程序员可以通过使用固有函数访问系统指令，无需使用汇编语言。

在真正需要低级编程时，比如在高度优化的函数库或设备驱动中，你可以使用汇编器。

最好使用一个与你使用的C++编译器兼容的汇编器。这使你可以使用这个编译器把C++翻译为汇编，进一步优化汇编代码，然后汇编之。如果汇编器与编译器产生的语法不兼容，那么可以通过这个编译器产生一个目标文件，把目标文件反汇编为你需要的汇编语法。Objconv反汇编器支持几个不同的语法方言。

对许多用途，NASM汇编器都是好的选择，因为它支持许多平台与目标文件格式，它有良好的维护，经常更新到最新的指令集。

本手册中的例子使用MASM语法，除非另外指出。MASM语法在msdn.microsoft.com上的《Microsoft Macro Assembler Reference》中描述。

各种语法手册、编程手册与论坛的链接，参考 www.agner.org/optimize 。

1. 1. 寄存器集与基本指令

16 位模式中的寄存器

通用与整数寄存器

表3.1. 16位模式中的通用寄存器

如果微处理器与操作系统支持，在16位模式中，32位寄存器也可用。不应该使用ESP的高位字，因为在中断期间，它不会被保存。

浮点寄存器

表3.2. 浮点栈寄存器

如果微处理器支持，MMX寄存器可能可用。如果微处理器与操作系统支持，XMM寄存器可能可用。

段寄存器

表3.3. 16位模式中的段寄存器

寄存器FS与GS可能可用。

32 位模式中的寄存器

通用与整数寄存器

表3.4. 32位模式中的通用寄存器

浮点与64 位向量寄存器

表3.5. 浮点与MMX寄存器

如果微处理器支持，MMX寄存器才可用。ST与MMX寄存器不能用在代码的同一部分。使用MMX寄存器的代码部分，与使用ST寄存器的后续部分，必须通过EMMS指令隔开。

128 与256 位整数与浮点向量寄存器

表3.6. 32位模式中的XMM，YMM与ZMM寄存器

仅在微处理器与操作系统都支持，XMM才可用。对单精度或双精度，标量浮点指令分别仅使用XMM寄存器的32或64位。仅在处理器与操作系统都支持AVX指令集时，YMM寄存器才可用。仅处理器支持AVX-521指令集时，ZMM寄存器可用。

段寄存器

表3.7. 32位模式中的段寄存器

64 位模式中的寄存器

通用与整数寄存器

表3.8. 64位模式中的寄存器

高8位寄存器AH，BH，CH，DH仅可以用在没有REX前缀的指令中。注意修改一个32位部分寄存器将寄存器余下部分（比特32 ~ 63）置零，但修改一个8位或16位部分寄存器不会影响该寄存器余下部分。这可由以下序列来展示：

; Example 3.1. 8, 16, 32 and 64 bit registers

mov rax, 1111111111111111H          ; rax = 1111111111111111H

mov eax, 22222222H                           ; rax = 0000000022222222H

mov ax, 3333H                                      ; rax = 0000000022223333H

mov al, 44H                                            ; rax = 0000000022223344H

这个不一致有一个很好的理由。将寄存器不使用的部分置零，比不改变它更高效，因为这消除了对之前值的一个假依赖。但重置寄存器未使用部分的原则不能扩展到16位及8位部分寄存器，因为这将破坏与32位及16位模式的前向兼容。

唯一可以有64位立即数的指令是MOV。其他整数指令仅能有32位符号扩展操作数，例如：

; Example 3.2. Immediate operands, full and sign extended

mov rax, 1111111111111111H           ; Full 64 bit immediate operand

mov rax, -1                                              ; 32 bit sign-extended operand

mov eax, 0ffffffffH                                 ; 32 bit zero-extended operand

add rax, 1                                                ; 8 bit sign-extended operand

add rax, 100H                                         ; 32 bit sign-extended operand

add eax, 100H                                         ; 32 bit operand. result is zero-extended

mov rbx, 100000000H                           ; 64 bit immediate operand

add rax, rbx                                             ; Use an extra register if big operand

使用16位符号扩展操作数是不可能的。如果需要向一个64位寄存器加一个立即数，如果这个值太大，不能放入32位符号扩展操作数，必须首先将这个值移入另一个寄存器。

浮点与64 位向量寄存器

表3.9. 浮点与MMX寄存器

ST与MMX寄存器不能用在代码的同一个部分。使用MMX寄存器的代码部分必须通过一条EMMS指令与使用ST寄存器的后续部分隔开。对64位Windows，ST与MMX寄存器不能用在设备驱动中。

128 位与256 位整数与浮点向量寄存器

表3.10. 64位模式中的XMM，YMM与ZMM寄存器

对单精度或双精度，标量浮点指令仅分别使用XMM寄存器的32或64位。仅当处理器与操作系统支持AVX指令集时，YMM寄存器才可用。仅当处理器支持AVX512指令集时，ZMM寄存器才可用。在处理器与汇编器都支持AVX512时，才可能使用XMM16-31与YMM16-32。

段寄存器

表3.11. 64位模式中的段寄存器

段寄存器仅用于特殊目的。