20145239《信息安全系统设计基础》第5周学习总结

教材学习内容

x86寻址方式

• DOS时代的平坦模式，不区分用户空间和内核空间，很不安全
• 8086的分段模式
• IA32的带保护模式的平坦模式

机器级编程的两种抽象

-ISA（Instruction set architecture）。ISA简单来说就是指令集体系结构。定义了处理机状态，指令格式以及指令对状态的影响。
-机器级使用的存储器地址是虚拟地址。

机器代码中的处理机状态

• 程序计数器（PC）表示将要执行的下一条指令在存储器中的地址。
• 整数寄存器文件。存储32位的值。存储程序状态或用来保存临时数据。
• 条件码寄存器
• 浮点寄存器

Gcc编译代码

1.产生汇编代码文件：gcc -01 -S xxx.c生成xxx.s文件
2.产生目标代码文件：gcc -01 -c xxx.c生成xxx.o文件
3.查看目标代码文件的内容：objdump -d xxx.o

不同数据汇编代码后缀

• movb（传送字节）
• movw(传送字)
• movl（传送双字）注意：汇编代码中后缀l可以表示4自己整数和8字节双精度浮点数。

操作数指示符寻址

• 立即数：$0xff.
• 寄存器中的内容：%eax(32位)，%ax(16位)，%al(4位)。
• 存储器：根据计算出来的地址访问存储器
  学会多种寻址方式寻址。错误的寻址方式：1. 存储器间接寻址错误使用寄存器：movb $0xf,(%bl).2.二元操作如sub,mov中两个操作数不能同时是存储器位置 。

数据传送指令

• MOVS和MOVZ指令比较：MOVS符号位扩展，MOVZ零扩展（高位0填充）
• pushl数据压栈，popl数据出栈。采用先进后出的原则。栈顶地址小，栈底地址大。IA32栈向低地址方向增长。所以push指令减小栈指针。
• 4个整数操作指令
  addl、subl、andl、xorl
• 7个跳转指令（jXX）
  jmp、jle、jl、je、jne、jge、jg
• 有6个条件传送指令（cmovXX）
  只有当条件码满足所需要的约束时，才会更新目的寄存器的值。
  cmovle、cmovl、cmove、cmovne、cmovge、cmovg

桢栈结构

为单个过程分配的那部分栈称为栈帧(stack frame)。寄存器%ebp为帧指针,而寄存器%esp为栈指针。栈帧结构（栈用来传递参数、存储返回信息、保存寄存器，以及本地存储）

转移控制

支持过程调用和返回的指令：

指令 描述

-call Label 过程调用

-call *Operand 过程调用

-leave 为返回准备栈

-ret 从过程调用中返回

call指令的效果是将返回地址入栈，并跳转到被调用过程的起始处。返回地址是在程序中紧跟在call后面的那条指令地址。

寄存器使用惯例

程序寄存器组是唯一能被所有过程共享的资源。虽然在给定时刻只能有一个过程是活动的，但是我们必须保证当一个过程(调用者)调用另一个过程(被调用者)时，被调用者不会覆盖某个调用者稍后会使用的寄存器的值。根据惯例，寄存器%eax、%edx和%ecx被划分为调用者保存寄存器。当过程P调用Q时，Q可以覆盖这些寄存器，而不会破任何P所需要的数据。另一方面，寄存器%ebx、%esi和%edi被划分为被调用者保存寄存器。这意味着Q必须在覆盖这些寄存器之前，先把它们保存到栈中，并在返回前恢复它们。

数据格式

• C语言数据类型在IA32中的大小：
  
• IA32不支持64位整数运算
• 大多数GCC生成的汇编代码指令都有一个字符后缀，表明操作数的大小。

课后习题解答

3.54

int decode2(int x ,int y, int z)  
{  
    int a = z - y;  
    int b = (a << 15) >> 15;  
    return (x ^ a) * b;  
}  

3.55

typedef long long ll_t;


void store_prod(ll_t *dest, ll_t x, int y){
*dest = x*y;
}

// dest at %ebp+8, x at %ebp + 12, y at %ebp + 20  
movl   12(%ebp), %esi        //将x的低位存到%esi  
movl   20(%ebp), %eax       //将y存到%eax  
movl   %eax, %edx     
sarl   $31, %edx                  //将(y >> 31)存到%edx  
movl   %edx, %ecx  
imull   %esi, %ecx             //计算x_low * (y >> 31)存到%ecx  
movl   16(%ebp), %ebx    //将x的高位存到%ebp  
imull   %eax, %ebx           //计算x_high * y  
addl   %ebx, %ecx           //计算 x_high * y + x_low * (y >> 31) 存到%ecx  
mull   %esi                       //计算y * x_low 的无符号64位乘积  
leal   (%ecx, %edx), %edx    //将64位乘积的高位与x_high * y + x_low * (y >> 31)得到最终结果的高位  
movl   8(%ebp), %ecx  
movl   %eax, (%ecx)  
movl   %edx, 4(%ecx)          //将结果写入目的内存地址  

说明：
该汇编代码其实是y扩展至64位再进行两个64位数的乘积然后进行截断得到的。

事实上有：

y *{signed} x =
(y_high * 2^32 + y_low) *{signed} (x_high * 2^32 + x_low) =
y_high *{signed} x_high * 2^64 +
y_high *{signed} x_low * 2^32 +
y_low *{signed} x_high * 2^32 +
y_low *{signed} x_low(有符号的x_low与无符号的x_low相等，故可用mull指令)

而y_high *{signed} x_high由于乘以2^64，所以对结果不会产生影响。

3.56写出loop函数原型

int loop(int x, int n)  
{  
    int result = 0x55555555;  
    int mask;  
    for(mask = 0x80000000;mask !=0; mask = (unsigned)mask >> (n & 0xFF))  
    {  
        result ^= x & mask;  
    }  
    return result;  
}  

3.57用条件传送指令写函数cread_alt

movl    20(%esp), %eax  
movl    $0, 12(%esp)  
leal    12(%esp), %edx  
testl   %eax, %eax  
cmove   %edx, %eax  
movl    (%eax), %eax  
addl    $16, %esp  
.cfi_def_cfa_offset 4  
 ret  

3.58

int switch3(int *p1,int *p2,mode_t action)  
{  
    int result = 0;  
    switch(action){  
        case MODE_A:  
            result = *p1;  
            *p1 = *p2;  
            break;  
        case MODE_B:  
            result = *p1 + *p2;  
            *p2 = result;  
            break;  
        case MODE_C:  
            *p2 = 15;  
            result = *p1;  
            break;  
        case MODE_D:  
            *p2 = *p1;  
            result = 17;  
            break;  
        case MODE_E:  
            result = 17;  
            break;  
        default:  
            result = -1;  
            break;    
    }  
    return result;  
}  

本周代码托管

学习进度条

参考资料

• 《深入理解计算机系统V2》学习指导
• Linux 汇编语言开发指南

20145239 《信息安全系统设计基础》第5周学习总结