第3章 程序的机器级表示
一、X86 寻址方式
1 DOS时代的平坦模式，不区分用户空间和内核空间，很不安全
2 8086的分段模式
3 IA32的带保护模式的平坦模式
二、程序编码
编译如下代码：
unix> gcc -01 -o p p1.c p2.c
- 01 表示告诉编译器使用第一级优化。通常，提高优化级别会使最终程序运行的更快，但编译时间可能会变长，用调试工具对代码进行调试会更困难。
- 从得到的程序性能方面考虑，第二级优化-02被认为是是较好的选择。
二、机器级代码
1、两种抽象
（1）ISA
ISA（Instruction set architecture）指令体系结构：机器级程序的格式和行为，定义了处理器状态、指令的格式、每条指令对状态的影响。
（2）机器级程序使用的存储器地址是虚拟地址
提供的存储器模型看上去是一个非常大的字节数组，实际实现是将多个硬件存储器和操作系统软件组合起来。
2、汇编代码特点
它用可读性更好的文本格式来表示。
3、状态可见的几种处理器
- 程序计数器 （PC，用%eip表示）
- 整数寄存器 （包含8个命名的位置，存储32位的值）
- 条件码寄存器 （实现if和while语句）
- 浮点寄存器 （存放浮点数）
机器代码简单地将存储器看成一个很大的、按字节寻址的数组。 汇编代码也不区分有符号或无符号整数，不区分各种类型的指针，甚至不区分指针和整数。
一条机器指令只执行一个非常基本的操作
三、获得汇编代码
（1）gcc -S xxx.c -o xxx.s 获得汇编代码
eg：unix> gcc -01 -S code.c
（2）objdump -d xxx 反汇编;
eg:unix> objdump -d code.o
注意: 64位机器上想要得到32代码：gcc -m32 -S xxx.c
MAC OS中没有objdump, 有个基本等价的命令otool
Ubuntu中 gcc -S code.c （不带-O1） 产生的代码更接近教材中代码（删除"."开头的语句）
四、查看二进制格式文件
二进制文件可以用od 命令查看，也可以用gdb的x命令查看。 有些输出内容过多，我们可以使用 more或less命令结合管道查看，也可以使用输出重定向来查看
od code.o | more
od code.o > code.txt
五、关于格式的注解
以“.”开头的行都是指导汇编器和链接器的命令，我们通常可以忽略这些行。
gcc -S 产生的汇编中可以把 以”.“开始的语句都删除了再阅读。
六、Linux和Windows的汇编格式
ATT格式的汇编代码
是GCC、OBJDUMP及其他我们使用的一些工具的默认格式。
Intel格式的汇编代码
包括Microsoft工具等编程工具。
1、C语言基本数据类型对应的IA32表示。
数据传送指令有三个变种：
movb（传送字节）
movw（传送字）
movl（传送双字）
后缀'l'用来表示双字
注：汇编代码也使用后缀'l'来表示4字节整数和8字节双精度浮点数。
七、访问信息
一个IA32中央处理单元（CPU）包含一组8个存储32位值的寄存器。这些寄存器用来存储整数数据和指针。
esi edi可以用来操纵数组，esp ebp用来操纵栈帧。
1、操作数指示符
操作数：指示出执行一个操作中要引用的源数据值，以及放置结果的目标位置。
（1）操作数的三种类型
- 立即数
- 寄存器
- 存储器
（2）多种不同的寻址方式
2、数据传送指令
（1）MOV类指令
定义：将数据从一个位置复制到另一个位置，将源操作数的值复制到目的操作数。
（2）PUSH&POP指令
PUSH：将数据压入程序栈中
POP：从程序栈中弹出数据
注意：
1.后进先出：即弹出的值永远是最近被压入，仍然在栈内的值
2.栈指针指向栈顶元素
3.栈向下即低地址方向增长
4.栈顶元素的地址是所有栈中元素地址中最低的。
3、数据传送示例
（1）指针示例
eg：int x = *xp；
读出参数xp，放在寄存器%edx里，然后将x读到%eax中，实现了C程序中的操作 x=*xp，然后用寄存器%eax从该函数返回一个值x。
八、算术和逻辑操作
1、操作分类
- 加载有效地址
-
一元操作
只有一个操作数，既是源又是目的。它可以是一个寄存器，或者存储器位置。
-
二元操作
有两个操作数，其中第二个操作数，又是源，又是目的。
-
移位
SAL 算术左移
SHL 逻辑左移
SAR 算术右移（补符号位）
SHR 逻辑右移（补0）
先给出位移量，再给出要位移的位数，可进行算术和逻辑右移。
2、加载有效地址
