初识汇编

初识汇编

汇编语言(assembly language)

使用助记符代替机器语言

• 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:

15193669666308

• 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

高级语言有很多，例如C语言、OC、Swift，例如就一句打印语句，高级语言都有很多的写法，最终都会得到唯一的汇编指令，但是汇编是不知道开发者是通过什么语言，什么语法来得到汇编的，所以也就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

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）
  • ......
• 我们iPhone里面用到的是ARM汇编,但是不同的设备也有差异.因CPU的架构不同.

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

APP/程序的执行过程

15193672391363

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

举个例子

来至书上的截图

• 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（2²⁰ ）

• 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

内存

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2²⁰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

二进制、八进制、十六进制是完美进制，因为他们之间可以互相转换

八进制加法表

 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

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

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。

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)

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!

15178439312380

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    C    B    A    9    8
      -1   -2   -3   -4   -5   -6   -7   -8

CPU&寄存器

15193738988252

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位部分并不是独立存在的。

• 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

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

通用寄存器

• 通用寄存器也称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拥有有32个64位的通用寄存器 x0 到 x30，以及XZR(零寄存器),这些通用寄存器有时也有特定用途。
  • 那么w0 到 w28 这些是32位的. 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!

注意:
了解过8086汇编的同学知道，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

15193699098685

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

15193703231861

• 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

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

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.

bl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，最简单的是bl指令

bl标号

• 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!

x30寄存器

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!

bl 和ret是配套使用的

b：标号，转到标号处执行指令，通俗理解就是：要跳转到哪里，函数/方法调用

l：记录回去的路，lr寄存器的值，lr里面存放的就是ret回去的地址，接下来要执行的地址

ret：return，返回，类似函数，方法里面的的return

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!!

函数调用栈

sub    sp, sp, #0x40             ; 拉伸0x40（64字节）空间
stp    x29, x30, [sp, #0x30]     ;x29\x30 寄存器入栈保护
add    x29, sp, #0x30            ; x29指向栈帧的底部
... 
ldp    x29, x30, [sp, #0x30]     ;恢复x29/x30 寄存器的值
add    sp, sp, #0x40             ; 栈平衡
ret

15468434153501

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 还可以同时操作2个寄存器.

函数的参数和返回值

ARM64下,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.
函数的返回值是放在X0 寄存器里面的.

对象指针等8个字节的地址放在X0~X7里面，X是64位的

基本数据类型，int等4个字节的地址放在W0～W7里面，W是32位的

疑问：oc写方法的时候，方法一般都不超过几个参数呢？

答：6个，因为在消息转发的时候，默认就有两个参数，一个self或者super，一个@selector

总结

1. ARM64里面 对栈的操作是16字节对齐的!!，不是16字节读取的话会报坏内存访问错误！

2. 死循环/死递归，死循环不一定会程序崩溃，死递归就会崩溃，崩溃的原因：堆栈溢出，递归一直在函数调用，函数调用就一直开辟栈空间，栈空间是高地址往低地址拉伸，数据写入是往高地址写，堆空间是低地址往高地址拉伸，当堆空间和栈空间的栈顶相互碰撞的时候，就发生堆栈溢出，此时，程序崩溃！

3. arm64系的CPU来说， 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位部分并不是独立存在的！！！

4. 栈空间是往低地址拉伸开辟空间，读/写 数据是都是往高地址读/写

5. • 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
   • ldp 和 stp 是ldr和str的变种，可以同时操作2个寄存器

6. SP指向栈顶，FP是X29寄存器，FP只是X29寄存器的昵称，指向栈底，lr是X30寄存器，只是X30寄存器的昵称，存放函数的返回地址，当ret指令执行时刻,会寻找x30寄存器保存的地址值!