汇编语言学习（3)

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内存段

​ 上面讨论的汇编程序的三个部分，也代码各种内存段。

​ 有趣的是，如果将 section 关键字替换为 segment，将会得到相同的结果，这是因为对于汇编器而言，这两个关键字在某些上下文中是可以互相使用的，这两个关键字都是为了告诉汇编器下面的代码是代码段。

内存段

​ 在分段内存模型中，系统内存被划分为不同的独立段组，每个段组由位于段寄存器中的指针引用。

​ 每个段用于包含特定类其型的数据。其中一个段用于包含指令代码，另一个段用于存储数据元素，第三个段用于保存程序堆栈。

​ 这种划分使得程序可以更灵活地管理内存，有选择地引用不同类型的数据和指令，从而更有效地执行各种计算任务。

​ 因此，我们可以将各种内存段指定为：

• **数据段：由 .data 部分和 .bss 部分表示。 .data 部分用于声明内存区域，其中为程序存储数据元素，该部分在数据元素声明后无法扩展，并且在整个程序中保持静态。.bss 部分也是一个静态内存部分，其中包含稍后在程序中声明的数据的缓冲区。该缓冲区被零填充。
• **代码段：**它由 .text 部分表示。这定义了内存中存储指令代码的区域。这也是一个固定区域。
• **堆栈：**该段包含传递给程序内的函数和过程的数据值。

寄存器

​ 处理器操作主要涉及对数据的处理，而数据通常存储在内存中。然而，内存访问可能会降低处理器速度，因为它需要通过控制总线发送请求并进行复杂的内存访问。

​ 为了提高速度，处理器包含一些内部存储位置，称为寄存器。

处理器寄存器

​ IA-32架构中包含 10 个 32 位和 6 个 16 位的处理器寄存器，主要分为三类：

1. **通用寄存器：**通用寄存器用于存储临时数据，进行算术、逻辑运算等操作。
2. **控制寄存器：**控制寄存器用于控制和反映处理器的状态。
3. **段寄存器：**段寄存器用于存储各个段的起始地址，实现内存访问和管理。

​ 通用寄存器进一步可以分为：

1. 数据寄存器
2. 指针寄存器
3. 索引寄存器

数据寄存器

​ 在IA-32架构中，有四个32位的数据寄存器，分别是EAX、EBX、ECX、EDX。这些寄存器可以按照不同的位数划分为更小的寄存器，具体如下：

• 作为完整的32位数据寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX。
• 32 位寄存器的下半部分可用作四个 16 位数据寄存器：AX、BX、CX 和 DX。
• 上述4个16位寄存器的下半部分和上半部分可以用作8个8位数据寄存器：AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH和DL。

​ 一些数据寄存器在算术运算中具有特定用途：

• AX： 主累加器，用于输入/输出和大多数算术指令。例如，在乘法运算中，根据操作数的大小将一个操作数存储在EAX或AX或AL寄存器中。
• BX： 被称为基址寄存器，用于索引寻址。
• CX： 被称为计数寄存器，与ECX一样，存储迭代操作中的循环计数。
• DX： 数据寄存器，用于输入/输出操作，与AX寄存器和DX一起使用，用于涉及大值的乘法和除法运算。

指针寄存器

​ 指针寄存器是指 32 位的 EIP、ESP 和 EBP 寄存器以及相应的 16 位 右部分 IP、SP 和 BP。

​ 指针寄存器可以分为三类：

1. **指令指针（IP）：**16 位 IP 寄存器存储下一条要执行的指令的偏移地址。 IP 与 CS 寄存器（代码段）（如CS : IP）关联，给出了代码段中当前指令的完整地址。
2. 堆栈指针（SP）： 16 位 SP 寄存器提供程序堆栈内的偏移值。 SP 与 SS 寄存器（堆栈段）（SS:SP）相关，指的是程序堆栈中数据或地址的当前位置。
3. 基址指针（BP）： 16 位 BP 寄存器主要帮助引用传递给子程序的参数变量。 SS 寄存器中的地址与 BP 中的偏移量相结合，得到参数的位置。 BP 还可以与 DI、SI（索引寄存器） 组合作为基址寄存器进行特殊寻址。

