汇编探究一

OC


机器语言

由0和1组成的机器指令.

  • 加：0100 0000
  • 减：0100 1000
  • 乘：1111 0111 1110 0000
  • 除：1111 0111 1111 0000

汇编语言(assembly language)

使用助记符代替机器语言
如:

  • 加：INC EAX 通过编译器 0100 0000
  • 减：DEC EAX 通过编译器 0100 1000
  • 乘：MUL EAX 通过编译器 1111 0111 1110 0000
  • 除：DIV EAX 通过编译器 1111 0111 1111 0000

高级语言（High-level programming language)

C\C++\Java\OC\Swift,更加接近人类的自然语言
比如C语言:

  • 加：A+B 通过编译器 0100 0000
  • 减：A-B 通过编译器 0100 1000
  • 乘：A*B 通过编译器 1111 0111 1110 0000
  • 除：A/B 通过编译器 1111 0111 1111 0000

我们的代码在终端设备上是这样的过程:

  • 汇编语言与机器语言一一对应，每一条机器指令都有与之对应的汇编指令
  • 汇编语言可以通过编译得到机器语言，机器语言可以通过反汇编得到汇编语言
  • 高级语言可以通过编译得到汇编语言 \ 机器语言，但汇编语言 \ 机器语言几乎不可能还原成高级语言

汇编语言的特点

  • 可以直接访问、控制各种硬件设备，比如存储器、CPU等，能最大限度地发挥硬件的功能

  • 能够不受编译器的限制，对生成的二进制代码进行完全的控制

  • 目标代码简短，占用内存少，执行速度快

  • 汇编指令是机器指令的助记符,同机器指令一一对应。每一种CPU都有自己的机器指令集 \ 汇编指令集，所以汇编语言不具备可移植性

  • 知识点过多，开发者需要对CPU等硬件结构有所了解，不易于编写、调试、维护

  • 不区分大小写，比如mov和MOV是一样的

汇编的用途

  • 编写驱动程序、操作系统
  • 对性能要求极高的程序或者代码片段，可与高级语言混合使用（内联汇编）
  • 软件安全
    • 病毒分析与防治
    • 逆向 \ 加壳 \ 脱壳 \ 破解 \ 外挂 \ 免杀 \ 加密解密 \ 漏洞 \ 黑客
  • 理解整个计算机系统的最佳起点和最有效途径
  • 为编写高效代码打下基础
  • 弄清代码的本质
    • 函数的本质究竟是什么?
    • ++a + ++a + ++a 底层如何执行的?
    • 编译器到底帮我们干了什么?
    • DEBUG模式和RELEASE模式有什么关键的地方被我们忽略
    • ……

可见了解汇编语言好处良多，尽管它有些晦涩难懂

汇编语言的种类

  • 目前讨论比较多的汇编语言有

    • 8086汇编（8086处理器是16bit的CPU）
    • Win32汇编
    • Win64汇编
    • ARM汇编（嵌入式、Mac、iOS）
    • ……

  • iPhone里用到的是ARM汇编,但是不同的设备也有差异，因CPU的架构而异

架构 设备
armv6 iPhone, iPhone2, iPhone3G, 第一代、第二代 iPod Touch
armv7 iPhone3GS, iPhone4, iPhone4S,iPad, iPad2, iPad3(The New iPad), iPad mini, iPod Touch 3G, iPod Touch4
armv7s iPhone5, iPhone5C, iPad4(iPad with Retina Display)
arm64 iPhone5S以后，iPhoneX , iPad Air, iPad mini2以后

必要常识

  • 学习汇编,首先需要了解CPU等硬件结构
  • APP/程序的执行过程

  • 硬件相关最为重要是CPU/内存
  • 在汇编中,大部分指令都是和CPU与内存相关的

总线


  • 每一个CPU芯片都有许多管脚，这些管脚和总线相连，CPU通过总线跟外部器件进行交互
  • 总线：一根根导线的集合
  • 总线的分类
    • 地址总线
    • 数据总线
    • 控制总线

