匯編基礎知識（一）

匯編語言的發(fā)展

機器語言

由0和1組成的機器指令.

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

為什么是0和1來表示?
就是高低電平，1表示有電，0表示沒電

匯編語言(assembly language)

使用助記符代替機器語言
如:

  • 加：INC EAX 通過編譯器 0100 0000
  • 減：DEC EAX 通過編譯器 0100 1000
  • 乘：MUL EAX 通過編譯器 1111 0111 1110 0000
  • 除：DIV EAX 通過編譯器 1111 0111 1111 0000

因為CPU是不會識別助記符的，所以有了編譯器，把助記符轉換成一串由0和1組成的語言

高級語言（High-level programming language)

C\C++\Java\OC\Swift,更加接近人類的自然語言
比如C語言:

  • 加：A+B 通過編譯器 0100 0000
  • 減：A-B 通過編譯器 0100 1000
  • 乘：A*B 通過編譯器 1111 0111 1110 0000

  • 除：A/B 通過編譯器 1111 0111 1111 0000
    我們的代碼在終端設備上是這樣的過程:


    image.png
  • 匯編語言與機器語言一一對應，每一條機器指令都有與之對應的匯編指令
  • 匯編語言可以通過編譯得到機器語言，機器語言可以通過反匯編得到匯編語言
  • 高級語言可以通過編譯得到匯編語言 \ 機器語言，但匯編語言\機器語言幾乎不可能還原成高級語言

匯編語言的特點

  • 可以直接訪問、控制各種硬件設備，比如存儲器、CPU等，能最大限度地發(fā)揮硬件的功能

  • 能夠不受編譯器的限制，對生成的二進制代碼進行完全的控制

  • 目標代碼簡短，占用內(nèi)存少，執(zhí)行速度快

  • 匯編指令是機器指令的助記符,同機器指令一一對應。每一種CPU都有自己的機器指令集\匯編指令集，所以匯編語言不具備可移植性

  • 知識點過多，開發(fā)者需要對CPU等硬件結構有所了解，不易于編寫、調試、維護

  • 不區(qū)分大小寫，比如mov和MOV是一樣的

匯編的用途

  • 編寫驅動程序、操作系統(tǒng)（比如Linux內(nèi)核的某些關鍵部分）
  • 對性能要求極高的程序或者代碼片段，可與高級語言混合使用（內(nèi)聯(lián)匯編）
  • 軟件安全
    • 病毒分析與防治
    • 逆向\加殼\脫殼\破解\外掛\免殺\加密解密\漏洞\黑客
  • 理解整個計算機系統(tǒng)的最佳起點和最有效途徑
  • 為編寫高效代碼打下基礎
  • 弄清代碼的本質
    • 函數(shù)的本質究竟是什么?
    • ++a + ++a + ++a 底層如何執(zhí)行的?
    • 編譯器到底幫我們干了什么?
    • DEBUG模式和RELEASE模式有什么關鍵的地方被我們忽略
    • ......

匯編語言的種類

  • 目前討論比較多的匯編語言有

    • 8086匯編（8086處理器是16bit的CPU）
    • Win32匯編
    • Win64匯編
    • ARM匯編（嵌入式、Mac、iOS）
    • ......

  • 我們iPhone里面用到的是ARM匯編,但是不同的設備也有差異.因CPU的架構不同.

架構 設備
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

幾個必要的常識

  • 要想學好匯編,首先需要了解CPU等硬件結構

  • APP/程序的執(zhí)行過程


    image.png
  • 硬件相關最為重要是CPU/內(nèi)存
  • 在匯編中,大部分指令都是和CPU與內(nèi)存相關的

總線

  • 每一個CPU芯片都有許多管腳，這些管腳和總線相連，CPU通過總線跟外部器件進行交互
  • 總線：一根根導線的集合
  • 總線的分類
    • 地址總線
    • 數(shù)據(jù)總線

    • 控制總線


      image.png

內(nèi)存里面最小單位是字節(jié) 1Byte = 8bit

舉個例子

CPU讀取內(nèi)存
  • 地址總線
    • 它的寬度決定了CPU的尋址能力,尋址能力直接影響了你能用多大的內(nèi)存條
    • 8086的地址總線寬度是20，所以尋址能力是1M（ 2^20 ）
  • 數(shù)據(jù)總線
    • 它的寬度決定了CPU的單次數(shù)據(jù)傳送量，也就是數(shù)據(jù)傳送速度
    • 8086的數(shù)據(jù)總線寬度是16，所以單次最大傳遞2個字節(jié)的數(shù)據(jù)
  • 控制總線
    • 它的寬度決定了CPU對其他器件的控制能力、能有多少種控制

內(nèi)存

各類存儲區(qū)的邏輯連接
各類存儲器的邏輯連接-物理地址對應圖
各類存儲器的物理地址情況

  • 內(nèi)存地址空間的大小受CPU地址總線寬度的限制。8086的地址總線寬度為20，可以定位2^20個不同的內(nèi)存單元（內(nèi)存地址范圍0x00000~0xFFFFF），所以8086的內(nèi)存空間大小為1MB

  • 0x00000~0x9FFFF：主存儲器?？勺x可寫

  • 0xA0000~0xBFFFF：向顯存中寫入數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會被顯卡輸出到顯示器?？勺x可寫

