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内存寻址模式

内存寻址模式是指令访问内存数据的方式。x86 架构提供了丰富灵活的寻址模式，这是 CISC 架构的重要特点之一。

寻址模式概述​

x86 支持以下主要寻址模式：

  • 立即寻址：操作数是立即数
  • 寄存器寻址：操作数在寄存器中
  • 直接寻址：直接指定内存地址
  • 寄存器间接寻址：通过寄存器中的地址访问内存
  • 寄存器相对寻址：寄存器地址加偏移量
  • 变址寻址：基址寄存器加变址寄存器
  • 比例变址寻址：支持比例因子

立即寻址​

立即寻址的操作数直接包含在指令中：

mov eax, 100           ; 将立即数 100 加载到 EAX
mov rax, 0x12345678    ; 将十六进制数加载到 RAX
mov al, 'A'            ; 将字符 'A' 的 ASCII 码加载到 AL

立即数的大小限制：

; 8 位立即数
mov al, 0xFF           ; 正确

; 16 位立即数
mov ax, 0xFFFF         ; 正确

; 32 位立即数
mov eax, 0xFFFFFFFF    ; 正确

; 64 位立即数（需要特殊处理）
mov rax, 0x123456789ABCDEF0  ; 正确，但会被编码为多条指令
mov rax, qword [address]     ; 从内存加载 64 位值

寄存器寻址​

操作数存储在寄存器中：

mov eax, ebx           ; 将 EBX 的值复制到 EAX
add rax, rbx           ; RAX = RAX + RBX
xor ecx, ecx           ; 将 ECX 清零

寄存器大小必须匹配：

mov al, bl             ; 8 位 -> 8 位，正确
mov ax, bx             ; 16 位 -> 16 位，正确
mov eax, ebx           ; 32 位 -> 32 位，正确
mov rax, rbx           ; 64 位 -> 64 位，正确

; mov al, bx           ; 错误：大小不匹配
; mov eax, bl          ; 错误：大小不匹配

直接寻址​

直接在指令中指定内存地址：

section .data
    value dd 12345

section .text
    mov eax, [value]        ; 将 value 地址处的值加载到 EAX
    mov eax, [0x1000]       ; 将地址 0x1000 处的值加载到 EAX（需要绝对地址）

在 64 位模式下，直接寻址通常需要 RIP 相对寻址：

; 64 位模式下的推荐写法
mov eax, [rel value]       ; RIP 相对寻址
lea rax, [rel value]       ; 加载 value 的地址

寄存器间接寻址​

通过寄存器中的地址访问内存：

; 基本形式
mov eax, [ebx]             ; 将 EBX 指向的内存值加载到 EAX
mov [ebx], eax             ; 将 EAX 存储到 EBX 指向的内存

; 使用示例
mov rsi, buffer            ; RSI 指向缓冲区
mov eax, [rsi]             ; 读取第一个双字
mov eax, [rsi + 4]         ; 读取第二个双字

可用的基址寄存器：

; 32 位模式：可以使用任何通用寄存器
mov eax, [ebx]
mov eax, [ecx]
mov eax, [edx]
mov eax, [esi]
mov eax, [edi]
mov eax, [ebp]
mov eax, [esp]

; 64 位模式：可以使用任何 64 位通用寄存器
mov rax, [rbx]
mov rax, [r8]              ; 包括 R8-R15

寄存器相对寻址​

基址寄存器加上偏移量：

; 格式：[base + displacement]
mov eax, [ebx + 4]         ; EBX + 4 处的值
mov eax, [ebx + 0x100]     ; EBX + 0x100 处的值

; 访问数组元素
mov rsi, array
mov eax, [rsi + 0]         ; 第 0 个元素
mov eax, [rsi + 4]         ; 第 1 个元素（32 位元素）
mov eax, [rsi + 8]         ; 第 2 个元素

; 访问结构体成员
mov rsi, person
mov eax, [rsi + 0]         ; 第一个成员
mov eax, [rsi + 32]        ; 偏移 32 处的成员

偏移量可以是负数：

mov eax, [rbx - 4]         ; EBX - 4 处的值
mov eax, [rbp - 8]         ; 栈帧中的局部变量

变址寻址​

基址寄存器加变址寄存器：

; 格式：[base + index]
mov eax, [ebx + ecx]       ; EBX + ECX 处的值

; 数组访问
mov rsi, array             ; 数组基址
mov rcx, 5                 ; 索引
mov eax, [rsi + rcx*4]     ; 第 5 个元素（比例因子 4）

比例变址寻址​

完整的寻址格式：[base + index * scale + displacement]

  • base：基址寄存器
  • index：变址寄存器
  • scale：比例因子（1、2、4、8）
  • displacement：偏移量
; 完整格式
mov eax, [ebx + ecx*4 + 0x100]

; 各部分可以省略
mov eax, [ebx]                    ; 仅基址
mov eax, [ebx + 0x100]            ; 基址 + 偏移
mov eax, [ebx + ecx]              ; 基址 + 变址
mov eax, [ebx + ecx*4]            ; 基址 + 比例变址
mov eax, [ecx*4 + 0x100]          ; 比例变址 + 偏移
mov eax, [0x100]                  ; 仅偏移（直接寻址）

