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汇编语言加法和减法详解
算术运算是汇编语言中一个大得令人惊讶的主题!本节重点在于加法和减法的运算。
先从最简单、最有效的指令开始:INC(增加)和 DEC(减少)指令,即加 1 和减 1。然后是能提供更多操作的 ADD、SUB 和 NEG(非)指令。最后,将讨论算术运算指令如何影响 CPU 状态标志位(进位位、符号位、零标志位等)。请记住,汇编语言的细节很重要。
检查算术运算结果使用的是 CPU 状态标志位的值,同时,这些值还可以触发条件分支指令,即基本的程序逻辑工具。下面是对状态标志位的简要概述:
要在调试时显示 CPU 状态标志位,打开 Register 窗口,右键点击该窗口,并选择 Flags。
另一方面,如果 AX 的值为 00FFh,则对其进行加 1 操作后,和数不会超过 16 位,那么进位标志位清 0:
如果两个加数的符号相反,则不会发生溢出。
硬件如何检测溢出,加法或减法操作后,CPU 用一种有趣的机制来检测溢出标志位的状态。计算结果的最高有效位产生的进位与结果的最高位进行 异或操作,异或的结果存入溢岀标志位。如下图所示,两个 8 位二进制数 1000 0000 和 1111 1110 相加,产生进位 CF=1,和数最高位(位 7)= 0,即 1 XOR 0=1,则 OF=1。
NEG 指令,如果 NEG 指令的目的操作数不能正确存储,则该结果是无效的。例如, AL 中存放的是 -128,对其求反,正确的结果为 +128,但是这个值无法存入 AL。则溢出标志位置 1 就表示 AL 中存放的是一个无效的结果:
先从最简单、最有效的指令开始:INC(增加)和 DEC(减少)指令,即加 1 和减 1。然后是能提供更多操作的 ADD、SUB 和 NEG(非)指令。最后,将讨论算术运算指令如何影响 CPU 状态标志位(进位位、符号位、零标志位等)。请记住,汇编语言的细节很重要。
INC 和 DEC 指令
INC(增加)和DEC(减少)指令分别表示寄存器或内存操作数加 1 和减 1。语法如下所示:
INC reg/mem
DEC reg/mem
.data myWord WORD 1000h .code inc myWord ; myWord = 1001h mov bx,myWord dec bx ; BX = 1000h根据目标操作数的值,溢岀标志位、符号标志位、零标志位、辅助进位标志位、进位标志位和奇偶标志位会发生变化。INC 和 DEC 指令不会影响进位标志位(这还真让人吃惊)。
ADD 指令
ADD 指令将长度相同的源操作数和目的操作数进行相加操作。语法如下:ADD dest,source
在操作中,源操作数不能改变,相加之和存放在目的操作数中。该指令可以使用的操作数与 MOV 指令相同。下面是两个 32 位整数相加的短代码示例:.data var1 DWORD 10000h var2 DWORD 20000h .code mov eax,var1 ; EAX = 10000h add eax,var2 ; EAX = 30000h标志位:进位标志位、零标志位、符号标志位、溢出标志位、辅助进位标志位和奇偶标 志位根据存入目标操作数的数值进行变化。
SUB 指令
SUB 指令从目的操作数中减去源操作数。该指令对操作数的要求与 ADD 和 MOV 指令相同。指令语法如下:SUB dest, source
下面是两个 32 位整数相减的短代码示例:.data var1 DWORD 30000h var2 DWORD 10000h .code mov eax,var1 ;EAX = 30000h sub eax,var2 ;EAX = 20000h标志位:进位标志位、零标志位、符号标志位、溢出标志位、辅助进位标志位和奇偶标 志位根据存入目标操作数的数值进行变化。
NEG 指令
NEG(非)指令通过把操作数转换为其二进制补码,将操作数的符号取反。下述操作数可以用于该指令:
NEG reg
NEG mem
标志位:进位标志位、零标志位、符号标志位、溢出标志位、辅助进位标志位和奇偶标志位根据存入目标操作数的数值进行变化。提示:将目标操作数按位取反再加 1,就可以得到这个数的二进制补码。
执行算术表达式
使用 ADD、SUB 和 NEG 指令,就有办法来执行汇编语言中的算术表达式,包括加法、减法和取反。换句话说,当有下述表达式时,就可以模拟 C++ 编译器的行为:Rval = -Xval + (Yval - Zval);
现在来看看,使用如下有符号 32 位变量,汇编语言是如何执行上述表达式的。
Rval SDWORD ?
