組合語言入門教學（x86-64、NASM）

組合語言是什麼、誰在使用

每個處理器家族都有自己的指令集，因此也有自己的組合語言。x86-64（又稱 AMD64）驅動大多數桌上型電腦與伺服器；ARM（AArch64）則驅動大多數手機、Apple silicon Mac 與許多伺服器。組譯器會把組合語言翻譯成機器碼，連結器再把結果組合成可執行檔。

如今很少有程式完全以組合語言撰寫。它用於作業系統核心與開機載入程式、效能關鍵的常式（密碼學、編解碼器、數學函式庫）、嵌入式韌體、編譯器開發、資安研究與逆向工程。更常見的情況是，開發者閱讀組合語言，以了解編譯器產出了什麼，或是除錯當機問題。

安裝 NASM 並執行 Hello, world

在 Debian 或 Ubuntu 上，用 sudo apt install nasm binutils 安裝工具（binutils 提供連結器 ld）。這個程式透過系統呼叫直接呼叫 Linux 核心，所以不需要 C 函式庫。

; hello.asm - x86-64 Linux, NASM syntax
section .data
    msg     db "Hello, world!", 10   ; 10 = newline
    msglen  equ $ - msg              ; length computed by the assembler

section .text
    global _start

_start:
    mov     rax, 1          ; system call number 1 = write
    mov     rdi, 1          ; file descriptor 1 = stdout
    mov     rsi, msg        ; address of the bytes
    mov     rdx, msglen     ; number of bytes
    syscall

    mov     rax, 60         ; system call number 60 = exit
    xor     rdi, rdi        ; exit code 0
    syscall

nasm -f elf64 hello.asm -o hello.o
ld hello.o -o hello
./hello
# Hello, world!

section .data 存放已初始化的資料，section .text 存放程式碼，_start 則是 ld 尋找的進入點。註解以 ; 開頭。如果沒有最後的 exit 系統呼叫，處理器會繼續執行後面的任何位元組，程式就會當機。

暫存器與資料大小

暫存器是 CPU 內部小而極快的儲存位置。x86-64 有 16 個 64 位元的通用暫存器，每個也可以只使用其中較小的部分。

記憶體中的資料用 db（位元組，8 位元）、dw（word，16 位元）、dd（doubleword，32 位元）與 dq（quadword，64 位元）宣告。未初始化的緩衝區放在 section .bss，使用 resb、resq 等。寫入 eax 這類 32 位元暫存器時，也會清除 rax 的高 32 位元，所以 xor eax, eax 是把 rax 設為零的常見方式。

基本指令與流程控制

大多數指令先寫目的地、再寫來源：add rax, rbx 的意思是 rax = rax + rbx。沒有 if 或 while 陳述式；你用 cmp 比較數值並設定旗標，再使用條件跳躍。

; sum.asm - add 1..10, return the result as the exit code
section .text
    global _start

_start:
    xor     rax, rax        ; sum = 0
    mov     rcx, 1          ; i = 1
.loop:
    cmp     rcx, 10
    jg      .done           ; if i > 10, leave the loop
    add     rax, rcx        ; sum += i
    inc     rcx             ; i++
    jmp     .loop
.done:
    mov     rdi, rax        ; exit code = sum
    mov     rax, 60         ; exit
    syscall

nasm -f elf64 sum.asm -o sum.o && ld sum.o -o sum
./sum; echo $?
# 55

以點開頭的標籤（如 .loop）屬於前一個一般標籤的區域範圍。jl 與 jg 把值視為有號數；jb 與 ja 則是無號數的版本。

記憶體定址與陣列

方括號表示「位於此位址的記憶體」。位址可以結合基底暫存器、乘以 1、2、4 或 8 的索引暫存器，以及一個常數：[base + index*scale + offset]。這讓存取陣列只需一條指令。

section .data
    nums    dq 3, 1, 4, 1, 5         ; five 64-bit integers
    count   equ ($ - nums) / 8

section .text
    global _start

_start:
    xor     rax, rax                 ; total = 0
    xor     rcx, rcx                 ; index = 0
.next:
    add     rax, [nums + rcx*8]      ; total += nums[index]
    inc     rcx
    cmp     rcx, count
    jl      .next
    mov     rdi, rax                 ; exit code 14
    mov     rax, 60
    syscall

mov rax, nums 載入的是位址，而 mov rax, [nums] 載入的是儲存在該處的值。lea rsi, [rbx + 8] 只計算位址，不讀取記憶體。當無法從暫存器判斷大小時，請明確指定：mov qword [rbx], 0。