比例因子​

比例因子用于数组访问，根据元素大小选择：

元素大小比例因子示例
字节1mov al, [rsi + rcx*1]
字2mov ax, [rsi + rcx*2]
双字4mov eax, [rsi + rcx*4]
四字8mov rax, [rsi + rcx*8]

数组访问示例​

section .data
    int_array dd 10, 20, 30, 40, 50
    array_len equ 5

section .text
    ; 访问第 i 个元素
    mov rsi, int_array
    mov rcx, 2              ; 索引 i = 2
    mov eax, [rsi + rcx*4]  ; EAX = 30

    ; 遍历数组求和
    mov rsi, int_array
    mov rcx, array_len
    xor eax, eax

sum_loop:
    add eax, [rsi]
    add rsi, 4              ; 指向下一个元素
    loop sum_loop
    ; EAX = 150

RIP 相对寻址​

x86-64 引入了 RIP 相对寻址，用于位置无关代码：

; RIP 相对寻址
mov eax, [rip + offset]     ; 相对于当前 RIP 的地址

; 访问全局变量
section .data
    global_var dd 100

section .text
    mov eax, [rel global_var]    ; NASM 语法
    lea rax, [global_var]        ; 加载地址（NASM 自动使用 RIP 相对）

RIP 相对寻址的优势：

  • 支持位置无关代码
  • 代码可以加载到任意地址执行
  • 现代操作系统推荐的方式

段寻址​

在 16 位和 32 位保护模式下，可以指定段寄存器：

; 指定段寄存器
mov eax, [es:ebx]           ; 使用 ES 段
mov eax, [fs:0]             ; 访问 FS 段偏移 0 处

; 访问线程本地存储（Linux）
mov eax, [fs:0]             ; TLS 基址

; 访问线程本地存储（Windows）
mov eax, [gs:0x60]          ; PEB 地址

64 位模式下，大多数段寄存器被忽略，但 FS 和 GS 仍可用于特殊用途。

寻址模式总结​

完整格式​

[段: 基址 + 变址 * 比例 + 偏移]

示例汇总​

; 立即寻址
mov eax, 100

; 寄存器寻址
mov eax, ebx

; 直接寻址
mov eax, [0x1000]

; 寄存器间接寻址
mov eax, [ebx]

; 寄存器相对寻址
mov eax, [ebx + 0x10]

; 变址寻址
mov eax, [ebx + ecx]

; 比例变址寻址
mov eax, [ebx + ecx*4 + 0x100]

; RIP 相对寻址
mov eax, [rel global_var]

; 段寻址
mov eax, [fs:0]

实际应用示例​

数组遍历​

; 计算数组元素之和
; 输入：RSI = 数组地址，RCX = 元素个数
; 输出：RAX = 总和
array_sum:
    xor eax, eax
    xor rdx, rdx

.loop:
    add eax, [rsi + rdx*4]
    inc rdx
    cmp rdx, rcx
    jb .loop

    ret

结构体访问​

struc Point
    .x resd 1
    .y resd 1
    .z resd 1
endstruc

; 计算点数组中所有 x 坐标之和
; 输入：RSI = 点数组，RCX = 点数
; 输出：EAX = x 坐标之和
sum_x_coords:
    xor eax, eax

.loop:
    add eax, [rsi + Point.x]
    add rsi, Point_size       ; 移动到下一个点
    loop .loop

    ret

字符串处理​

; 查找字符在字符串中的位置
; 输入：RSI = 字符串地址，AL = 要查找的字符
; 输出：RCX = 位置（-1 表示未找到）
find_char:
    xor ecx, ecx

.loop:
    cmp byte [rsi + rcx], 0
    je .not_found
    cmp byte [rsi + rcx], al
    je .found
    inc ecx
    jmp .loop

.found:
    ret

.not_found:
    mov ecx, -1
    ret

二维数组访问​

; 访问二维数组元素
; 数组：int matrix[rows][cols]
; 访问：matrix[row][col]
; 地址：matrix + (row * cols + col) * 4

section .data
    matrix dd 1, 2, 3, 4
           dd 5, 6, 7, 8
           dd 9, 10, 11, 12
    rows equ 3
    cols equ 4

section .text
    ; 访问 matrix[1][2]
    mov rax, 1              ; row = 1
    mov rbx, 2              ; col = 2
    mov rcx, cols

    ; 计算偏移：(row * cols + col) * 4
    imul rax, rcx           ; row * cols
    add rax, rbx            ; + col
    mov eax, [matrix + rax*4]  ; EAX = 7

小结​

本章介绍了 x86 的内存寻址模式：

  • 立即寻址：操作数在指令中
  • 寄存器寻址：操作数在寄存器中
  • 直接寻址：直接指定内存地址
  • 寄存器间接寻址：通过寄存器访问内存
  • 寄存器相对寻址：寄存器加偏移
  • 变址寻址：基址加变址
  • 比例变址寻址：支持比例因子
  • RIP 相对寻址：位置无关代码

x86 丰富的寻址模式使得内存访问非常灵活，能够高效地处理数组、结构体等复杂数据结构。下一章将学习基础指令。