加载有效地址（load effective address）指令leal是movl指令的变形。
将有效地址写入到目的操作数。
3、特殊算术操作
下图描述的指令支持产生两个32位数字的全64位乘积以及整数除法。
（1）乘法
乘积截断：产生一个32位乘积
乘积不截断：
- 无符号数乘法（mull）
- 补码乘法（imull）
（2）除法
有符号除法指令：idivl
将寄存器%edx，%eax中的64位数作为被除数
将商存储在寄存器%eax中，余数存储在%edx中。
九、控制
1、条件码
条件码寄存器：他们描述了最近的算术或逻辑操作的属性。
常用的条件码：
CF:进位标志
ZF:零标志
SF:符号标志
OF:溢出标志
常见指令：
LEAL：不改变条件码寄存器
XOR：进位标志和溢出标志会设置成0
INC：设置溢出和零标志
DEC：设置溢出和零标志
CMP：根据操作数之差设置条件码
SUB：设置条件码，更新寄存器
TEST：改变目的寄存器的值
2、访问条件码
常用使用方法：
（1）根据条件码的某个组合，将一个字节设置成0或1
（2）可以条件跳转到某个其他部分
（3）可以有条件的传送数据
（1）SET指令
通过set与不同的条件码的组合，达到不同的跳转条件。
3、跳转指令及其编码
JUMP指令，导致执行切换到程序中一个全新的位置。
注意：jump分为直接跳转和间接跳转
- 直接跳转：后面跟标号作为跳转目标
- 间接跳转：*后面跟一个操作数指示符
十、翻译条件分支
将条件表达式和语句从c语言翻译成机器语言，最常用的方式就是结合有条件和无条件跳转。
使用goto通常认为是一种不太好的风格。
十一、循环
1、do-while循环
汇编中，根据do-while形式产生循环代码
do-while语句的通用形式：
do
body-statement
while(test-expr);
可翻译成如下：
loop：
body-statement
t = test-expr;
if(t)
goto loop;
2、while循环
while语句的通用形式：
while (test-expr)
body-statement
GCC采用的方法，是使用条件分支，需要时省略循环体的第一次执行：：
if(！test-expr）
goto done;
do
body-statement
while(test-expr);
done:
接下来，这个代码可直接翻译成goto代码：
t = test-expr;
if(!t)
goto done:
loop：
body-statement
t = test-expr;
if(t)
goto loop;
done:
3、for循环
for循环的通用形式：
for(init-expr;test-expr;update-expr)
body-statement
汇编结构：
init-expr
t=test-expr;
if(!t)
goto done;
loop:
body-statement
update-expr;
t=test-expr;
if(t)
goto loop;
done:
4、switch语句
根据一个整数索引值进行多重分支，执行switch语句的关键步骤是通过跳转表来访问代码位置，使结构变得更加高效。
十二、过程
过程调用
-
进入时为过程的局部变量分配空间
-
将数据（以过程参数和返回值的形式）和控制从代码的一部分传递到另一部分。
-
退出时释放这些空间。
1、栈帧结构
-
IA32程序用程序栈来支持过程调用。
-
机器用栈来传递过程参数、存储返回信息、保存寄存器，以及本地存储。
2、转译控制
（1）call指令
-
目标是指明被调用过程起始的指令地址
-
效果是将返回地址入栈，并跳转到被调用过程的起始处。
（2）ret指令
-
从栈中弹出地址，并跳转到这个位置。
-
函数返回值存在%eax中
3、寄存器使用惯例
注意：保证当一个过程调用另一个过程时，被调用者不会覆盖某个调用者稍后会用的寄存器的值。
十三、应用：使用GDB调试器
关于栈帧的gdb命令：
1、backtrace/bt
打印当前的函数调用栈的所有信息。
n是一个正整数，表示只打印栈顶上n层的栈信息。
-n表一个负整数，表示只打印栈底下n层的栈信息。
2、frame
n为栈中的层编号，是一个从0开始的整数
比如：frame 0，表示栈顶，frame 1，表示栈的第二层。
该指令是移动到n指定的栈帧中去，并打印选中的栈的信息。
如果没有n，则打印当前帧的信息。
3、up
表示向栈顶移动n层
可以不打n，表示向上移动一层。
4、down
表示向栈底移动n层
可以不打n，表示向下移动一层。