机器级编程

定义

机器级编程（Machine-level Programming）是直接与计算机硬件交互的编程形式，通常使用汇编语言或机器语言。

存在的抽象（重要）

• ISA ：用于定义机器级程序的格式和行为（详情见CS61C）
• 虚拟内存 ：机器级程序使用的内存地址是虚拟地址

机器级编程常用工具（暂时空缺，在需要的时候查手册吧，未来将会补全）

gcc

objdump

gdb

关于格式的注解

伪指令

伪指令（Pseudo-instructions）是汇编语言中不直接对应于机器语言指令的指令。相反，汇编器（Assembler）会将伪指令转换为一条或多条实际的机器指令。这些伪指令提供了一种更方便和人性化的方式来完成某些任务，使得编写和阅读汇编代码更加容易。以下是一些常见的伪指令及其作用：

• 数据定义伪指令：用于定义常量或变量在内存中的位置和初始值。
  • .data：指定数据段的开始。
  • .text：指定代码段的开始。
  • .byte，.word，.long，.quad：定义不同大小的数据（8位、16位、32位、64位）。
  • .ascii，.asciiz：定义字符或字符串（asciiz以空字符结尾）。

.data
value: .word 42       ; 定义一个16位的整数，值为42
message: .asciiz Hello, World! ; 定义一个以空字符结尾的字符串

• 控制伪指令：用于控制程序的汇编过程。
  • .globl：声明一个全局符号，使其在其他文件中可见。.align：对齐数据到指定的边界。.equ，.set：定义常量。

.globl _start          ; 声明_start符号为全局
.align 4               ; 对齐到4字节边界
max_value: .equ 100    ; 定义常量max_value为100

• 分配存储伪指令：用于分配未初始化的内存。
  • .space：分配指定字节数的未初始化空间。
  • .skip：跳过指定字节数（类似于space）。

buffer: .space 128     ; 分配128字节的未初始化空间

• 宏指令：通过定义宏来简化代码的编写。宏是包含一组指令的代码块，可以像伪指令一样使用。
  • .macro 和 .endm：定义和结束一个宏。

.macro clear_register reg
  xor \reg, \reg       ; 将寄存器清零
.endm

clear_register %eax    ; 使用宏清零eax寄存器

伪指令的主要目的是提高代码的可读性和可维护性，减少直接操作复杂性。汇编器在处理伪指令时，会将其转化为相应的机器指令或数据布局，以便CPU可以理解和执行。

在C语言中插入汇编代码

在C语言中插入汇编代码通常被称为内联汇编（Inline Assembly）。在GCC编译器中，这通过asm或__asm__关键字实现。在微软的Visual C++编译器中，这通过__asm关键字实现。以下是详细介绍如何在这两种编译器中插入汇编代码的方法。

tips：可以添加内存栅障来防止优化，利用这个方法

int main() {
    int a = 10, b = 20, c;

    __asm__ (addl %%ebx, %%eax
             : =a (c)
             : a (a), b (b)
             );

    printf(Result: %d\n, c);
    return 0;
}

#include <stdio.h>

void memory_barrier() {
    __asm__ __volatile__( ::: memory);
}

int main() {
    int a = 0;
    int b = 0;

    a = 1;
    memory_barrier(); // 确保a的赋值操作完成后再进行b的赋值操作
    b = 1;

    printf(a = %d, b = %d\n, a, b);
    return 0;
}