- 浮点数如何存储
- 浮点寄存器
- 浮点数指令
- 浮点计算例子
- 浮点高级运算
- CMOV移动指令
浮点数如何存储
浮点数的运算完全不同于整数，从寄存器到指令，都有一套独特的处理流程，浮点单元也称作x87 FPU。
现在看浮点数的表示方式，我们所知道的，计算机使用二进制存储数据，所表示的数字都具有确定性，那是如何表示浮点这种具有近似效果的数据呢，答案是通过科学计数，科学计数由符号，尾数和指数表示，这三部分都是一个整数值，具体来看一下IEEE二进制浮点标准：
| 格式 | 说明 |
|---|---|
| 单精度 | 32位：符号占1位，指数占8位，尾数中的小数部分占23位 |
| 双精度 | 64位：符号占1位，指数占11位，尾数中的小数部分占52位 |
| 扩展精度 | 80位：符号占1位，指数占16位，尾数中的小数部分占63位 |
以单精度为例，在内存中的储存格式如下（左边为高位）：
| 1位符号 | 8位指数 | 23位尾数 |
其中符号位1表示负数，0表示正数，这与整数形式的符号位意义相同； 科学计数法表示形式如 m * (b ^ e)，m为尾数，b为基数，e是指数，再二进制中，基数毫无疑问是2，对单精度，指数为中间8位二进制表示的数字，其中的尾数是形如1.1101 小数点后面的整数值。
关于指数，由于需要表示正负两种数据，IEEE标准规定单精度指数以127为分割线，实际存储的数据是指数加127所得结果，127为高位为零，后7位为1所得，其他双精度也以此方式计算。
为了解释内存中浮点数的存储方式，举一个浮点数的例子说明：
float test = 123.456;int main()
{return 0;
}
例子再简单不过了，仅仅定义了一个全局的float类型，我们通过gcc -S test.c来生成汇编，看看123.456是如何存储的，打开反汇编后的文件，看到符号_test后定义的数字是 1123477881（这里gcc定义成了long类型，不过没有关系，因为都是四字节数字，具体的类型还得看如何使用）。可以使用计算器把十进制数字转化为二进制：0 10000101 11101101110100101111001，这里根据单精度的划分方式把32位划分成三部分，符号位为0，为正数，指数为 133，减去127得6，尾数加上1.，形式为1.11101101110100101111001，扩大2 ^ 23次方为111101101110100101111001，十进制16181625，后除以2 ^ (23 – 6) = 131072，结果为123.45600128173828125，与我们所定义的浮点数正好相符。
浮点寄存器
这里介绍了浮点数的二进制表示，前面说过浮点单元计算使用独立的寄存器，在寄存器那篇也稍有提及，这里详细说明一下浮点单元的寄存器设施。
FPU有 8 个独立寻址的80位寄存器，名称分别为r0, r1, …, r7，他们以堆栈形式组织在一起，统称为寄存器栈，编写浮点指令时栈顶也写为st(0)，最后一个寄存器写作st(7)。
FPU另有3个16位的寄存器，分别为控制寄存器、状态寄存器、标记寄存器，现一一详细说明此三个寄存器的作用：
状态寄存器，为用户记录浮点计算过程中的状态，其中各位的含义如下：
0 —— 非法操作异常
1 —— 非规格化操作数异常
2 —— 除数为0异常
3 —— 溢出标志异常
4 —— 下溢标志异常
5 —— 精度异常标志
6 —— 堆栈错误
7 —— 错误汇总状态
8 —— 条件代码位0（c0）
9 —— 条件代码位1（c1）
10 —— 条件代码位2 （c2）
11-13 —— 堆栈顶指针
14 —— 条件代码位3（c3）
15 —— 繁忙标志
其中读取状态寄存器内容可使用 fstsw %ax
控制寄存器的位含义如下：
0 —— 非法操作异常掩码
1 —— 非法格式化异常掩码
2 —— 除数为0异常掩码
3 —— 溢出异常掩码
4 —— 下溢异常掩码
5 —— 精度异常亚曼
6-7 —— 保留
8-9 —— 精度控制（00单精度，01未使用，10双精度，11扩展精度）
10-11 —— 舍入控制（00舍入到最近，01向下舍入，10向上舍入，11向0舍入）
12 —— 无穷大控制
13–15 —— 保留
其中读取控制寄存器和设置控制寄存器的指令如下：
# 加载到内存
fstcw control
# 加载到控制器
fldcw control
最后的标志寄存器最为简单，分别0-15位分别标志r0-r7共8个寄存器，每个寄存器占2位，这两位的含义如下：
11 —— 合法扩展精度
01 —— 零
10 —— 特殊浮点
11 —— 无内容
另外对浮点寄存器的一些控制指令如下：
# 初始化fpu，控制、状态设为默认值，但不改变fpu的数据
finit# 恢复保存环境
fldenv buffer
fstenv buffer#清空浮点异常
fnclex#fpu状态保存
fssave
fstenv 保存控制寄存器、状态寄存器、标记寄存器、FPU指令指针偏移量、FPU数据指针，FPU最后执行的操作码到内存中。
浮点数指令
接下来将要详细说明其计算过程，要计算数据首先得看如何从内存中加载数据到寄存器，同时把结果从寄存器取出到内存，除了加载内存中的浮点数据指令，另外还有一些常量的加载，现列举如下：