举个🌰

  • 地址总线
    • 它的宽度决定了CPU的寻址能力
    • 8086的地址总线宽度是20，所以寻址能力是1M（ 2^20 ）
      (1M = 1024KB = 1024 * 1024Byte)
  • 数据总线
    • 它的宽度决定了CPU的单次数据传送量，也就是数据传送速度
    • 8086的数据总线宽度是16，所以单次最大传递2个字节( 1Byte = 8Bit)的数据
  • 控制总线
    • 它的宽度决定了CPU对其他器件的控制能力、能有多少种控制

算法演练

练习

内存

各类存储区的逻辑连接

各类存储器的逻辑连接-物理地址对应图

各类存储器的物理地址情况

  • 内存地址空间的大小受CPU地址总线宽度的限制。8086的地址总线宽度为20，可以定位2^20 个不同的内存单元（内存地址范围0x00000~0xFFFFF），所以8086的内存空间大小为1MB

  • 0x00000~0x9FFFF：主存储器。可读可写

  • 0xA0000~0xBFFFF：向显存中写入数据，这些数据会被显卡输出到显示器。可读可写

  • 0xC0000~0xFFFFF：存储各种硬件 \ 系统信息。只读

进制

学习进制的障碍

很多人学不好进制，原因是总以十进制为依托去考虑其他进制，需要运算的时候也总是先转换成十进制，仅仅是因为我们对十进制最熟悉，所以才转换.
每一种进制都是完美的,想学好进制首先要忘掉十进制，也要忘掉进制间的转换！

进制的定义

  • 八进制由8个符号组成:0 1 2 3 4 5 6 7 逢八进一
  • 十进制由10个符号组成:0 1 2 3 4 5 6 7 8 9逢十进一
  • N进制就是由N个符号组成:逢N进一

如果十进制由10个符号组成: 0 1 3 2 8 A B E S 7 逢十进一，那这样1 + 1 就等于3，完全取决于定义规则

这样的目的何在?

传统我们定义的十进制和自定义的十进制不一样.那么这10个符号如果我们不告诉别人这个符号表,别人是没办法拿到我们的具体数据的!可用于加密!

十进制由十个符号组成,逢十进一,符号是可以自定义的

进制的运算

八进制加法表
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
 0  1  2  3  4  5  6  7 
10 11 12 13 14 15 16 17
20 21 22 23 24 25 26 27
...

1+1 = 2						
1+2 = 3   2+2 = 4				
1+3 = 4   2+3 = 5   3+3 = 6
1+4 = 5   2+4 = 6   3+4 = 7   4+4 = 10  
1+5 = 6   2+5 = 7   3+5 = 10  4+5 = 11  5+5 = 12
1+6 = 7   2+6 = 10  3+6 = 11  4+6 = 12  5+6 = 13  6+6 = 14
1+7 = 10  2+7 = 11  3+7 = 12  4+7 = 13  5+7 = 14  6+7 = 15  7+7 = 16
八进制乘法表
1
2
3
4
5
6
7
8
0 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17 20 21 22 23 24 25 26 27...
1*1 = 1						
1*2 = 2	  2*2 = 4				
1*3 = 3	  2*3 = 6	3*3 = 11	
1*4 = 4	  2*4 = 10	3*4 = 14  4*4 = 20
1*5 = 5	  2*5 = 12	3*5 = 17  4*5 = 24  5*5 = 31
1*6 = 6	  2*6 = 14	3*6 = 22  4*6 = 30  5*6 = 36  6*6 = 44
1*7 = 7	  2*7 = 16	3*7 = 25  4*7 = 34  5*7 = 43  6*7 = 52  7*7 = 61

二进制的简写形式

1
2
3
4
5
       二进制: 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0
三个二进制一组: 101 110 111 100
       八进制:   5   6   7   4
四个二进制一组: 1011 1011 1100
     十六进制:    b    b    c