索引寄存器

​ 索引寄存器包括32位的 ESI 和 EDI 以及它们的 16 位最右边的部分。SI 和 DI 通常用于索引寻址，并有时用于执行加法和减法操作。这两个索引指针分别是：

1. 来源索引 (SI)： 用作字符串操作的源索引。在字符串处理中，SI通常用于指向源字符串的当前位置。
2. 目的地索引 (DI)： 用作字符串操作的目标索引。DI通常用于指向目标字符串的当前位置，特别是在字符串复制等操作中。

控制寄存器

​ 控制寄存器包括 32 位指令指针寄存器和 32 位标志寄存器，用于管理程序的执行流程和状态。其中的常见标志位有：

• 溢出标志 (OF)： 表示有符号算术运算后数据的高位（最左位）是否溢出。

• 方向标志 (DF)： 确定移动或比较字符串数据的左或右方向。DF为0时，字符串操作从左到右；DF为1时，字符串操作从右到左。

• 中断标志 (IF)： 决定是否忽略或处理外部中断，如键盘输入。IF为0时禁用外部中断，为1时启用中断。

• 陷阱标志 (TF)： 允许将处理器设置为单步模式，以便一次执行一条指令，常用于调试。

• 符号标志 (SF)： 显示算术运算结果的符号，由最左边位的高位表示。SF为0表示正结果，为1表示负结果。

• 零标志 (ZF)： 表示算术或比较运算的结果是否为零。ZF为1表示零结果，为0表示非零结果。

• 辅助进位标志 (AF)： 包含算术运算后从位 3 到位 4 的进位，用于特殊的算术操作。

• 奇偶校验标志 (PF)： 表示算术运算结果中1位的总数，用于奇偶校验。PF为1表示奇数个1位，为0表示偶数个1位。

• 进位标志 (CF)： 包含算术运算后从高位（最左边）的进位，也存储shift或rotate操作的最后一位内容。

段寄存器

​ 段在计算机内存中是为了组织和管理存储空间而引入的概念。在汇编编程中，处理器通过段寄存器来访问内存位置。以下是关于段的主要信息：

1. 代码段（CS）：
   • 包含要执行的指令的区域。
   • 由 16 位代码段寄存器（CS 寄存器）存储代码段的起始地址。
2. 数据段（DS）：
   • 包含数据、常量和工作区的区域。
   • 由 16 位数据段寄存器（DS 寄存器）存储数据段的起始地址。
3. 堆栈段（SS）：
   • 包含过程或子例程的数据和返回地址，实现为堆栈数据结构。
   • 由16位堆栈段寄存器（SS 寄存器）存储堆栈的起始地址。
4. 其他段寄存器：
   • 额外段（ES）： 提供额外的段来存储数据。
   • FS 和 GS： 提供额外的段用于特定目的。

​ 在汇编编程中，程序需要访问内存位置。段内的所有内存位置都相对于段的起始地址。段从可被 16 整除的地址开始，因此所有这类内存地址中最右边的十六进制数字通常是 0。为了引用段中的任何内存位置，处理器将段寄存器中的段地址与该位置的偏移值组合起来。

示例

​ 下面的程序会在代码中输出 9 个连续的星号。

section	.text
   global _start	 ;必须为链接器声明（gcc）
	
_start:	         ;告诉链接器入口点
   mov	edx,len  ;消息长度
   mov	ecx,msg  ;要写入的消息
   mov	ebx,1    ;文件描述符（stdout）
   mov	eax,4    ;系统调用号（sys_write）
   int	0x80     ;调用内核
	
   mov	edx,9    ;消息长度
   mov	ecx,s2   ;要写入的消息
   mov	ebx,1    ;文件描述符（stdout）
   mov	eax,4    ;系统调用号（sys_write）
   int	0x80     ;调用内核
	
   mov	eax,1    ;系统调用号（sys_exit）
   int	0x80     ;调用内核
	
section	.data
msg db 'Displaying 9 stars',0xa ;一条消息
len equ $ - msg  ;消息的长度
s2 times 9 db '*' ;9个星号