  • 0xC0000~0xFFFFF：存儲各種硬件\系統(tǒng)信息。只讀

進制

學習進制的障礙

很多人學不好進制，原因是總以十進制為依托去考慮其他進制，需要運算的時候也總是先轉換成十進制，這種學習方法是錯誤的.
我們?yōu)槭裁匆欢ㄒD換十進制呢？僅僅是因為我們對十進制最熟悉，所以才轉換.
每一種進制都是完美的,想學好進制首先要忘掉十進制，也要忘掉進制間的轉換！

進制的定義

  • 八進制由8個符號組成:0 1 2 3 4 5 6 7 逢八進一
  • 十進制由10個符號組成:0 1 2 3 4 5 6 7 8 9逢十進一
  • N進制就是由N個符號組成:逢N進一
做個練習
  • 1 + 1 在____情況下等于 3 ?

十進制由10個符號組成: 0 1 3 2 8 A B E S 7 逢十進一

如果這樣定義十進制: 1 + 1 = 3!就對了!

這樣的目的何在?
傳統(tǒng)我們定義的十進制和自定義的十進制不一樣.那么這10個符號如果我們不告訴別人這個符號表,別人是沒辦法拿到我們的具體數(shù)據(jù)的!用于加密!

十進制由十個符號組成,逢十進一,符號是可以自定義的!!

數(shù)據(jù)的寬度

數(shù)學上的數(shù)字，是沒有大小限制的，可以無限的大。但在計算機中，由于受硬件的制約，數(shù)據(jù)都是有長度限制的（我們稱為數(shù)據(jù)寬度），超過最多寬度的數(shù)據(jù)會被丟棄。

#import <UIKit/UIKit.h>
#import "AppDelegate.h"

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

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

計算機中常見的數(shù)據(jù)寬度

  • 位(Bit): 1個位就是1個二進制位.0或者1
  • 字節(jié)(Byte): 1個字節(jié)由8個Bit組成(8位).內(nèi)存中的最小單元Byte.
  • 字(Word): 1個字由2個字節(jié)組成(16位),這2個字節(jié)分別稱為高字節(jié)和低字節(jié).
  • 雙字(Doubleword): 1個雙字由兩個字組成(32位)

寄存器

內(nèi)部部件之間由總線連接

寄存器內(nèi)部器件

  • 對程序員來說，CPU中最主要部件是寄存器，可以通過改變寄存器的內(nèi)容來實現(xiàn)對CPU的控制
  • 不同的CPU，寄存器的個數(shù)、結構是不相同的

通用寄存器

  • ARM64擁有有31個64位的通用寄存器 x0 到 x30,這些寄存器通常用來存放一般性的數(shù)據(jù)，稱為通用寄存器（有時也有特定用途）

    • 那么w0 到 w28 這些是32位的. 因為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!


      通用寄存器

  • 通常，CPU會先將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)存儲到通用寄存器中，然后再對通用寄存器中的數(shù)據(jù)進行運算

  • 假設內(nèi)存中有塊紅色內(nèi)存空間的值是3，現(xiàn)在想把它的值加1，并將結果存儲到藍色內(nèi)存空間


  • CPU首先會將紅色內(nèi)存空間的值放到X0寄存器中：mov X0,紅色內(nèi)存空間

    • 然后讓X0寄存器與1相加：add X0,1
    • 最后將值賦值給內(nèi)存空間：mov 藍色內(nèi)存空間,X0

pc寄存器(program counter)

  • 為指令指針寄存器，它指示了CPU當前要讀取指令的地址
  • 在內(nèi)存或者磁盤上，指令和數(shù)據(jù)沒有任何區(qū)別，都是二進制信息
  • CPU在工作的時候把有的信息看做指令，有的信息看做數(shù)據(jù)，為同樣的信息賦予了不同的意義
    • 比如 1110 0000 0000 0011 0000 1000 1010 1010
    • 可以當做數(shù)據(jù) 0xE003008AA
    • 也可以當做指令 mov x0, x8
  • CPU根據(jù)什么將內(nèi)存中的信息看做指令？
    • CPU將pc指向的內(nèi)存單元的內(nèi)容看做指令
    • 如果內(nèi)存中的某段內(nèi)容曾被CPU執(zhí)行過，那么它所在的內(nèi)存單元必然被pc指向過

bl指令

  • CPU從何處執(zhí)行指令是由pc中的內(nèi)容決定的，我們可以通過改變pc的內(nèi)容來控制CPU執(zhí)行目標指令

  • ARM64提供了一個mov指令（傳送指令），可以用來修改大部分寄存器的值，比如

    • mov x0,#10、mov x1,#20

  • 但是，mov指令不能用于設置pc的值，ARM64沒有提供這樣的功能

  • ARM64提供了另外的指令來修改PC的值，這些指令統(tǒng)稱為轉移指令，最簡單的是bl指令

bl指令 -- 練習

現(xiàn)在有兩段代碼!假設程序先執(zhí)行A,請寫出指令執(zhí)行順序.最終寄存器x0的值是多少?

_A:
    mov x0,#0xa0
    mov x1,#0x00
    add x1, x0, #0x14
    mov x0,x1
    bl _B
    mov x0,#0x0
    ret

_B:
    add x0, x0, #0x10
    ret
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