二进制：从0 写到 1111
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
这种二进制使用起来太麻烦，改成更简单一点的符号：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 这就是十六进制了

数据的宽度

数学上的数字，是没有大小限制的，可以无限的大。但在计算机中，由于受硬件的制约，数据都是有长度限制的（我们称为数据宽度），超过最多宽度的数据会被丢弃

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
#import <UIKit/UIKit.h>
#import "AppDelegate.h"

int test() {
    int cTemp = 0x1FFFFFFFF;
    return cTemp;
}

int main(int argc, char * argv[]) {
    printf("%x",test());
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

拿到内存地址后，可以通过如下方法查看内存地址中的值，也可以直接通过快捷键Commond + Shift + M，在单步执行后(执行汇编语言时可以在控制台使用ni命令单步执行),内存地址中的值可能没有立刻改变，点击下一页再回来就可以看到变化

计算机中常见的数据宽度

  • 位(Bit): 1个位就是1个二进制位.0或者1
  • 字节(Byte): 1个字节由8个Bit组成(8位).内存中的最小单元Byte.
  • 字(Word): 1个字由2个字节组成(16位),这2个字节分别称为高字节和低字节.
  • 双字(Doubleword): 1个双字由两个字组成(32位)

那么计算机存储数据它会分为有符号数和无符号数.那么关于这个看图就理解了!

1
2
无符号数,直接换算!
有符号数:
正数:  0    1    2    3    4    5    6    7 
负数:  F    E    D    B    C    A    9    8
      -1   -2   -3   -4   -5   -6   -7   -8

寄存器 (均指的是arm64架构下)

CPU除了有控制器、运算器还有寄存器。其中寄存器的作用就是进行数据的临时存储。

CPU的运算速度是非常快的，为了性能CPU在内部开辟一小块临时存储区域，并在进行运算时先将数据从内存复制到这一小块临时存储区域中，运算时就在这一小快临时存储区域内进行。我们称这一小块临时存储区域为寄存器。

对于arm64系的CPU来说， 如果寄存器以x开头则表明的是一个64位的寄存器，如果以w开头则表明是一个32位的寄存器，在系统中没有提供16位和8位的寄存器供访问和使用。其中32位的寄存器是64位寄存器的低32位，并不是独立存在的。

内部部件之间由总线连接

  • 对程序员来说，CPU中最主要部件是寄存器，可以通过改变寄存器的内容来实现对CPU的控制

  • 不同的CPU，寄存器的个数、结构是不相同的

  • ARM64架构下的寄存器，包括31个64位的通用寄存器 x0 到 x30,和SP, PC, CPSR寄存器及一些其他浮点寄存器等

    • w0~w28 这些是x0~x28的低32位, 因为64位CPU可以兼容32位.所以可以只使用64位寄存器的低32位.
    • 比如 w0 就是 x0的低32位!

  • 通常，CPU会先将内存中的数据存储到通用寄存器中，然后再对通用寄存器中的数据进行运算

  • 假设内存中有块红色内存空间的值是3，现在想把它的值加1，并将结果存储到蓝色内存空间

  • CPU首先会将红色内存空间的值放到X0寄存器中：mov X0,红色内存空间
  • 然后让X0寄存器与1相加：add X0,1
  • 最后将值赋值给内存空间：mov 蓝色内存空间,X0
  • 可以在控制台输入register read命令查看所有寄存器

  • x0~ x30：通用寄存器，通常用来存放一般性的数据，xo~x7用于子程序调用时的参数传递，x0也用于返回值传递

  • FP(X29): 保存栈帧地址(栈底指针)

  • LR(x30): 也成为程序连接寄存器，用来保存子程序返回地址

  • SP：在任意时刻会保存我们栈顶的地址

  • PC:程序寄存器，总是指向即将要执行的下一条指令的地址

  • CPSR: 状态寄存器，注意：状态寄存器是32位的

高速缓存

iPhoneX上搭载的ARM处理器A11它的1级缓存的容量是64KB，2级缓存的容量8M.