​ 我们使用以下命令进行编译和执行：

nasm -f elf nine_stars.asm 
ld -m elf_i386 -s -o nine_stars nine_stars.o

​ 输出结果如下：

Displaying 9 stars
*********

系统调用

​ 系统调用是用户空间和内核空间之间接口的 API。我们之前已经使用过了 sys_write 和 sys_exit 这两个系统调用，分别用于写入屏幕和退出程序。

Linux 系统调用

​ 我们在汇编程序中使用系统调用，需要按照如下步骤：

1. 将系统调用号放入 EAX 寄存器中；
2. 将系统调用的参数存储在 EBX、ECX 等寄存器中
3. 调用相关中断（0x80），然后执行 EAX 中的系统调用号对应的程序
4. 结果通常返回 EAX 寄存器中

​ 可以存储系统调用参数的存储器有 基址寄存器 EBX、计数寄存器 ECX、数据寄存器 EDX、源索引寄存器 ESI、目标索引寄存器 EDI、基址指针寄存器 EBP。

​ 下面给大家演示一下几个示例：

​ （1）使用 sys_exit：

mov eax, 1 ; 系统调用号 sys_exit
int 0x80   ; 调用内核

​ （2）使用 sys_write：

mov edx, 4		; 消息长度
mov ecx, msg	; 要写入的消息
mov ebx, 1		; 文件描述符
mov eax, 4		; 系统调用号
int 0x80		; 调用内核

常见系统调用

%eax	Name	%ebx	%ecx	%edx	%esx	%edi
1	sys_exit	int	-	-	-	-
2	sys_fork	struct pt_regs	-	-	-	-
3	sys_read	unsigned int	char *	size_t	-	-
4	sys_write	unsigned int	const char *	size_t	-	-
5	sys_open	const char *	int	int	-	-
6	sys_close	unsigned int	-	-	-	-

示例

​ 下面举一个复杂一点的例子，包含了之前我们讲过的 data、bss、text 三个部分，也希望通过这个例子，加深一下大家对 data 部分和 bss 部分的区别

section .data                           ; 数据段
   userMsg db '请输入一个数字： '        ; 提示用户输入数字的消息
   lenUserMsg equ $-userMsg             ; 消息的长度
   dispMsg db '您输入的是： '
   lenDispMsg equ $-dispMsg                 

section .bss           ; 未初始化的数据
   num resb 5            ; 用于存储用户输入的变量，5字节

section .text          ; 代码段
   global _start        ; 声明程序入口点

_start:                ; 程序入口
   ; 输出提示消息 '请输入一个数字： '
   mov eax, 4
   mov ebx, 1
   mov ecx, userMsg
   mov edx, lenUserMsg
   int 80h
   ; 读取并存储用户输入
   mov eax, 3
   mov ebx, 2
   mov ecx, num  
   mov edx, 5          ; 读取5字节的信息（数字和符号，1字节）
   int 80h	
   ; 输出消息 '您输入的是： '
   mov eax, 4
   mov ebx, 1
   mov ecx, dispMsg
   mov edx, lenDispMsg
   int 80h  
   ; 输出用户输入的数字
   mov eax, 4
   mov ebx, 1
   mov ecx, num
   mov edx, 5
   int 80h  
   ; 退出程序
   mov eax, 1
   mov ebx, 0
   int 80h

​ 同样，我们需要通过下述命令来编译运行：

nasm -f elf get_num.asm 				# 将汇编程序编译成机器码
ld -m elf_i386 -s -o get_num get_num.o	# 将目标文件和其他必要的文件组合成可执行文件
./get_num 								# 运行可执行文件

​ 输出结果如下：

请输入一个数字： 
123
您输入的是： 123