• Linux第四次学习笔记


    程序的机器级表示

    寻址方式的演变

    DOS → 8086 → IA32
    
    Inter处理器系列俗称x86,其演变过程(根据其所需要的晶体管数量来说明):
    8086 → 80286 → i386 → i486 → Pentium → PentiumPro → Pentium II → Pentium III → Pentium 4 → Pentium 4E
    → Core 2 → Core i7
    

    机器级代码

    两种抽象极为重要:

    1.机器级程序的格式和行为
      指令集体系结构(ISA),它定义了处理器状态、指令的格式以及每条指令对状态的影响。
      大多数ISA,包括ISA32和x86-64,将程序的行为描述成每条指令是按顺序执行的。
    2.机器级程序使用的存储器地址是虚拟抵制,提供的存储器模型看上去是一个非常打的字节数组。
      实际实现是将多个硬件存储器和操作系统软件组合起来。
    

    汇编代码非常接近于机器代码

    汇编代码有一个主要特点
    它用可读性更好的文本格式来表示。

    IA32机器代码的处理器状态

    1.**程序计数器**(在IA32中,通常成为“PC”,用%eip表示)指示将要执行的下一条指令在存储器中的地址。
    2.**整数寄存器文件**包含8个命名的为止,分别存储32位的值。用于存储地址或整数数据。
    3.**条件码寄存器**保存着最近执行的算术或者逻辑指令的状态信息。用于实现控制和数据流中的条件变化。
    

    汇编代码不区分有符号或无符号整数,不区分各种类型的指针,不区分指针和整数。

    程序存储器

    包含程序的可执行机器代码,操作系统需要的一些信息,用来管理过程调用和返回的运行时栈,以及用户分配的存储器块。
    用虚拟地址来寻址。操作系统负责管理虚拟地址空间,将虚拟抵制翻译成实际处理器存储器中的物理地址。
    

    一条机器指令只执行一个非常基本的操作。

    代码示例

    利用gcc -O1 -S xxx.c -o xxx.s将C语言代码编译成汇编代码
    如下图,将code.c编译成code.s

    由于本人使用的是Ubuntu 64位系统所以使用gcc -m32 -S xxx.c -o xxx.s所得到的汇编代码更接近教材所示。
    也可以用objdump -d xxx进行反汇编

    查看-S生成的汇编文件时,出现很多"."开头的语句,将其删除后便于阅读。

    二进制文件的查看

    可以用od 命令查看,也可以用gdb的x命令查看。

    ATT与intel汇编代码格式

    Intel格式代码的生成:
    gcc -S -masm=intel xxx.c

    区别

    • Intel代码省略了指示大小的后缀。movl改为mov。
    • intel代码省略了寄存器名字前面的'%'符号。%esp改为esp
    • intel代码用不同的方式来描述存储器中的位置。8(%ebp)改为DWORD PTR [ebp+8]
    • 在带有多个操作数的指令情况下,列出操作数的顺序相反。

    数据格式

    数据传送指令变种

    • movb(传送字节)
    • movw(传送字)
    • movl(传送双字)

    访问信息

    IA32CPU包含一组8个存储32位值的寄存器,用于存储整数数据和指针,名称都以%e开头。

    • 4个数据寄存器(eax、ebx、ecx和edx)

    • 2个变址和指针寄存器(esi和edi)

    • 2个指针寄存器(esp和ebp)

    • 4个数据寄存器(EAX、EBX、ECX和EDX)

        32位CPU有4个32位的通用寄存器EAX、EBX、ECX和EDX。对低16位数据的存取,不会影响高16位的数据。这些低16位寄存器分别命名
        为:AX、BX、CX和DX,它和先前的CPU中的寄存器相一致。
      
        4个16位寄存器又可分割成8个独立的8位寄存器(AX:AH-AL、BX:BH-BL、CX:CH-CL、DX:DH-DL),每个寄存器都有自己的名称,可
        独立存取。程序员可利用数据寄存器的这种“可分可合”的特性,灵活地处理字/字节的信息。
      
    • 2个变址和指针寄存器(ESI和EDI)

