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: 深入理解计算机系统笔记 文章目录 系列文章3 程序的机器级表示3.1 历史观点3.2 程序编码3.2.1 机器级代码3.2.2 代码示例3.2.3 关于格式的注解 3.3 数据格式3.4 访问信息3.4.1 操作数指示符3.4.2 数据传送指令3.4.3 数据传送示例3.4.4 压入和弹出栈数据 3 程序的机…系列文章
: 深入理解计算机系统笔记 文章目录 系列文章3 程序的机器级表示3.1 历史观点3.2 程序编码3.2.1 机器级代码3.2.2 代码示例3.2.3 关于格式的注解 3.3 数据格式3.4 访问信息3.4.1 操作数指示符3.4.2 数据传送指令3.4.3 数据传送示例3.4.4 压入和弹出栈数据 3 程序的机器级表示
计算机执行机器代码编译器基于编程语言的规则、目标机器的指令集操作系统遵循的惯例生成机器代码。汇编代码是机器代码的文本表示。高级代码可移植性较好而汇编代码与特定机器密切相关。现在不要求使用汇编语言编制程序能够阅读和理解编译器转化的汇编语言的细节和方式并分析代码中隐含的低效率。精通细节是理解更深和更基本概念的先决条件。
3.1 历史观点
Intel处理器系列俗称x86每个后续处理器都是向下兼容的所以指令集中会有一些奇怪的东西x8664位。摩尔定律: 晶体管数目18个月翻一番。
3.2 程序编码
使用较高级别优化的代码会严重变形和源代码的格式机器代码和初始源代码之间的关系难以理解。实际中从程序性能考虑较高级别的优化是较好的选择O2用的比较多。汇编器产生的目标代码是机器代码的一种形式它包含二进制形式表示的所有指令但还没有填入全局值的地址。链接之后才形成可执行代码可执行代码是机器代码的第二种形式。
3.2.1 机器级代码
对机器级编程尤为重要的两种抽象 1.指令集架构定义了处理器状态、指令的格式、指令对状态的影响。
虚拟地址机器级程序使用虚拟地址即将内存看成一个按字节寻址的数组。
一些通常对语言级隐藏的处理器状态机器级可见
程序计数器PC下一条执行指令的地址整数寄存器文件保存临时数据或重要的程序状态条件码寄存器最近执行的算术或逻辑指令的状态信息一组向量寄存器保存一个或多个整数或浮点数值
机器代码和汇编代码中不区分有符号数和无符号数不区分指针的不同类型不区分指针和整数。因为虚拟内存的大小通常比较大程序实际使用和访问的内存大小通常远小于虚拟内存看起来的大小。所以在任意的时刻只有有限的虚拟内存是合法的操作系统负责管理虚拟内存通过表翻译为实际的物理地址。一条机器指令只执行一个非常基本的操作。
3.2.2 代码示例
#include stdio.h// 声明 multstore 函数
void multstore(long x, long y, long *dest);// 声明 mult2 函数
long mult2(long a, long b);int main() {long d;multstore(2, 3, d);printf(2 * 3 -- %ld\n, d);return 0;
}// 定义 multstore 函数
void multstore(long x, long y, long *dest) {*dest mult2(x, y);
}// 定义 mult2 函数
long mult2(long a, long b) {long s a * b;return s;
}gcc -S a.c -o multstore.s //部分汇编不同优化等级和环境产生的不一样//这个和书上差别有亿点大63 mult2:64 .LFB2:65 .cfi_startproc66 pushq %rbp67 .cfi_def_cfa_offset 1668 .cfi_offset 6, -1669 movq %rsp, %rbp70 .cfi_def_cfa_register 671 movq %rdi, -24(%rbp)72 movq %rsi, -32(%rbp)73 movq -24(%rbp), %rax74 imulq -32(%rbp), %rax75 movq %rax, -8(%rbp)76 movq -8(%rbp), %rax77 popq %rbp78 .cfi_def_cfa 7, 879 ret80 .cfi_endproc-S选项产生汇编代码反汇编是根据机器代码反推出汇编的逆向和一些安全漏洞分许就会用到这个机器代码与反汇编表示的特性
x86-64 的指令长度范围为 1~15 字节。常用指令和操作数少的指令所需字节少。指令格式设计方式为可以将字节唯一的解码成机器指令。反汇编器基于机器代码文件中的字节序列确定汇编代码与源代码和编译时的汇编代码无关指令结尾的 ‘q’ 是大小指示符大多数情况下可以省略。
从源程序转换来的可执行目标文件中除了程序过程的代码还包含启动和终止程序的代码与操作系统交互的代码。
3.2.3 关于格式的注解 81 .LFE2:82 .size mult2, .-mult283 .ident GCC: (GNU) 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-44)84 .section .note.GNU-stack,,progbits
像这样的汇编代码以 ‘.’ (点) 开头的行是指导汇编器和链接器工作的伪指令。我们一般忽略它们。
在汇编语言中Intel 和 ATT 是两种主要的语法格式它们在指令格式、操作数顺序、寄存器命名等方面有显著的区别。
Intel 语法: 目的操作数在前源操作数在后。 ATT 语法: 源操作数在前目的操作数在后。操作数大小 Intel 语法: 操作数大小由操作码决定不需要额外的后缀。 ATT 语法: 使用后缀来指明操作数大小b 表示字节w 表示字l 表示双字q 表示四字。寄存器命名 Intel 语法: 寄存器名称直接使用。 ATT 语法: 寄存器名称前面加 % 符号。立即数 Intel 语法: 立即数不需要前缀。 ATT 语法: 立即数前面加 $ 符号