CPU每执行一条指令前都需要从内存中将指令读取到CPU内并执行。而寄存器的运行速度相比内存读写要快很多,为了性能,CPU还集成了一个高速缓存存储区域

当程序在运行时，先将要执行的指令代码以及数据复制到高速缓存中去(由操作系统完成).CPU直接从高速缓存依次读取指令来执行.

数据地址寄存器

数据地址寄存器通常用来做数据计算的临时存储、做累加、计数、地址保存等功能。定义这些寄存器的作用主要是用于在CPU指令中保存操作数，在CPU中当做一些常规变量来使用。
ARM64中

  • 64位: X0-X30, XZR(零寄存器)
  • 32位: W0-W30, WZR(零寄存器)

注意:8086汇编中有一种特殊的寄存器段寄存器:CS,DS,SS,ES四个寄存器来保存这些段的基地址,这个属于Intel架构CPU中.在ARM中并没有

浮点和向量寄存器

因为浮点数的存储以及其运算的特殊性,CPU中专门提供浮点数寄存器来处理浮点数

  • 浮点寄存器 64位: D0 - D31 32位: S0 - S31

现在的CPU支持向量运算.(向量运算在图形处理相关的领域用得非常的多)为了支持向量计算系统了也提供了众多的向量寄存器.

  • 向量寄存器 128位:V0-V31

pc寄存器(program counter)

  • 为指令指针寄存器，它指示了CPU当前要读取指令的地址
  • 在内存或者磁盘上，指令和数据没有任何区别，都是二进制信息
  • CPU在工作的时候把有的信息看做指令，有的信息看做数据，为同样的信息赋予了不同的意义
    • 比如 1110 0000 0000 0011 0000 1000 1010 1010
    • 可以当做数据 0xE003008AA
    • 也可以当做指令 mov x0, x8

  • CPU根据什么将内存中的信息看做指令？

    • CPU将pc指向的内存单元的内容看做指令
    • 如果内存中的某段内容曾被CPU执行过，那么它所在的内存单元必然被pc指向过

  • 上面说过，汇编语言单步执行指令是ni,PC总是指向将要执行的指令，如果修改PC的值也就可以改变执行顺序，使用命令是register write pc 内存地址

栈

  • 栈：是一种具有特殊的访问方式的存储空间（后进先出， Last In Out Firt，LIFO）

SP和FP(x29)寄存器

  • sp寄存器在任意时刻会保存我们栈顶的地址.

  • fp寄存器也称为x29寄存器属于通用寄存器,但是在某些时刻我们利用它保存栈底的地址

    注意:ARM64开始,取消32位的 LDM,STM,PUSH,POP指令! 取而代之的是ldr\ldp str\stp
    ARM64里面 对栈的操作是16字节对齐的!!

关于内存读写指令

注意:读/写 数据是都是往高地址读/写

str(store register)指令

将数据从寄存器中读出来,存到内存中.

ldr(load register)指令

将数据从内存中读出来,存到寄存器中

此ldr 和 str 的变种ldp 和 stp 还可以操作2个寄存器.

堆栈操作

使用32个字节空间作为这段程序的栈空间,然后利用栈将x0和x1的值进行交换.

sub    sp, sp, #0x20    ;拉伸栈空间32个字节

stp    x0, x1, [sp, #0x10] ;sp往上加16个字节的地址,存放x0 和 x1

ldp    x1, x0, [sp, #0x10] ;将sp偏移16个字节地址的值取出来,放入x1 和 x0

注意：断在bl指令出，使用s命令或者点击step into会直接跳到已经开辟好的栈顶地址处，需要按住control的同时再点击step into，这样才会跳到未开辟前的栈顶地址处

bl指令和ret指令

  • CPU从何处执行指令是由pc中的内容决定的，我们可以通过改变pc的内容来控制CPU执行目标指令
  • ARM64提供了一个mov指令（传送指令），可以用来修改大部分寄存器的值，比如
    • mov x0,#10、mov x1,#20

  • 但是，mov指令不能用于设置pc的值，ARM64没有提供这样的功能

  • ARM64提供了另外的指令来修改PC的值，这些指令统称为转移指令(相当于跳转)，最简单的是bl指令

  • bl

    • 将下一条指令的地址放入lr(x30)寄存器
    • 转到标号处执行指令

  • ret

    • 默认使用lr(x30)寄存器的值，通过底层指令提示CPU此处作为下条指令地址!