        32位CPU有2个32位通用寄存器ESI和EDI。其低16位对应先前CPU中的SI和DI,对低16位数据的存取,不影响高16位的数据。
      
        寄存器ESI、EDI、SI和DI称为变址寄存器(Index Register),它们主要用于存放存储单元在段内的偏移量,用它们可实现多种存储
        器操作数的寻址方式,为以不同的地址形式访问存储单元提供方便。
        
        变址寄存器不可分割成8位寄存器。作为通用寄存器,也可存储算术逻辑运算的操作数和运算结果。它们可作一般的存储器指针使用。
        在字符串操作指令的执行过程中,对它们有特定的要求,而且还具有特殊的功能。
      
    • 2个重要的指针寄存器(ESP和EBP)

        ESP:栈指针寄存器(extended stack pointer),其内存放着一个指针,该指针永远指向系统栈最上面一个栈帧的栈顶。
        EBP:基址指针寄存器(extended base pointer),其内存放着一个指针,该指针永远指向系统栈最上面一个栈帧的底部
      
    • 注意%ebp和%esp保存着指向程序栈中重要位置的指针。

    • 字节操作可以对%eax/%ecx/%edx/%ebx的2个低位字节进行读写操作。

    操作数指示符

    • 立即数(immediate),常数值
    • 寄存器(regist):
      1. 双字操作-可以表示32位寄存器中的一个(%eax);
      2. 操作-可以表示16位寄存器中的一个(%ax);
      3. 字节操作-可以表示单字节寄存器元素中的一个(%al);
        -存储器(mempry),根据有效地址访问某个存储器为止。

    寻址模式

    格式表示:Imm (Eb,Ei,s) *其中Imm为立即数偏移,Eb位基址寄存器,Ei为变址寄存器,s为比例因子,s必须位1、2、4或8.

    有效地址运算:Imm + R[Eb] + R[Ei]·s

    数据传送指令

    传送指令MOV(Move)把一个字节、字或双字的操作数从源位置传送到目的位置,源操作数的内容不变。

    格式:MOV DST,SRC

    • MOV reg/mem, imm ;立即数→寄存器或存储器
    • MOV reg/mem/seg, reg ;寄存器的值→寄存器/内存/段寄存器
    • MOV reg/seg, mem ;内存单元的值→寄存器/段寄存器
    • MOV reg/mem, seg ;段寄存器的值→寄存器/内存单元

    实例:

    • MOV EAX,#050aH ;将十六进制数050a 传送到通用寄存器eax中
    • MOV DI,BX(寄存器到寄存器之间传数)
    • MOV ES,AX(通用寄存器与段寄存器之间传数)
    • MOV AX,DS(段寄存器至通用寄存器)
    • MOV AL,23H(将立即数"复制"到寄存器)
    • MOV [2000H],02H(直接寻址)
    • MOV [2061H],BX

    应该注意的是:

    • 目的操作数要与源操作数类型要一致,不能一个是字,一个是字节
    • 目的操作数要和源操作数类型之一必须要有明确的类型
    • 立即数不能作为目的操作数
    • 不能用立即寻址方式给段寄存器传数
    • 源操作数和目的操作数不能同时为存储器操作数,即存储单元之间不能用MOV指令直接传送
    • CS和IP不能作为目的操作数,但CS可以作为源操作数。
    • 段寄存器之间不能用MOV指令直接传送
    • 在传送字单元时,遵循“高字节存放在高地址,低字节存放在低地址”的原则。

    • b-8位 w-16位 l-32位
    • MOVS(符号位扩展),目的位置的所有高位用源值的最高位数值进行填充。
    • MOVZ(零扩展),目的为止的所有高位都用零填充。

    栈 p115

    • 栈是一种数据结构,可以添加或者删除值,遵循后进先出的原则。
    • 通过pop删除数据,弹出的值永远是最近被压入而仍然在栈中的值。总是从数组的栈顶插入和删除元素。
    • 通过push把数据压入栈中
    • 栈顶元素的地址是所有栈中元素地址中最低的。
    • pushl用于把数据压入到栈上,仅仅只有一个操作数,相当于将栈指针减4,然后将值写到新的栈顶地址
    • popl用于弹出数据,仅仅只有一个操作数,相当于从栈顶位置读出数据,然后将栈指针加4
    • 程序可以用标准的存储器寻址方法访问栈内任意位置,例如movl 4(%esp),%edx

    c语言中的指针

    p117代码展示:

