CSAPP（三）——程序的机器级表示

2022-05-05 14:03:40 阅读：291 来源： 互联网

x86-64中的一些处理器状态

程序计数器：下一条将要执行的指令在内存中的地址
整数寄存器文件：有16个命名的位置，每个都能存储64位的值，可以存储地址或整数数据，它们根据命名的不同，经常被用于处理不同的数据。
条件码寄存器：保存最近执行的算数或逻辑指令的状态信息，可以用来实现条件或分支控制结构。
一组向量寄存器：可以存放一个或多个整数或浮点数值。

一个简单的汇编例子

// filename: mstore.c
long mult2(long, long);

void multstore(long x, long y, long *dest) {
  long t = mult2(x, y);
  *dest = t;
}

这是一个简单的c语言程序，我们使用gcc -S通知gcc仅将它编译成文本形式的汇编代码（而不做后面的汇编和链接步骤），下图是一个c程序编译过程的简单示例，gcc -S编译后的.s文件处于下图中的第三个步骤。

gcc -Og -S mstore.c

下面是.s文件中的内容，以.xxx开头的行相当于是编译过程对后面汇编和链接过程的一些指导，你可以理解为它们只是注解。

如果你使用-c指令，就会生成.o文件。

gcc -Og -c mstore.c

.o文件已经是将文本形式的汇编代码转换成二进制的目标代码了，我们可以使用objdump工具来查看它。

objdump -d mstore.o

不同版本的gcc编译后的代码可能不尽相同，如果你在非x86_64指令集下编译可能得到相差更远的内容。而且目前我们也不太认识这些汇编代码，目前我们只需要知道如何生成.s和.o文件以及它们在整个编译过程中扮演的角色即可。

目前，整个编译过程还差一个链接步骤来生成可执行文件，链接器需要我们的目标代码文件（.o）中包含main函数，创建main.c

// filename: main.c
#include <stdio.h>

void multstore(long, long, long *);

int
main()
{
  long d;
  multstore(2, 3, &d);
  printf("2 * 3 --> %ld\n", d);
  return 0;
}

long mult2(long a, long b) {
  long s = a * b;
  return s;
}

编译：

gcc -Og -o prog main.c mstore.c

编译后的文件疯狂变大，因为其中包含了两个文件以及依赖的库函数printf的链接，并且还有一些用于启动和中止程序的代码，以及与操作系统进行交互的代码。

使用objdump查看生成的可执行文件prog

objdump -d prog

该文件中多了好多和我们编写的代码无关的内容，并且可执行程序中，每行代码的地址已经被填入了，并且callq中的参数也有了一个要调用的程序的地址，也就是说编译后的可执行程序的内存布局已经确定。

数据格式

Intel由于历史原因，使用字（word） 代表16位数据，使用 双字（double words） 代表32位数据，64位则是 四字（quad words）。

下面是一张表，代表了一些C中的声明映射到Intel上的数据类型，以及所使用的汇编代码后缀。所以，上面的指令集中总有什么callq、retq这种指令，这代表你使用这些指令时使用的是四字操作指令。

访问信息

下图是16个通用寄存器以及它们的常见作用。

这些通用寄存器虽然可以保存64位数据，但是也可以使用它们的低位来单独保存32位、16位和8位的数据。%r寄存器名用来访问整个64位寄存器数据，%e寄存器名用来访问32个低位中保存的数据，%寄存器名用来访问低16位数据，还有一些可以访问寄存器中单个字节的名称。

操作数指示符

操作数经常会有一个或多个参数，这些参数可能是

立即数（Immediate）：一个常数值，在ATT格式的汇编代码中，$前缀用来表示立即数，如$-577、$0x1F。
寄存器：表示取某个寄存器中的内容，下图中用$r_a$表示任意一个寄存器，$R[r_a]$表示该寄存器中的值。
内存引用：下面使用符号$M_b[Addr]$表示存储在内存中从地址$Addr$开始的$b$个字节的值，有时会省去下标$b$。
下面使用的内存引用的形式$Imm(r_b, r_i, s)$表示一个立即数偏移量$Imm$加上一个基址寄存器$r_b$，加上一个变址寄存器$r_i$和一个比例因子$s$，s必须是1，2，4或8。有效地址会被计算为$Imm+R[r_b]+R[r_i] * s$。