ARM64平台的特色指令,它面向硬件做了优化处理

x30寄存器存放的是函数的返回地址.当ret指令执行时刻,会寻找x30寄存器保存的地址值

注意:在函数嵌套调用的时候.需要将x30入栈，因为嵌套调用时x30寄存器的值会被覆盖，导致死循环

函数的参数和返回值及局部变量

ARM64下,函数调用会开辟一段空间，每个函数调用完毕之后，会将拉伸的栈空间平衡（将sp加回去）,函数的参数是存放在X0到X7(W0到W7)这8个寄存器里面的.如果超过8个参数,就会入栈，函数的局部变量放在栈中

函数的返回值是放在X0 寄存器里面的.

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

int main(int argc, char * argv[]) { 
    sum(16, 32);
}


int sum(int a,int b,int c,int d, int e, int f, int g,int h,int i,int j) {
    return a + b + c + d + e + f + g + h + i + j;
}

int main(int argc, char * argv[]) {
    sum(16, 16 * 2, 16 * 3, 16 * 4, 16 * 5, 16 * 6, 16 * 7, 16 * 8, 16 * 9,16 * 10);
}

ARM64下部分常用汇编指令

MOV X1，X0 ;将寄存器X0的值传送到寄存器X1

ADD X0，X1，X2 ;寄存器X1和X2的值相加后传送到X0

SUB X0，X1，X2 ;寄存器X1和X2的值相减后传送到X0

AND X0，X0，#0xF ; X0的值与0xF相位与后的值传送到X0

ORR X0，X0，#0x9 ; X0的值与9逻辑或后的值传送到X0

EOR X0，X0，#0xF ; X0的值与0xF相异或后的值传送到X0

LDR X5，[X6，#0x08] ；X6寄存器加0x08的和的地址值内的数据传送到X5

STR X0, [SP, #0x8] ；X0寄存器的数据传送到SP+0x8地址值指向的存储空间

STP x29, x30, [sp, #0x10] ;入栈指令

LDP x29, x30, [sp, #0x10] ;出栈指令

CBZ;比较（Compare），如果结果为零（Zero）就转移（只能跳到后面的指令）

CBNZ;比较，如果结果非零（Non Zero）就转移（只能跳到后面的指令）

CMP;比较指令，相当于SUBS，影响程序状态寄存器

CPSR B/BL ;绝对跳转#imm， 返回地址保存到LR（X30）

RET;子程序返回指令，返回地址默认保存在LR（X30）

状态寄存器(标记寄存器)

CPU内部的寄存器中,有一种特殊的寄存器(对于不同的处理器,个数和结构都可能不同).这种寄存器在ARM中,被称为状态寄存器就是CPSR(current program status register)寄存器

CPSR和其他寄存器不一样,其他寄存器是用来存放数据的,都是整个寄存器具有一个含义.而CPSR寄存器是按位起作用的,也就是说,它的每一位都有专门的含义,记录特定的信息

注意:CPSR寄存器是32位的

  • CPSR的低8位（包括I、F、T和M[4：0]）称为控制位，程序无法修改,除非CPU运行于特权模式下,程序才能修改控制位!
  • N、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行!意义重大!

N（Negative）标志

CPSR的第31位是 N，符号标志位。它记录相关指令执行后,其结果是否为负.如果为负 N = 1,如果是非负数 N = 0.

