汇编入门

Jack Yang included in 学习笔记

2023-04-27 1829 words 4 minutes views

Contents

汇编语言概述

汇编语言是什么？
- 对于人类来说，组成机器指令的01代码是不可读的，为了解决可读性问题以及偶尔的编辑需求，诞生了二进制指令的文本形式——汇编语言
- 汇编语言与指令是一一对应的关系
来历
- 手写二进制指令按动开关模拟01——>纸袋打孔——>八进制表示——>文字标识（操作码用代号表示，地址码用标签表示）
- 把assembly language翻译成二进制的步骤就成为assembling，完成这个步骤的程序叫做assembler
每一种CPU的指令集都是不一样的，本文介绍以intel的x86指令集架构为例

寄存器

寄存器不依靠地址区分数据，而依靠名称定位，因此不需要像Cache和内存一样寻址，再加上本身的静态RAM结构，速度是非常快的，可以戏称为0级缓存
寄存器种类：
- 早期的x86指令集架构CPU只有8个寄存器，每个寄存器的功能都不同（目前已经有100多个了，并且几乎都是通用寄存器）
- EAX，EBX，ECX，EDX，EDI，ESI，EBP，ESP：前7个是通用寄存器，ESP是保存当前Stack地址的特定寄存器
- xx位CPU指的就是CPU内每个寄存器的位数大小

内存模型

程序运行的时候，操作系统会给程序分配一段内存用来存储程序和运行产生的数据
由于用户动态主动请求而划分出来的内存区域（一个进程的所有线程共享），叫做Heap堆，Heap里的数据不会自动消失，必须手动释放，或者由垃圾回收机制来回收。从起始地址开始，从低位向高位增长
由于程序中的函数运行而临时占用的内存区域（每个线程独享）叫做Stack栈，栈的每一层叫做一个帧。从内存区域的结束地址开始，从高位地址向地位地址分配

CPU指令

C高级语言代码和其对应的汇编程序：

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  int add_a_and_b(int a, int b) {
  return a + b;
  }

  int main() {
  return add_a_and_b(2, 3);
  }

通过gcc将程序转为汇编语言gcc -S example.c

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_add_a_and_b:
 push   %ebx
 mov    %eax, [%esp+8] 
 mov    %ebx, [%esp+12]
 add    %eax, %ebx 
 pop    %ebx 
 ret  

_main:
  push   3
  push   2
  call   _add_a_and_b 
  add    %esp, 8
  ret

程序从_main标签开始执行，这时会在 Stack 上为main建立一个帧，并将Stack 所指向的地址，写入 ESP 寄存器。后面如果有数据要写入main这个帧，就会写在 ESP 寄存器所保存的地址。然后，开始执行第一行代码：
push指令：
- push 3：将运算子放入main函数的stack，即将3写入main的帧。看上去很简单，push指令有一个前置操作。它会先取出 ESP 寄存器里面的地址，将其减去4个字节，然后将新地址写入 ESP 寄存器。使用减法是因为 Stack 从高位向低位发展，4个字节则是因为3的类型是int，占用4个字节。得到新地址以后， 3 就会写入这个地址开始的四个字节。
- push 2：push指令将2写入main这个帧，位置紧贴着前面写入的3。这时，ESP 寄存器会再减去 4个字节（累计减去8）
call指令：
- call _add_a_and_b：调用add_a_and_b函数。这时，程序就会去找_add_a_and_b标签，并为该函数建立一个新的帧
- push %ebx：将 EBX 寄存器里面的值，写入_add_a_and_b这个帧。这是因为后面要用到这个寄存器，就先把里面的值取出来，用完后再写回去。这时，push指令会再将 ESP 寄存器里面的地址减去4个字节（累计减去12）。
mov指令：用于将一个值写入某个寄存器
- mov %eax, [%esp+8] ：先将 ESP 寄存器里面的地址加上8个字节，得到一个新的地址，然后按照这个地址在 Stack 取出数据。根据前面的步骤，可以推算出这里取出的是2，再将2写入 EAX 寄存器。
- mov %ebx, [%esp+12] ：将 ESP 寄存器的值加12个字节，再按照这个地址在 Stack 取出数据，这次取出的是3，将其写入 EBX 寄存器。
add指令：将两个运算子相加，并将结果写入第一个运算子
- add %eax, %ebx：EAX 寄存器的值（即2）加上 EBX 寄存器的值（即3），得到结果5，再将这个结果写入第一个运算子 EAX 寄存器。
pop指令：取出 Stack 最近一个写入的值（即最低位地址的值），并将这个值写入运算子指定的位置。
- pop %ebx：取出 Stack 最近写入的值（即 EBX 寄存器的原始值），再将这个值写回 EBX 寄存器（因为加法已经做完了，EBX 寄存器用不到了）。注意，pop指令还会将 ESP 寄存器里面的地址加4，即回收4个字节。
ret指令：用于终止当前函数的执行，将运行权交还给上层函数。也就是，当前函数的帧将被回收。
- ret：该指令没有运算子
- add %esp, 8 ：将 ESP 寄存器里面的地址，手动加上8个字节，再写回 ESP 寄存器。这是因为 ESP 寄存器的是 Stack 的写入开始地址，前面的pop操作已经回收了4个字节，这里再回收8个字节，等于全部回收。
- ret：最后，main函数运行结束，ret指令退出程序执行。