说起来可能很难懂，看下面的表格就懂了。

练习题3.1

假设下面的值存放在指明的内存地址和寄存器中：

填写下表，给出操作数的值：

操作数	值
`%rax`	0x100
`0x104`	0xAB
`$0x108`	0x108
`(%rax)`	0xFF
`4(%rax)`	0xAB
`9(%rax, %rdx)`	0x11
`260(%rcx, %rdx)`	0x13（260转换成16进制是104）
`0xFC(, %rcx, 4)`	0xFF
`(%rax, %rdx, 4)`	0x11

数据传送指令

将数据从一个位置复制到另一个位置的指令。

MOV类

mov类命令具有两个操作数，第一个是源位置，第二个是目的位置，mov要把原位置的数据复制到目的位置。下面是一些mov类命令，它们的区别就是传送的数据大小不同。

源位置可以是立即值、存储在寄存器位置或内存位置，目的位置则可以是寄存器或内存位置。
如果使用寄存器，命令的后缀必须和寄存器的大小相匹配。
除了movl外，这些指令都只操作64位寄存器中它们需要的部分
x86-64中新增了一条限制，原位置和目标位置不能都是内存地址，如果需要在内存地址间进行复制，考虑使用一个寄存器做中间变量，并使用两条指令来完成。

MOVZ类

MOV类只会对寄存器中它们所需要的位进行操作，MOVZ则不同，如果你使用MOVZ向寄存器中复制数据并且这个数据没有占满64位，剩余的部分将被设置成0，这个操作叫零扩展。

MOVS类

和MOVZ类似，MOVZ比较适用于操作无符号数，如果你操作基于补码的有符号数，MOVS可能更加好用。它会将源操作数中的最高位进行复制，以填满寄存器中剩余的高位（相当于保持符号）。

没有movzlq的原因是movl操作和movzlq的操作一样

练习题3.2

movl —— 一次寄存器中双字到内存的复制
movw —— 一次内存中到寄存器的单字复制
movb —— 一次立即值到寄存器的单字节复制
movb —— 一次内存值到寄存器的单字节复制
movq —— 一次内存值到寄存器的四字复制
movw —— 一次寄存器到内存的单字复制

练习题3.3

地址需要64位，所以不能从%ebx中取，它只有32位
movl只能处理四字节，也就是两个字，%rax则是八个字节，也就是四个字
两个操作数都是内存引用
没有%sl寄存器
目的位置不能是立即值
movl不能处理八字节四个字的%rdx
%si长度是两个字节，与movb不符

注意，这里的所有答案都是基于x86-64的

数据传送示例

上面的代码会被编译成下面的汇编代码，其中xp被存在%rdi中，y在%rsi中。

所以指针可能会编译成保存在寄存器中的一个内存地址，函数中的局部变量一般也会存在寄存器中。*xp这种对指针进行取值操作的c代码和(%rdi)这种根据寄存器中的内存地址取内存值的操作相关。

习题3.4

src_t	dest_t	指令
long	long	movq (%rdi), %rax movq %rax, (%rsi)
char	int	movsbl (%rdi), %eax movl %eax, (%rsi)
char	unsigned	movsbl (%rdi), %eax movl %eax, (%rsi)
unsigned char	long	movzbl (%rdi), %eax movq %eax, (%rsi)
int	char	movl (%rdi), %eax movb %al, (%rsi)
unsigned	unsigned char	movl (%rdi), %eax movb %al, (%rsi)
char	short	movsbw (%rdi), %ax movw %ax, %(rsi)

可能的疑问：

当一个小的有符号数据类型转向大的时，需要使用movs保留符号位
当一个小的无符号数据类型转向大的时，需要使用movz进行零扩展
当大的数据类型转向小的时，不需要考虑什么符号位，直接截断。

习题3.5

压入和弹出栈数据

如下图，栈是这样一种数据，push操作会将数据压入到栈顶，pop操作会将栈顶的数据从栈中弹出，栈顶向下增长，所以栈顶的地址是越来越小的。

下面是pushq指令的效果，%rsp是栈指针，它记录的是当前栈顶的内存地址。4字即8字节，它会将栈指针寄存器中的值减8，表示栈向下延伸了8字节，并将数据塞入到这8字节中。popq差不多不说了。

算数和逻辑操作

未完...

标签：CSAPP,机器,代码,程序,long,64,内存,寄存器,rdi
来源： https://www.cnblogs.com/lilpig/p/16224453.html

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