Linux 匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)指南詳解

　匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)是速度快，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，這對(duì)諸如圖形處理等關(guān)鍵應(yīng)用是非常重要的。Linux 是一個(gè)用 C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)，這使得很多程序員開(kāi)始忘記在 Linux 中還可以直接使用匯編這一底層語(yǔ)言來(lái)優(yōu)化程序的性能。本文為那些在Linux 平臺(tái)上編寫(xiě)匯編代碼的程序員提供指南，介紹 Linux 匯編語(yǔ)言的語(yǔ)法格式和開(kāi)發(fā)工具，并輔以具體的例子講述如何開(kāi)發(fā)實(shí)用的Linux 匯編程序。
　　一、簡(jiǎn)介
　　作為最基本的編程語(yǔ)言之一，匯編語(yǔ)言雖然應(yīng)用的范圍不算很廣，但重要性卻勿庸置疑，因?yàn)樗軌蛲瓿稍S多其它語(yǔ)言所無(wú)法完成的功能。就拿 Linux 內(nèi)核來(lái)講，雖然絕大部分代碼是用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)的，但仍然不可避免地在某些關(guān)鍵地方使用了匯編代碼，其中主要是在 Linux 的啟動(dòng)部分。由于這部分代碼與硬件的關(guān)系非常密切，即使是 C 語(yǔ)言也會(huì)有些力不從心，而匯編語(yǔ)言則能夠很好揚(yáng)長(zhǎng)避短，最大限度地發(fā)揮硬件的性能。
　　大多數(shù)情況下 Linux 程序員不需要使用匯編語(yǔ)言，因?yàn)榧幢闶怯布?qū)動(dòng)這樣的底層程序在 Linux 操作系統(tǒng)中也可以用完全用 C 語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，再加上 GCC 這一優(yōu)秀的編譯器目前已經(jīng)能夠?qū)ψ罱K生成的代碼進(jìn)行很好的優(yōu)化，的確有足夠的理由讓我們可以暫時(shí)將匯編語(yǔ)言拋在一邊了。但實(shí)現(xiàn)情況是 Linux 程序員有時(shí)還是需要使用匯編，或者不得不使用匯編，理由很簡(jiǎn)單：精簡(jiǎn)、高效和 libc 無(wú)關(guān)性。假設(shè)要移植 Linux 到某一特定的嵌入式硬件環(huán)境下，首先必然面臨如何減少系統(tǒng)大小、提高執(zhí)行效率等問(wèn)題，此時(shí)或許只有匯編語(yǔ)言能幫上忙了。
　　匯編語(yǔ)言直接同計(jì)算機(jī)的底層軟件甚至硬件進(jìn)行交互，它具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：
　　能夠直接訪問(wèn)與硬件相關(guān)的存儲(chǔ)器或 I/O 端口；
　　能夠不受編譯器的限制，對(duì)生成的二進(jìn)制代碼進(jìn)行完全的控制；
　　能夠?qū)﹃P(guān)鍵代碼進(jìn)行更準(zhǔn)確的控制，避免因線程共同訪問(wèn)或者硬件設(shè)備共享引起的死鎖；
　　能夠根據(jù)特定的應(yīng)用對(duì)代碼做最佳的優(yōu)化，提高運(yùn)行速度；
　　能夠最大限度地發(fā)揮硬件的功能。
　　同時(shí)還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，匯編語(yǔ)言是一種層次非常低的語(yǔ)言，它僅僅高于直接手工編寫(xiě)二進(jìn)制的機(jī)器指令碼，因此不可避免地存在一些缺點(diǎn)：
　　編寫(xiě)的代碼非常難懂，不好維護(hù)；
　　很容易產(chǎn)生 bug，難于調(diào)試；
　　只能針對(duì)特定的體系結(jié)構(gòu)和處理器進(jìn)行優(yōu)化；
　　開(kāi)發(fā)效率很低，時(shí)間長(zhǎng)且單調(diào)。
　　Linux 下用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼具有兩種不同的形式。第一種是完全的匯編代碼，指的是整個(gè)程序全部用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。盡管是完全的匯編代碼，Linux 平臺(tái)下的匯編工具也吸收了 C 語(yǔ)言的長(zhǎng)處，使得程序員可以使用 #include、#ifdef 等預(yù)處理指令，并能夠通過(guò)宏定義來(lái)簡(jiǎn)化代碼。第二種是內(nèi)嵌的匯編代碼，指的是可以嵌入到C語(yǔ)言程序中的匯編代碼片段。雖然 ANSI 的 C 語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有關(guān)于內(nèi)嵌匯編代碼的相應(yīng)規(guī)定，但各種實(shí)際使用的 C 編譯器都做了這方面的擴(kuò)充，這其中當(dāng)然就包括 Linux 平臺(tái)下的 GCC。
　　二、Linux 匯編語(yǔ)法格式
　　絕大多數(shù) Linux 程序員以前只接觸過(guò)DOS/Windows 下的匯編語(yǔ)言，這些匯編代碼都是 Intel 風(fēng)格的。但在 Unix 和 Linux 系統(tǒng)中，更多采用的還是 AT&T 格式，兩者在語(yǔ)法格式上有著很大的不同：