    • c语言中所谓的指针其实就是地址
    • 间接引用指针就是将该指针放在一个寄存器中,然后在存储器引用中使用这个寄存器。
    • 局部变量x通常保存在寄存器中,因为寄存器访问较存储器访问要快。

    加载有效地址

    • leal是从存储器读数据到寄存器,但实际上并没有引用存储器。
    • 格式:leal S,D 相对应的效果 D ← &S
    • leal并没有大小操作数的变种

    一元操作

    • 仅有一个操作数,既是源也是目的,可以为寄存器也可以为存储器位置。
    • 类别:1.INC 2.DEC 3.NEG 4.NOT

    二元操作

    • 有两个操作数,第二个操作数既是源又是目的。源操作数是第一个,目的操作数是第二个。
    • 第一个操作数可以是立即数、寄存器或者是存储器位置。
    • 第二个操作数可以是寄存器或是存储器位置。
    • 两者不能同时是存储器位置
    • 类别:1.ADD 2.SUB 3.IMUL 4.XOR 5.OR 6.AND

    移位操作

    • 移位量只允许进行0~31位的移位。
    • 移位量可以是立即数,或者放在单字节寄存器元素%cl中。
    • 类别:1.SAL 2.SHL 3.SAR 4.SHR

    特殊操作(p122)

    1. imull S 有符号全64位乘法(乘数除了S外,另一个操作数取自%eax)
    2. mull S 无符号全64位乘法(乘数除了S外,另一个操作数取自%eax)
    3. cltd 转为四字
    4. idivl S 有符号除法
    5. divl S 无符号除法

    条件码

    • CF:进位标志。最近的操作使最高位产生了进位。可以用来检查无符号操作数据的溢出。
    • ZF:零标志。最近的操作得出的结果为0.
    • SF:符号标志。最近的操作得到的结果为负数。
    • OF: 溢出标志。最近的操作导致一个补码溢出--正溢出或负溢出。
    • leal指令不改变任何条件码
    • 一元操作、二元操作、移位操作均会影响条件码

    CMP与SUB

    • CMP的指令与SUB的指令行为相同。Operate S2,S1 => S1 - S2
    • CMP S2,S1 改变标志位,但相减的结果并不会赋予S1
    • SUB S2,S1 改变标志位,但相减的结果会赋予S1

    TEST与AND

    • 两者的指令行为相同,Operate S2,S1 => S1&S2
    • 典型用法:testl %eax,%eax用来检查%eax是负数、零,还是正数。

    访问条件码

    基于set的不同组合

    跳转指令及其编码

    • jump(跳转)指令会导致执行切换到程序中一个全新的位置。
    • label(标号),跳转的目的地需要用一个标号来指明。
    • 分类:
      • 直接跳转:给出一个标号作为跳转目标。例如 jmp .L1
      • 间接跳转:跳转目标是从寄存器或存储器位置中读出的。写法为'*'+操作数指示符 例如 jmp *%eax
        • 区别jmp *%eax 与 jmp *(%eax)
        • jmp *%eax将%eax中的值作为跳转目标 | jmp *(%eax)将%eax的值作为读地址,从存储器中读出跳转目标。

    翻译条件分支

    • 常用的方式:

      • 结合有条件跳转
      • 结合无条件跳转
    • C语言中的if-else语句通用模版:

        if(test-expr)
        	then-statement
        else
        	else-statement
      
    • 汇编相对应的通用形式

        t = test-expr;
        if(!t)
        	goto false;
        then-statement
        goto done;
        false:
        	else-statement
        done:
      
    • 汇编为then-statement 和 else-statement产生了各自的代码块。

    循环

    do-while

    • 通用形式:

        do
        	body-statment
        	while(test-expr);
      
    • 对应的goto语句:

        loop:
        	body-statement
        	t = test-expr;
        	if(t)
        		goto loop;
      