| 指令 | 说明 |
|---|---|
| finit | 初始化控制和状态寄存器，不改变fpu数据寄存器 |
| fstcw control | 将控制寄存器内容放到内存control处 |
| fstsw status | 将状态寄存器内容放到内存status处 |
| flds value | 加载内存中的单精浮点到fpu寄存器堆栈 |
| fldl value | 加载内存中的双精浮点到fpu寄存器堆栈 |
| fldt value | 加载内存中的扩展精度点到fpu寄存器堆栈 |
| fld %st(i) | 将%st(i)寄存器数据压入fpu寄存器堆栈 |
| fsts value | 单精度数据保存到value，不出栈 |
| fstl value | 双精度数据保存到value，不出栈 |
| fstt value | 扩展精度数据保存到value，不出栈 |
| fstps value | 单精度数据保存到value，出栈 |
| fstpl value | 双精度数据保存到value，出栈 |
| fstpt value | 扩展精度数据保存到value，出栈 |
| fxch %st(i) | 交换%st(0)和%st(i) |
| fld1 | 把 +1.0 压入 FPU 堆栈中 |
| fldl2t | 把 10 的对数(底数2)压入 FPU 堆栈中 |
| fldl2e | 把 e 的对数(底数2)压入 FPU 堆栈中 |
| fldpi | 把 pi 的值压入 FPU 堆栈中 |
| fldlg2 | 把 2 的对数(底数10)压入 FPU 堆栈中 |
| fldln2 | 把 2 的对数(底数e) 压入堆栈中 |
| fldz | 把 +0.0 压入压入堆栈中 |
以上指令虽多，但是还是很有规律，前缀f表示fpu操作，ld加载，st保存设置，p后缀弹出堆栈，s、l、t后缀表示单精度，双精度，扩展精度，c后缀表 示控制寄存器，s后缀表示状态寄存器。当然这仅仅是对AT&T语法而言，对MASM语法没有s，l，t之分，需要使用type ptr来指明精度，即内存大小。
学会灵活的加载弹出数据堆栈后，接下来就要看一些基本的计算：
fadd 浮点加法
fdiv 浮点除法
fdivr 反向浮点除法
fmul 浮点乘法
fsub 浮点减法
fsubr 反向浮点减法
对于以上的每种指令，有几种指令格式，以fadd为例，列举如下：
# 内从中的32位或者64位值和%st(0)相加
fadd source# 把%st(x)和%st(0)相加，结果存入%st(0)
fadd %st(x), %st(0)# 把%st(0)和%st(x)相加，结果存入%st(x)
fadd %st(0), %st(x)# 把%st(0)和%st(x)相加，结果存入%st(x)，弹出%st(0)
faddp %st(0), %st(x)# 把%st(0)和%st(1)相加，结果存入%st(1)，弹出%st(0)
faddp# 把16位或32位整数与%st(0)相加，结果存入%st(0)
fiadd source
这仅仅是对AT&T语法而言，对MASM源操作数与目的操作数相反！另外，对AT&T，与内存相关指令可加s、l指定内存精度。其中反向加法和反向除法是计算过程中目的与源反向计算。
浮点计算例子
接下来举一个AT&T语法的例子，来计算表达式的值 ( 12.34 * 13 ) + 334.75 ) / 17.8 ：
# ( 12.34 * 13 ) + 334.75 ) / 17.8
.section .datavalues: .float 12.34, 13, 334.75, 17.8result: .double 0.0outstring: .asciz "result is %f\n"
.section .text
.globl _main
_main:leal values, %ebxflds 12(%ebx)flds 8(%ebx)flds 4(%ebx)flds (%ebx)fmulpfaddpfdivp %st(0), %st(1)fstl resultleal result, %ebxpushl 4(%ebx)pushl (%ebx)pushl $outstringcall _printf
end:pushl $0call _exit
前四个flds加载所有的数据到寄存器堆栈，可以单步运行并是用gdb的print $st0打印堆栈寄存器的值，可以看到为什么是堆栈寄存器。需要说明的是由于printf的%f是double类型的输出，所以最后要把一个8字节浮点放 到栈中传递，最终结果为27.818541，可以看到与计算器计算的结果近似相等。
浮点高级运算
除了基本的浮点计算，x87还提供了一些诸如余弦运算等高级计算功能：
| 指令 | 说明 |
|---|---|
| f2xm1 | 计算2的乘方（次数为st0中的值，减去1 |
| fabs | 计算st0中的绝对值 |
| fchs | 改变st0中的值的符号 |
| fcos | 计算st0中的值的余弦 |
| fpatan | 计算st0中的值的部分反正切 |
