计算机系统-从应用程序到底层实现 课件4-64位系统

《计算机系统》64位系统《计算机系统》课程教学组2025年春季学期43512从32位到64位数据与指令信息访问与数据操作程序的控制小结内容提要I386&IA32IA64INTEL&HPAlpha处理器

X64AMDItaniumINTEL1985从32位到64位1990199219992001IA32EM64TINTEL642006从32位到64位字长限制了微处理器能力增长32位字长能寻址的地址空间为4GB，即一个程序最多只能有效使用到4GB的内存字长限制了数据处理与计算越来越多的计算任务要求更大的数据运算空间和数据表示范围计算技术的发展要求更大的字长从32到64是沿用字长翻倍传统的选择05040301通用目的寄存器从8个扩展到16个尽可能使用条件传送来实现条件操作，具有更好的分支性能指针与长整型为64位；整数算术运算支持8、16、32、64位数据类型浮点操作使用基于寄存器的指令集X86-64的特点02大部分程序状态可以保存在寄存器而不是栈43512从32位到64位数据与指令信息访问与数据操作程序的控制小结内容提要X86-64的数据类型C声明Intel类型汇编后缀X86-64大小IA32大小char字节b11short字w22int双字l44longint四字q84longlongint四字q84char*四字q84float单精度s44double双精度d88longdouble扩展精度t10/1610/12*

longdouble在x86-64系统中分配16个字节，在IA32系统中分配12个字节，但均只实际使用最低位的10个字节。X86-64的数据对齐X86-64中的数据结构与IA32遵循同样规则数组、结构、联合都是划分成对应长度的块，块中保存各自元素。更严格的对齐标准任何K字节的数据起始地址必须是K的倍数：数据类型对齐位置short2字节边界int4字节边界long8字节边界double8字节边界longdouble16字节边界X86-64的指令longintsimple_l(longint*xp,longinty){ longintt=*xp+y; *xp=t; returnt;}simple_l:pushl %ebpmovl %esp,%ebpmovl 8(%ebp),%edxmovl12(%ebp),%eaxaddl (%edx),%eaxmovl %eax,(%edx)popl %ebpretIA32simple_l:movq %rsi,%raxaddq (%rdi),%raxmovq %rax,(%rdi)retX86-64指针与长整型都是64位寄存器位64位：%rxx无需使用栈帧，没有栈帧准备与退出指令参数传送都是通过寄存器，无需访问内存43512从32位到64位数据与指令信息访问与数据操作程序的控制小结内容提要X86-64通用寄存器共16个：传统的8个：%rax~%rsi（变成64位）加上新增的%r8~%r15所有通用寄存器都可以访问低32位、低16位和低8位%rax,%rcx,%rdx和%rbx的第二个字节，即：%ah,%ch,%dh和%bh，依然可以由单字节操作数的指令直接访问没有帧指针（栈底）寄存器，%rbp因此可以作为通用寄存器数据传送指令指令效果描述movabsqI,RR

I传送绝对四字movS,DD

S传送movq传送四字movsS,DD

SignExtend(S)符号扩展传送movsbq符号扩展字节传送四字movswq符号扩展字传送四字movslq符号扩展双字传送四字movzS,DD

ZeroExtend(S)零扩展传送movzbq零扩展字节传送四字movzwq零扩展字传送四字pushqSR[%rsp]R[%rsp]–8M[R[%rsp]]S进栈四字popqDD

M[R[%rsp]]R[%rsp]R[%rsp]+8出栈四字算术指令增加了在四字（64位）上进行运算的指令，后缀为qaddq,subq,leaq

等等结果的位数不同导致指令对寄存器不同操作产生32位结果的指令（addl），目的寄存器高32位置零产生16位和8位结果的指令（addw或addb），只改变16位或8位目的寄存器不同大小操作数混合的操作，GCC会选择对应的指令组合依据操作数大小，向上对齐；并使用对应的指令后缀乘法与除法有类似IA32的扩展操作来实现128位的操作均采用类似[%rdx]:[%rax]的方式来保存乘积或者被除数43512从32位到64位数据与指令信息访问与数据操作程序的控制小结内容提要程序控制增加了在四字上进行比较（cmp）和测试（test）的指令，后缀为q循环与分支的实现基本类似，主要区别在于参数传递（有无栈帧）fact_whilemovl $1,%eaxcmpl $1,%edijle .L7.L10imull %edi,%eaxsubl $1,%edicmpl $1,%edijg .L10.L7:repret 阶乘函数的64位版本参数传递1.可将最多6个参数通过寄存器，而不是栈，来传递到过程，消除了内存访问开销。3.栈指针可固定不动，函数可以访问越过栈指针最多128个字节内容，此时对栈位置的引用相对于栈指针进行。2.只有无法把所有局部变量都放入寄存器的函数才需要使用栈；同时64位的返回地址也存放在栈中。4.寄存器也分为调用者保存和被调用者保存X86-64过程栈的使用栈的访问寄存器保存64位系统过程调用#include"stdio.h"voidmain(){inta=3,b=4;intc=sum(a,b);printf("Thesumis%d\n",c);}intsum(intx,inty){intz=0;z=x+y;returnz;}64位系统过程调用#include"stdio.h"intmain(){inta=3,b=4;intc=sum(b,a,b+a,b-a,a*b,2*b);return0;}intsum(intr,ints,intt,intu,intv,intx,inty){intz=0;z=r+s+t+u+v+x+y;returnz;}43512从32位到64位数据与指令信息访问与数据操作程序的控制小结内容提要指针翻倍向下兼容减少栈帧使用处理能力处理能力字长翻倍给予处理器更强的数据（和寻址）处理能力减少栈帧使用额外增加的通用寄存器帮助过程保存状态参数，减少栈帧访问和检索开销向下兼容32位和64位应用均可运行，成为高端机器的普遍选择指针翻倍指针变量的大小翻倍，意味着总的存储器需求也