Xval SDWORD 26
Yval SDWORD 30
Zval SDWORD 40
; first term: -Xval mov eax,Xval neg eax ; EAX = -26然后,将 Yval 复制到寄存器中,再减去 Zval:
; second term: (Yval - Zval) mov ebx,Yval sub ebx,Zval ; EBX = -10最后,将两个项(EAX 和 EBX 的内容)相加:
; add the terms and store: add eax,ebx mov Rval,eax ; -36
加减法影响的标志位
执行算术运算指令时,常常想要了解结果。它是负数、正数还是零?对目的操作数来说,它是太大,还是太小?这些问题的答案有助于发现计算错误,否则可能会导致程序的错误行为。检查算术运算结果使用的是 CPU 状态标志位的值,同时,这些值还可以触发条件分支指令,即基本的程序逻辑工具。下面是对状态标志位的简要概述:
- 进位标志位意味着无符号整数溢出。比如,如果指令目的操作数为 8 位,而指令产生的结果大于二进制的 1111 1111,那么进位标志位置 1。
- 溢出标志位意味着有符号整数溢出。比如,指令目的操作数为 16 位,但其产生的负数结果小于十进制的 -32 768,那么溢出标志位置 1。
- 零标志位意味着操作结果为 0。比如,如果两个值相等的操作数相减,则零标志位置 1。
- 符号标志位意味着操作产生的结果为负数。如果目的操作数的最高有效位(MSE)置 1,则符号标志位置 1。
- 奇偶标志位是指,在一条算术或布尔运算指令执行后,立即判断目的操作数最低有效字节中 1 的个数是否为偶数。
- 辅助进位标志位置 1,意味着目的操作数最低有效字节中位 3 有进位。
要在调试时显示 CPU 状态标志位,打开 Register 窗口,右键点击该窗口,并选择 Flags。
1) 无符号数运算:零标志位、进位标志位和辅助进位标志位
当算术运算结果等于 0 时,零标志位置 1。下面的例子展示了执行 SUB、INC 和 DEC 指令后,目的寄存器和零标志位的状态:mov ecx,1 sub ecx,1 ;ECX = 0, ZF = 1 mov eax,0FFFFFFFFh inc eax ;EAX = 0, ZF = 1 inc eax ;EAX = 1, ZF = 0 dec eax ;EAX = 0, ZF = 1加法和进位标志位,如果将加法和减法分开考虑,那么进位标志位的操作是最容易解释的。两个无符号整数相加时,进位标志位是目的操作数最高有效位进位的副本。直观地说,如果和数超过了目的操作数的存储大小,就可以认为 CF = 1。在下面的例子里,ADD 指令将进位标志位置 1,原因是,相加的和数(100h)超过了 AL 的大小:
mov al,0FFh add al,1 ; AL = 00, CF = 1下图演示了在 0FFh 上加 1 时,操作数的位是如何变化的。AL 最高有效位的进位复制到进位 标志位。
另一方面,如果 AX 的值为 00FFh,则对其进行加 1 操作后,和数不会超过 16 位,那么进位标志位清 0:
mov ax,00FFh add ax, 1 ; AX = 0100h, CF = 0但是,如果 AX 的值为 FFFFh,则对其进行加 1 操作后,AX 的高位就会产生进位:
mov ax,0FFFFh add ax, 1 ; AX = 0000, CF = 1减法和进位标志位,从较小的无符号整数中减去较大的无符号整数时,减法操作就会将进位标志位置 1。下图说明了,操作数为 8 位时,计算(1-2)会出现什么情况。下面是相应的汇编代码:
mov al, 1 sub al,2 ; AL = FFh, CF = 1
辅助进位标志位,辅助进位(AC)标志位意味着目的操作数位 3 有进位或借位。它主要用于二进制编码的十进制数(BCD)运算,也可以用于其他环境。现在,假设计算(1+0Fh),和数在位 4 上为 1,这是位 3 的进位:提示:INC 和 DEC 指令不会影响进位标志位。在非零操作数上应用 NEG 指令总是会将进位标志位置 1。
mov al,0Fh add al, 1 ; AC = 1计算过程如下:
00001111
+ 00000001
--------------
00010000