| fprem | 计算st0中的值除以st1的值的部分余数 |
| fprem1 | 计算st0中的值除以st1的值的IEEE部分余弦 |
| fptan | 计算st0中的值的部分正切 |
| frndint | 把st0中的值舍入到最近的整数 |
| fscale | 计算st0乘以2的st1次方 |
| fsin | 计算st0中的值的正弦 |
| fsincos | 计算st0中的值的正弦和余弦 |
| fsqrt | 计算st0中的值的平方根 |
| fyl2x | 计算st1*log st0 以2为底 |
| fyl2xp1 | 计算st1*log (st0 + 1) 以2为底 |
下面来看一下浮点条件分支，浮点数的比较不像整数，可以容易的使用cmp指令比较，判断eflags的值，关于浮点数比较，fpu提供独立的比较机制和指令，现对这组比较指令进行说明：
| 指令 | 说明 |
|---|---|
| fcom | 比较st0和st1寄存器的值 |
| fcom %st(x) | 比较st0和stx寄存器的值 |
| fcom source | 比较st0和32/64位内存值 |
| fcomp | 比较st0和st1寄存器的值，并弹出堆栈 |
| fcomp %st(x) | 比较st0和stx寄存器的值，并弹出堆栈 |
| fcomp source | 比较st0和32/64位内存值，并弹出堆栈 |
| fcompp | 比较st0和st1寄存器的值，并两次弹出堆栈 |
| ftst | 比较st0和0.0 |
浮点数比较的结果放入状态寄存器的c0，c2，c3条件代码位中，其值如下：
| 结果 | c3 | c2 | c0 |
|---|---|---|---|
| st0 > source | 0 | 0 | 0 |
| st0 < source | 0 | 0 | 1 |
| st0 = source | 1 | 0 | 0 |
如此倘若直接判断c0，c2，c3的值比较繁琐，所以可以使用一些技巧，首先使用fstsw指令获得fpu状态寄存器的值并存入ax，再使用sahf指令把 ah寄存器中的值加载到eflags寄存器中，sahf指令把ah寄存器的第0、2、4、6、7分别传送至进位、奇偶、对准、零、符号位，不影响其他标 志，ah寄存器中这些位刚好包含fpu状态寄存器的条件代码值，所以通过fstsw和sahf指令组合，可以传送如下值：
把c0位传送到eflags的进位标志
把c2位传送到eflags的奇偶校验标志
把c3位传送到eflags的零标志
传送完毕后，可以用条件跳转使用不同的结果值，另外需要说明的是浮点数相等判断，因为浮点数本身存储结构决定了它仅仅是一个近似值，所以不能直接判断是否相 等，这样可能与自己预期的结果不同，应该判断两个浮点数之差是否在一个很小的误差范围内，来决定这两个浮点数是否相等。
根据上面的技巧，使用fstsw和fpu指令组合，可以方便的使用浮点判断结果，这对我们是一种便利，而intel的工程师又为我们设计了一个组合指令，fcomi指令执行浮点比较结果并把结果存放到eflags寄存器的进位，奇偶，和零标志。
| 指令 | 说明 |
|---|---|
| fcomi | 比较st0和stx寄存器的值 |
| fcomip | 比较st0和stx寄存器，并弹出堆栈 |
| fucomi | 比较之前检查无序值 |
| fucomip | 比较之前检查无序值，之后弹出堆栈 |
判断结束后eflags的标志设置如下：
| 结果 | ZF | PF | CF |
|---|---|---|---|
| st0 > st(x) | 0 | 0 | 0 |
| st0 < st(x) | 0 | 0 | 1 |
| st0 = st(x) | 1 | 0 | 0 |
CMOV移动指令
最后介绍的是类似cmov的指令，根据判断结果决定是否需要移动数据，其AT&T格式为 fcmovxx source, destination，其中source是st(x)寄存器，destination是st(0)寄存器。
| 指令 | 说明 |
|---|---|
| fcmovb | 如果st(0)小于st(x)，则进行传送 |
| fcmove | 如果st(0)等于st(x)，则进行传送 |
| fcmovbe | 如果st(0)小于或等于st(x)，则进行传送 |
| fcmovu | 如果st(0)无序，则进行传送 |
| fcmovnb | 如果st(0)不小于st(x)，则进行传送 |
| fcmovne | 如果st(0)不等于st(x)，则进行传送 |
| fcmovnbe | 如果st(0)不小于或等于st(x)，则进行传送 |
| fcmovnu | 如果st(0)非无序，则进行传送 |
以上可以看出，无论从寄存器的操作，还是计算过程，都比整数运算要繁琐的多，而且看似很简单的一个表达式，转化成浮点汇编需要做很多工作，由于其复杂性，同 一个表达式可以有多种运算过程，当然其中的效率相差很大，这依赖于对浮点汇编的理解程度，好在有高级语言处理相关工作，编写浮点指令的情况比较少见。
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