    • body-statemnt至少会执行一次

    while循环

    • 通用形式:

        while(test-expr)
        	body-statement
      
    • 对应的goto语句

        t = test-expr;
        if(!t)
        	goto done;
      

      loop:
      body-statement
      t = test-expr;
      if(t)
      goto loop;
      done:

    • 通过条件才执行依次。

    for循环

    • 通用形式:

        for(init-expr;test-expr;update-expr)
        	body-statement
      
    • 对应的goto语句

        init-expr;
        t = test-expr;
        if(!t)
        	goto done;
        loop:
        	body-statement
        	update-expr
        	t = test-expr;
        	if(t)
        		goto loop;
        done:
      

    switch语句 p145

    • 根据一个整数索引值进行多重分支。多用于处理具有多种可能结果的测试时。
    • 运用到了跳转表(jump table),跳转表为一个数组,表项i是一个代码段的地址,这个代码段实现打那个开关索引值等于i时程序应采取的措施

    栈帧结果

    • 栈用来传递参数、存储返回信息、保存寄存器以及本地存储
    • 寄存器%ebp为帧指针
    • 寄存器%esp为栈指针
    • 当程序执行时,栈指针可以移动,大多数信息的访问都是相对于帧指针的。

    转移控制

    • call Label 直接调用
    • call *Operand 间接调用
    • call的效果是将返回地址入栈,并跳转道被调用过程的起始处。
    • 返回地址是在程序中紧跟在call后面的那条指令的抵制。
    • leave为返回准备栈
    • ret的效果是从栈中弹出地址,并跳转到这个位置。
    • 函数返回值保存在%eax中

    寄存器使用惯例

    • %eax/%edx/%ecx - 调用者保存寄存器 当过程P调用Q时,Q可以覆盖这些寄存器
    • %ebx/%esi/%edi - 被调用者保存寄存器 当Q必须在覆盖这些寄存器的值之前,先把他们保存到栈中,并在返回前回复他们,因为P有可能在今后的计算中需要这些值。
    • 必须保持寄存器%ebp/%esp

    GDB调试器

    • GDB命令示例:

    对于栈的GDB命令
    • bt n
      • 若省略n,则为打印当前栈的信息
      • 若n为正整数,则为打印该栈顶上n层的栈信息
      • 若n为负整数,则为打印该栈地下n层的栈信息
    • frame n
      • frame命令允许你从一个栈框移动到另一个栈框,然后可以打印出你选择的栈框,args要么是栈框的地址,要么是栈框的标号,如果没有参数,frame 命令将会打印出当前的栈框。
      • select-frame 命令允许你从一个栈框移动到另外一个栈框而不打印栈框的信息,
        这个命令可以看作是frame命令的silent版本。
    • up n
      • 向当前栈上面移动n层
      • 若省略n,则单步进行
    • down n
      • 向当前栈下面移动n层
      • 若省略n,则单步进行

    作业

    源代码如下:

    编译后去除.开头的语句得到以下语句:

    add:
    	pushl	%ebp
    	movl	%esp, %ebp
    	movl	8(%ebp), %eax
    	addl	$15, %eax
    	popl	%ebp
    function:
    	pushl	%ebp
    	movl	%esp, %ebp
    	subl	$4, %esp
    	movl	8(%ebp), %eax
    	movl	%eax, (%esp)
    	call	add
    	leave
    	ret
    main:
    	pushl	%ebp
    	movl	%esp, %ebp
    	subl	$4, %esp
    	movl	$15, (%esp)
    	call	function
    	addl	$8, %eax
    	leave
    	ret
    

    gdb小试

    遇到的问题与解决方法

    1.在加载有效地址 %edx=x leal 7(%edx,%edx,4),%eax对此并不理解为什么表示的为将设置寄存器%eax的值为5x+7

     解决:通过网络的查询,得知此为AT&T语法,base(offset, index, i),就是 base+offset+index*i
          相对应的则是7+x+x*4=5*x+7。
    

    2.在查阅CMP与SUB之间的区别时,发现百度百科上CMP对于操作数的执行顺序与教材中的不同。

    解决:询问老师,得知在Linux系统中CMP S2,S1表示S1-S2,而在Windows系统中 CMP S2,S1 表示S2-S1。
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