函式與呼叫慣例

在 Linux 上，函式遵循 System V AMD64 ABI。整數引數依序放在 rdi、rsi、rdx、rcx、r8、r9；回傳值在 rax。函式必須保留 rbx、rbp、r12–r15 與 rsp，而且在 call 之前，rsp 必須是 16 的倍數。遵守這些規則，組合語言就能呼叫 printf 等 C 函式，C 也能呼叫組合語言。

; square.asm - define a function and call printf from the C library
    extern  printf
    global  main

section .data
    fmt     db "%ld squared is %ld", 10, 0

section .text
square:                         ; long square(long x)
    mov     rax, rdi
    imul    rax, rdi
    ret

main:
    push    rbx                 ; save rbx; also aligns rsp to 16
    mov     rbx, 7
    mov     rdi, rbx
    call    square              ; rax = 49
    lea     rdi, [rel fmt]      ; argument 1: format string
    mov     rsi, rbx            ; argument 2
    mov     rdx, rax            ; argument 3
    xor     eax, eax            ; varargs: no vector registers used
    call    printf wrt ..plt
    xor     eax, eax            ; return 0 from main
    pop     rbx
    ret

section .note.GNU-stack noalloc noexec nowrite progbits

nasm -f elf64 square.asm -o square.o
gcc square.o -o square
./square
# 7 squared is 49

改用 gcc 連結會加入 C 執行環境，由它呼叫 main。[rel fmt] 與 wrt ..plt 會產生位置無關的程式碼，這是現代 Linux 發行版預設使用的。最後一行把堆疊標記為不可執行，並避免連結器警告。

錯誤處理

組合語言沒有例外。失敗的 Linux 系統呼叫會在 rax 中回傳負的錯誤編號（例如 -2，即 ENOENT，「沒有這個檔案」），所以每次呼叫後都要檢查正負號。C 函式庫的函式則透過回傳值與 errno 回報錯誤。硬體錯誤，例如讀取無效位址或除以零，會以訊號（segmentation fault 或 floating point exception）終止程式。

    mov     rax, 2              ; system call 2 = open
    lea     rdi, [rel path]     ; path is a zero-terminated string
    xor     esi, esi            ; flags: O_RDONLY
    syscall
    test    rax, rax
    js      .open_failed        ; negative result = -errno
    mov     r12, rax            ; success: rax is the file descriptor

完整的小程式：以十進位印出數字

印出數字意味著你得自己把它轉成數字字元。這個程式計算 1 + 2 + ... + 100，反覆除以 10 以從右到左取得各位數字，再用一次系統呼叫把它們寫出。

section .bss
    buf     resb 32

section .text
    global _start

_start:
    xor     rax, rax
    mov     rcx, 100
.sum:
    add     rax, rcx
    loop    .sum                ; rcx -= 1, repeat while rcx != 0
    lea     rsi, [buf + 31]
    mov     byte [rsi], 10      ; newline at the end of the buffer
    mov     rbx, 10
.digit:
    xor     rdx, rdx            ; div uses rdx:rax as the dividend
    div     rbx                 ; rax = quotient, rdx = remainder
    add     dl, '0'             ; remainder to ASCII digit
    dec     rsi
    mov     [rsi], dl
    test    rax, rax
    jnz     .digit
    mov     rdx, buf + 32
    sub     rdx, rsi            ; length = end - start
    mov     rax, 1              ; write(1, rsi, rdx)
    mov     rdi, 1
    syscall
    mov     rax, 60             ; exit(0)
    xor     rdi, rdi
    syscall
; prints 5050

AT&T 與 Intel 語法，以及 ARM

同一條 x86-64 指令可以用兩種語法書寫。NASM 與大多數 Intel 和 Microsoft 文件使用 Intel 語法。GNU 組譯器（as）、GCC 輸出與 objdump 預設使用 AT&T 語法；objdump -d -M intel 與 gcc -S -masm=intel 可切換成 Intel 語法。

ARM 處理器使用不同的指令集。AArch64 有 31 個 64 位元通用暫存器（x0–x30）、固定 32 位元的指令編碼，以及載入／儲存（load/store）的設計：算術只作用於暫存器，記憶體則以 ldr 與 str 存取。在 Linux 上，系統呼叫編號放在 x8，並以 svc #0 發出呼叫。

// AArch64 Linux, GNU as syntax: exit(0)
    mov     x0, #0          // exit status
    mov     x8, #93         // system call 93 = exit
    svc     #0

接下來可以學什麼

• NASM 手冊，涵蓋指示詞、巨集與輸出格式。
• Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manuals，提供每條指令的確切行為。
• System V AMD64 ABI 文件，說明呼叫慣例與堆疊配置。
• 用 gcc -O2 -S -masm=intel（或線上的編譯器瀏覽工具）編譯小型 C 函式，並閱讀產生的組合語言。