注意,在ARM64的指令集中,有的指令的执行时影响状态寄存器的,比如add\sub\or等,他们大都是运算指令(进行逻辑或算数运算)；

Z(Zero)标志

CPSR的第30位是Z，0标志位。它记录相关指令执行后,其结果是否为0.如果结果为0.那么Z = 1.如果结果不为0,那么Z = 0

对于Z的值,我们可以这样来看,Z标记相关指令的计算结果是否为0,如果为0,则N要记录下”是0”这样的肯定信息.在计算机中1表示逻辑真,表示肯定.所以当结果为0的时候Z = 1,表示”结果是0”.如果结果不为0,则Z要记录下”不是0”这样的否定信息.在计算机中0表示逻辑假,表示否定,所以当结果不为0的时候Z = 0,表示”结果不为0”。

C(Carry)标志

CPSR的第29位是C，进位标志位。一般情况下,进行无符号数的运算

加法运算：当运算结果产生了进位时（无符号数溢出），C=1，否则C=0

减法运算（包括CMP）：当运算时产生了借位时（无符号数溢出），C=0，否则C=1

   对于位数为N的无符号数来说，其对应的二进制信息的最高位，即第N - 1位，就是它的最高有效位，而假想存在的第N位，就是相对于最高有效位的更高位。如下图所示：

进位

我们知道，当两个数据相加的时候，有可能产生从最高有效位向更高位的进位。比如两个32位数据：0xaaaaaaaa + 0xaaaaaaaa,将产生进位。由于这个进位值在32位中无法保存，我们就只是简单的说这个进位值丢失了。其实CPU在运算的时候，并不丢弃这个进位值，而是记录在一个特殊的寄存器的某一位上。ARM下就用C位来记录这个进位值。比如，下面的指令

1
2
3
4
5
mov w0,#0xaaaaaaaa；0xa 的二进制是 1010
adds w0,w0,w0； 执行后 相当于 1010 << 1 进位1（无符号溢出） 所以C标记 为 1
adds w0,w0,w0； 执行后 相当于 0101 << 1 进位0（无符号没溢出） 所以C标记 为 0
adds w0,w0,w0； 重复上面操作
adds w0,w0,w0

借位

当两个数据做减法的时候，有可能向更高位借位。再比如，两个32位数据：0x00000000 - 0x000000ff,将产生借位，借位后，相当于计算0x100000000 - 0x000000ff。得到0xffffff01 这个值。由于借了一位，所以C位 用来标记借位。C = 0.比如下面指令：

1
2
3
4
mov w0,#0x0
subs w0,w0,#0xff ;
subs w0,w0,#0xff
subs w0,w0,#0xff

V(Overflow)溢出标志

CPSR的第28位是V，溢出标志位。在进行有符号数运算的时候，如果超过了机器所能标识的范围，称为溢出。

  • 正数 + 正数 为负数 溢出
  • 负数 + 负数 为正数 溢出
  • 正数 + 负数 不可能溢出

内存分区

代码区: 可读可写

栈区域: 放参数和局部变量，可读可写

堆区域: 动态申请 可读可写

全局: 可读可写

常量区: 只读

adrp指令

adrp 是计算指定的数据地址 到当前PC值的相对偏移

adrp x0, 1

1.将1的值,左移12位 1 0000 0000 0000 == 0x1000

2.将PC寄存器的低12位清零(2^12 = 4kb) 0x1002e6874 ==> 0x1002e6000

3.将1和2的结果相加给X0寄存器

常量获取：基地址+偏移地址

在arm中，ADD加法不带进位，ADDS是带进位的，运算完成要置符号位(最高位作为符号位)，SUB和SUBS类似

void funA() {
    asm(
        "mov w0,#0x7fffffff\n"
        "adds w0,w0,#0x2\n"
        "mov w0,#0x80000000\n"
        "subs w0,w0,#0x2\n"
        );
}

void funB() {
    int32_t a = 0x80000000;
    printf("%d\n",a);
    a = a - 2;
    printf("%d\n",a);
}

int main(int argc, char * argv[]) {
    funA();
    funB();
}

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