还有一些符号上的小差距总的来说两者操作数顺序恰好相反我个人觉得Intel语法在许多方面更加简洁有些C语言访问不到的机器特性我们可以考虑包含asm伪指令或者链接一部分汇编指令来优化程序。
3.3 数据格式 汇编代码指令最后一个字符的后缀movb, movw, movl, movq。 这里说的都是整数浮点数使用一组完全不同的指令和寄存器“l”既可以表示四字节整数也可以表示8字节的双精度浮点数。
3.4 访问信息 名称
起初的8086只有8个16位的寄存器%ax到%bp r是特殊的栈指针后面IA32架构扩展至32位前缀一个e也就是%eax到%ebxx86-64架构扩展至16个64位自带一个r大小由尾缀决定编号也挺草率的几个版本主打一个风格迥异。
低位操作的规则
将寄存器作为目标位置时生成字节和字的指令会保持剩下的字节不变。放字节字2字节的时候就不改其他位的值了生成双字的指令会把高位四字节置为 0。32位扩展的一部分内容
16个寄存器的作用 a返回值 s栈指针 d, s, d, c, 8, 9第 1 到第 6 个参数 b,bp, 12~15被调用者保存 10, 11调用者保存
3.4.1 操作数指示符
三种主要的操作数类型
立即数 (Immediate)表示常数值 考研好像是Intel格式
//Intel 语法示例
mov eax, 10 ; 将立即数 10 移动到寄存器 eax
add eax, 5 ; 将立即数 5 加到寄存器 eax
//ATT 语法示例
movl $10, %eax ; 将立即数 10 移动到寄存器 eax
addl $5, %eax ; 将立即数 5 加到寄存器 eax寄存器 (Register),使用寄存器中的全部位或者低位的内容
//Intel 语法示例
mov eax, ebx ; 将寄存器 ebx 的值移动到寄存器 eax
add eax, ecx ; 将寄存器 ecx 的值加到寄存器 eax
//ATT 语法示例
movl %ebx, %eax ; 将寄存器 ebx 的值移动到寄存器 eax
addl %ecx, %eax ; 将寄存器 ecx 的值加到寄存器 eax内存引用 (Memory Reference),寻址可以是直接地址、间接地址或基于寄存器的地址计算。带了或者[]和解引用指针很像。
//Intel 语法示例
mov eax, [ebx] ; 将内存地址 [ebx] 的值移动到寄存器 eax
mov [ecx 4], edx ; 将寄存器 edx 的值移动到内存地址 [ecx 4]
add eax, [esi edi*4] ; 将内存地址 [esi edi*4] 的值加到寄存器 eax
//ATT 语法示例
movl (%ebx), %eax ; 将内存地址 (%ebx) 的值移动到寄存器 eax
movl %edx, 4(%ecx) ; 将寄存器 edx 的值移动到内存地址 4(%ecx)
addl (%esi, %edi, 4), %eax ; 将内存地址 (%esi, %edi, 4) 的值加到寄存器 eax最后一种最常用也最重要其他格式是它的一个特例Imm(rb, ri, s)Imm(立即数偏移) R[rb] (基址) R[ri] (变址)s (比例因子)s 只能是 1248 中的一个
3.4.2 数据传送指令
简单的四种mov指令 movb, movw, movlmovq传送字节、字、双字、四字movabsq(move absolute quadword)传送绝对的四字。用于将一个 64 位的立即数传送到一个 64 位寄存器中。用于初始化寄存器或处理大数机器码九字节18较大。mov的五种组合
立即数到寄存器 (Immediate to Register) 将一个立即数传送到一个寄存器中。立即数到内存 (Immediate to Memory) 将一个立即数传送到一个内存位置中。寄存器到寄存器 (Register to Register) 将一个寄存器的值传送到另一个寄存器中。内存到寄存器 (Memory to Register) 将一个内存位置的值传送到一个寄存器中。寄存器到内存 (Register to Memory) 将一个寄存器的值传送到一个内存位置中。
示例 ; Intel 语法; 立即数到寄存器mov eax, 10; 立即数到内存mov [var1], 20; 寄存器到寄存器mov ebx, eax; 内存到寄存器mov ecx, [var1]; 寄存器到内存mov [var2], ebx; ATT 语法; 立即数到寄存器movl $10, %eax; 立即数到内存movl $20, var1; 寄存器到寄存器movl %eax, %ebx; 内存到寄存器movl var1, %ecx; 寄存器到内存movl %ebx, var2将较小的源值复制到较大的目的地使用movz或者movs 他们的后缀字符第一个指定源的大小第二个指定目的大小 movz将剩余部分填充为0。 movs将剩余部分填充为符号位。
3.4.3 数据传送示例
3.4.2已经示范差不多了局部变量通常保存在寄存器中。函数返回指令 ret 返回的值为寄存器 rax 中的值强制类型转换可通过 mov 指令实现的。当指针存在寄存器中时a p 的汇编指令为 mov (rdi), rax
3.4.4 压入和弹出栈数据
栈向下增长所以压栈时减[%rsp]后进先出push压栈pop出栈%rsp64位 栈指针栈顶元素的地址指令尾缀代表操作的大小bwlq其实压栈操作等价于先减栈指针值再将指定寄存器的值写入栈反之出栈先读出栈顶数据到指定寄存器在加栈指针的值。而pushpop只被编码为一个字节即可完成这两步需要8个字节指令大小的操作。 使用 mov 指令和标准的内存寻址方法可以访问栈内的任意位置而非仅限于栈顶。
