x86-64 ISA 系统梳理

通用寄存器（GPR）

特殊寄存器

SIMD 寄存器

系统寄存器（内核专用）

x87 FPU 栈

System V AMD64 ABI（Linux / macOS / FreeBSD）

Microsoft x64 Calling Convention（Windows）

x86-64 在 64-bit 模式下支持以下寻址模式。基址和变址可以用任意 GPR（16 个均可），比例因子为 1/2/4/8。

REX 前缀编码

REX 前缀（1 字节，0x40-0x4F）用于 64-bit 模式扩展寄存器寻址：

+---+---+---+---+---+---+---+---+
| 0 | 1 | 0 | 0 | W | R | X | B |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
  W: 操作数宽度 0=32bit 1=64bit
  R: 扩展 ModRM.reg（与 ModRM reg 构成 4 位）
  X: 扩展 SIB.index
  B: 扩展 ModRM.rm 或 SIB.base

REX.W=1:  使用 64-bit 操作数
REX.R=1:  reg 字段扩展至 R8-R15
REX.X=1:  index 字段扩展至 R8-R15
REX.B=1:  rm/base 字段扩展至 R8-R15

Hello World（Linux, System V ABI）

; hello.asm — Linux x86-64, NASM syntax
; nasm -f elf64 hello.asm -o hello.o && ld hello.o -o hello

section .data
  msg db "Hello, x86-64!", 10
  len equ $ - msg

section .text
  global _start

_start:
  mov rax, 1        ; syscall: write
  mov rdi, 1        ; fd = stdout
  mov rsi, msg      ; buf
  mov rdx, len      ; count
  syscall

  mov rax, 60       ; syscall: exit
  xor rdi, rdi      ; status = 0
  syscall

函数调用（C 调用约定）

; 调用 C 函数 add(a, b) 并返回结果
; int add(int a, int b) { return a + b; }

extern printf

section .data
  fmt db "sum=%d", 10, 0

section .text
  global main

main:
  push rbp
  mov rbp, rsp

  mov edi, 42       ; a = 42
  mov esi, 58       ; b = 58
  call sum

  mov rsi, rax      ; 返回值 -> printf 第2参数
  mov rdi, fmt      ; 格式串 -> 第1参数
  xor eax, eax      ; AL=0 表示无浮点参数传给 varargs
  call printf

  xor eax, eax
  pop rbp
  ret

sum:
  ; int sum(int a, int b) — a=edi, b=esi
  lea eax, [rdi + rsi]
  ret

SIMD 向量加法（SSE2）

; 四个单精度浮点数并行相加
; c[i] = a[i] + b[i], i=0..3

section .data
  align 16
  a dd 1.0, 2.0, 3.0, 4.0
  b dd 5.0, 6.0, 7.0, 8.0
  c dd 0, 0, 0, 0

section .text
  global _start

_start:
  movaps xmm0, [a]       ; 加载 4 个 float → XMM0
  movaps xmm1, [b]       ; 加载 4 个 float → XMM1
  addps  xmm0, xmm1      ; 并行加法（4 个 float 一次性完成）
  movaps [c], xmm0       ; 存结果

  mov rax, 60
  xor rdi, rdi
  syscall

原子操作（lock cmpxchg）

; 原子地比较并交换 — 实现无锁同步原语
; lock cmpxchg [mem], reg

section .text
  global atomic_inc

atomic_inc:
  ; void atomic_inc(uint64_t *ptr);
  ; ptr 在 rdi 中
  mov rax, [rdi]        ; 读取旧值
.retry:
  mov rdx, rax          ; 保存旧值
  inc rdx               ; 新值 = 旧值 + 1
  lock cmpxchg [rdi], rdx  ; [rdi] == rax ? [rdi] = rdx, ZF=1 : rax = [rdi], ZF=0
  jnz .retry            ; 失败则重试
  ret

RDTSC 性能计时

; 读取时间戳计数器 — 高精度性能测量
rdtscp_benchmark:
  ; 返回时钟周期数到 rax:rdx
  rdtsc                 ; 读 TSC → EDX:EAX
  shl rdx, 32
  or rax, rdx           ; 合并为 64 位值
  ret