mov al,10001100b add al,00000010b ; AL = 10001110, PF = 1 sub al,10000000b ; AL = 00001110, PF = 0执行了 ADD 指令后,AL 的值为 1000 1110 (4 个 0, 4 个 1), PF=1。执行了 SUB 指令后,AL 的值包含了奇数个 1,因此奇偶标志位等于 0。
2) 有符号数运算:符号标志位和溢出标志位
符号标志位,有符号数算术操作结果为负数,则符号标志位置 1。下面的例子展示的是小数(4)减去大数(5):mov eax, 4 sub eax,5 ; EAX = -1, SP = 1从机器的角度来看,符号标志位是目的操作数高位的副本。下面的例子表示产生了负数结果后,BL 中的十六进制的值:
mov bl,1 ; BL = 01h sub bl,2 ; BL = FFh(-1), SF = 1溢出标志位,有符号数算术操作结果与目的操作数相比,如果发生上溢或下溢,则溢出标志位置 1。例如,8 位有符号整数的最大值为 +127,再加 1 就会溢出:
mov al,+127 add al, 1 ; OF = 1同样,最小的负数为-128,再减1就发生下溢。如果目的操作数不能容纳一个有效算 术运算结果,那么溢出标志位置 1:
mov al,-128 sub al,1 ;OF = 1加法测试,两数相加时,有个很简单的方法可以判断是否发生溢出。溢出发生的情况有:
- 两个正数相加,结果为负数
- 两个负数相加,结果为正数
如果两个加数的符号相反,则不会发生溢出。
硬件如何检测溢出,加法或减法操作后,CPU 用一种有趣的机制来检测溢出标志位的状态。计算结果的最高有效位产生的进位与结果的最高位进行 异或操作,异或的结果存入溢岀标志位。如下图所示,两个 8 位二进制数 1000 0000 和 1111 1110 相加,产生进位 CF=1,和数最高位(位 7)= 0,即 1 XOR 0=1,则 OF=1。
NEG 指令,如果 NEG 指令的目的操作数不能正确存储,则该结果是无效的。例如, AL 中存放的是 -128,对其求反,正确的结果为 +128,但是这个值无法存入 AL。则溢出标志位置 1 就表示 AL 中存放的是一个无效的结果:
mov al,-128 ;AL = 10000000b neg al ;AL = 10000000b, OF = 1反之,如果对 +127 求反,结果是有效的,则溢出标志位清 0:
mov al,+127 ;AL = 01111111b neg al ;AL = 10000001b, OF = 0CPU 如何知道一个算术运算是有符号的还是无符号的?答案看上去似乎有点愚蠢:它不知道!在算术运算之后,不论标志位是否与之相关,CPU 都会根据一组布尔规则来设置所有的状态标志位。程序员要根据执行操作的类型,来决定哪些标志位需要分析,哪些可以忽略。
示例程序(AddSubTest)
AddSubTest 程序利用 ADD、SUB、INC、DEC 和 NEG 指令执行各种算术运算表达式,并展示了相关状态标志位是如何受到影响的:;加法和减法 (AddSubTest.asm) .386 .model flat,stdcall .stack 4096 ExitProcess proto,dwExitCode:dword .data Rval SDWORD ? Xval SDWORD 26 Yval SDWORD 30 Zval SDWORD 40 .code main PROC ;INC和DEC mov ax,1000h inc ax ;1001h dec ax ;1000h ;表达式:Rval=-Xval+(Yval-Zval) mov eax,Xval neg eax ;-26 mov ebx,Yval sub ebx,Zval ;-10 add eax,ebx mov Rval,eax;36 ;零标志位示例 mov cx,1 sub cx,1 ;ZF = 1 mov ax,0FFFFh inc ax ;ZF = 1 ;符号标志位示例 mov cx,0 sub cx,1 ;SF = 1 mov ax,7FFFh add ax,2 ;SF = 1 ;进位标志位示例 mov al,0FFh add al,1 ;CF = 1,AL = 00 ;溢出标志位示例 mov al,+127 add al,1 ;OF = 1 mov al,-128 sub al,1 ;OF = 1 INVOKE ExitProcess,0 main ENDP END main
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