　　在 AT&T 匯編格式中，寄存器名要加上 ‘%’ 作為前綴；而在 Intel 匯編格式中，寄存器名不需要加前綴。例如：
　　AT&T 格式Intel 格式
　　pushl %eaxpush eax
　　在 AT&T 匯編格式中，用 ‘$’ 前綴表示一個(gè)立即操作數(shù)；而在 Intel 匯編格式中，立即數(shù)的表示不用帶任何前綴。例如：
　　AT&T 格式Intel 格式
　　pushl $1push 1
　　AT&T 和 Intel 格式中的源操作數(shù)和目標(biāo)操作數(shù)的位置正好相反。在 Intel 匯編格式中，目標(biāo)操作數(shù)在源操作數(shù)的左邊；而在 AT&T 匯編格式中，目標(biāo)操作數(shù)在源操作數(shù)的右邊。例如：
　　AT&T 格式Intel 格式
　　addl $1， %eaxadd eax， 1
　　在 AT&T 匯編格式中，操作數(shù)的字長(zhǎng)由操作符的最后一個(gè)字母決定，后綴‘b’、‘w’、‘l’分別表示操作數(shù)為字節(jié)（byte，8 比特）、字（word，16 比特）和長(zhǎng)字（long，32比特）；而在 Intel 匯編格式中，操作數(shù)的字長(zhǎng)是用 “byte ptr” 和 “word ptr” 等前綴來(lái)表示的。例如：
　　AT&T 格式Intel 格式
　　movb val， %almov al， byte ptr val
　　在 AT&T 匯編格式中，絕對(duì)轉(zhuǎn)移和調(diào)用指令（jump/call）的操作數(shù)前要加上‘*’作為前綴，而在 Intel 格式中則不需要。
　　遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)移指令和遠(yuǎn)程子調(diào)用指令的操作碼，在 AT&T 匯編格式中為 “l(fā)jump” 和 “l(fā)call”，而在 Intel 匯編格式中則為 “jmp far” 和 “call far”，即：
　　AT&T 格式Intel 格式
　　ljump $section， $offsetjmp far section:offset
　　lcall $section， $offsetcall far section:offset
　　與之相應(yīng)的遠(yuǎn)程返回指令則為：
　　AT&T 格式Intel 格式
　　lret $stack_adjustret far stack_adjust
　　在 AT&T 匯編格式中，內(nèi)存操作數(shù)的尋址方式是
　　section:disp（base， index， scale）
　　而在 Intel 匯編格式中，內(nèi)存操作數(shù)的尋址方式為：
　　section：［base + index*scale + disp］
　　由于 Linux 工作在保護(hù)模式下，用的是 32 位線性地址，所以在計(jì)算地址時(shí)不用考慮段基址和偏移量，而是采用如下的地址計(jì)算方法：
　　disp + base + index * scale
　　下面是一些內(nèi)存操作數(shù)的例子：
　　AT&T 格式Intel 格式
　　movl -4（%ebp）， %eaxmov eax， ［ebp - 4］
　　movl array（， %eax， 4）， %eaxmov eax， ［eax*4 + array］
　　movw array（%ebx， %eax， 4）， %cxmov cx， ［ebx + 4*eax + array］
　　movb $4， %fs：（%eax）mov fs:eax， 4
　　三、Hello World！
　　真不知道打破這個(gè)傳統(tǒng)會(huì)帶來(lái)什么樣的后果，但既然所有程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的第一個(gè)例子都是在屏幕上打印一個(gè)字符串 “Hello World！”，那我們也以這種方式來(lái)開(kāi)始介紹 Linux 下的匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)。
　　在 Linux 操作系統(tǒng)中，你有很多辦法可以實(shí)現(xiàn)在屏幕上顯示一個(gè)字符串，但最簡(jiǎn)潔的方式是使用 Linux 內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用。使用這種方法最大的好處是可以直接和操作系統(tǒng)的內(nèi)核進(jìn)行通訊，不需要鏈接諸如 libc 這樣的函數(shù)庫(kù)，也不需要使用 ELF 解釋器，因而代碼尺寸小且執(zhí)行速度快。
　　Linux 是一個(gè)運(yùn)行在保護(hù)模式下的 32 位操作系統(tǒng)，采用 flat memory 模式，目前最常用到的是 ELF 格式的二進(jìn)制代碼。一個(gè) ELF 格式的可執(zhí)行程序通常劃分為如下幾個(gè)部分：.text、.data 和 .bss，其中 .text 是只讀的代碼區(qū)，.data 是可讀可寫(xiě)的數(shù)據(jù)區(qū)，而 .bss 則是可讀可寫(xiě)且沒(méi)有初始化的數(shù)據(jù)區(qū)。代碼區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)在 ELF 中統(tǒng)稱為 section，根據(jù)實(shí)際需要你可以使用其它標(biāo)準(zhǔn)的 section，也可以添加自定義 section，但一個(gè) ELF 可執(zhí)行程序至少應(yīng)該有一個(gè) .text 部分。